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从底层原理上理解ClickHouse 中的 Distributed 引擎

news 2025/9/17 12:31:22

ClickHouse 的 Distributed 引擎 是实现大规模分布式查询和高可用性的关键技术之一，它允许集群中的多个节点协同工作，提供横向扩展能力和负载均衡机制。在底层，Distributed 引擎通过一系列的机制和策略，确保数据的分布、查询的并行执行、数据合并等操作高效执行。以下从底层架构、分片、查询执行、数据传输以及容错机制等方面详细介绍 Distributed 引擎的工作原理。

1. 底层架构概述

在分布式系统中，查询的处理需要考虑数据的分布、计算的并行性以及数据传输的高效性。ClickHouse 的 Distributed 引擎在这方面提供了透明化的支持，使用户可以像操作单一节点一样操作分布式集群。

Distributed 引擎自身并不存储数据，而是充当一个代理层，它通过定义集群拓扑，将查询任务分发给集群中不同节点上的实际表。每个节点上使用的表通常是基于 MergeTree 系列引擎的表，用于存储实际的数据。

Distributed 引擎的核心组件：

协调节点（Coordinator Node）：负责接收用户的查询请求，并将查询分发到集群中的其他节点，同时合并各个节点的查询结果。
分片（Shards）：每个分片包含集群中的一个或多个节点，用于存储数据的不同部分。每个分片可以进一步有多个副本（replicas）以提高可用性。
分片键（Sharding Key）：决定数据如何在不同分片之间进行分布。分片键通常是某个列或多列的组合，ClickHouse 使用这些列的值对数据进行哈希或其他分片算法的运算，从而决定数据的存储位置。

2. 数据分布和分片机制

分片模型（Sharding Model）：

数据在 Distributed 引擎中通过分片存储，每个分片存储数据集的一部分。如何将数据分配到不同的分片是分片机制的核心，常见的分片方式包括：

基于哈希的分片（Hash-based Sharding）：最常用的分片方式之一，系统对分片键的值进行哈希计算，然后根据哈希值将数据分配到不同的分片中。这种方式可以保证数据均匀分布，避免数据倾斜。
范围分片（Range Sharding）：根据分片键的范围来进行数据分片，适用于时间序列数据等可以按顺序存储的数据集。
自定义分片：用户可以基于业务逻辑自行定义分片策略，以实现更复杂的数据分布需求。

分片键的选择：

分片键的选择至关重要，它影响到查询的效率和数据的均匀分布。理想的分片键应该使得数据能够均匀分布在所有分片上，避免热点问题（即某些分片存储的数据远远多于其他分片，导致这些分片的节点负载过高）。

分片与副本（Shards and Replicas）：

每个分片可以有多个副本（replica），副本之间数据一致，用于容错和高可用性。
Distributed 引擎可以自动选择副本，在某个副本不可用时切换到其他副本，这大大提升了系统的可用性和容错能力。

3. 查询执行流程

当客户端向 Distributed 表发起查询时，整个过程分为以下几个步骤：

1. 查询解析与分发：

查询首先由协调节点（Coordinator Node）解析。协调节点并不会处理实际数据，而是负责将查询路由到合适的分片和副本上。
协调节点根据查询的条件和分片键，判断哪些分片需要参与此次查询，并将查询请求并行分发到这些分片上的节点。

2. 局部查询的执行：

每个分片上的节点接收到查询请求后，执行局部查询。通常这些节点上的表使用 MergeTree 系列引擎，支持高效的数据存储、索引和查询优化。
局部查询的结果可以是部分数据，也可以是已经完成的聚合结果，具体取决于查询类型。

3. 数据传输与合并：

局部查询完成后，每个节点将结果集传输回协调节点。
协调节点负责将不同分片的结果集进行合并。对于简单的 SELECT 查询，合并可能只是将结果集连接起来；对于涉及聚合、排序的查询，协调节点还需要对各个分片的部分结果进行最终的汇总或排序。

4. 返回最终结果：

协调节点将合并后的结果集返回给客户端，整个查询过程结束。

4. 数据传输与网络优化

分布式数据传输：

数据传输是分布式查询中的关键瓶颈，特别是当查询需要跨多个节点进行时，网络 I/O 和数据序列化/反序列化的开销可能非常高。ClickHouse 采用了一系列技术来优化数据传输：

批量数据传输：ClickHouse 避免逐行传输数据，而是尽可能地将数据批量传输，以减少网络 I/O 次数。
数据压缩：通过使用高效的数据压缩算法（如 LZ4、ZSTD），减少在网络上传输的数据量，进一步降低 I/O 开销。
异步查询执行：Distributed 引擎采用异步查询模式，允许多个分片的查询任务并行执行并独立返回结果，减少查询的整体等待时间。

智能副本选择：

在分片有多个副本时，Distributed 引擎会自动选择一个最合适的副本来执行查询，副本选择的逻辑包括：

负载均衡：尽量将查询请求分散到不同的副本上，以均衡各个节点的负载。
网络延迟：选择网络延迟较低的副本来执行查询，减少数据传输的时间。
副本可用性：自动跳过不可用的副本，选择可用副本来保证查询的高可用性。

5. 容错和高可用机制

副本切换与恢复：

如果一个分片的主副本发生故障，Distributed 引擎会自动将查询路由到该分片的其他副本，保证查询的连续性和高可用性。
副本之间的数据通过复制机制保持一致性。当主副本恢复后，可以通过 ClickHouse 的自动复制机制将丢失的数据同步回来。

动态节点管理：

Distributed 引擎支持动态添加或移除节点。新加入的节点可以通过数据重分布机制快速接入集群，承担部分负载；故障节点恢复后，也可以自动重新加入集群。

容错机制：

当某些分片的节点暂时不可用时，Distributed 引擎可以智能地跳过这些节点，继续执行部分查询，并返回部分结果集。
对于有副本的分片，如果查询时某个副本不可用，系统会自动切换到其他副本。

6. 跨数据中心部署

ClickHouse 的 Distributed 引擎支持跨数据中心部署，这对于全球性业务或需要地理分布的集群尤为重要。跨数据中心部署时，需要处理以下挑战：

网络延迟：跨数据中心的网络延迟较高，Distributed 引擎通过智能副本选择和批量数据传输，尽量减少跨数据中心的数据交换。
数据一致性：不同数据中心之间的副本可能存在数据同步延迟，ClickHouse 的复制机制可以确保数据最终一致性，同时支持异步复制模式以降低同步延迟。

7. 查询优化策略

本地化查询优化：

如果查询条件中包含分片键，ClickHouse 可以根据分片键的值提前判断哪些分片可能包含相关数据，从而将查询只发送给必要的分片，避免不必要的全分片扫描。
例如，如果分片键是时间戳列，并且查询包含时间范围过滤条件，Distributed 引擎可以仅将查询路由到包含该时间范围数据的分片。

预先聚合与分片内聚合：

在涉及聚合操作的查询中，每个分片的节点可以首先对本地数据进行局部聚合，然后将部分聚合结果返回给协调节点，协调节点只需要执行最终的聚合操作。这种 "预先聚合" 策略可以显著减少跨节点的数据传输量。

总结

ClickHouse 的 Distributed 引擎是分布式查询和数据存储的核心，它通过分片和副本机制将数据分布在多个节点上，提供了良好的横向扩展性和高可用性。在底层，Distributed 引擎依赖于分布式数据路由、并行查询执行、数据传输优化和容错机制来确保大规模数据集下的高效查询。合理的分片键设计、智能的副本选择、批量数据传输和异步执行策略都是确保其高性能和高可用的关键。