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在 #圖計算 on nLive# 直播活動中，來自 Nebula 研發團隊的 nebula-plato 維護者郝彤和 nebula-algorithm 維護者 Nicole 分別同大家分享了他她眼中的圖計算。

**嘉賓們**

* 王昌圓：論壇 ID：Nicole，nebula-algorithm 維護者；
* 郝彤：論壇 ID：caton-hpg，nebula-plato 維護者；

先開場的是 nebula-plato 的維護者郝彤。

## 圖計算之 nebula-plato

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nebula-plato 的分享主要由圖計算系統概述、Gemini 圖計算系統介紹、Plato 圖計算系統介紹以及 Nebula 如何同 Plato 整合構成。

### 圖計算系統

#### 圖的劃分

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圖計算系統概述部分，著重講解下圖的劃分、分片、儲存方式等內容。

圖自身由頂點和邊構成，而圖結構本身是個發散性結構沒有邊界。要對圖進行切分，必然是切頂點或者是切邊二選一。

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切頂點意味著一個頂點切成多份，每個 partition 上會儲存部分頂點，這樣會引發兩個問題：頂點資料的一致性和網路開銷的問題。此外，切點也存在一個頂點儲存多份帶來的資料冗餘。

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而切邊則一條邊會切成兩份，分別儲存在兩個 partition 上。在計算（迭代計算）過程中就會存在網路開銷。同樣，切邊也會引發資料冗餘帶來的儲存危機。

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圖的劃分除了有圖資料結構自身的切割問題，還有資料儲存的分割槽問題。圖資料分割槽通常有兩種方式，一種是 Hash，還有一種是範圍分片。範圍分片指的是資料劃分為由片鍵值確定的連續範圍，比如說 machine 1 有 bannana、car 等 key，machine 2 有 dark 範圍的 key，按照類似規定分片。

#### 圖儲存的方式

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圖計算系統的儲存介質分為記憶體和外存，記憶體方式會把所有資料放記憶體中進行迭代計算；而外存儲存則要不停地去讀寫磁碟，這種效率非常低。目前，主流圖計算系統都是基於記憶體儲存，但記憶體有個缺點，如果記憶體放不下資料會非常麻煩。

圖計算的儲存方式主要有：鄰接矩陣、鄰接表、CSR/CSC，前兩者大家比較熟悉，這裡簡單講下 CSR/CSC。CSR 是壓縮稀疏行，儲存頂點的出邊資訊。舉個例子：

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現在我們對這個矩陣（上圖）進行壓縮，只壓儲存中有資料的內容，剔除矩陣中沒有資料的內容，這樣會得到最右邊的這張圖。但是這種情況如何去判斷 2 和 5 是哪個頂點的出邊呢？這裡引入一個欄位 `offset`。

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比如說，現在要取頂點 1 的鄰居，頂點 1 在 offset 第一個，那它的鄰居是什麼區段？如上圖，紅色框所示：1 的 offset 是 0~2，但不包括 2，對應的鄰居就是 2 和 5。

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取節點 2 的鄰居，節點 2 的鄰居是範圍是 2~6，這樣對應的鄰居就是 1、3、4、5，這就是 CSR。同理，CSC 為壓縮稀疏列，同 CSR 類似，不過是按照列的方式進行壓縮，它存的是入邊資訊。

#### 圖計算模式

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圖計算模式通常有兩種，一種是 BSP（Bulk Synchronous Parallel），一種是 GAS（Gather、Apply、Scatter）。 BSP 是一個整體同步的計算模式，塊內部會進行平行計算，塊與塊之間會進行同步計算。像常見的圖計算框架 Pregel、[Giraph](https://giraph.apache.org/) 都是採用的 BSP 程式設計模式。

再來說下 [PowerGraph](https://github.com/jegonzal/PowerGraph) 它才用了 GAS 程式設計模型，相比 BSP，GAS 則細分成了 Gather 收集、Apply 應用、Scatter 分發等三個階段，每次迭代都會經過這三個階段。在 Gather 階段先收集 1 度鄰居的資料，再在本地進行一次計算（Apply），如果資料有變更將變更的結果 Scatter 分發出去，上面就是 GAS 程式設計模型的處理過程。

