高吞吐实时事务数仓方案调研 flink kudu+impala hbase等

2021-08-07 17:17:09 浏览数 (2)

0. 背景

需求：

  • 支持事务
  • 吞吐量大，实时统计查询，统计粒度大约在10分钟或者以内
  • 有多个数据源，需要先将所有数据源进行聚合成宽表再进行统计查询
  • 查询结果可能会集中在同一时间
  • 尽量黑盒，业务无感知

1. 整体数仓解决方案

腾讯云数据仓库PostgreSql TDSQL，PingCAP的TiDB，阿里的OceanBase，华为云DWS，都是HTAP的业内常用数仓，可以一站式解决需求。

1.1 云数仓PostgreSQL

https://cloud.tencent.com/document/product/878/18778

云数据仓库 PostgreSQL（Cloud Data Warehouse PostgreSQL）（原 Snova 数据仓库）为您提供简单、快速、经济高效的 PB 级云端数据仓库解决方案。云数据仓库兼容 Greenplum 开源数据仓库，是一种基于 MPP（大规模并行处理）架构的数仓服务。借助于该产品，可以使用丰富的 PostgreSQL 开源生态工具，实现对云数据仓库中海量数据的即席查询分析、ETL 处理及可视化探索，对标华为云DWS；

1.1.1 数据接入

数据接入可使用DataX工具将其他数据源如MySQL、SQL Server、Oracle、PostgreSQL、HDFS、Hive、HBase数据增量更新或者离线更新至云数仓PGSQL。并支持通过SQL方式将需要的数据导入至云数仓PGSQL。若有多个数据源可配置多个DataX任务进行数据接入。

类型

数据源

Reader(读)

Writer(写)

文档

RDBMS 关系型数据库

MySQL

√

√

读 、写

Oracle

√

√

读 、写

SQLServer

√

√

读 、写

PostgreSQL

√

√

读 、写

通用RDBMS(支持所有关系型数据库)

√

√

读 、写

NoSQL数据存储

Hbase0.94

√

√

读 、写

Hbase1.1

√

√

读 、写

MongoDB

√

√

读 、写

Hive

√

√

读 、写

无结构化数据存储

TxtFile

√

√

读 、写

FTP

√

√

读 、写

HDFS

√

√

读 、写

Elasticsearch

√

写

https://cloud.tencent.com/document/product/878/47391

https://github.com/HashDataInc/DataX

或者使用COS数据作为外表进行加载与查询，存储时间较长，查询需求较少的冷数据也可迁移至COS以减少成本。

加载COS数据 https://cloud.tencent.com/document/product/878/34875

冷数据迁移 https://cloud.tencent.com/document/product/878/45908

1.1.2 ETL

数仓内进行数据聚合ETL管理可以使用开源组件AirFlow或者azkaban，安装配置完成后可以对数仓内多个表进行实时/离线聚合，这里以AirFlow为例。

https://cloud.tencent.com/document/product/878/47355

1.2 TiDB

TiDB是PingCAP公司自主设计、研发的开源分布式关系型数据库，是一款同时支持在线事务处理与在线分析处理 (Hybrid Transactional and Analytical Processing, HTAP) 的融合型分布式数据库产品，具备水平扩容或者缩容、金融级高可用、实时 HTAP、云原生的分布式数据库、兼容 MySQL 5.7 协议和 MySQL 生态等重要特性。目标是为用户提供一站式 OLTP (Online Transactional Processing)、OLAP (Online Analytical Processing)、HTAP 解决方案。TiDB 适合高可用、强一致要求较高、数据规模较大等各种应用场景。

