DruidSQL和Security在美团点评的实践
分享嘉宾：高大月@美团点评，Apache Kylin PMC成员，Druid Commiter
编辑整理：Druid中国用户组 6th MeetUp
出品平台：DataFunTalk
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导读： 长久以来，对SQL和权限的支持一直是Druid的软肋。虽然社区早在0.9和0.12版本就分别添加了对SQL和Security的支持，但根据我们了解，考虑到功能的成熟度和稳定性，真正把SQL和Security用起来的用户是比较少的。本次分享将介绍社区SQL和Security方案的原理，以及美团点评在落地这两个功能的过程中所遇到的问题、做出的改进、和最终取得的效果。下面开始今天的分享：
我今天的分享内容包括四部分。首先，和大家介绍一下美团对Druid的使用现状，以及我们在构建Druid平台的过程中遇到的挑战。第二部分，介绍Druid SQL的基本原理和使用方式，以及我们在使用Druid SQL的过程中遇到的问题和做的一些改进。第三部分，介绍Druid在数据安全上提供的支持，以及我们结合自身业务需求在Druid Security上的实践经验。最后，对今天的分享内容做一个总结。
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01 Druid在美团的现状和挑战
1.Druid应用现状
美团从16年开始使用Druid，集群版本从0.8发展到现在的0.12版本。线上有两个Druid集群， 总共大概有70多个数据节点。
数据规模上，目前有500多张表，100TB的存储，最大的表每天从Kafka摄入的消息量在百亿级别。查询方面，每天的查询量有1700多万次，这里包括了一些程序定时发起的查询，比如风控场景中定时触发的多维查询。性能方面，不同的应用场景会有不同的要求，但整体上TP99响应时间在一秒内的表占了80%，这和我们对Druid的定位——秒级实时OLAP引擎是一致的。
2.Druid平台化挑战
把Druid作为一个服务提供给业务使用的过程中，我们主要遇到了易用性、安全性、稳定性三方面的挑战。
易用性：业务会关心Druid的学习和使用成本有多高，是否能很快接入。大家知道，Druid本身对数据写入和查询只提供了基于JSON的API接口，你需要去学习接口的使用方法，了解各种字段的含义，使用成本是很高的。这是我们希望通过平台化去解决的问题。
安全性：数据是很多业务的核心资产之一，业务非常关心Druid服务能否保障他们的数据安全。Druid较早的版本对安全的支持较弱，因此这一块也是我们去年重点建设的部分。
稳定性：一方面需要解决开源系统落地过程中出现的各种稳定性问题，另一方面，如何在查询逻辑不可控的情况下，在一个多租户的环境中定位和解决问题，也是很大的挑战。
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02 Druid SQL的应用和改进
在Druid SQL出现之前，Druid查询通过基于JSON的DSL来表达（下图）。这种查询语言首先学习成本很高，用户需要知道Druid提供了哪些queryType，每种queryType需要传哪些参数，如何选择合适的queryType等。其次是使用成本高，应用需要实现JSON请求的生成逻辑和响应JSON的解析逻辑。
通过Druid SQL，你可以将上面的复杂JSON写成下面的标准SQL。SQL带来的便利是显而易见的，一方面对于程序员和数据分析师没有额外的学习成本，另一方面可以使用类似JDBC的标准接口，大大降低了门槛。
1.Druid SQL简介
下面我简单地介绍一下Druid SQL。
首先，Druid SQL是0.10版本新增的一个核心模块，由Druid社区提供持续的支持和优化，因此不管是稳定性还是完善性，都会比其他给Druid添加SQL方言的项目更好。
从原理上看，Druid SQL主要实现了从SQL到原生JSON查询语言的翻译层。由于只是做了一层语言的翻译，好处是Druid SQL对集群的稳定性和性能不会有很大影响，缺点是受限于原生JSON查询的能力，Druid SQL只实现了SQL功能的一个子集。
调用方式上，Druid SQL提供了HTTP和JDBC两种方式来满足不同应用的需求。最后表达力上，Druid SQL几乎能表达所有JSON查询能实现的逻辑，并且它能自动帮你选择最合适的queryType。
下面是三个Druid SQL的例子。
第一个例子是近似TopN查询。对于根据某个指标分析单个维度TopN值的需求，原生的JSON查询提供了一种近似TopN算法的实现。Druid SQL能够识别出这种模式，生成对应的近似TopN查询。