##### 圖計算的同步和非同步

在圖計算系統中，常會見到兩個術語：同步、非同步。同步意味著本輪產生的計算結果，在下一輪迭代生效。而本輪產生的計算結果，在本輪中立即生效則叫做非同步。

非同步方式的好處在於演算法收斂速度特別快，但它有個問題。

因為非同步的計算結果是在當輪立即生效的，所以同節點的不同的執行順序會導致不同的結果。

此外，非同步在並行執行的過程中會存在資料不一致的問題。

##### 圖計算系統的程式設計模式

圖計算系統程式設計模型通常也分為兩種，一種是以頂點為中心的程式設計模型，另外一種是以邊為中心的程式設計模型。

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（圖：以頂點為中心的程式設計模型）

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（圖：以邊為中心的程式設計模型）

這兩種模式以頂點為中心的程式設計模型比較常見，以頂點為中心意味著所有的操作物件為頂點，例如上圖的 `vertex v` 便是一個頂點變數 v，而所有諸如 scatter、gather 之類的操作都是針對這個頂點資料進行。

### Gemini 圖計算系統

Gemini 圖計算系統是以計算為中心的分散式圖計算系統，這裡主要說下它的特點：

- CSR/CSC
- 稀疏圖/稠密圖
- push/pull
- master/mirror
- 計算/通訊 協同工作
- 分割槽方式：chunk-base，並支援 NUMA 結構

Gemini 中文的含義是“雙子座”，在 Gemini 論文中提到的很多技術是成雙成對出現的。不僅在儲存結構上 CSR 和 CSC 成雙成對出現，在圖劃分上也分為了稀疏圖和稠密圖。

稀疏圖採用 push 的方式，可以理解為將自己的資料傳送出去，更改他人資料；對於稠密圖，它採用 pull 的方式把 1 度鄰居資料拉過來，更改自己的資料。

此外，Gemini 把頂點分為 master 和 mirror。在計算和通訊方面進行協同工作，以便降低時間提升整體效率。最後是分割槽方式，採用 chunk-base分割槽，並支援 NUMA 結構。

下面來舉個例子加速理解：

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上圖黃色和粉色是 2 個不同的 partition 分割槽。

* 在稀疏圖的 push 操作時，master 頂點（上圖左圖黃色區域的 v 頂點）會透過網路將資料同步給所有的 mirror 頂點（上圖左圖粉色區域的 v 頂點），mirror 節點執行push，修改它的一度鄰居節點資料。
* 在稠密圖的 pull 操作中， mirror 頂點（上圖右圖黃色區域的 v 節點）會拉取它 一度鄰居的資料，再透過網路同步給它的 master 頂點（上圖右圖粉色區域的 v 節點），修改它自己的資料。

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結合上圖例子深入理解下，這是一個稠密圖，採用 CSC 儲存方式。這裡上圖左側 Example Graph 中的頂點 0 要進行 pull 操作，這時候 0 的 mirror 節點（Node1 和 Node2）會拉取它的 一度鄰居資料，然後同步給 master（Node0）更改自己的資料。

上述便是稠密圖 0 對應的 pull 操作。

接著來簡單介紹下 Plato。

### 圖計算系統 Plato 介紹

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[Plato](https://github.com/Tencent/plato) 是騰訊開源的圖計算框架，這裡著重講下 Plato 和 Gemini 的不同點。

上面我們科普過 Gemini 的 pull/push 方式：`csr: part_by_dst` 適用於 push 模式以及csc: `part_by_src` 適用於 pull 模式。相比較 Gemini，Plato 在它 pull 和 push 方式基礎上新增了適用於 pull 模式的 `csr: part_by_src` 和適用於 push 模式的 `csc: part_by_dst`。這是 Plato 在分割槽上同 Gemini 的不同，當然 Plato 還支援 Hash 的分割槽方式。

在編碼方面，Gemini 是支援 int 型別的頂點 ID 並不支援 String ID，但 Plato 支援 String ID 的編碼。Plato 透過對String ID進行 Hash 處理計算出對應的機器，將 String ID 傳送給對應機器進行編碼再傳回進行編碼資料聚合。在一個大的 map 對映之後，每臺機器都能拿到一個全域性的 String ID 編碼。在系統計算結束的時候需要將結果輸出，這時候全域性編碼就可以在本地將 int ID 轉回 String ID。這便是 Plato String ID 編碼的原理。