数据迁移：https://docs.pingcap.com/zh/tidb/stable/migration-overview

2. 开源大数据组件组合方案

2.1 常用框架简介

常用OLAP MPP框架优劣势

业界常用组合方案 Hbase Phoenix 、Kudu impala、 clickhouse 对比如下

2.1 HBASE Phoenix

HBASE在实时大批量查询与写入表现都很优秀，在引入Phoenix后查询方便许多，也能解决一些rowkey设计问题。不过后期运维成本可能会较高。

业务聚合处理： 简单的可以使用Phoenix写SQL直接进行，支持跨多表聚合，复杂的聚合操作可使用spark进行处理；

事务性：HBASE支持对数据进行修改；

扩展与运维：EMR支持一键扩容，可提供运维；

2.2 Kudu impala

Kudu和Impala均是Cloudera贡献给Apache基金会的顶级项目。Kudu作为底层存储，在支持高并发低延迟kv查询的同时，还保持良好的Scan性能，该特性使得其理论上能够同时兼顾OLTP类和OLAP类查询。Impala作为老牌的SQL解析引擎，其面对即席查询(Ad-Hoc Query)类请求的稳定性和速度在工业界得到过广泛的验证，Impala并没有自己的存储引擎，其负责解析SQL，并连接其底层的存储引擎。在发布之初Impala主要支持HDFS，Kudu发布之后，Impala和Kudu更是做了深度集成。

在众多大数据框架中，Impala定位类似Hive，不过Impala更关注即席查询SQL的快速解析，对于执行时间过长的SQL，仍旧是Hive更合适。

对于GroupBy等SQL查询，Impala进行的是内存计算，因而Impala对机器配置要求较高，官方建议内存128G以上，此类问题Hive底层对应的是传统的MapReduce计算框架，虽然执行效率低，但是稳定性好，对机器配置要求也低。

执行效率是Impala的最大优势，对于存储在HDFS中的数据，Impala的解析速度本来就远快于Hive，有了Kudu加成之后，更是如虎添翼，部分查询执行速度差别可达百倍。

2.2.1 对比

区别于Hbase等存储引擎，Kudu有如下优势：

  • 快速的OLAP类查询处理速度
  • 与MapReduce、Spark等Hadoop生态圈常见系统高度兼容，其连接驱动由官方支持维护
  • 与Impala深度集成，相比HDFS Parquet Impala的传统架构，Kudu Impala在绝大多数场景下拥有更好的性能。
  • 强大而灵活的一致性模型，允许用户对每个请求单独定义一致性模型，甚至包括强序列一致性。
  • 能够同时支持OLTP和OLAP请求，并且拥有良好的性能。
  • Kudu集成在ClouderaManager之中，对运维友好。
  • 高可用。采用Raft Consensus算法来作为master失败后选举模型，即使选举失败，数据仍然是可读的。
  • 支持结构化的数据，纯粹的列式存储，省空间的同时，提供更高效的查询速度。
  • Kudu是一个纯粹的列式存储引擎，相比Hbase只是按列存放数据，Kudu的列式存储更接近于Parquet，在支持更高效Scan操作的同时，还占用更小的存储空间。

列式存储有如此优势，主要因为两点：

  1. 通常意义下的OLAP查询只访问部分列数据，列存储引擎在这种情况下支持按需访问，而索一行中的所有数据。
  2. 数据按列放一起一般意义来讲会拥有更高的压缩比，这是因为列相同的数据往往拥有更高的相似

Kudu和Hbase有如下两点本质不同

  • Kudu的数据模型更像是传统的关系型数据库，Hbase是完全的no-sql设计，一切皆是字节。
  • Kudu的磁盘存储模型是真正的列式存储，Kudu的存储结构设计和Hbase区别很大。 综合而言，纯粹的OLTP请求比较适合Hbase，OLTP与OLAP结合的请求适合Kudu。

2.2.2 事务性

Kudu可以保证单行操作的原子性

Kudu不支持多行的事务操作，不支持回滚事务

2.2.3 ETL

在多表聚合ETL可使用impala view创建不同数据源的临时表，再使用实时与离线任务加载不同数据源聚合的宽表，供业务方进行不同的聚合查询统计。

2.3 Apache Cassandra

单看性能，Cassandra还是很强大的，不过和其他数据库不太一样的地方，Cassandra 是一种无主的，反言之即 Cassandra 是一种多主的。多主的意思就是多个节点都可以操作，并不是都转发到一个节点上。在一个节点上很容易加锁，只要对某一行加锁，对所有的请求保持串行就可以了。所以对于独立行写其实是有冲突的，在 Cassandra 里面解决冲突的办法是很暴力的，就是 last write win ( 最后写入者获胜 )，因此导致 Cassandra 不适合做先读后写的操作。对于这种场景，Cassandra 建议使用 cas 的语法，但 cas 的性能比较差，因此使用 cassandra 时要避免冲突很多的场景。什么是冲突很多呢？比如多个手机用户同时更新一条数据，就是强冲突的。

