DEIM Forum 2014 D1-5 カラム構造と圧縮による Hadoop から PostgreSQL へのロード高速化に関 する実験と考察 若森 拓馬† 健† 山室 寺本 純司† 剛† 西村 † NTT ソフトウェアイノベーションセンタ 〒 180–0012 東京都武蔵野市緑町 3–9–11 E-mail: †{wakamori.takuma,yamamuro.takeshi,teramoto.junji,nishimura.go}@lab.ntt.co.jp あらまし ログ分析などの用途で Apache Hadoop 上に蓄積された大規模データを単一の RDBMS へロードする際, ロード時間が長期化する問題がある.ロード時間の中では,特にネットワーク転送時間が大きいことから,データの 圧縮によって転送時間短縮を図る.圧縮を行う場合,圧縮率,圧縮・伸長速度がロード時間に影響する.本論文では, データ転送ツールのプロトタイプを設計・実装し,異なる圧縮率,圧縮・伸長速度をもつ複数の圧縮形式について速 度比較実験を行った.実験結果をもとに,データ圧縮のロード時間短縮に対する有効性について考察した. キーワード 1. 背 Hadoop,PostgreSQL,バルクロード,圧縮 す.Twitter を用いた情報推薦サービスなどにおいては,サー 景 ビス品質の低下につながる恐れがある. 業務アプリケーションのログデータやセンサデータなどの非 この問題を具体化するため,Hadoop から RDBMS へのロー 構造データを大規模に蓄積し,統計処理などの分析を行い,新 ド処理を次の 2 段階に分割し,それぞれの処理に要する時間を しい価値を創出する取り組みが企業等において盛んに行われて 調査する予備実験を実施した. いる.大規模データの分析は,図 1 に示すような,データの (1) ( 1 ) HDFS から RDBMS へのデータのネットワーク転送 蓄積,(2) 加工 (抽出),(3) 分析という各処理で構成される.こ ( 2 ) 転送後データの RDBMS のテーブルへのロード のうち蓄積処理と抽出処理は,大規模データに対する I/O 性能 予備実験では,汎用的なハードウェア構成 (注 1) を用いて, 要件が大きいことから,Hadoop などの分散システムが用いら Hadoop のファイルシステムである HDFS 上のテキストデータ れる.一方,分析処理は人手で実施するため,応答性能要件が を OSS の RDBMS である PostgreSQL へロードする際のデー 大きいことから,RDBMS が用いられる.このように,複数の タ転送・ロードの各処理に要する時間を測定した.予備実験の システムを適材適所に用いることで分析処理全体の効率化を図 結果を図 2 に示す.結果から,データ転送・ロードの各処理に る取り組みが一般的に行われている. 同程度の時間を要することがわかった.ロード時間短縮のため 複数のシステムを用いた分析処理では,異なるシステム間で には,このいずれかの処理を高速化する必要があるが,本論文 データの移行処理が発生する.特に,Hadoop と RDBMS を用 では,このうちデータ転送処理の高速化に着眼し,この高速化 いた場合,Hadoop から RDBMS へのデータのロード処理が必 により分析処理全体の効率化を目指す. 要となる.Oracle や Greenplum DB,Teradata Aster などの Copy from HDFS to Local Filesystem る専用のツールを用意しており [2], [3], [9],分散システム上の データを単一系の RDBMS へ集約するロード機能に対して一 定の需要があることが窺える. Hadoop, Hive データ発⽣生源 溜溜める 加⼯工(抽出)する 1〜~24h 10TB〜~ 2500 2000 1500 1000 500 0 10 分析する ⽤用途毎に ⾮非(半)構造データ 1次加⼯工されたデータ Load 3000 RDBMS 20 30 Data Size (GiB) ロード 業務ログや 外部データ Execu&on Time (sec) 商用 DB 製品は,Hadoop 上のデータを RDBMS へロードす 図 2 ロード処理におけるデータ転送時間とテーブルへのロード時間 分析DB,商品・顧客DB 応答性能要件 データ規模に関する要件 1ms〜~1s 〜~1TB 図 1 想定する分析処理とアーキテクチャ ここで,同構成を用いたロード処理における,HDFS から PostgreSQL ノードへの LAN 経由のデータ転送速度,及びロー ド時の PostgreSQL ノードの CPU 使用率を表 1 に示す. 