第二个例子是半连接。我们知道Druid是不支持灵活JOIN的，但业务经常会有这样的需求，就是以第一个查询的结果作为第二个查询的过滤条件，用SQL表达的话就是in subquery，或者半连接。Druid SQL对这种场景做了特殊支持，用户不需要在应用层发起多个查询，而是写成in subquery的形式就行了。Druid SQL会先执行子查询，将结果物化成外层查询过滤条件，然后再执行外层的查询。
最后是一个嵌套GroupBy的例子。Druid SQL能够识别出这种多层的GroupBy结构，生成对应的原生嵌套GroupBy JSON 。
2.Druid SQL架构
下面介绍Druid SQL的整体架构。
Druid SQL是在查询代理节点Broker中实现的功能，主要包含Server和SQL Layer两个模块。
Server模块负责接收和解析请求，包括HTTP和JDBC两类 。对于普通的HTTP请求，新增相应的REST Endpoint即可。对于JDBC，Druid复用了Avatica项目的JDBC Driver和RPC定义，因此只需要实现Avatica的SPI就行了。由于Avatica的RPC也是基于HTTP的，因此两者可以使用同一个Jetty Server。
SQL Layer负责将SQL翻译成原生的JSON查询，是基于Calcite项目实现的。Calcite是一个通用的SQL优化器框架，能够将标准SQL解析、分析、优化成具体的执行计划，在大数据领域得到了广泛的使用。图中浅绿色的组件是Calcite提供的，浅蓝色的组件是Druid实现的，主要包括三个。
首先，DruidSchema组件为Calcite提供查询解析和验证需要的元数据，例如集群中包含哪些表，每张表各个字段的名称和类型等信息。RulesSet组件定义了优化器使用的转换规则。由于Druid SQL只做语言翻译，因此这里都是一些逻辑优化规则（例如投影消除、常量折叠等），不包含物理优化。通过RulesSet，Calcite会将逻辑计划转成DruidRel节点，DruidRel包含了查询的所有信息。最后，QueryMaker组件会尝试将DruidRel转成一个或多个原生JSON查询，这些JSON查询最终提交到Druid的QueryExecution模块执行。
3.API选择: HTTP or JDBC
Druid SQL提供了HTTP和JDBC两种接口，我应该用哪个？我们的经验是，HTTP适用于所有编程语言，Broker无状态，运维较简单；缺点是客户端处理逻辑相对较多。JDBC对于Java应用更友好，但是会导致Broker变成有状态节点，这点在做复杂均衡时需要格外注意。另外JDBC还有一些没有解决的BUG，如果你使用JDBC接口，需要额外关注。
4.改进
下面介绍我们对Druid SQL做的一些改进。
第一个改进是关于Schema推导的性能优化。我们知道Druid是一个schema-less系统，它不要求所有的数据的schema相同，那如何定义Druid表的schema呢？社区的实现方式是：先通过SegmentMetadataQuery计算每个segment的schema，然后合并segment schema得到表的segment，最后在segment发生变化时重新计算整个表的schema。
社区的实现在我们的场景下遇到了三个问题。第一是Broker启动时间过长。我们一个集群有60万个segment，测试发现光计算这些segment的schema就需要半小时。这会导致Broker启动后，需要等半个小时才能提供服务。第二个问题是Broker需要在内存中缓存所有Segment的元数据，导致常驻内存增加，另外schema刷新会带来很大的GC压力。第三个问题是，社区方案提交的元数据查询量级与Broker和Segment个数的乘积成正比的，因此扩展性不好。
针对这个问题，我们分析业务需求和用法后发现：首先schema变更是一个相对低频的操作，也就是说大部分segment的schema是相同的，不需要去重复计算。另外，绝大数情况业务都只需要用最新的schema来查询。因此，我们的解决方案是，只使用最近一段时间，而不是所有的segment来推导schema。改造后，broker计算schema的时间从半小时降低到了20秒，GC压力也显著降低了。
第二个优化是关于日志和监控。请求日志和监控指标是我们在运维过程中重度依赖的两个工具，比如慢查询的定位、SLA指标的计算、流量回放测试等都依赖日志和监控。但是0.12版本的SQL既没有请求日志，也没有监控指标，这是在上线前必须要解决的问题。我们的目标有两个：首先能记录所有SQL请求的基本信息，例如请求时间、用户、SQL内容，耗时等；其次能将SQL请求和原生的JSON查询关联起来。因为执行层面的指标都是JSON查询粒度的，我们需要找到JSON查询对应的原始SQL查询。