3. Flink方案

在数仓写入性能有瓶颈，写入压力较大的或者对实时性要求较高情况下，可以引入实时计算框架进行实时聚合，减少下游的计算压力。

3.1 上下游兼容

可参见Oceanus，基于Flink，可支持传统关系型数据库racle、缓存Redis、或者Hadoop生态HBASE、hdfs、消息队列Kafka以及clickhouse、ES、hippo、HTTP等等进行建source与sink表。

需要说明的是，source表、sink表并不代表在oceanus中真的创建了类似数据库的真实物理表，实际上source表、sink表均是逻辑表，它只是通过业务填写的配置项映射到真实的数据源、目的地。

3.2 吞吐能力

根据美团Flink与Storm对比数据(spark streaming为秒级 storm与flink为毫秒级)

  • Storm 单线程吞吐约为 8.7 万条/秒，Flink 单线程吞吐可达 35 万条/秒。Flink 吞吐约为 Storm 的 3-5 倍。
  • Storm QPS 接近吞吐时延迟（含 Kafka 读写时间）中位数约 100 毫秒，99 线约 700 毫秒，Flink 中位数约 50 毫秒，99 线约 300 毫秒。Flink 在满吞吐时的延迟约为 Storm 的一半，且随着 QPS 逐渐增大，Flink 在延迟上的优势开始体现出来。
  • 综上可得，Flink 框架本身性能优于 Storm。

3.3 聚合处理

Flink可以通过创建view即临时表，实现对多个业务表进行聚合，且结果不会存储，并可以按需聚合。业务可以按需写SQL进行查询view，且不需要写spark程序，不需要每次使用spark在hive建立宽表再进行查询，流程会简单许多。

若有复杂运算支持UDF。

3.4 事务性

部分事务可以使用Flink的时间窗口解决，如统计订单数时有取消订单可以使用时间窗口或者。传统数据库的ACID目前不支持。

flink提供了两种构建模块来实现事务性sink连接器：write-ahead-log（WAL，预写式日志）sink和两阶段提交sink。WAL式sink将会把所有计算结果写入到应用程序的状态中，等接到检查点完成的通知，才会将计算结果发送到sink系统。因为sink操作会把数据都缓存在状态后段，所以WAL可以使用在任何外部sink系统上。尽管如此，WAL还是无法提供刀枪不入的恰好处理一次语义的保证，再加上由于要缓存数据带来的状态后段的状态大小的问题，WAL模型并不十分完美。与之形成对比的，2PC sink需要sink系统提供事务的支持或者可以模拟出事务特性的模块。对于每一个检查点，sink开始一个事务，然后将所有的接收到的数据都添加到事务中，并将这些数据写入到sink系统，但并没有提交（commit）它们。当事务接收到检查点完成的通知时，事务将被commit，数据将被真正的写入sink系统。这项机制主要依赖于一次sink可以在检查点完成之前开始事务，并在应用程序从一次故障中恢复以后再commit的能力。2PC协议依赖于Flink的检查点机制。检查点屏障是开始一个新的事务的通知，所有操作符自己的检查点成功的通知是它们可以commit的投票，而作业管理器通知一个检查点成功的消息是commit事务的指令。于WAL sink形成对比的是，2PC sinks依赖于sink系统和sink本身的实现可以实现恰好处理一次语义。更多的，2PC sink不断的将数据写入到sink系统中，而WAL写模型就会有之前所述的问题。

