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Apache Arrow Flight ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク 須藤功平 株式会社クリアコード db tech showcase 2021 2021-11-17 Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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モチベーション ビッグデータを 処理したい！ Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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ビッグデータ処理に必要なもの ✓ 大量データ：データがないと始まらない！ ✓ 速度：速くないと処理しきれない！ Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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大量データの収集に必要なもの ✓ データ収集ツール ✓ 例：ログ：Fluentd/Fluent Bit ✓ ストレージ ✓ 例：Amazon S3 ✓ 効率的なデータフォーマット ✓ トレードオフ：空間効率と時間効率 ✓ 例：CSVよりApache Parquet Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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高速処理に必要なもの ✓ 高速な分散システム ✓ 1台では処理しきれない ✓ 高速なアルゴリズムとその実装 ✓ 個々の処理が速くなると全体も速くなる Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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今日注目すること 高速な分散システム Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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高速な分散システムに必要なもの ✓ 効率のよいタスク管理 ✓ より速く処理が終わるようなリソース配分 ✓ 効率のよいデータ転送 ✓ ノード間でのデータ交換コストは無視できない Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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大量データの交換コスト Don’t Hold My Data Hostage – A Case For Client Protocol Redesign Mark Raasveldt Hannes Mühleisen Centrum Wiskunde & Informatica Amsterdam, The Netherlands Centrum Wiskunde & Informatica Amsterdam, The Netherlands m.raasveldt@cwi.nl hannes@cwi.nl Netcat (10.25s) 101.3 MySQL Operation Connection Query Execution RSS + Transfer 170.9 DB2 189.6 DBMS X 202 PostgreSQL 221.2 MonetDB 391.3 MySQL+C 629.9 Hive 686.5 MongoDB 0 200 400 600 Wall clock time (s) Figure 1: Wall clock time for retrieving the lineitem Figure 2: Communication between a client and a table (SF10) over a loopback connection. The server dashed line is the wall clock time for netcat to trans- fer a CSV of the data. https://hannes.muehleisen.org/p852-muehleisen.pdf Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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大量データの交換コスト ✓ ボトルネックになりやすい a. シリアライズ・デシリアライズ b. ネットワーク帯域 ✓ 目指すところ ✓ メイン処理がボトルネック （メイン処理以外が十分速い） Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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解決策 Apache Arrow Flight Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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Apache Arrow Flightと私 ✓ Apache ArrowプロジェクトのPMCメンバー ✓ Apache Arrow Flightも開発しているプロジェクト ✓ PMC：プロジェクト管理委員会 ✓ コミット数2位 Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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Apache Arrow Flight ✓ gRPCベースのデータ転送フレームワーク ✓ ポイント ✓ 並列転送対応 ✓ 「効率のよいタスク管理」に有用 ✓ ストリーム処理対応 ✓ 「効率のよいタスク管理」に有用 ✓ シリアライズ・デシリアライズがほぼ不要 ✓ 「効率のよいデータ転送」に有用 Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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簡単な使い方 https://arrow.apache.org/img/20191014_flight_simple.png Apache License 2.0 - © 2016-2021 The Apache Software Foundation Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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GetFlightInfo ✓ クライアント→サーバー ✓ データの取得方法を教えてもらう ✓ サーバーはFlightInfoを返す ✓ FlightInfoの中身 ✓ メタデータ：スキーマ・総レコード数… ✓ 複数エンドポイント： データは複数ヶ所に分散しているかもしれない！ Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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DoGet ✓ クライアント→サーバー ✓ データを取得する ✓ サーバーはレコードバッチをストリームで返す ✓ プロトコルレベルではFlightDataと呼んでいる ✓ レコードバッチ ✓ データ全体のうちの一部のレコードの集まり Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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Apache Arrow Flightが扱うデータ カラム1 カラム2 カラム3 レコード1 レコード バッチ1 レコード2 ✓ 型付きのテーブルデータ レコード3 レコード4 レコード バッチ2 レコード5 ✓ RDBMSで扱うようなデータ ✓ カラムごとに型がある ✓ すべてのレコードは同じカラム構成 ✓ レコードバッチ ✓ テーブルデータ内の連続したレコードの集まり Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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レコードバッチストリーム クライアント サーバー レコード バッチ1 レコード バッチ2 レコード1 レコード4 レコード2 レコード5 レコード3 Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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なぜストリームが重要か ✓ 大量データを準備ができた順に処理できる ✓ 全部準備ができるまで待たなくてよい ✓ リソースを有効活用できる ✓ レコードバッチのストリームでいいの？ ✓ レコードのストリーム方がいいんじゃない？ Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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ストリームの単位 ✓ レコード b c 2 値 値 値 3 値 値 値 レコード バッチ 単位 レコード 単位 カラム a 1 値 値 値 カラム a b c 1 値 値 値 2 値 値 値 3 値 値 値 ✓ レコード単位で処理できる ✓ データはレコード単位でまとめる ✓ レコードバッチ ✓ 複数レコードをまとめて処理できる ✓ データをカラム単位でまとめられる Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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レコードバッチと処理 ✓ 複数レコードをまとめて処理 b c レコード バッチ 単位 レコード 単位 カラム a 1 値 値 値 2 値 値 値 3 値 値 値 カラム a b c 1 値 値 値 2 値 値 値 3 値 値 値 ✓ SIMDを活用すればレコード単位の処理より高速 ✓ カラム単位でまとまったデータ ✓ 分析処理が高速 ✓ ビッグデータ処理の多くは分析処理なはず Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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詳細 Apache Arrowフォーマットは なぜ速いのか 須藤功平 株式会社クリアコード db tech showcase