表 1 から,データ転送速度が理論性能 (128MB/s) に近い値 ここで,データの増大に対してロード時間が長期化すること が問題視されている [4], [7].ロード時間の長期化は分析処理全 体を長期化し,結果の即時性などの分析品質の低下を引き起こ (注 1):論理コア数 12・動作周波数 2.93GHz の CPU と SAS HDD,1Gb Ethernet を用いた構成 表1 データ転送時のネットワーク転送転送とロード時の CPU 使用率 Data transfer speed Postgres CPU usage 105.6MB/s 4.52% Positional Map というインデックスを構築し,未処理データに 対する属性ごとの位置情報をメタデータとして管理している. 2. 2 外部データを RDBMS へ高速にロードする手法 外部データを RDBMS へ高速にロードする手法に関しては, となっている一方,ロード時の CPU リソースには余裕がある データを並列にロードする手法や,データを一斉ロード (バル ことがわかる.この状況においては,CPU リソースを利用して クロード) すると同時にインデックスを生成する手法がある. データ圧縮・伸長を行い,ネットワーク I/O 量を低下させるこ これらの手法は,ひとたびデータをロードすればその後のクエ とによる転送時間の短縮が期待できる.ただし,ロード時に圧 リは高速に処理できるため,ロード時間の短縮が課題となる. 縮を行う場合,圧縮・伸長にかかる時間を考慮する必要がある. 本論文では,ロード時間短縮に対する圧縮の有効性を評価す HDFS 上の外部データを MapReduce 処理を用いて RDBMS へロードする研究として,Progressive Sampling を用いた re- る実験と考察を行った.実験のため,HDFS 上のテキストデー ducer の負荷分散手法がある [8].これは,mapper の出力が, タを圧縮して転送するデータ転送ツールのプロトタイプを設 ある reduce-key に関連する value を多数含む場合や,多数 計・実装した.プロトタイプを用いて,異なる圧縮率,圧縮・ の reduce-key が同一の reduce タスクへ割り当てられた際に, 伸長速度をもつ複数の圧縮形式を用いた場合の,圧縮・伸長・ reducer のデータの偏り (data skew) が発生するという MapRe- 転送時間を測定した.実験結果をもとに,ロード時間短縮に有 duce に関する本質的な問題の解決を図っている.reducer の負 効な圧縮形式について考察し,得られた知見を述べる. 荷を平均化するために,mapper の出力に対して Progressive 本論文は以下のとおり構成される.2. 節において,外部デー Sampling を行い,巨大な key を分割して MapReduce の par- タを RDBMS で効率的に処理するための手法に関する研究動 titioner へ結果を反映させている.この手法は,Oracle Loader 向を俯瞰し,本論文の位置づけを述べる.3. 節で実験に用いる for Hadoop に実装され,HDFS から RDBMS へのロード処理 データ転送ツールのプロトタイプの設計と実装を説明する.4. の 3,4 倍の高速化を達成している.HyPer の Instant Load- 節で速度比較実験の概要と結果を述べる.5. 節にて実験結果か ing [7] は,In-Memory DB と 10Gb Ethernet を用いた際に, ら得られた結果について考察する.続く 6. 節にて本論文を総括 ネットワーク帯域を有効活用することができないことを問題視 する. し,タスク並列化や SIMD を利用した CSV ファイルのパース 2. 関 連 研 究 外部データを RDBMS で処理する方法には以下の 2 つがある. • 外部データに対してあたかもテーブルが存在するかのよ うにアクセスする方法 • データを RDBMS へロードする方法 本節では,それぞれの手法の効率化に関する研究を概観し, 本論文の位置づけを述べる. のベクトル化などを用いて帯域を活用し,ロード速度向上を達 成している. 