Iceberg と Impala の統合:データベースの進化と最適化技術

はじめに

Iceberg は Apache Foundation が管理するオープンソースのデータテーブルフォーマットであり、従來の Hive 表形式の制限を克服するための革新的なアプローチを提供しています。Impala は大規模なデータ処理に特化した MPP(Massively Parallel Processing)アーキテクチャを採用しており、Iceberg との統合により、読み取りだけでなく、更新・削除・最適化などの高度な操作をサポートするようになりました。この記事では、Iceberg と Impala の統合技術、その特徴、および実際の応用方法について詳しく解説します。

伝統的な Hive 表形式の制限

従來の Hive 表形式は、データディレクトリとファイルで構成され、同じスキーマと形式(Parquet、ORC など)を保証する必要があります。元データは Hive Metastore で管理され、以下の制限がありました。

  • ACID 操作の欠如:更新や削除操作がサポートされていない
  • 分區管理の柔軟性の欠如:値分區のみをサポートし、手動での調整が必要
  • スキーマの進化が困難:新たなカラムの追加や変更が困難
  • 小ファイル問題:データの分散によりクエリ性能が低下
  • 時間旅行や回復機能の欠如:過去の狀態への復元が不可能

これらの制限により、データの管理と処理効率に課題が生じていました。

Iceberg 表形式の革新

Iceberg は、以下の特徴を持つ新しいデータテーブルフォーマットとして注目されています。

  • メタデータレイヤー構造metadata ファイル(JSON 形式)により、スキーマ、分區レイアウト、現在のスナップショット指針を管理
  • 時間旅行機能:複數のスナップショットを保持し、過去の狀態へのアクセスを可能に
  • ACID 操作サポート:スナップショット隔離(Snapshot Isolation)により、一貫性のある書き込みを実現
  • スキーマ進化の柔軟性:カラムの追加・変更・再構造化をサポート
  • 分區管理の柔軟性:値分區と変換分區(例:タイムスタンプを年単位に変換)をサポート
  • スナップショット管理:データの回復とバージョン管理を可能に

これらの機能により、Iceberg は従來の制限を克服し、データ管理の柔軟性と信頼性を向上させます。

Impala のアーキテクチャと Iceberg の統合

Impala は MPP アーキテクチャを採用し、協調者(Coordinator)とバックエンド実行器(Backend)で構成されています。これにより、HDFS、Ozone、S3 などのストレージシステムと Parquet、ORC、Avro などのファイル形式をサポートします。LLVM を用いたランタイムコード生成により、クエリ性能が最適化されています。

Iceberg との統合では、以下の特徴が提供されます。

  • RO(Read-Only)レベルの変更サポート:削除・更新・マージ操作を可能に
  • 仮想テーブルによる削除処理:Position Delete と Equality Delete により、削除操作を効率化
  • 獨自のファイルスキャンと演算子:Iceberg の Java ライブラリではなく、Impala 自體のスキャンと演算子を使用

これらの統合により、Impala は Iceberg テーブルに対して高度な操作を実行可能になります。

RO レベルの変更実裝詳細

Iceberg は Merge on Read と Copy on Write の 2 種類の戦略を採用しています。

  • Merge on Read:削除ファイルを追跡し、読み取り時にデータと削除ファイルをマージ(高読み取り拡大、小規模変更に適す)
  • Copy on Write:元データファイルを再構築し、不要なデータを削除(高書き込み拡大、大規模変更に適す)

削除操作では、Position Delete が優先され、ファイル名と位置情報を記録して読み取り時に直接マッチングします。Equality Delete は性能が劣るため、現在は非推奨です。

更新操作では、更新クエリを挿入クエリに変換し、仮想テーブルに書き込みます。複數のデータシンク(Data Sync)が同時に削除と更新データを処理します。

マージ操作では、2 階段の処理が行われます。

  1. ターゲットとソースのフィールドをスキャンし、マッチング狀態と位置情報を記録
  2. マッチング結果に基づき、更新・挿入・削除操作を実行

専用の Merge Sync コンポーネントにより、挿入と削除のシンクを統合しています。

テーブルのメンテナンス操作

  • Optimize Table:小ファイル問題を解決し、削除ファイルをマージしてデータを再構築。最新のスキーマと分區規則に基づき、データを再編成し、メタデータの數を減らしてクエリ性能を向上
  • Drop PartitionALTER TABLE DROP PARTITION で指定された分區を削除。複雑な述語や分區変換(Partition Transform)をサポート
  • Rollback:スナップショットメカニズムにより、過去の狀態に復元。データ破損や誤操作後の修復に使用
  • Expire Snapshots:不要なスナップショットを削除し、メタデータ量を減らしてストレージ空間を最適化

これらのメンテナンス操作により、Iceberg テーブルの健康狀態を維持し、長期的な性能を確保します。

技術統合と性能最適化

Impala は以下の最適化戦略を採用しています。

  • キャッシュと LLVM:クエリ性能を向上させるためのストレージキャッシュとランタイムコード生成
  • Directed Distribution Mode:RO レベルの変更では、直接的な分散読み取りによりデータ転送を削減

また、file_size_threshold などのパラメータにより、Optimize Table の実行範囲を制御し、小ファイルに特化した最適化を実現します。

使用場面と応用価値

  • データクリーンアップ:GDPR などのデータ保護法規に準拠するための削除と回復操作
  • 性能最適化:小ファイルや削除ファイルの堆積問題を解決し、クエリ性能を向上
  • 柔軟な管理:スキーマ進化や分區調整、スナップショットバージョン管理により、データ構造の変化に対応
  • データ一貫性:ACID 操作とスナップショットメカニズムにより、データの書き込み一貫性と可追跡性を確保

これらの特徴により、Iceberg と Impala の統合は、現代のデータ処理ニーズに適した強力なソリューションとなっています。

結論

Iceberg と Impala の統合により、従來のデータベースの制限を克服し、柔軟なデータ管理と高性能なクエリ処理が可能になります。Optimize Table や Rollback などのメンテナンス操作は、長期的なデータ管理の信頼性を確保する上で不可欠です。実際の導入では、パラメータの調整や定期的なメンテナンス計畫を検討することが重要です。この技術の活用により、データ処理の効率と信頼性を向上させることができます。