简介： 阿里巴巴技术专家迪杰&高级开发工程师临竹在阿里云开发者社区特别栏目《周二开源日》直播中，介绍了Vineyard的设计动因和整体架构，并通过示例展示如何使用Vineyard来共享数据，分享Vineyard结合云原生能力，赋能更大数据应用场景的尝试和愿景。本文为直播内容文字整理，看直播回放，请点击文首链接~
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内容简要
一、Vineyard的创建初衷
二、Vineyard的定义及功能
三、Vineyard和云原生结合
四、案例演示
五、Roadmap
一、Vineyard的创建初衷
（一）为什么需要一个分布式内存数据管理引擎?
首先，对於单机数据计算，PyData生态已经成为事实标准，这里数据在不同的Python库间0拷贝的共享非常的简单，因为数据都在一台机器的内存里，彼此间通过传递参数的引用就可以实现。
这里先是声明了一个numpy的array，然后另一个库pytorch可以从这个numpy array构造一个tensor，这个过程是0拷贝。可以看到，如果我们修改了tensor的值，array的值同样被修改了，因为它们指向同一个进程里的同一段内存。
那么，如果对于更复杂的计算场景，我们需要在不同的进程或者运行时之间0拷贝的共享数据呢？
一种方法是使用Apache Arrow的Plasma，它使用进程间内存映射来实现0拷贝，但这还是在单机环境下。
对于我们业务中常见的无法放在一台机器上的大数据，如果还要实现跨系统的0拷贝数据共享，应该如何解决呢？
Vineyard可以提供这种分布式环境下跨系统数据0拷贝共享的能力，进一步，如果和Kubernetes结合的话，还可以产生一种更灵活的计算范式，下面我将逐步展开。
（二）现实生活中的大数据应用
- 我们先看一个例子，如上所示，一个经典的反作弊工作流大致包含以下四个部分：
- 购买记录的提取，这里会用到一些分布式的SQL引擎；
- 从原始数据构造用户商品关系图，并通过标签传播等图算法计算节点风险，所以会引入图计算系统进行处理；
- 用机器学习的方法，来提升风险检测的精度；
- 对于得到的高风险用户和商品，进行在线人工处理，这里会用到一些数据可视化的系统。
可以看到，一个经典的大数据应用工作流中，往往会出现多种不同的计算需求，需要用到各种专业性的计算系统来逐一解决，而且往往都会使用一个分布式文件系统，例如HDFS，来解决跨系统数据共享的问题，这也导致每个子任务只有在前序子任务完全结束以后才能被启动。
这就带来如下三个问题：
1） 每个专业性的计算系统想要达到生产可用都非常困难，光是开发各种数据平台数据类型的I/O接口就要花费大量时间；
2） 使用文件系统交换数据带来大量的I/O以及序列化和反序列化开销；
3） 由于工作流被文件系统人为割裂，导致全局性优化方法无法实施。
以图计算为例，由于图计算的复杂性，针对各种场景下的具体问题，这些年从学界和工业界涌现了大量的针对性的图计算系统，但是它们却很少能达到生产可用。
这里面一个主要原因就是光是I/O，分布式部署，容错机制，系统扩展性，以及各类数据源数据格式的接入就需要花费大量的时间和人力。
（三）设计初衷
针对以上三个问题，我们研发Vineyard。
首先，Vineyard不仅为上层应用提供存储，同时采用可扩展设计，为上层系统提供I/O，分块，扩容和容错能力，从而减少上层系统在这些方面的开发工作；
其次，Vineyard采用基于共享内存的0拷贝数据共享，减少I/O和数据拷贝的开销；
最后，Vineyard提供系统间的Stream，提升工作流的整体并行效率。
二、Vineyard的定义及功能
（一）定义
首先，Vineyard管理的是分布式的内存中的不可变数据，也就是说，这些数据被存放在Vineyard以后，一经封存，就不再允许被更改。
这类数据在大数据应用中非常常见，一般来说，在一个大数据工作流中，上一个计算步骤结束后，它要传给下个步骤的数据就固定了，下一个计算系统对它的使用仅仅是读的操作。
其次，这类数据通过Vineyard传递给下一个步骤是0拷贝的，这是通过内存映射实现的。
同时，Vineyard还为这些数据提供开箱即用的高层次抽象，方便计算系统对这些数据的使用，例如Graph图、Tensor张量和DataFrame等等。
这使得上层系统可以像使用本地数据变量一样使用Vineyard上的分布式数据；