一方,既存の OSS プロダクトに,Hadoop と RDBMS 間の データを連携する Apache Sqoop [1] と呼ばれるツールがある. Sqoop は,Map-Only Task を用いてデータを RDBMS へ並列 にロードすることで処理の高速化を図っている.また,Hadoop と RDBMS のデータの受け渡しをするコネクタを用意してお り,PostgreSQL に関しては,JDBC の他に,PostgreSQL 固 2. 1 RDBMS から外部データへ効率的にアクセスする手法 有の COPY コマンドや pg bulkload ユーティリティ等を利用 RDBMS から外部データへアクセスする手法に,外部表機能 し,バルクロードによる高速化を図っている. を用いる手法がある.外部表機能とは,外部のファイルに対して 2. 3 本論文の位置づけ スキーマを定義し,テーブルのような操作を可能する RDBMS 本論文は,Hadoop と RDBMS を用いた構成における,ロー の機能である.外部表機能を用いると,ロード処理を行わずに ド処理の短縮による分析処理全体の処理時間の短縮を目的とし テーブルアクセスが可能となる.一方,クエリの処理時間につ ている.1Gb Ethernet など,汎用のハードウェアを利用した いては,外部ファイルを取り扱うため,通常のテーブルに対す 際のネットワーク経由でのデータ転送処理時間の長期化を課題 る処理よりも時間がかかる傾向にあり,この短縮による効率化 とし,ネットワーク I/O 量の削減のため圧縮を行う. が行われている. Polybase [6] や Hadapt [5] は,HDFS 上の非構造データと 3. 設計と実装 RDBMS 上の構造データに対するスケーラブルなクエリを提 Hadoop から RDBMS へのデータロード高速化に対する圧 供する枠組みを利用している.Polybase は,SQL Server の 縮の有効性を評価するため,圧縮を用いたデータ転送ツールの Parallel Data Warehouse を用いて,Hadapt は MapReduce プロトタイプを設計・実装した.本節では,プロトタイプの概 を用いて,Hadoop と RDBMS に対する並列クエリの最適化・ 要と設計・実装時に考慮した点を説明する. 実行プランの生成を行い,分析クエリのトータルの高速化を果 3. 1 概 たしている.NoDB [4] は,HDFS 上の未処理の構造化データ 図 3 は,プロトタイプを用いたデータ転送処理の全体像を表 をクエリ実行時にパースし処理するという発想で,これを高速 要 す.プロトタイプの動作手順は以下のとおりである. 化するためのパース手法やインデックス構築手法,キャッシュ機 ( 1 ) 入力データを分割し,並列分散処理で圧縮する 構などを提案している.一例を挙げると,NoDB は Adaptive ( 2 ) 圧縮データを単体の PostgreSQL ノードへ転送する Hadoop PostgreSQL のハードウェア環境を表 2 に示す.なお,すべてのノードに同 JobTracker TaskTracker 一構成のハードウェアを用いた. Ethernet 比較対象の圧縮形式には,異なる圧縮率,圧縮・伸長速度を TaskTracker 転送 TaskTracker 分割 伸⻑⾧長 圧縮 図3 もつ snappy,lzo,gzip,bzip2 の 4 形式を用いた.表 3 に,使 用したソフトウェアやライブラリのバージョンを示す. プロトタイプの構成 ( 3 ) PostgreSQL ノード上で圧縮データを伸長する 3. 2 設 実験に使用した Hadoop クラスタおよび PostgreSQL サーバ 計 表 2 ハードウェア構成 項目 設定値 Hadoop クラスタ 9 台 (NameNode 1,DataNode 8) PostgreSQL サーバ 1 台 プロトタイプを設計するうえで考慮した点について説明する. CPU Xeon 5160 (2C,3GHz,4MB L2) Hadoop から RDBMS へのデータ転送時に圧縮,伸長を行う Memory DIMM DDR2 667MHz 8GB (2GB x 4) HDD SCSI 500GB NIC NetXtreame II Gigabit Ethernet 場合,圧縮時に MapReduce による分散処理の利用が可能であ る.