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Apache Flink 漫谈系列 - 概述
 
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 2018-9-30 
 
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来源51cto,本篇文章我们用一句话聊聊什么是 Apache Flink 的命脉?我的答案是:Apache Flink 是以"批是流的特例"的认知进行系统设计的。

一、Apache Flink 的命脉

"命脉" 即生命与血脉,常喻极为重要的事物。系列的首篇,首篇的首段不聊Apache Flink的历史,不聊Apache Flink的架构,不聊Apache Flink的功能特性,我们用一句话聊聊什么是 Apache Flink 的命脉?我的答案是:Apache Flink 是以"批是流的特例"的认知进行系统设计的。

二、唯快不破

我们经常听说 "天下武功,唯快不破",大概意思是说 "任何一种武功的招数都是有拆招的,唯有速度快,快到对手根本来不及反应,你就将对手KO了,对手没有机会拆招,所以唯快不破"。 那么这与Apache Flink有什么关系呢?Apache Flink是Native Streaming(纯流式)计算引擎,在实时计算场景最关心的就是"快",也就是 "低延时"。

就目前最热的两种流计算引擎Apache Spark和Apache Flink而言,谁最终会成为No1呢?单从 "低延时" 的角度看,Spark是Micro Batching(微批式)模式,最低延迟Spark能达到0.5~2秒左右,Flink是Native Streaming(纯流式)模式,最低延时能达到微秒。很显然是相对较晚出道的 Apache Flink 后来者居上。 那么为什么Apache Flink能做到如此之 "快"呢?根本原因是Apache Flink 设计之初就认为 "批是流的特例",整个系统是Native Streaming设计,每来一条数据都能够触发计算。相对于需要靠时间来积攒数据Micro Batching模式来说,在架构上就已经占据了绝对优势。

那么为什么关于流计算会有两种计算模式呢?归其根本是因为对流计算的认知不同,是"流是批的特例" 和 "批是流的特例" 两种不同认知产物。

1. Micro Batching 模式

Micro-Batching 计算模式认为 "流是批的特例", 流计算就是将连续不断的批进行持续计算,如果批足够小那么就有足够小的延时,在一定程度上满足了99%的实时计算场景。那么那1%为啥做不到呢?这就是架构的魅力,在Micro-Batching模式的架构实现上就有一个自然流数据流入系统进行攒批的过程,这在一定程度上就增加了延时。具体如下示意图:

很显然Micro-Batching模式有其天生的低延时瓶颈,但任何事物的存在都有两面性,在大数据计算的发展历史上,最初Hadoop上的MapReduce就是优秀的批模式计算框架,Micro-Batching在设计和实现上可以借鉴很多成熟实践。

2. Native Streaming 模式

Native Streaming 计算模式认为 ""批是流的特例",这个认知更贴切流的概念,比如一些监控类的消息流,数据库操作的binlog,实时的支付交易信息等等自然流数据都是一条,一条的流入。Native Streaming 计算模式每条数据的到来都进行计算,这种计算模式显得更自然,并且延时性能达到更低。具体如下示意图:

很明显Native Streaming模式占据了流计算领域 "低延时" 的核心竞争力,当然Native Streaming模式的实现框架是一个历史先河,第一个实现Native Streaming模式的流计算框架是第一个吃螃蟹的人,需要面临更多的挑战,后续章节我们会慢慢介绍。当然Native Streaming模式的框架实现上面很容易实现Micro-Batching和Batching模式模式的计算,Apache Flink就是Native Streaming计算模式的流批统一的计算引擎。

三、丰富的部署模式

Apache Flink 按不同的需求支持Local,Cluster,Cloud三种部署模式,同时Apache Flink在部署上能够与其他成熟的生态产品进行完美集成,如 Cluster模式下可以利用YARN(Yet Another Resource Negotiator)/Mesos集成进行资源管理,在Cloud部署模式下可以与GCE(Google Compute Engine), EC2(Elastic Compute Cloud)进行集成。

1. Local 模式

该模式下Apache Flink 整体运行在Single JVM中,在开发学习中使用,同时也可以安装到很多端类设备上。

2. Cluster模式

该模式是典型的投产的集群模式,Apache Flink 既可以Standalone的方式进行部署,也可以与其他资源管理系统进行集成部署,比如与YARN进行集成。

这种部署模式是典型的Master/Slave模式,我们以Standalone Cluster模式为例示意如下:

