字节跳动正式开源自研 Shuffle 框架 Cloud Shuffle Service

大数据计算引擎常用的 Pull-Based Sort Shuffle 方案实现机制存在缺陷，在大规模生产环境下经常因为 Shuffle 问题影响作业稳定性。在此背景下，字节跳动自研了 Cloud Shuffle Service，提供比原生方案稳定性更好、性能更高、更弹性的数据 Shuffle 能力，同时也为存算分离/在离线混部等场景提供了 Remote Shuffle 解决方案。

8 月 25 日，字节跳动宣布正式开源 Cloud Shuffle Service。

Cloud Shuffle Service（以下简称 CSS） 是字节自研的通用 Remote Shuffle Service 框架，支持 Spark/FlinkBatch/MapReduce 等计算引擎，提供了相比原生方案稳定性更好、性能更高、更弹性的数据 Shuffle 能力，同时也为存算分离/在离线混部等场景提供了 Remote Shuffle 解决方案。

目前，CSS 已在 GitHub 上开源，欢迎感兴趣的同学一起参与共建。

项目地址：

https://github.com/bytedance/CloudShuffleService

开源背景

在大数据计算引擎中，Pull-Based Sort Shuffle 是一种常见的 Shuffle 方案，比如 Spark/MapReduce/FlinkBatch (高于 1.15 版本)等都将 Sort Shuffle 作为引擎默认方案，但是 Sort Shuffle 实现机制有一定的缺陷，在大规模生产环境下经常因为 Shuffle 问题影响作业稳定性。

以 Spark 的 Sort Shuffle 为例：

如上图所示链路，Sort Shuffle 会存在以下一些问题：

• 将多个 Spill 文件合并成一个文件，会额外消耗读写 IO；

• 假设有 m 个 MapTask & n 个 ReduceTask，会产生 m*n 个网络链接，当数量特别多时：

  大量的网络请求会导致 Shuffle Service 容易形成积压；

  Shuffle Service 会产生大量的随机读取，容易导致 IO 瓶颈，特别是 HDD 集群；

• Shuffle Service 无法做到 Application 的资源隔离，当有一个异常作业时，可能会影响同一个 Shuffle Service 节点上其它所有作业，问题容易放大；

• MapTask 生成的 Shuffle Data File 只存储一份到本地，当磁盘坏了也会导致数据丢失，同样引起 FetchFailed 问题；

• Shuffle Data File 写到本地磁盘的方式，依赖计算节点上的磁盘，无法做到存算分离。

这些都很容易导致 ShuffleRead 慢或者超时，引起 FetchFailed 相关错误，严重影响线上作业的稳定性，ShuffleRead 慢也会大大降低资源利用率(CPU&Memory)，同时 FetchFailed 也会导致 Stage 中相关 Task 重算，浪费大量资源，拖慢整个集群作业运行；无法存算分离的架构，在在离线混部(在线资源磁盘不足)/Serverless 云原生等场景下，也很难满足要求。

字节跳动使用 Spark 作为主要的离线大数据处理引擎，每天线上运行作业数过百万，日均 Shuffle 量 300+PB。在 HDFS 混部 &在离线混部等场景，Spark 作业的稳定性经常无法得到保障，影响业务 SLA：

• 受限 HDD 磁盘 IO 能力/磁盘坏等情况，导致大量的 Shuffle FetchFailed 引起的作业慢/失败/Stage 重算等问题，影响稳定性 &资源利用率。

• External Shuffle Service (以下简称 ESS)  存算无法分离，遇到磁盘容量低的机器经常出现磁盘打满影响作业运行。

在此背景下，字节跳动自研了 CSS，用来解决 Spark 原生 ESS 方案的痛点问题。自 CSS 在内部上线一年半以来，当前线上节点数 1500+，日均 Shuffle 量 20+PB，大大提高了 Spark 作业的 Shuffle 稳定性，保障了业务的 SLA。

Cloud Shuffle Service 介绍

CSS 是字节自研的 Push-Based Shuffle Service，所有 MapTask 通过 Push 的方式将同一个 Partition 的 Shuffle 数据发送给同一个 CSS Worker 节点进行存储，ReduceTask 直接从该节点通过 CSS Worker 顺序读取该 Partition 的数据，相对于 ESS 的随机读取，顺序读的 IO 效率大大提升。