プロトタイプでは,圧縮を分散処理で行うことを前提とし た.また,予備実験の結果から,データ転送・ロード処理時の CPU リソースに余裕のあることが分かったため,圧縮による CPU リソースへの影響は考慮しないことを前提とする. また,データ転送時に圧縮を行う場合,ネットワーク I/O 量 表 3 ソフトウェア構成 項目 バージョン OS CentOS 6.2 x86 64 削減による転送時間の短縮が見込める一方で,圧縮・伸長に追 Hadoop 2.0.0+1518 (CDH 4.5.0) 加の時間を要する.以上のことから,プロトタイプにおける snappy-java 1.1.0.1 データ転送時間に影響する要素として以下が挙げられる. • 圧縮率 • 圧縮・伸長速度 • 圧縮処理並列数 プロトタイプを設計するうえで,これらの要素を組み替えて 実験を行えることを考慮した. 3. 3 実 装 lzo-java 1.0.0 jzlib 1.1.0 転送対象とするデータは,Apache HTTP サーバのアクセス ログの擬似データを生成するツールである apache-loggen(注 2) を用いて生成した.apache-loggen は,アクセスログにおける IP アドレス部をランダムに生成し,アクセスパス部とユーザー プロトタイプの圧縮機能の実装について説明する. エージェント部をいくつかのパターンからランダムに選択した プロトタイプで用いる圧縮形式には,異なる圧縮率,圧縮・ データを生成する.生成されるログデータの一例を以下に示す. 伸長速度をもつ圧縮形式を指定可能にするため,Hadoop に標 132.219.142.20 - - [07/Feb/2014:10:01:48 +0900] 準で用意されている snappy,lzo,gzip,bzip2 の 4 種類を用い "GET /category/electronics HTTP/1.1" 200 108 "-" た.Hadoop の圧縮ライブラリは,圧縮・伸長処理を Hadoop "Mozilla/4.0 (compatible; MSIE 8.0; Windows NT 5.1; 上で行うことを想定しており,snappy と lzo の 2 形式について Trident/4.0; BTRS122159; GTB7.2; .NET CLR 1.1.4322; は,ブロック圧縮のため追加のメタ情報を付加している.プロト .NET CLR 2.0.50727; .NET CLR 3.0.04506.30; .NET CLR タイプでは,Hadoop の外部で伸長を行う構成のため,この標 3.0.4506.2152; .NET CLR 3.5.30729; BRI/2)" 準ライブラリをそのまま利用することが困難であった.そのた apache-loggen を用いて 1GB,10GB,30GB,50GB の 4 パ め,すべての圧縮形式について,snappy-java や lzo-java など ターンのデータを生成し,各データについて測定を実施した. の圧縮ライブラリの Java 実装を利用し,Reduce 処理を行わな 実験の測定項目は以下の 4 項目である. い Map-Only Task で圧縮ファイルを出力する MapReduce プ 測定 1 圧縮率,圧縮・伸長速度 ログラムを開発した.転送処理は,hadoop の ‘hadoop fs -get’ 測定 2 圧縮データの転送時間 コマンド,伸長処理は,gzip プログラムなどコマンドラインで 測定 3 圧縮・伸長時間 実行可能なプログラムを用いた. 測定 4 転送・圧縮・伸長時間の合計と非圧縮データの転送時間 測定にあたり,圧縮・伸長速度の高速な snappy,lzo などの 4. 実 験 ロード時間短縮に対する圧縮の有効性を評価するために,複 数の圧縮形式を用いて,データの圧縮率・圧縮・伸長速度およ びデータ転送時間を測定する実験を行った.本節では,実験概 要と結果を述べる. 圧縮形式が転送時間の短縮に有効であるという予測を立てた. 4. 2 実 験 結 果 前節にて述べた測定項目の測定結果を表 4,図 4,図 5 およ び図 6 に示す. 各測定結果を以下にまとめる. 4. 