作者：teachzhang 腾讯PCG工程师
|导语 大数据多维分析是业务中非常常见的分析场景，目前也有许多落地方案，但是在遇到上百亿数据、维度个数不限、秒级返回结果这样的场景时，实现的时候还是遇到了一些挑战。本文介绍了一种参考kylin的预聚合模式实现的存储方案，支持对上百亿数据以及数百个维度的多维分析，并且能在秒级返回查询结果。该方案可以运用于多维指标拆解分析，异动归因分析业务场景。希望给其他有类似分析场景的同学提供一种参考方案，对本内容感兴趣的同学，欢迎一起交流学习。
1. 背景
周报场景：微视的分析师每周一需要对上周的业务情况进行分析，整理成周报向领导进行汇报。以前的流程是在灯塔上通过执行大量复杂的sql查询需要的数据，然后下载数据，整理成许多多维分析树。查询的数据以周为单位，需要查询4周的数据，数据量达几百亿，因此每次查询都需要很长的时间（小时级），并且经常碰到查询超时的情况。当分析模型变动时，又得需要改动sql重新查询。总结就是，查询流程长，人工成本非常大，整个团队的分析师周一一大半时间都fork在周报整理上。
即席分析：当业务指标大幅变动时，需要快速找出变动原因，例如当DAU下跌时，分析师需要从多个维度钻取，找出具体的下跌原因。
除此之外，希望在微信小程序查看多维分析报表，从数据中发掘出更多的价值。
因此急需建设一个多维分析平台，解决目前的业务痛点。
2. 产品介绍
最终我们开发了一个归因分析平台，产品演示如下：
特殊说明：1.展示数据经过脱敏处理；2.为了演示直接使用了已运行好的报表。
功能特色：
- 零SQL实现数据多维分析，直接选择指标和维度，快速构建多维分析报表；
- 速度快，对于每天4000W数据量的用户报表，回溯30天只需5~10分钟；对于每天上亿的消费数据报表，回溯30天需要30~60分钟；
- 对于例行的报表，秒级返回结果；
- 精确设置每个节点数据波动范围，当时数据波动超过阈值，在报表上进行告警提示；
- 可以将分析报表以图片和excel的方式导出；
- 支持在小程序上查询报表，随时随地看数；
- 快速添加维度和指标，维度和指标支持逻辑计算，可以快速配置添加新指标和维度，对于大宽表存在的指标，无需回溯历史数据。
归因分析：
以上是分析师创建的归因报表（注：数据为假数据），用于分析拉活对内软下各渠道的影响。
3. 技术难点
要实现这样一个多维分析系统，有以下难点需要解决：
- 数据量大：每天的数据量数10亿，一次查询28天数据，数据量达几百亿；
- 时间范围不确定：查询的时间范围不确定，可能是一周的数据，也可能是任意选择的某几天数据。
- 维度多：目前常用的维度约50个，以后还会继续增加，上不封顶；
- 秒级查询：因为需要在小程序上支持多维分析，因此需要在1秒内返回分析结果；
- 动态增减维度和指标：随着业务的发展，会不断的添加维度和指标，并且需要支持自定义计算逻辑。
4. 实现思路
4.1 分析树拆解
首先我们来看一下一棵多维分析树是如果查询数据的。上面是一棵多维分析树，m1代表指标，例如DAU、总时长等，D1代表维度，例如城市、首启方式等。对于这棵树，转化成sql去查询数据，一次sql无法实现，只能多次查询才能取得结果，分为以下组合查询：
(D0)
(D1), (D2) (D1, D3), (D1, D4) (D1, D4, D5), (D1, D4, D6)
例如(D1, D3)转化成sql如下
select D1, D3, m1 from table group by D1, D3;
D0代表对全部聚合查询。对于一颗具有n个维度，m个指标的分析树，查询sql的次数为m*(n 1)次。
4.2 存储引擎调研
接下来需要选择一个合适的大数据分析引擎，目前常用的有ES、Spark、Kylin、Clickhouse、灯塔、Hermes，我们分别对这些引擎进行了调研，进行了对比：
- Spark：spark查询时间较长，不采用。
- 灯塔：灯塔提供对外接口，可以执行sql语句，但是经过测试，对一个几千万数据量的表，进行单维度、单指标聚合查询需要15s左右，无法满足要求。
- Kylin：Kylin采用预聚合的方式，提前将所有聚合维度和指标计算好，因此能实现亚秒级响应，查询时间上满足要求，但是Kylin对cube的维度有限制，正常情况在10个维度左右，本次的需求需要至少40个维度，以后还会继续增加。虽然Kylin提供了剪枝功能，但我们的场景中，分析师会选择任意的多个维度进行组合，所以无法利用剪枝进行优化，因此Kylin也无法采用。
- ElasticSearch：ES对于千万级数据的聚合查询可以很好的支持，一旦遇到较为复杂的多维度组合查询并且聚合的数据量比较大（如数十亿），就可能会产生大量的分组，对 ES 的性能压力很大，查询时间很长。并且本次需求中有许多指标需要进行distinct计算，然而ES不支持精确去重，并且也不好支持复杂的计算指标，因此不采用ES。
- ClickHouse：ClickHouse是一款PB级的OLAP数据库，采用列式存储，适合大数据多维分析，但是目前资源不够。申请资源至少需要1个月时间，且需要保存明细数据，需要大量的存储和计算成本。
- Hermes：Hermes是公司内部自研的一个实时秒级分析平台，采用类似ES的索引机制，支持sql查询，查询性能也不错（一次查询秒级），但是也无法支持上百亿数据的查询。
4.3 预聚合
通过对现有分析引擎的调研，发现它们都无法满足我们的业务场景。从查询时间要求出发，只有Kylin这种预聚合的引擎才能满足，但Kylin维度爆炸问题无法解决。以40个维度，最多5层维度组合为例，组合方式有C(40,5)=658008种，在上亿数据量的情况下Kylin无法聚合出结果。