最后，Vineyard内建了大量的数据分块，读写，检查的驱动，同时采用可扩展设计，允许新的驱动以即插即用的形式在工作流中动态扩展Vineyard的功能，从而更好的支持上层工作流的开发和计算。
（二）系统架构
Vineyard系统架构图
具体来看，Vineyard的系统架构如上方所示。
首先，Vineyard里的每一个数据对象都包含数据负载和元数据两个部分，其中数据负载保存数据本身。
例如对于一个DataFrame而言，就是每一行每一列实际的值，而元数据包含DataFrame的shape、schema，以及DataFrame在分布式环境中是如何被切分和部署的信息等。这里元数据可以完备的解释数据负载，从而实现数据正确的复用。在Vineyard里，数据负载存储在共享内存中，而元数据通过后端的ETCD在集群上共享。
其次，Vineyard会在集群的每个节点上运行一个守护进程，负责这个节点上的数据负载。数据负载只能被IPC连接获取，并且通过共享内存实现0拷贝的数据共享，而元数据还可以通过RPC连接来获取。
这是因为对于一个经典的并行数据处理场景，我们可以先通过RPC连接访问元数据来获得数据在集群上的分布情况，然后再分布式的启动一系列工作进程，并通过IPC连接来真正获取数据负载并进行处理。
最后，Vineyard以驱动的形式，为其存储的数据对象提供各种内建的和即插即用的功能。
（三）案例说明
上图为一个分布式DataFrame的例子。
首先我们在第一台机器上，通过IPC域套接字连接到Vineyard，如下方所示：
然后我们通过对象ID获得这个分布式DataFrame，我们可以看到，它被分成多块，每个分块是一个单独的DataFrame；
在这里，这个大的分布式DataFrame是Vineyard的一个全局对象，而这个编号为0的分块是一个局部对象；
通常来说，一个Vineyard全局对象，由多个局部对象组成，并且这些局部对象分布在多台机器上。
这里我们可以看到，编号为0的分块存储在第一台机器上，相对于第一台机器，它是本地数据；
相反，编号为1的分块数据存储在第三台机器上，它不是第一台机器的本地数据。
我们继续获取编号为0的分块的数据负载，这里数据通过共享内存映射到当前进程，实现了数据0拷贝的共享。
而编号为1的分块不是本地数据，我们无法获取数据负载，但是可以获取它的元数据。
三、Vineyard和云原生结合
我们已经了解了Vineyard的基本概念，接下来我们来看Vineyard和云原生的结合的情况，以及我们打造的全新的计算范式。
我们会先介绍如何在Kubernetes上部署Vineyard，然后介绍Vineyard如何利用Kubernetes的能力，去实现数据和工作的共同调度，从而产生一种全新的大数据计算范式。
（一）Vision: 大数据任务的云原生范式
如上所示，还是之前的例子，在我们全新的计算范式下，它是这样被部署的：
首先，Vineyard以Daemonset的形式部署在Kubernetes上；
其次，每个步骤的计算系统也被迁移到Kubernetes上，这使得它们获得了动态扩展的能力；
最后，这些系统间以CRD，也就是Kubernetes上Vineyard自定义资源的形式，抽象中间数据。同时，Vineyard会利用Kubernetes的能力，协同部署中间数据和工作进程，确保每个工作进程都能获得它需要的数据，从而实现计算工作流的高效运行。
（二）在Kubernetes上部署Vineyard
目前Vineyard已经可以通过Helm来安装。
同时，Kubernetes上的数据共享是这样实现的：
首先，每个节点上的Vineyard服务Pod和其他工作Pod依然通过IPC连接来实现内存共享。
在Kubernetes环境中，域套接字可以通过被挂载到Pod中的hostPath或者PVC在不同Pod之间共享。
而对于Vineyard服务容器和工作容器被绑定在同一个Pod的情形，可以通过一个emptyDir类型的Volume在两个容器之间共享。
（三）Kubernetes的能力: CRDs
在使用Kubernetes的能力方面，首先Vineyard存储的对象会被抽象为Kubernetes的自定义资源，这个CRD中包含其对应对象的元数据。
同时，如果是局部对象，也就是比如刚刚说到的一个分布式DataFrame的某个分块，还会包含位置信息，也就是这个分块存储在哪个节点上。。