ONLINE 2020 2020-12-08 Apache Arrowフォーマットはなぜ速いのか Powered by Rabbit 3.0.1 https://slide.rabbit-shocker.org/authors/kou/db-tech-showcase-online-2020/ Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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高速な分散システムの実現方法 ✓ レコードバッチのストリーム ここまでで説明したこと ✓ 待ち時間を減らせる ✓ 受け取ったデータを高速処理できる ✓ スケールアウト これから説明すること ✓ データを複数ノードで分散処理 ✓ それを効率的に扱う Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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スケールアウト構成例 https://arrow.apache.org/img/20191014_flight_complex.png Apache License 2.0 - © 2016-2021 The Apache Software Foundation Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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ポイント1：ムダな転送を回避可能 ✓ 多くの分散システム ✓ 「コーディネーター」経由で通信 ✓ ノード→コーディネーター→クライアント ✓ Apache Arrow Flight ✓ 直接クライアントがデータ取得可能 ✓ ノード→クライアント Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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ポイント2：並列転送可能 ✓ 同時に複数ノードからデータ取得可能 ✓ データごとに異なるエンドポイントだから可能 ✓ ストリームなので各データを随時処理可能 Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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個々のデータ転送も速い ✓ 個々のデータ転送のボトルネック ✓ シリアライズ・デシリアライズ ✓ どうすれば速くできる？ ✓ なにもしなきゃいいじゃん！ Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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なにもしない？ ✓ そもそもなぜシリアライズが必要？ ✓ メモリー上のデータの配置と 通信時のデータの配置が違うから ✓ シリアライズしなくて済むには？ ✓ メモリー上のデータの配置と 通信時のデータの配置を同じにすればいい！ Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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Apache Arrowフォーマット ✓ シリアライズ不要フォーマット ✓ メモリー上で効率よくデータを扱える配置 ✓ データ交換時も↑と同じ配置を使う ✓ Apache Arrow Flightが扱うデータは Apache Arrowフォーマット ✓ 個々のデータ転送も速い！ Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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Apache Arrow Flightのまとめ ✓ 高速データ転送フレームワーク ✓ 並列転送対応 ✓ ストリーム処理対応 ✓ シリアライズ・デシリアライズがほぼ不要 ✓ gRPCベース ✓ 既存のgRPCライブラリーでも接続可能 ✓ 専用ライブラリーあり：C, C++, C#, Go, Java, Python, R, Ruby, Rust Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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Apache Arrow Flightの利用事例 Apache Arrow Ballista Apache License 2.0 - © 2016-2021 The Apache Software Foundation Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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Apache Arrow Ballista ✓ Rust実装の分散計算プラットフォーム ✓ データはApache Arrowフォーマット ✓ 通信はgRPCとApache Arrow Flight Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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アーキテクチャー Apache Arrow Flight Apache Arrow Flight Apache License 2.0 - © 2016-2021 The Apache Software Foundation Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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Apache Arrow Ballistaでの使い方 ✓ DoGetだけ使っている ✓ 処理済みのパーティションを受け取る ✓ 大量データになりうる ✓ その他の通信は素のgRPC ✓ 各Executorへの処理の依頼など ✓ 大量データにはならない Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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さらにApache Arrow Flight ✓ 利用可能なリクエスト ✓ ミドルウェア ✓ 将来の展望 Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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利用可能なリクエスト1 ✓ Handshake ✓ 認証 ✓ ListFlights ✓ 利用可能なデータの取得方法一覧を取得 ✓ GetSchema/DoGetなどで使える ✓ GetFlightInfo ✓ 指定したデータの取得方法を取得 ✓ GetSchema/DoGetなどで使える Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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利用可能なリクエスト2 ✓ GetSchema ✓ 指定したデータのスキーマを取得 ✓ DoGet：指定したデータを取得 ✓ DoPut：データを送信 ✓ DoExchange：データを送受信 Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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利用可能なリクエスト3 ✓ DoAction ✓ 任意の処理を実行 ✓ 普通のRPCなので素のgRPCでも十分 ✓ ListActions ✓ 利用可能なアクション一覧を取得 Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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ミドルウェア ✓ プラグインみたいなもの ✓ サーバー側・クライアント側両方あり ✓ 利用例 ✓ 認証機能 ✓ 分散トレーシング機能 Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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将来の展望1 ✓ gRPC以外もサポートするかも ✓ https://issues.apache.org/jira/browse/ARROW-13889 ✓ メーリングリストで議論中 ✓ 候補：UCX https://openucx.org/documentation/ ✓ RDMA/GPUなどハードウェアも活用した高速通信 Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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将来の展望2 ✓ Apache Arrow Flight SQLの追加 ✓ https://issues.apache.org/jira/browse/ARROW-9825 ✓ Apache Arrow Flight経由で各種RDBMSとやりとり ✓ GetFlightInfoでSQL送信 ✓ DoGetで結果を受信 ✓ RDBMSとFlightアダプターの間のシリアライズがボトルネックになりそうな気 がするんだけど、RDBMSのプロセス内にFlightアダプターを実装するのか な。。。 Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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まとめ ✓ 大量データのやりとりは シリアライズ・デシリアライズが遅い ✓ Apache Arrow Flightでそのコストをなくせる ✓ さらに高速に扱う仕組みもある ✓ 並列転送やストリーム処理 ✓ 将来：UCXやFlight SQL Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
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次のステップ ✓ もっと詳しく知りたくなったから イベント・社内・…で紹介して！ ✓ https://www.clear-code.com/contact/ ✓ アンケートに答えてね！ ✓ ⇗のQRコードあるいは⇓ https://www.clear-code.com/surveys/db-tech-showcase-2021.html Apache Arrow Flight - ビッグデータ用高速データ転送フレームワーク Powered by Rabbit 3.0.2