1 実 験 概 要 実験の測定環境と測定項目を以下に説明する. (注 2):https://rubygems.org/gems/apache-loggen/versions/0.0.4 表 4 各圧縮形式の圧縮率と圧縮・伸長速度 圧縮形式 測定結果 4 圧縮率 圧縮 (MB/s) 伸長 (MB/s) snappy 0.206 48.69 296.61 lzo 0.191 46.21 249.54 gzip 0.087 43.63 203.66 bzip2 0.036 3.66 40.65 圧縮率の高い形式ほど転送時間が短く,圧縮・伸 長時間が長い.10GB 以上のデータサイズにおいて,snappy, lzo,gzip の転送時間が非圧縮の場合よりも短い. ここで,測定結果 4 から,1GB のデータサイズにおいて,圧 縮を行わない場合に最も短時間で転送が行えることが分かっ た.そこで,0B から 10GB 小規模データを用いて,測定 4 に ついて追加の測定を行い,性能の逆転について分析した.なお 0.4 bzip2 は逆転が発生しないため比較対象から除外している. ⾮非圧縮データ転送時間との⽐比率率率 0.35 結果を図 7 に示す.結果より,入力データサイズが 0B のと 0.3 0.25 snappy 0.2 lzo 0.15 gzip 0.1 の区間で性能の逆転が発生することがわかった. bzip2 0 1 10 30 圧縮前データサイズ (GB) 200 50 150 図 4 圧縮データの転送時間 2076 ⾮非圧縮 snappy 100 608 3550 1436 実⾏行行時間 (sec) 850 250 圧縮・データ転送・伸⻑⾧長時間の合計 (sec) 0.05 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 き,snappy,lzo,gzip については,Map-Only Task の起動か ら終了までに 7 秒の時間を要すること,および 2GB から 4GB lzo gzip 50 0 0 2 4 6 データサイズ (GB) 8 10 圧縮 1GB 10GB 30GB 圧縮前データサイズ,圧縮形式 図5 図 7 小規模データにおける転送・圧縮・伸長時間の合計と非圧縮デー タの転送時間 bzip2 lzo gzip bzip2 snappy lzo gzip bzip2 snappy lzo gzip bzip2 snappy lzo gzip snappy 伸⻑⾧長 50GB 5. 考 察 本節では,4. 節の実験結果をもとに,データロード高速化に 圧縮・伸長時間 対する圧縮の有効性について考察する. 5026 実験結果の考察から以下のような知見を得た. • 圧縮率と圧縮・伸長速度のバランスの良い圧縮の利用に より,データ転送時間の短縮が可能. 圧縮 1GB 10GB 30GB 圧縮前データサイズ,圧縮形式 ⾮非圧縮 snappy lzo gzip bzip2 ⾮非圧縮 snappy lzo gzip bzip2 ⾮非圧縮 snappy lzo gzip bzip2 伸⻑⾧長 ⾮非圧縮 snappy lzo gzip bzip2 転送・圧縮・伸⻑⾧長時間 (sec) 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 2712 転送 50GB • データが小規模の場合は,並列化のコスト等が圧縮によ る利得を上回るため,圧縮を利用しないほうが良い. 1 点目について,今回用いた 4 つの圧縮形式は,圧縮率の高 いブロックソートを用いた形式 (bzip2) と,圧縮・伸長速度の 速いスライド窓を利用した形式 (snappy,lzo),及び圧縮速度 と圧縮率のバランスのとれた Deflate アルゴリズムを用いた形 式 (gzip) という 3 種類に分類される.データ転送時間の短縮と 図6 転送・圧縮・伸長時間の合計と非圧縮データの転送時間 いう用途においては,圧縮・伸長時間の高速な snappy,lzo が 最も有効だと予想していたが,予想に反して,バランスのとれ 測定結果 1 圧縮・伸長速度は snappy,lzo,gzip,bzip2 の順 た gzip の方が有効という結果を示した.この理由として,今 で優れている.圧縮率はその逆順である. 回利用したデータは頻度の異なる繰り返しが多く,Deflate ア 測定結果 2 すべてのデータサイズにおいて,非圧縮の場合と ルゴリズムのハフマン符号により gzip の圧縮率が snappy,lzo 比較して 4 割以下の時間で転送が完了している.また圧縮率の よりも高かったこと,および処理時間の大部分を占める圧縮時 高い圧縮形式ほど転送時間が短い. 