（四）Kubernetes的能力：协同调度数据和工作负载
由于局部对象的CRD中包含位置信息，我们可以利用它来协同调度数据和工作负载：
- 在工作负载Pod里描述这个工作需要的Vineyard对象的ID（通常是一个全局对象）；
- 通过Kubernetes的scheluder-plugin来增强调度器的调度能力，使得当工作Pod被调度时，调度器会先通过CRD查看它需要的Vineyard对象所包含的局部对象的位置信息，从而优先将工作Pod调度到相应的节点上。
- 如果因为种种原因，无法调度成功，数据迁移则会被自动触发，从而保证工作Pod总是能够访问到它需要的数据。
四、案例演示
下面，我们通过一个Demo来展示Vineyard如何借助Scheduler Plugin实现数据和工作的协同调度。
这里使用一个简化版本来做Demo，我们会针对作弊交易数据构造一个作弊交易的分类器，在这个Demo里面我们会用Pandas和Mars分别在单机和分布式的情况下来预处理数据，同时用Pytorch训练一个作弊交易的分类器。
好，我们先来看看数据。如上所示，通常情况下Vineyard以及它上面的系统用到的数据都是非常大规模的数据，这里我们用一个小数据来做Demo，否则的话光是加载这个数据就要花费大量的时间。
这里有三张表，分别是用户表、商品表，还有交易表。用户表和商品表主要包含用户和商品的ID，以及它们各自Feature的向量。而这个交易表每一条记录表示一个用户购买一个商品，还有一个标签Frod来标识这条记录是否是一个作弊的交易，同时一些关于这些交易的Feature也都存在这个表里面。
对于这样一个问题，我们在单机的情况下是如何实现的呢？我们看一下 Pandas版本的代码，如下所示。
首先我们会加载数据，用Pandas读这三个文件得到三个DataFrame，然后把这三个DataFrame合并成一个大的Dataset，这里用到了DataFrame的Join，这是第一步。
第二步我们通过Dataset来训练模型，通过Dataset来构造Feature数据和Label数据。
然后使用一个最简单的线性模型来训练分类器，这是单机版本的实现。
如果数据非常大，无法在一台机器上存储的话，那么这个单机版本的代码显然是无法实现这样的功能，因为Pandas甚至都无法去读这样的一个文件，这种情况下我们如何实现呢？
这里我们使用Mars来做第一步DataFrame处理的工作。
Mars是集团开源的一个项目，支持大规模DataFrame的计算。
对于一个Mars中的DataFrame分类，它和Vineyard类似，包含多个分块，并且分布在多台机器上，所以这里可以先用Vineyard将文件读成一个GlobalDataFrame，然后直接加载为Mars的一个DataFrame。
同时Mars支持DataFrame的计算，比如Join操作。Mars通过多台机器上多个分块间的并行计算，实现分布式DataFrame的交易操作。最后，Mars合并的大的DataFrame会以Global DataFrame的形式存进Vineyard。
第二步使用Distributed Pytorch来进行计算。这里Distributed Pytorch要从Vineyard里Log出GlobalDataFrame，这个Distributed Pytorch会起多个工作进程，每个工作进程会得到相应的分块。
首先会建立一个Vineyard Client连接到VINEYARD_IPC_SOCKET，然后获得本地分块的ID，随后Client会拿到这些数据负载，并且把它们合并成一个总的表，并且通过总表和之前一样构建Pytorch Dataset，接下来训练的内容就和刚刚一致了。
上图为实际执行Demo过程。
首先我们有一个干净的Kubernetes环境，接着用Helm安装Vineyard，安装了Vineyard以后得到了两个CRD，一个是全局对象，一个是本地对象。Vineyard在集群上运行是以Demon Set的形式，也就是说每个Log上都有一个Vineyard Pod。
上图为Run Mars，Mars会启动一个集群，然后分布式地做这个计算，得到一个GlobalDataFrame与它的ID。
同样的，在Kubernetes里面有一个和GlobalDataFrame对应的全局对象，这个全局对象包含多个分块，也就是多个局部对象。可以看到全局对象分布在192和193两台机器上，可以登录192查看其中一个分块具体长什么样。