其中JM(JobManager)是Master,TM(TaskManager)是Slave,这种Master/Slave模式有一个典型的问题就是SPOF(single point of failure), SPOF如何解决呢?Apache Flink 又提供了HA(High Availability)方案,也就是提供多个Master,在任何时候总有一个JM服役,N(N>=1)个JM候选,进而解决SPOF问题,示意如下:

在实际的生产环境我们都会配置HA方案,目前Alibaba内部使用的也是基于YARN Cluster的HA方案。

3. Cloud 模式

该模式主要是与成熟的云产品进行集成,Apache Flink官网介绍了Google的GCE 参考,Amazon的EC2 参考,在Alibaba我们也可以将Apache Flink部署到Alibaba的ECS(Elastic Compute Service)。

四、完善的容错机制

1. 什么是容错

容错(Fault Tolerance) 是指容忍故障,在故障发生时能够自动检测出来并使系统能够自动回复正常运行。当出现某些指定的网络故障、硬件故障、软件错误时,系统仍能执行规定的一组程序,或者说程序不会因系统中的故障而中止,并且执行结果也不会因系统故障而引起计算差错。

2. 容错的处理模式

在一个分布式系统中由于单个进程或者节点宕机都有可能导致整个Job失败,那么容错机制除了要保证在遇到非预期情况系统能够"运行"外,还要求能"正确运行",也就是数据能按预期的处理方式进行处理,保证计算结果的正确性。计算结果的正确性取决于系统对每一条计算数据处理机制,一般有如下三种处理机制:

At Most Once:最多消费一次,这种处理机制会存在数据丢失的可能。

At Least Once:最少消费一次,这种处理机制数据不会丢失,但是有可能重复消费。

Exactly Once:精确一次,无论何种情况下,数据都只会消费一次,这种机制是对数据准确性的最高要求,在金融支付,银行账务等领域必须采用这种模式。

3. Apache Flink的容错机制

Apache Flink的Job会涉及到3个部分,外部数据源(External Input), Flink内部数据处理(Flink Data Flow)和外部输出(External Output)。如下示意图:

目前Apache Flink 支持两种数据容错机制:

At Least Once

Exactly Once

其中 Exactly Once 是最严格的容错机制,该模式要求每条数据必须处理且仅处理一次。那么对于这种严格容错机制,一个完整的Flink Job容错要做到 End-to-End 的 容错必须结合三个部分进行联合处理,根据上图我们考虑三个场景:

场景一:Flink的Source Operator 在读取到Kafla中pos=2000的数据时候,由于某种原因宕机了,这个时候Flink框架会分配一个新的节点继续读取Kafla数据,那么新的处理节点怎样处理才能保证数据处理且只被处理一次呢?

场景二:Flink Data Flow内部某个节点,如果上图的agg()节点发生问题,在恢复之后怎样处理才能保持map()流出的数据处理且只被处理一次?

场景三:Flink的Sink Operator 在写入Kafka过程中自身节点出现问题,在恢复之后如何处理,计算结果才能保证写入且只被写入一次?

4. 系统内部容错

Apache Flink利用Checkpointing机制来处理容错,Checkpointing的理论基础 Stephan 在 Lightweight Asynchronous Snapshots for Distributed Dataflows 进行了细节描述,该机制源于有K. MANI CHANDY和LESLIE LAMPORT 发表的 Determining-Global-States-of-a-Distributed-System Paper。Apache Flink 基于Checkpointing机制对Flink Data Flow实现了At Least Once 和 Exactly Once 两种容错处理模式。

Apache Flink Checkpointing的内部实现会利用 Barriers,StateBackend等后续章节会详细介绍的技术来将数据的处理进行Marker。Apache Flink会利用Barrier将整个流进行标记切分,如下示意图:

这样Apache Flink的每个Operator都会记录当前成功处理的Checkpoint,如果发生错误,就会从上一个成功的Checkpoint开始继续处理后续数据。比如 Soruce Operator会将读取外部数据源的Position实时的记录到Checkpoint中,失败时候会从Checkpoint中读取成功的position继续精准的消费数据。每个算子会在Checkpoint中记录自己恢复时候必须的数据,比如流的原始数据和中间计算结果等信息,在恢复的时候从Checkpoint中读取并持续处理流数据。