### Nebula Graph 與 Plato 的整合

首先 Nebula 最佳化了 String ID 的編碼，上面說到的全域性編碼對映是非常消耗記憶體的，尤其是在生產環境上。在 Nebula 這邊每臺機器只儲存部分的 String ID，在結果輸出時由對應的機器進行 Decode 再寫入磁碟。

此外還支援了 Nebula Graph 的讀取和寫入，可以透過 scan 介面來讀取資料，再透過 nGQL 寫回到 Nebula Graph 中。

在演算法上面，Nebula Graph 也進行了補充，sssp 單源最短路徑、apsp 全對最短路徑、jaccard similary 相似度、triangle count 三角計數、clustering coefficent 聚集係數等演算法。

我們的 Plato 實踐文章也將會在近期釋出，會有更詳細的整合介紹。

## 圖計算之 nebula-algorithm

在開始 nebula-algorithm 介紹之前，先貼一個它的開源地址：[https://github.com/vesoft-inc/nebula-algorithm](https://github.com/vesoft-inc/nebula-algorithm)。

### Nebula 圖計算

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目前 Nebula 圖計算整合了兩種不同圖計算框架，共有 2 款產品：nebula-algorithm 和 nebula-plato。

nebula-algorithm 是社群版本，同 nebula-plato 的不同之處在於，nebula-algorithm 提供了 API 介面來進行演算法呼叫，`最大的優勢在於整合了 [GraphX](https://spark.apache.org/docs/latest/graphx-programming-guide.html)，可無縫對接 Spark 生態`。正是由於 nebula-algorithm 基於 GraphX 實現，所以底層的資料結構是 RDD 抽象，在計算過程中會有很大的記憶體消耗，相對的速度會比較慢。

nebula-plato 上面介紹過，資料內部要進行 ID 編碼對映，即便是 int ID，但如果不是從 0 開始遞增，都需要進行 ID 編碼。nebula-plato 的優勢就是記憶體消耗是比較小，所以它跑演算法時，`在相同資料和資源情況下，nebula-plato 速度是相對比較快的`。

上圖左側是是 nebula-algorithm 和 nebula-plato 的架構，二者皆從儲存層 Nebula Storage 中拉取資料。GraphX 這邊（nebula-algorithm）主要是透過 Spark Connector 來拉取儲存資料，寫入也是透過 Spark Connector。

### nebula-algorithm 使用方式

#### jar 包提交

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nebula-algorithm 目前是提供了兩種使用方式，一種是透過直接提交 jar 包，另外一種是透過呼叫 API 方式。

透過 jar 包的方式整個流程如上圖所示：透過配置檔案配置資料來源，目前配置檔案資料來源支援 Nebula Graph、HDFS 上 CSV 檔案以及本地檔案。資料讀取後被構造成一個 GraphX 的圖，該圖再呼叫** nebula-algorithm **的演算法庫。演算法執行完成後會得到一個演算法結果的 data frame（DF），其實是一張二維表，基於這張二維表，Spark Connector 再寫入資料。這裡的寫入可以把結果寫回到圖資料庫，也可以寫入到 HDFS 上。

### API  呼叫

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更推薦大家透過 API 呼叫的方式。像上面透過 jar 包形式在後面的資料寫入部分是不處理資料的。而採用 API 呼叫方式，在資料寫入部分可進行資料預處理，或是對演算法結果進行統計分析。
API 呼叫的流程如上圖所示，主要分為 4 步：

1. 自定義資料來源 df（id 為數值型資料）
1. 定義演算法配置 louvainConfig
1. 執行演算法
1. 對演算法結果統計計算或直接展示

上圖的程式碼部分則為具體的呼叫示例。先定義個 Spark 入口：`SparkSession`，再透過 Spark 讀取資料來源 df，這種形式豐富了資料來源，它不侷限於讀取 HDFS 上的 CSV，也支援讀取 HBase 或者 Hive 資料。上述示例適用於頂點 ID 為數值型別的圖資料，String 型別的 ID 在後面介紹。

