eBay开源分布式知识图谱存储Beam，支持类SPARQL查询-InfoQ

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eBay 工程人员于 5 月 1 日在官方技术博客上宣布发布 Beam 并开源。Beam 提供了分布式知识图谱存储，实现了事实数据的 RDF 存储，并支持类 SPARQL 查询。本文是对该博客文章的翻译。

Beam 是一种分布式知识图谱存储，以 Apache 2.0 开源许可发布。Beam 历经四人年（person-year）的工程探索和开发，提供了大量值得关注的新特性！此博客文章将介绍 Beam 及其实现，并阐述我们选择开源 Beam 的原因。

Beam 实现了分布式知识图谱存储

Beam是一种知识图谱存储，也可称为 RDF 存储或三元组存储。知识图谱适合建模世界知识百科这样通过复杂关系高度互联的数据。例如，Wikidata是一种以结构化数据和关系表示维基百科的数据集，非常适合于知识图谱表示。知识图谱存储支持对数据执行多样性查询，提供实时数据接口、辅助机器学习应用，以及基于现有知识理解非结构化的新信息。

在知识图谱中，数据以单一表模式表示事实。每个事实条目包括主体（Subject）、谓词（Predicate）和客体（Object）三个元素。这种事实条目表示方式，支持存储根据复杂查询灵活组织数据，并通过推理提高数据的抽象层级。下表列出了小部分知识图谱的表示。

主体	谓词	客体
<John_Scalzi>	<born>	<Fairfield>
<John_Scalzi>	<lives>	<Bradford>
<John_Scalzi>	<wrote>	<Old_Mans_War>

Beam 使用类似于 RDF 的数据表示，并支持类 SPARQL 查询语言。Beam 对数据表示和查询支持的详细信息，参见项目 GitHub 代码库提供的docs/query.md。

Beam 实现为分布式存储，在设计上支持无法被单一服务器有效存储的大规模图。Beam 可通过水平扩展支持高性能查询和大规模数据集。虽然 Beam 的写入速度无法扩展，但其部署通常可支持每秒数万次数据更改。我们已运行由 20 台服务器组成的 Beam 部署和离线用例近一年时间，通常情况下已加载了 25 亿条事实数据。尽管我们并未对 Beam 做压力测试，但我们相信 Beam 的性能远超当前的容量和规模。

Beam 的架构

Beam 的架构如图一所示，其架构围绕一种中心化日志构建，图中每个框图表示了分布式网络中的一个独立进程。中心化日志并非一个新概念，已在Tango等系统使用，但并未得到普遍重视。Beam 中，所有的写入请求排序写入一个只添加的中心化日志。日志作为网络服务，在分布式系统内部多次复制，实现容错和持久化。多个视图服务器（view server）分别读取日志，顺序应用其中的条目，并确定性地更新各服务器的本地状态。因此，不同的视图服务器维护着不同的状态。API 层接收来自客户的请求，将写入请求附加到日志中，并从视图服务器获取数据以响应读取请求。

图一 Beam 的中心化日志架构

中心化日志在本质上存在一个瓶颈问题，即日志附加的最大速率决定了整个数据集更新的最大速率。另一方面，中心化日志简化了很多特性的实现，例如跨分区交易、一致性查询和历史全局快照、复制、数据迁移、集群成员管理、分区和数据集的多方式索引等。详细信息，参见项目 GitHub 代码库提供的docs/central_log_arch.md。

Beam 的详细实现如图二所示。其中，日志接口采用模块化设计。Beam 当前推荐使用 Apache Kafka 实现日志，支持新日志在确认前持久化写入磁盘的配置。Beam 已提供了一种称为“DiskView”的单视图实现。DiskView 支持以两种运行模式，即分别根据知识图谱事实条目的“主体-谓词”和“谓词-客体”组合构建索引。典型的 Beam 部署将对每种模式各建立三个基于多划分的副本。DiskViews 使用同样支持模块化的 RocksDB 存储事实条目。API 服务器提供复杂的查询处理器，我们将在下面详细介绍。Beam 提供称为事务计时器的轻量级进程。在 API 服务器出现故障而导致事务处理缓慢时，事务计时器将对事务做超时处理。

图二 Beam 的详细实现结构图

API 服务器提供了丰富的功能，难以用一个简单的框图表示。API 服务器中实现了整个查询处理器，如图三所示。Beam 的查询处理器实现了一种类似于 SPARQL 子集的查询语言，语法类似于 SQL 语句，但适用于知识图谱查询。查询处理器包括解析器、基于代价的查询规划器和并发执行引擎。解析器将初始查询语句解析为抽象语法树（AST）。查询规划器为抽象语法树添加数据统计信息，进而给出高效的执行计划。查询执行引擎运行执行计划，使用批处理和留处理方式实现高性能查询。执行引擎基于 View Client/RPC Fanout 模块，从多个视图服务器高效获取数据。详细信息，参见项目 GitHub 代码库提供的docs/protobeam_v3.md。

图三 Beam 的查询处理器结构

我们为什么选择开源 Beam

我们从 Beam 的实现中获得了大量经验教训。最初，我们从头开始构建了一种基于内存的键值存储（即 ProtoBeam 第一版），随后迭代更新为基于磁盘的属性图存储（即 ProtoBeam 第二版），进而实现了知识图谱存储（即 ProtoBeam 第三版）。之后，我们将原型系统工程化实现可用于生产环境的代码、完善文档、开展测试并审核代码。在此过程中，我们在工程上做了一些有益的取舍，撰写了大量详细的阶段性文档，阐述了我们的考虑随时间演进的情况。总体情况和详细信息，参见项目 GitHub 代码库提供的docs/README.md。

尽管 Beam 项目已取得了很大进展，但不幸的是我们无法继续全职投入其中，难以独力将其实现为我们希望看到的完备系统。我们仍然认为，Beam 时一个非常值得关注的项目，具有很好的基础，可服务于他人：