主流开源分布式图数据库 Benchmark
本文由美团 NLP 团队高辰、赵登昌撰写
01 前言
近年来，深度学习和知识图谱技术发展迅速，相比于深度学习的“黑盒子”，知识图谱具有很强的可解释性，在搜索推荐、智能助理、金融风控等场景中有着广泛的应用。美团基于积累的海量业务数据，结合使用场景进行充分地挖掘关联，逐步建立起包括美食图谱、旅游图谱、商品图谱在内的近十个领域知识图谱，并在多业务场景落地，助力本地生活服务的智能化。
为了高效存储并检索图谱数据，相比传统关系型数据库，选择图数据库作为存储引擎，在多跳查询上具有明显的性能优势。当前业界知名的图数据库产品有数十款，选型一款能够满足美团实际业务需求的图数据库产品，是建设图存储和图学习平台的基础。我们结合业务现状，制定了选型的基本条件：
开源项目，对商业应用友好
拥有对源代码的控制力，才能保证数据安全和服务可用性。
支持集群模式，具备存储和计算的横向扩展能力
美团图谱业务数据量可以达到千亿以上点边总数，吞吐量可达到数万 qps，单节点部署无法满足存储需求。
能够服务 OLTP 场景，具备毫秒级多跳查询能力
美团搜索场景下，为确保用户搜索体验，各链路的超时时间具有严格限制，不能接受秒级以上的查询响应时间。
具备批量导入数据能力
图谱数据一般存储在 Hive 等数据仓库中。必须有快速将数据导入到图存储的手段，服务的时效性才能得到保证。
我们试用了 DB-Engines 网站上排名前 30 的图数据库产品，发现多数知名的图数据库开源版本只支持单节点，不能横向扩展存储，无法满足大规模图谱数据的存储需求，例如：Neo4j、ArangoDB、Virtuoso、TigerGraph、RedisGraph。经过调研比较，最终纳入评测范围的产品为：NebulaGraph（原阿里巴巴团队创业开发）、Dgraph（原 Google 团队创业开发）、HugeGraph（百度团队开发）。
02 测试概要
2.1 硬件配置
数据库实例：运行在不同物理机上的 Docker 容器。
单实例资源：32 核心，64GB 内存，1TB SSD 存储。【Intel(R) Xeon(R) Gold 5218 CPU @ 2.30GHz】
实例数量：3
2.2 部署方案
Nebula v1.0.1
Metad 负责管理集群元数据，Graphd 负责执行查询，Storaged 负责数据分片存储。存储后端采用 RocksDB。
Dgraph v20.07.0
Zero 负责管理集群元数据，Alpha 负责执行查询和存储。存储后端为 Dgraph 自有实现。
HugeGraph v0.10.4
HugeServer 负责管理集群元数据和查询。HugeGraph 虽然支持 RocksDB 后端，但不支持 RocksDB 后端的集群部署，因此存储后端采用 HBase。
03 评测数据集
社交图谱数据集：https://github.com/ldbc
生成参数：branch=stable, version=0.3.3, scale=1000
实体情况：4 类实体，总数 26 亿
关系情况：19 类关系，总数 177 亿
数据格式：csv
GZip 压缩后大小：194 G
04 测试结果
4.1 部署方案
4.1.1 测试说明
批量导入的步骤为： Hive 仓库底层 csv 文件 -> 图数据库支持的中间文件 -> 图数据库 。各图数据库具体导入方式如下：
Nebula：执行 Spark 任务，从数仓生成 RocksDB 的底层存储 sst 文件，然后执行 sst Ingest 操作插入数据。
Dgraph：执行 Spark 任务，从数仓生成三元组 rdf 文件，然后执行 bulk load 操作直接生成各节点的持久化文件。
HugeGraph：支持直接从数仓的 csv 文件导入数据，因此不需要数仓-中间文件的步骤。通过 loader 批量插入数据。
4.1.2 测试结果
4.1.3 数据分析
Nebula：数据存储分布方式是主键哈希，各节点存储分布基本均衡。导入速度最快，存储放大比最优。
Dgraph：原始 194G 数据在内存 392G 的机器上执行导入命令，8.7h 后 OOM 退出，无法导入全量数据。数据存储分布方式是三元组谓词，同一种关系只能保存在一个数据节点上，导致存储和计算严重偏斜。
HugeGraph：原始 194G 的数据执行导入命令，写满了一个节点 1,000G 的磁盘，造成导入失败，无法导入全量数据。存储放大比最差，同时存在严重的数据偏斜。
4.2 实时数据写入
4.2.1 测试说明
向图数据库插入点和边，测试实时写入和并发能力。
响应时间：固定的 50,000 条数据，以固定 qps 发出写请求，全部发送完毕即结束。取客户端从发出请求到收到响应的 Avg、p99、p999 耗时。
最大吞吐量：固定的 1,000,000 条数据，以递增 qps 发出写请求，Query 循环使用。取 1 分钟内成功请求的峰值 qps 为最大吞吐量。