回到資料讀取之後的操作，資料讀取之後將進行演算法配置。上圖示例呼叫 Louvain 演算法，需要配置下 LouvainConfig 引數資訊，即 Louvain 演算法所需的引數，比如迭代次數、閾值等等。

演算法執行完之後你可以自定義下一步操作結果統計分析或者是結果展示，上面示例為直接展示結果 `louvain.show()`。

### ID Mapping 對映原理與實現

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再來介紹下 ID 對映，String ID 的處理。

熟悉 GraphX 的小夥伴可能知道它是不支援 String ID 的，當我們的資料來源 ID 是個 String 該如何處理呢？

同社群使用者 GitHub issue 和論壇的日常交流中，許多使用者都提到了這個問題。這裡給出一個程式碼示例：[https://github.com/vesoft-inc/nebula-algorithm/blob/master/example/src/main/scala/com/vesoft/nebula/algorithm/PageRankExample.scala](https://github.com/vesoft-inc/nebula-algorithm/blob/master/example/src/main/scala/com/vesoft/nebula/algorithm/PageRankExample.scala)

從上面的流程圖上，我們可以看到其實同之前呼叫流程相同，只是多兩步：`ID Mapping`  和 `對結算結果做 ID & 結果的反 Mapping`。因為演算法執行結果是數值型，所以需要做一步反 Mapping 操作使得結果轉化為 String 型別。

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上圖為 ID 對映（Mapping）的過程，在演算法呼叫的資料來源（方框 1）顯示該資料為邊資料，且為 String 型別（a、b、c、d），當中的 1.0、2.0 等等列資料為邊權重。在第 2 步中將會從邊資料中提取點資料，這裡我們提取到了 a、b、c、d，提取到點資料之後透過 ID 對映生成 long 型別的數值 ID（上圖藍色框）。有了數值型別的 ID 之後，我們將對映之後的 ID 資料（藍色框）和原始的邊資料（方框 1）進行 Join 操作，得到一個編碼之後的邊資料（方框 4）。編碼之後的資料集可用來做演算法輸入，演算法執行之後得到資料結果（黃色框），我們可以看到這個結果是一個類似二維表的結構。

為了方便理解，我們假設現在這個是 PageRank 的演算法執行過程，那我們得到的結果資料（黃色框）右列（2.2、2.4、3.1、1.4）則為計算出來的 PR 值。但這裡的結果資料並非是最終結果，別忘了我們的原始資料是 String 型別的點資料，所以我們要再做下流程上的第 5 步：`對結算結果做 ID & 結果的反 Mapping`，這樣我們可以得到最終的執行結果（綠色框）。

要注意的是，上圖是以 PageRank 為例，因為 PageRank 的演算法執行結果（黃框右列資料）為 double 型別數值，所以不需要做 ID 反對映，但是如果上面的流程執行的演算法為連通分量或是標籤傳播，它的演算法執行結果第二列資料是需要做 ID 反對映的。

節選下 PageRank 的程式碼中的實現

```scala
def pagerankWithIdMaping(spark: SparkSession, df: DataFrame): Unit = {
    val encodedDF      = convertStringId2LongId(df)
    val pageRankConfig = PRConfig(3, 0.85)
    val pr             = PageRankAlgo.apply(spark, encodedDF, pageRankConfig, false)
    val decodedPr      = reconvertLongId2StringId(spark, pr)
    decodedPr.show()
}
```

我們可以看到演算法呼叫之前透過執行 `val encodedDF = convertStringId2LongId(df)` 來進行 String ID 到 Long 型別的對映，語句執行完之後，我們才會呼叫演算法，演算法執行之後再來進行反對映 `val decodedPr = reconvertLongId2StringId(spark, pr)`。

在直播影片（B站：[https://www.bilibili.com/video/BV1rR4y1T73V](https://www.bilibili.com/video/BV1rR4y1T73V)）中，講述了 PageRank 示例程式碼實現，有興趣的小夥伴可以看下影片 24‘31 ~ 25'24 的程式碼講解，當中也講述了編碼對映的實現。