我们的解决方案已经合并到0.14版本。首先，我们会给每个SQL请求分配唯一的sqlQueryId。然后我们扩展了RequestLogger接口，添加了输出SQL日志的方法。下图是一个例子，对于每个SQL请求，除了输出SQL内容外，也会输出它的sqlQueryId，可以用来与客户端的日志做关联。还会输出SQL对应的每个JSON查询的queryId，可以用来和JSON查询做关联分析。
第三个改进虽然比较小，但是对服务的稳定性很重要。我们知道，JSON查询要求用户指定查询的时间范围，Druid会利用这个范围去做分区裁剪，这对提高性能非常重要。但是Druid SQL并没有这方面的限制。用户写SQL经常会忘记加时间范围的限定，从而导致全表扫描，占用大量的集群资源，是一个很大的风险。所以我们添加了对where条件的检查，如果用户没有指定时间戳字段的过滤条件，查询会直接报错。
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security的实践经验">03 Druid Security的实践经验
首先介绍我们在数据安全上面临的问题。当时使用的是0.10版本，这个版本在数据安全上没有任何的支持，所有的API都没有访问控制，任何人都能访问甚至删除所有的数据，这对业务的数据安全来说是一个非常大的隐患。
我们希望实现的目标有五点：所有API都经过认证、实现DB粒度的权限控制、所有数据访问都有审计日志、业务能平滑升级到安全集群、对代码的改动侵入性小。
为了实现这些目标，我们首先调研了Druid在后续版本中新增的安全功能。
1.Druid Security 功能和原理
0.11版本支持了端到端的传输层加密（TLS），能够实现客户端到集群，以及集群各个节点之间的传输层安全。0.12版本引入了可扩展的认证和鉴权框架，并且基于这个框架，提供了BA和Kerberos等认证方式，以及一个基于角色的鉴权模块。
下面这张图介绍认证鉴权框架的原理和配置。
2.Druid Security社区方案缺点
社区方案能满足我们大部分的需求，但还存在一些问题。
第一个问题是我们发现浏览器对BA认证的支持很差。因此对于Web控制台，我们希望走统一的SSO认证。
第二个问题是为了支持业务平滑过渡到安全集群，上线初期必须兼容非认证的请求，当时我们使用的0.12版本没有该功能。
第三个问题是社区基于角色的鉴权模块只提供了底层的管理API，用户直接使用这些API非常不方便。
最后一个问题是社区还不支持审计日志。
针对这些问题，我们做了三个主要的改进。
3.改进
改进一：基于DB的访问控制
首先，为了简化权限的管理，我们引入了DB的概念，并实现了DB粒度的访问控制。业务通过DB的读写账号访问DB中的表。
改进二：自动管理权限DB
通过任务接入平台维护DB和DataSource的映射关系，并在DB和DataSource发生变化时，调用鉴权模块接口更新权限DB。
改进三：支持SSO认证和非认证访问
自定义认证链条，通过SSO认证Filter实现Web控制台的SSO认证，通过非安全访问Filter兜底，兼容非认证的请求。
注意事项
（1）使用0.13以上版本 （或者cherrypick高版本的bugfix）
（2）上线流程
- 启用basic-security功能，用allowAll兜底
- 初始化权限DB，创建匿名用户并授权
- 将allowAll替换为anonymous
- 逐步回收匿名用户的权限
（3）上线顺序：coordinator->overlord->broker->historical->middleManager
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04 总结
1.关于SQL
（1）如果还在用原生的JSON查询语言，强烈建议试一试
（2）社区在不断改进SQL模块，建议使用最新版本
（3）Druid SQL本质上是一个语言翻译层
- 对查询性能和稳定性没有太大影响
- 受限于Druid本身的查询处理能力，支持的SQL功能有限
（4） 要留意的坑
- 大集群的schema推导效率
- Broker需要等schema初始化后再提供服务（#6742）
2.关于Security
（1）Druid包含一下Security特性，建议升级到最新版本使用
- 传输层加密
- 认证鉴权框架
- BA和Kerberos认证
- RBAC鉴权
（2）认证鉴权框架足够灵活，可根据自身需求扩展
（3）经历生产环境考验，完成度和稳定性足够好
（4）上线前应充分考虑兼容性和节点更新顺序
今天的分享就到这里，谢谢大家。
本文首发于微信公众号“DataFunTalk”
嘉宾介绍：
高大月，Apache Kylin PMC成员，Druid Commiter，开源和数据库技术爱好者，有多年的SQL引擎和大数据系统开发经验。目前在美团点评负责OLAP引擎的内核开发、平台化建设、业务落地等工作。
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