3.5 附：其他流计算框架对比参考

各个实时计算引擎对比表如下

项目/引擎

Storm

Flink

spark-treaming

API

灵活的底层 API 和具有事务保证的 Trident API

流 API 和更加适合数据开发的 Table API 和 Flink SQL 支持

流 API 和 Structured-Streaming API 同时也可以使用更适合数据开发的 Spark SQL

容错机制

ACK 机制

State 分布式快照保存点

RDD 保存点

状态管理

Trident State状态管理

Key State 和 Operator State两种 State 可以使用，支持多种持久化方案

有 UpdateStateByKey 等 API 进行带状态的变更，支持多种持久化方案

处理模式

单条流式处理

单条流式处理

Mic batch处理

延迟

毫秒级

毫秒级

秒级

语义保障

At Least Once，Exactly Once

Exactly Once，At Least Once

At Least Once

相比于Storm和其他一些流计算框架，Flink具有以下几点优势：

  • 更友好的编程接口。Storm提供的API偏底层且过于简单，用户需要大量的开发工作来完成业务需求。另外，用户在开发Storm程序时的学习成本也较高，需要熟悉框架原理和在分布式环境下的执行细节。Flink除了提供Table API和SQL这些高级的声明式编程语言之外，还对window这些流计算中常见的算子进行了封装，帮助用户处理流计算中数据乱序到达等问题，极大的降低了流计算应用的开发成本并减少了不必要的重复开发。
  • 有效的状态管理支持。大部分的计算程序都是有状态的，即计算结果不仅仅决定于输入，还依赖于计算程序当前的状态。但Storm对程序状态的支持十分有限。一般情况下，用户常常需要将状态数据保存在MySQL和HBase这样的外部存储中，自己负责这些状态数据的访问。这些对外部存储的访问常常成为Storm程序的性能瓶颈。大多数情况下，用户只能设计复杂的本地cache来提升性能。Spark Streaming直到最近才提供了有限的状态管理支持，但受限于其实现机制需要一定的远程访问和数据迁移工作，因此状态数据的访问效率并不高。Flink则对计算程序的状态存储提供了有效支持。用户可以通过提供的接口方便地存储和访问程序状态。由于这些状态数据存放在本地，因此用户可以得到较高的访问性能。在发生故障时，Flink的状态管理会配合容错机制进行状态数据的重建，保证用户程序的正确性。而当用户需要修改程序并发度时，Flink也可以自动地将状态数据分发到新的计算节点上。
  • 丰富的容错语义。由于Storm缺少对程序状态的有效支持，其对容错的支持也较弱，很难保证在发生故障的情况下，每条输入数据恰好被处理一次。而Flink则依靠分布式系统中经典的Chandy-Lamport算法，能够对用户程序的输入和状态生成满足一致性的程序快照。在发生异常的情况下通过快照回滚，Flink可以保证EXACTLY-ONCE的容错语义。而利用异步checkpoint和增量checkpoint技术，Flink能够在以较低的成本对用户程序进行快照。在开启快照时，用户程序的性能几乎不受影响。
  • 出色的执行性能。Flink基于事件触发的执行模式对数据流进行处理，相比于Spark Streaming采取mini batch的执行模式，能够大量减少程序执行时的调度开销。此外，Flink对网络层进行了大量优化，通过细粒度封锁和高效内存访问提高数据传输性能，并通过反压机制和流量控制有效降低流量拥塞导致的性能下降。加上Flink能够避免状态数据的远程访问，Flink在实践中表现出比其他流计算系统更出色的执行性能，具有更低的处理延迟和更高的吞吐能力。

总结：Flink 和 Spark Streaming 的 API 、容错机制与状态持久化机制都可以解决一部分使用 Storm 中遇到的问题。但 Flink 在数据延迟上和 Storm 更接近，所以业界偏向使用Flink作实时计算与聚合。

4. Ref

  1. https://cloud.tencent.com/developer/news/707234 滴滴
  2. https://tech.meituan.com/2018/10/18/meishi-data-flink.html 美团flink
  3. http://www.imcdo.com/blogs/10907.html flink clickhouse
  4. https://cloud.tencent.com/document/product/849 腾讯云oceanus
  5. https://tech.meituan.com/2017/11/17/flink-benchmark.html flink与storm对比
  6. https://www.jianshu.com/p/aa0f0fdd234c hive事务性
  7. https://cloud.tencent.com/developer/article/1583233 https://confucianzuoyuan.github.io/flink-tutorial/book/chapter08-01-02-事务性写入.html flink事务
  8. https://cloud.tencent.com/product/cdwch/details 腾讯云clickhouse
  9. https://cloud.tencent.com/developer/article/1758562 hbase kudu ch 对比
  10. https://zhuanlan.zhihu.com/p/118592173 HTAP
  11. https://www.infoq.cn/article/etcdovq3lck7eiyjdlhp Apache Cassandra
  12. https://juejin.cn/post/6844903558429540366 https://zhuanlan.zhihu.com/p/65593795 kudu impala
  13. https://xie.infoq.cn/article/c98432267e7b7038718d199e1 OceanBase实现
弹性MapReduce hbase 流计算Oceanus java 云服务器

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