插入点
Nebula
Dgraph
HugeGraph
插入边
Nebula
Dgraph
HugeGraph
4.2.2 测试结果
实时写入
4.2.3 数据分析
Nebula：如 4.1.3 节分析所述，Nebula 的写入请求可以由多个存储节点分担，因此响应时间和吞吐量均大幅领先。
Dgraph：如 4.1.3 节分析所述，同一种关系只能保存在一个数据节点上，吞吐量较差。
HugeGraph：由于存储后端基于 HBase，实时并发读写能力低于 RocksDB（Nebula）和 BadgerDB（Dgraph），因此性能最差。
4.3 数据查询
4.3.1 测试说明
以常见的 N 跳查询返回 ID，N 跳查询返回属性，共同好友查询请求测试图数据库的读性能。
响应时间：固定的 50,000 条查询，以固定 qps 发出读请求，全部发送完毕即结束。取客户端从发出请求到收到响应的 Avg、p99、p999 耗时。
60s 内未返回结果为超时。
最大吞吐量：固定的 1,000,000 条查询，以递增 qps 发出读请求，Query 循环使用。取 1 分钟内成功请求的峰值 qps 为最大吞吐量。
缓存配置：参与测试的图数据库都具备读缓存机制，默认打开。每次测试前均重启服务清空缓存。
N 跳查询返回 ID
Nebula
Dgraph
HugeGraph
N 跳查询返回属性
Nebula
Dgraph
HugeGraph
共同好友查询语句
Nebula
Dgraph
HugeGraph
4.3.2 测试结果
N 跳查询返回 ID
N 跳查询返回属性
单个返回节点的属性平均大小为 200 Bytes。
共同好友
本项未测试最大吞吐量。
4.3.3 数据分析
在 1 跳查询返回 ID「响应时间」实验中，Nebula 和 DGraph 都只需要进行一次出边搜索。由于 DGraph 的存储特性，相同关系存储在单个节点，1 跳查询不需要网络通信。而 Nebula 的实体分布在多个节点中，因此在实验中 DGraph 响应时间表现略优于 Nebula。
在 1 跳查询返回 ID「最大吞吐量」实验中，DGraph 集群节点的 CPU 负载主要落在存储关系的单节点上，造成集群 CPU 利用率低下，因此最大吞吐量仅有 Nebula 的 11%。
在 2 跳查询返回 ID「响应时间」实验中，由于上述原因，DGraph 在 qps=100 时已经接近了集群负载能力上限，因此响应时间大幅变慢，是 Nebula 的 3.9 倍。
在 1 跳查询返回属性实验中，Nebula 由于将实体的所有属性作为一个数据结构存储在单节点上，因此只需要进行【出边总数 Y】次搜索。而 DGraph 将实体的所有属性也视为出边，并且分布在不同节点上，需要进行【属性数量 X * 出边总数 Y】次出边搜索，因此查询性能比 Nebula 差。多跳查询同理。
在共同好友实验中，由于此实验基本等价于 2 次 1 跳查询返回 ID，因此测试结果接近，不再详述。
由于 HugeGraph 存储后端基于 HBase，实时并发读写能力低于 RocksDB（Nebula）和 BadgerDB（Dgraph），因此在多项实验中性能表现均落后于 Nebula 和 DGraph。
05 结论
参与测试的图数据库中，Nebula 的批量导入可用性、导入速度、实时数据写入性能、数据多跳查询性能均优于竞品，因此我们最终选择了 Nebula 作为图存储引擎。
06 参考资料
NebulaGraph Benchmark：https://discuss.nebula-graph.com.cn/t/topic/782
NebulaGraph Benchmark 微信团队：https://discuss.nebula-graph.com.cn/t/topic/1013
DGraph Benchmark：https://dgraph.io/blog/tags/benchmark/
HugeGraph Benchmark：https://hugegraph.github.io/hugegraph-doc/performance/hugegraph-benchmark-0.5.6.html
TigerGraph Benchmark：https://www.tigergraph.com/benchmark/
RedisGraph Benchmark：https://redislabs.com/blog/new-redisgraph-1-0-achieves-600x-faster-performance-graph-databases/
本文首发于 Nebula Graph 论坛：https://discuss.nebula-graph.com.cn/t/topic/1377
本次性能测试系美团 NLP 团队高辰、赵登昌撰写
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