間が gzip,snappy,lzo の 3 つで大きな差が見られなかったこ 測定結果 3 snappy,lzo,gzip の圧縮・伸長時間は近い値を示 となどが考えられる.ただし,gzip と snappy,lzo の差が僅か している.bzip2 は他の 3 形式と比較して圧縮・伸長時間が大 であることから,受信側ノードの伸長性能が低い場合などにお 幅に長い. いては,性能が逆転することも考えられる. 2 点目について,今回のプロトタイプは圧縮に Map-Only Task による並列分散処理を用いた.並列分散処理では,入力 6. ま と め データを分割・集約するためのコストなど,並列化によるコスト 本論文では,Hadoop から PostgreSQL へのデータロード高 が発生する.測定の結果,0B の入力データを用いて Map-Only 速化を目的として,圧縮を利用したデータ転送ツールのプロト Task の時間を測定し,起動コストが存在することが確認され タイプを設計・実装し,データ圧縮のロード時間短縮に対する た.データを増加させながら計測したとき,非圧縮がほぼ線形 有効性を評価する実験と考察を行った.結果と考察から,以下 に時間が増大するのに対し,圧縮を利用した場合は,1GB 以下 の知見を得た. で圧縮・伸長・転送時間の合計の大きな増大を示し,その後時 間の伸びがゆるやかになり,逆転するという結果が得られた. この結果から,圧縮・伸長等の処理にも起動コストが存在する と予測されるが,それを確認するためには,より詳細な分析が 必要だと考えられる. 以上の考察をもとに,ロード時間の短縮に有効な圧縮形式を ( 1 1 + NT Vc Vd • データが小規模の場合は,並列化のコスト等が圧縮によ る利得を上回るため,圧縮を利用しないほうが良い. ) +ϵ 式を立て,実測値と予測値の比較により,予測式を用いて有効 性の判別ができることを確認した. 今後の展望として以下を検討していく. B <1 S 予測式における各記号の定義を表 5 に示す. 表5 圧縮率と圧縮・伸長速度のバランスの良い圧縮の利用に より,データ転送時間の短縮が可能. また,圧縮のデータ転送時間短縮への有効性を予測する予測 予測する以下のような予測式を立てた. T′ =r+B T • • 圧縮形式選択のためのモデルの定義 • 予測式によるおける並列化のコスト ϵ の分析 • 性能の異なる実験環境を用いた場合のボトルネック分析 数式中の記号の定義 表記 説明 T 転送時間 T′ 圧縮時の転送時間 r 圧縮率 B ネットワーク帯域 NT TaskTracker 数 Vc 圧縮速度 Vd 伸長速度 ϵ 並列化コスト 文 この予測式が成り立つとき,圧縮を利用してデータ転送時間 の短縮が可能と予測ができると考えた. 予測式の妥当性の確認のため,入力データサイズ 10GB, TaskTracker 数が 8 つのときの圧縮・非圧縮の転送時間比 T′ T の予測値と,実測値の比較を行った.なお,ネットワーク帯域 と,並列化コストには実測最大値を用いた.結果を表 6 に示す. 表6 圧縮・非圧縮の転送時間比 T′ T の予測値と実測値の比較 (ただし, B = 100, NT = 8, ϵ = 7) 圧縮形式 圧縮率 圧縮 (MB/s) 伸長 (MB/s) 実測値 snappy 0.206 48.69 296.61 0.62 予測値 0.87 lzo 0.191 46.21 249.54 0.61 0.93 gzip 0.087 43.63 203.66 0.59 0.93 bzip2 0.036 3.66 40.65 5.07 5.97 表 6 の結果より,最適な圧縮形式の判別や速度改善の割合の 予測には課題があるものの,今回使用した実験データに対して, 圧縮の有効性を判別できることが確認された. 献 [1] Apache sqoop. http://sqoop.apache.org/. [2] Oracle loader for hadoop. http://www.oracle.com/ technetwork/database/database-technologies/ bdc/hadoop-loader/connectors-hdfs-wp-1674035.pdf. 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