CSS 架构

Cloud Shuffle Service(CSS) 架构图

CSS Cluster 是独立部署的 Shuffle Service 服务，主要涉及的组件为：

• CSS Worker

CSS Worker 启动后会向 ZooKeeper 节点注册节点信息，它提供 Push/Fetch 两种服务请求，Push 服务接受来自 MapTask 的 Push 数据请求，并将同一个 Partition 的数据写到同一个文件；Fetch 服务接受来自 ReduceTask 的 Fetch 数据请求，读取对应 Partition 数据文件返回；CSS Worker 还负责 Shuffle 数据清理的工作，当 Driver 进行 UnregisterShuffle 请求删除 ZooKeeper 对应 ShuffleId 的 Znode 时，或者 Application 结束删除 ZooKeeper 中 ApplicationId 的 Znode 时，CSS Workers 会 Watch 相关事件对 Shuffle 数据进行清理。

• CSS Master

作业启动后会在 Spark Driver 中启动 CSS Master，CSS Master 会从 ZooKeeper 中获取到 CSS Worker 的节点列表，然后为后续 MapTask 产生的各个 Partition 分配 n 个副本(默认为 2)的 CSS Worker 节点，并对这些 Meta 信息进行管理，供 ReduceTask 获取 PartitionId 所在的 CSS Worker 节点进行拉取，同时在 RegisterShuffle/UnregisterShuffle 过程中会在 ZooKeeper 中创建对应的 ApplicationId/ShuffleId 的 Znode，CSS Worker 会 Watch Delete 事件对 Shuffle 数据进行清理。

• ZooKeeper

如前描述，用来存储 CSS Worker 节点信息以及 ShuffleId 等信息。

CSS 特性

• 多引擎支持

CSS 除了支持 Spark(2.x&3.x) 之外，也可以接入其他引擎，目前在字节跳动内部，CSS 还接入了 MapReduce/FlinkBatch 引擎。

• PartitionGroup 支持

为了解决单个 Partition 太小，Push 效率比较低的问题，实际会将多个连续的 Partition 组合成更大的 PartitionGroup 进行 Push。

• 高效统一的内存管理

跟 ESS 类似，MapTask 中的 CSS Buffer 将所有 Partition 的数据都存储在一起，在 Spill 之前会对数据按照 PartitionId 进行排序，然后按照 PartitionGroup 维度进行数据推送；同时 CSS Buffer 完全纳入 Spark 的 UnifiedMemoryManager 内存管理体系，内存相关参数由 Spark 统一管理。

• 容错处理

Push 失败：当触发 Spill 进行 Push PartitionGroup 数据时，每次 Push 的数据大小为 4MB（一个 Batch），当某次 Push batch 失败时，并不影响之前已经 Push 成功的数据，只需要重新分配节点（Reallocate）继续 Push 当前失败的数据以及后续还未 Push 的数据，后续 ReduceTask 会从新老节点读取完整的 Partition 数据；

多副本存储：ReduceTask 从 CSS Worker 读取某个 Partition 数据是按照 Batch 粒度进行拉取的，当 CSS Worker 异常（如网络问题/磁盘坏等）导致无法获取该 Batch 数据，可以继续选择另外一个副本节点继续读取该 Batch 以及后续 Batch 的数据；

数据去重：当作业开启 Speculative 推测执行会有多个 AttempTask 并发跑，需要在读取的时候进行去重。在 Push Batch 的时候，会给 Batch 数据加上 Header 信息，Header 信息中包含  MapId + AttempId + BatchId 等信息，ReduceTask 读取时可以根据这些 ID 信息进行去重。

• Adaptive Query Execution(AQE) 适配

CSS 完整支持 AQE 相关的功能，包括动态调整 Reduce 个数/ SkewJoin 优化/Join 策略优化。对于 SkewJoin，CSS 做了更多的适配优化工作，解决了 Skew Partition 数据被多个 ReduceTask 重复读取问题，大大提高了性能。

CSS 性能测试

我们将 CSS 与开源的 ESS 使用独占 Label 计算资源进行 1TB 的 TPC-DS Benchmark 测试对比，整体端到端的性能提升 15%左右，部分 Query 有 30%以上的性能提升。

同时我们也使用线上混部资源队列(ESS 稳定较差)进行 1TB 的 TPC-DS Benchmark 测试对比，整体端到端性能提升 4 倍左右。

CSS 1TB 测试提升 30% 以上的 Query

未来规划

CSS 目前开源了部分 Feature，还有一些 Feature & 优化后续会陆续开放：

• 支持 MapReduce/FlinkBatch 引擎；

• CSS 集群增加 ClusterManager 服务角色，管理 CSS Worker 的状态 &负载信息，同时将当前 CSS Master 分配 CSS Worker 的功能提到 ClusterManager；

• 基于异构机器(如磁盘能力不同)/负载 等维度的 CSS Worker 分配策略。