### nebula-algorithm 支援的演算法

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上圖展示的是我們在 v3.0 版本中將會支援的圖演算法，當然當中部分的圖演算法在 v2.0 也是支援的，不過這裡不做贅述具體的可以檢視 GitHub 的文件：[https://github.com/vesoft-inc/nebula-algorithm](https://github.com/vesoft-inc/nebula-algorithm) 。

按照分類，我們將現支援的演算法分為了社群類、節點重要性、關聯性、圖結構類、路徑類和圖表示等 6 大類。雖然這裡只是列舉了 nebula-algorithm 的演算法分類，但是企業版的 nebula-plato 的演算法分類也是類似的，只不過各個大類中的內部演算法會更豐富點。根據目前社群使用者的提問反饋來講，演算法使用方便主要以上圖的社群類和節點重要性兩類為主，可以看到我們也是針對性的更加豐富這 2 大類的演算法。如果你在 nebula-algorithm 使用過程中，開發了新的演算法實現，記得來 [GitHub](https://github.com/vesoft-inc/nebula-algorithm) 給 [nebula-algorithm](https://github.com/vesoft-inc/nebula-algorithm) 提個 pr 豐富它的演算法庫。

下圖是社群發現比較常見的 Louvain、標籤傳播演算法的一個簡單介紹：

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![圖計算 on nLive：Nebula 的圖計算實踐](https://www-cdn.nebula-graph.com.cn/nebula-blog/nebula-graph-computation-23.png)

由於之前寫過相關的演算法介紹，這裡不做贅述，可以閱讀[《GraphX 在圖資料庫 Nebula Graph 的圖計算實踐》](https://nebula-graph.com.cn/posts/practice-graphx-nebula-graph-algorithm/)。

這裡簡單介紹下連通分量演算法

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連通分量一般指的是弱連通分量，演算法針對無向圖，它的計算流程相對簡單。如上圖右側所示，以虛線劃分的 5 個小社群，在計算連通分量過程中，每個社群之間的連線（紅色框）是不做計算的。你可理解為從圖資料庫中抽取出 1 個子圖來進行 1 個聯通分量的計算，計算出來有 5 個小連通分量。這時候基於全圖去資料分析，不同的小社群之間又增加了連線邊（紅色框），將它們連線起來。

### 社群演算法的應用場景

#### 銀行領域

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再來看個具體的應用場景，在銀行中存在這種情況，一個身份證號對應多個手機號、多臺手機裝置、多張簽帳金融卡、多張信用卡，還有多個 APP。而這些銀行資料會分散儲存，要做關聯分析時，可以先透過聯通分量來去計算小社群。舉個例子：把同一個人所擁有的不同的裝置、手機號等資料資訊歸到同一連通分量，把它們作為一個持卡人實體，再進行下一步計算。簡單來說，將分散資料透過演算法聚合成大節點統一分析。

### 安防領域

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上圖是 Louvain 演算法在安防領域的應用，可以看到其實整個業務處理流程中，演算法本身的比重佔比並不高，**整個處理流程 80% 左右是在對資料做預處理和後續結果進行統計分析**。不同領域有不同的資料，領域源資料按業務場景進行實際的圖建模。
以公安為例，透過公安資料進行人、車、網咖、酒店等實體抽取，即圖資料庫中可以分成這 4 個 tag（人、車、網咖、酒店），基於使用者的動態資料抽象出擁有關係、同行關係、同住關係，即對應到圖資料庫中的 Edge Type。完成資料建模之後，再進行演算法建模，根據業務場景選擇抽取全圖，還是抽取子圖進行圖計算。資料抽取後，需要進行資料預處理。資料預處理包括很多操作，比如將資料拆分成兩類，一類進行模型訓練，另外一類進行模型驗證；或是對資料進行權重、特徵方面的數值類轉換，這些都稱為資料的一個預處理。

資料預處理完之後，執行諸如 Louvain、節點重要程度之類的演算法。計算完成後，通常會將基於點資料得到的新特徵回溯到圖資料庫中，即圖計算完成後，圖資料庫的 Tag 會新增一類屬性，這個新屬性就是 Tag 的新特徵。計算結果寫回到圖資料庫後，可將圖資料庫的資料讀取到 Studio 畫布進行視覺化分析。這裡需要領域專家針對具體業務需求進行視覺化分析，或者資料完成計算後進入到 GCN 進行模型訓練，最終得到黑名單。
以上為本次圖計算的概述部分，下面為來自社群的一些相關提問。