通过对需求进一步分析，发现虽然维度非常多，但是分析师在使用中根本不会用到这么多维度组合，对于一个包含10个维度的报表，用到的维度组合为10，并且业务的分析逻辑基本上有迹可循，最终的维度组合最多只有几千。但是Kylin不支持指定维度组合的方式构建cube。因此我们决定参考Kylin的原理自己实现预聚合。
最终实现方案：将报表拆解为多个维度组合的cube，按天预聚合去查询每个cube的数据，将结果缓存起来。用户查询报表时，直接从缓存中取数。当新数据产出后，只需要增量缓存最新一天数据即可。
底层存储的选择上，只有Hermes和clickhouse比较适合，但是由于clickhouse现在资源紧张，并且业务方希望尽快上线，因此最终选择了Hermes作为查询存储引擎。
5. 实现方案
5.1 整体架构
整体架构分为四层
汇总层：根据前端传入的查询时间，按照本期、同比周期、环比周期、基期分别去聚合层查询分析树，然后将4颗树的数据汇总到一颗树上，计算出指标的同比、环比、同比等指标。
聚合层：解析多维分析树，拆分为多个cube，按照cube到聚合层查询数据，根据聚合指标的计算逻辑计算出指标绝对值，构造出一颗多维分析树。
预聚合层：维护所有分析树中用到的cube集合，自动调度cube任务，解析成sql语句，从Hermes查询聚合数据，最终缓存到ES。
源数据层：采用Hermes存储底层明细数据，利用Hermes的sql能力查询聚合数据；采用ES存储聚合数据，最终报表的查询直接从ES中查询缓存数据，做到秒级响应。
接下来重点介绍预聚合层的实现原理。
5.2 预聚合层
5.2.1 kylin的存储结构
因为本架构是参考Kylin实现的，所以首先介绍一下Kylin的存储结构。
Apach Kylin是一个开源分布式数仓，提供超大规模的多维分析能力，这里就不详细介绍了，网上有很多文章，这里重点介绍Kylin Cube的实现方式。Cube也就是多维立方体，提前将所有维度的可能的组合提前聚合分析好，以Cube为单位存储起来。
这里以查询DAU场景为例，假如有城市（city）、渠道（channel）、消费层次（consume_level）三个维度，那么所有维度的组合有2^3=8种。
一维度（1D）的组合有：(city)、(channel)、(consume_level)
二维度（2D）的组合有：(city, channel)、(city, consume_level)、(channel, consume_level)
三维度（3D）的组合有：(city, channel, consume_level)
另外还有（0D），总共8种。
假设有以下数据：
城市 | 消费层次 | 渠道 | qimei |
|---|---|---|---|
北京 | 低 | c1 | 10 |
北京 | 低 | c2 | 20 |
北京 | 中 | c2 | 30 |
北京 | 中 | c4 | 40 |
上海 | 高 | c1 | 50 |
上海 | 高 | c3 | 60 |
现在计算DAU=count(distinct qimei)，按照上面的方式计算所以维度组合
为了压缩存储，需要对维度和维度值进行编码，生成维度字典。
维度编码：
维度值编码：
最终对所以cube编码如下：
其中code和itemKey中的0代表全部。
5.2.2 预聚合层架构
首先给出cube和cube任务的定义。维度编码 指标代表一个cube，例如(101, m1)；cube再加上日期代表一个cube任务，例如(20210101, 101, m1)。
目前预聚合层会缓存30天的数据，一个分析报表创建好之后，需要缓存近30天的数据，当所有数据都缓存好之后，该报表才可用。第二天新的数据产出后，预聚合层自动缓存最新的数据，然后报表的时间范围就更新到最新。即用户创建好报表后，以后无需操作，就能查询最近一个月的数据。
创建一个报表的流程如下：
- 用户在界面上拖拽维度和指标构建多维分析树，创建好之后保存报表，点击“运行”按钮，此时报表状态为“运行中”；
- 将分析树拆分成多个cube，插入cube集合，如果cube已经存在则无需再次插入。
- 预聚合层定时调度，检测cube集合中的每个cube，是否最近一个月都有数据，如果没有，则创建相应日期的cube任务。
- 任务执行器执行cube任务，解析成sql，去Hermes查询聚合数据，然后对结果进行编码，最后将结果存储到ES当中。
- 当一个月数据缓存完成后，更新报表状态为“运行成功”，此时报表就可以查询数据了。
5.3 其他功能
缓存数据多版本：对于同一cube的数据，可以存在多个版本。这是因为当一个报表的数据缓存好之后，如果此时某几天数据出问题了需要重跑，那么需要将所有数据重跑好了之后，再一次全部切换，否则会让用户看到中间态的数据。
动态添加指标和维度：可以根据现有的维度和指标配置出新的维度指标，无需重跑源表数据。
支持留存维度和指标：支持不同留存时间的维度和指标，比如次留、3日留存、7日留存等等。
6.未来优化
1.优化底层存储。目前支持的数据分析时间范围为一个月，未来可能会增加到3个月或者半年，相应的缓存时间就会变长，Hermes的存储成本也会变大，未来准备支持多个数据底层数据源，比如灯塔、presto、clickhouse等，加速缓存。
2.添加各种归因算法。未来准备在归因分析树上应用一些归因算法，比如JS散度等，智能的找出指标的影响因素。
3.添加报表全局过滤功能。在报表上添加过滤条件，限定整棵树的分析范围。
4.支持维度间的层级关系。比如支持城市、区域维度之间的层级关系。
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