通过Import Vineyard然后建立一个IPC Socket Client，然后选取一个192上面的一个分块来Get。
可以看到我们得到了DataFrame，它是我们刚刚大的DataFrame的一个分块。
我们再试图get一下193上面的分块，可以看到我们无法拿到这个分块，所以如果我们的工作Pod在被调度的时候，没有和数据所在的节点对齐，就会发生无法获取数据的问题。应该如何解决呢？我们看一下Pytorch的Yaml。
在InitContainers里面我们增加了一些内容，它可以确保当数据和工作负载没有被对齐的时候，数据迁移会自动地被触发，下面我们来Run Pytorch。
首先查看全局对象并拿到 ID，然后把ID输入给要Run 的Pytorch。
Pytorch部署到Kubernetes后，可以看到其中两个Pod运行在188和187上，和刚刚的192、193没有对齐，那么这里会发生什么呢？我们看一下worker-0的Log，可以看到数据被自动地迁移了，但是数据迁移的过程是很花费时间的。
这里由于数据迁移，我们会产生重复的局部对象，比如31a也被复制了，它从193被复制到了188，从而我们的Worker可以使用它。
可以看到，数据迁移的过程不仅会花费时间，而且还会浪费内存，所以我们应该想办法去尽量减少这种数据迁移的发生，这也就是为什么我们要用Scheduler Plugin来增强Kubernetes的调度能力，从而减少这种数据迁移的发生。
下面把环境清理一下，重新Run以上过程,不过这一次会使用Scheduler Plugin。
重新安装Vineyard，重新再执行一遍Mars，又得到了一个GlobalDataFrame，那么我们接下来检查一下，全局对象所包含的局部对象在我们集群中的位置。
可以看到，它依然是在192和193这两台机器上，接下来要安装Scheduler Plugin。
Scheduler Plugin会根据工作负载所需要的Vineyard对象的位置来调度这个工作的Pod。后面会通过观察Scheduler Plugin的Log来查看这个过程。
再次打开Pytorch的Yaml，可以看到我们把需要的Vineyard对象的ID写在了这里，Scheduler Plugin可以通过读取这个Spec来知道工作负载是需要哪一个Vineyard对象。
我们运行Pytorch拿到 ID，Set Scheduler Plugin，可以看到两个Pod已经运行在192和193上面，接着我们去看一下Scheduler Plugin的Log，可以看到Scheduler Plugin给193和192两台机器打了最高分。回到Worker-0的Log，可以看到没有数据迁移发生，也没有重复的局部对象被创建，是因为没有进行任何的数据迁移。
在这里我们通过Scheduler Plugin成功地将数据和工作负载对齐，进行协同地调度，从而实现了高效的并行计算。
以上是Vineyard利用Scheduler Plugin实现协同调度的Demo，这为我们打造基于Vineyard和Kubernetes的高效且灵活的大数据计算范式，打开了一扇大门。
五、Roadmap
（一）项目状态
目前，Vineyard在GitHub已经收获375颗星，同时有6位同事在维护这个项目，我们期待获得来自社区的更多的支持，也希望有社区成员可以逐步成为Vineyard的维护者。
（二）Roadmap
- 当前:
1） 通过Github Actions构建和测试；
2） 支持各种数据类型，如数组、图形，并支持多种计算引擎，如pytorch, mars, GraphScope；
3） 在DockerHub和Quay上释放；
4） 与Helm进行集成。
- 未来：
1） Vineyard Operator for Kubernetes；
2） 性能改进；
3） 更多语言SDK，如Java, Go等；
4） 存储层次结构；
5） Scheduler-plugin：Fluid
在未来的规划中，我们首先会在Kubernetes上做功能性更强的Vineyard Operator，比如检查点，容错等。此外，我们还会和集团的Fluid合作，进一步优化调度能力。
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