### 社群提問

這裡摘錄了部分的社群使用者提問，所有問題的提問可以觀看直播影片 33‘05 開始的問題回覆部分。

#### 演算法內部原理

> dengchang：想了解下圖計算各類成熟演算法的內部原理，如果有結合實際場景跟資料的講解那就更好了。

Nicole：趙老師可以看下之前的文章，比如：

- [《GraphX 在圖資料庫 Nebula Graph 的圖計算實踐》](https://nebula-graph.com.cn/posts/practice-graphx-nebula-graph-algorithm/)
- [《基於 Nebula Graph 的 Betweenness Centrality 演算法》](https://nebula-graph.com.cn/posts/introduction-to-betweenness-centrality-algorithm/)

一些相對比較複雜的演算法，在直播中不便展開講解，後續會發布文章來詳細介紹。

#### 圖計算的規劃

> en,coder：目前我看到 Nebula Algorithm 計算要將資料庫資料匯出到 Spark，計算完再匯入到資料庫。後續是否考慮支援不匯出，至少輕量級演算法的計算，結果展示在 Studio。

Nicole：先回復前面的問題，其實用 nebula-algorithm 計算完不一定要將結果匯入到圖資料庫，目前 nebula-algorithm 的 API 呼叫和jar 包提交兩種方式均允許把結果寫入到 HDFS。是否要將結果資料匯入圖資料庫取決於你後續要針對圖計算結果進行何種處理。至於“後續是否支援不匯出，至少輕量級的計算”，我的理解輕量級的演算法計算是不是先把資料從圖資料庫中查出來，在畫布展示，再針對畫布中所展示出來的一小部分資料進行輕量級計算，計算結果立馬去透過 Studio 展示在畫布中，而不是在寫回到圖資料庫。如果是這樣的話，其實後續 Nebula 有考慮去做個圖計算平臺，結合了 AP 和 TP，針對畫布中的資料，也可以考慮進行簡單的輕量級計算，計算結果是否要寫回到圖資料庫由使用者去配置。回到需求本身，是否進行畫布資料的輕量級計算還是取決於你的具體場景，是否需要進行這種操作。

> 潮與虎：nebula-algorithm 打算支援 Flink 嗎？

Nicole：這裡可能指的是 Flink 的 Gelly 做圖計算，目前暫時沒有相關的打算。

> 繁凡：有計劃做基於 nGQL 的模式匹配嗎？全圖的 OLAP 計算任務，實際場景有一些模式匹配的任務，一般自己開發程式碼，但是效率太低。

郝彤：模式匹配是個 OLTP 場景，TP 受限於磁碟的速度較慢，所以想用在 OLAP 上，但是 OLAP 通常是處理傳統演算法，不支援模式匹配。其實後續 AP 和 TP 融合之後，圖資料放在記憶體中，速度會提升。

#### 圖計算的最佳實踐案例

> 戚名鈺：利用圖計算能力做裝置風險畫像的問題，業界有哪些最佳實踐？比如在群控識別、黑產團伙挖掘上面，有沒有相關業界的最佳實踐分享？

Nicole：具體業務問題需要依靠運營同學同社群使用者約稿，從實際案例中講解圖計算更有價值。

#### 圖計算記憶體資源配置

> 劉翊：如何評估圖計算所需的記憶體總量。

郝彤：因為不同的圖計算系統設計不同，記憶體使用量也就不一樣。即便是同一個圖計算系統，不同的演算法對於記憶體的需求也存在些差異，可以先透過 2、3 種不同資料進行測試，以便評估出最佳的資源配置。

以上為圖計算 on nLive 的分享，你可以透過觀看 B站影片：[https://www.bilibili.com/video/BV1rR4y1T73V](https://www.bilibili.com/video/BV1rR4y1T73V) 檢視完整的分享過程。如果你在使用 nebula-algorithm 和 nebula-plato 過程中遇到任何使用問題，歡迎來論壇同我們交流，論壇傳送門：[https://discuss.nebula-graph.com.cn/](https://discuss.nebula-graph.com.cn/) 。

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圖計算 on nLive：Nebula 的圖計算實踐

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