5. 外部Source容错

Apache Flink 要做到 End-to-End 的 Exactly Once 需要外部Source的支持,比如上面我们说过 Apache Flink的Checkpointing机制会在Source节点记录读取的Position,那就需要外部数据提供读取的Position和支持根据Position进行数据读取。

6. 外部Sink容错

Apache Flink 要做到 End-to-End 的 Exactly Once 相对比较困难,如上场景三所述,当Sink Operator节点宕机,重新恢复时候根据Apache Flink 内部系统容错 exactly once的保证,系统会回滚到上次成功的Checkpoin继续写入,但是上次成功Checkpoint之后当前Checkpoint未完成之前已经把一部分新数据写入到kafka了. Apache Flink自上次成功的Checkpoint继续写入kafka,就造成了kafka再次接收到一份同样的来自Sink Operator的数据,进而破坏了End-to-End 的 Exactly Once 语义(重复写入就变成了At Least Once了),如果要解决这一问题,Apache Flink 利用Two phase commit(两阶段提交)的方式来进行处理。本质上是Sink Operator 需要感知整体Checkpoint的完成,并在整体Checkpoint完成时候将计算结果写入Kafka。

五、流批统一的计算引擎

批与流是两种不同的数据处理模式,如Apache Storm只支持流模式的数据处理,Apache Spark只支持批(Micro Batching)模式的数据处理。那么Apache Flink 是如何做到既支持流处理模式也支持批处理模式呢?

1. 统一的数据传输层

开篇我们就介绍Apache Flink 的 "命脉"是以"批是流的特例"为导向来进行引擎的设计的,系统设计成为 "Native Streaming"的模式进行数据处理。那么Apache FLink将批模式执行的任务看做是流式处理任务的特殊情况,只是在数据上批是有界的(有限数量的元素)。

Apache Flink 在网络传输层面有两种数据传输模式:

PIPELINED模式 - 即一条数据被处理完成以后,立刻传输到下一个节点进行处理。

BATCH 模式 - 即一条数据被处理完成后,并不会立刻传输到下一个节点进行处理,而是写入到缓存区,如果缓存写满就持久化到本地硬盘上,最后当所有数据都被处理完成后,才将数据传输到下一个节点进行处理。

对于批任务而言同样可以利用PIPELINED模式,比如我要做count统计,利用PIPELINED模式能拿到更好的执行性能。只有在特殊情况,比如SortMergeJoin,这时候我们需要全局数据排序,才需要BATCH模式。大部分情况流与批可用统一的传输策略,只有特殊情况,才将批看做是流的一个特例继续特殊处理。

2. 统一任务调度层

Apache Flink 在任务调度上流与批共享统一的资源和任务调度机制(后续章节会详细介绍)。

3. 统一的用户API层

Apache Flink 在DataStremAPI和DataSetAPI基础上,为用户提供了流批统一的上层TableAPI和SQL,在语法和语义上流批进行高度统一。(其中DataStremAPI和DataSetAPI对流和批进行了分别抽象,这一点并不优雅,在Alibaba内部对其进行了统一抽象)。

4. 求同存异

Apache Flink 是流批统一的计算引擎,并不意味着流与批的任务都走统一的code path,在对底层的具体算子的实现也是有各自的处理的,在具体功能上面会根据不同的特性区别处理。比如 批没有Checkpoint机制,流上不能做SortMergeJoin。

六、Apache Flink 架构

1. 组件栈

我们上面内容已经介绍了很多Apache Flink的各种组件,下面我们整体概览一下全貌,如下:

TableAPI和SQL都建立在DataSetAPI和DataStreamAPI的基础之上,那么TableAPI和SQL是如何转换为DataStream和DataSet的呢?

2. TableAPI&SQL到DataStrem&DataSet的架构

TableAPI&SQL最终会经过Calcite优化之后转换为DataStream和DataSet,具体转换示意如下:

对于流任务最终会转换成DataStream,对于批任务最终会转换成DataSet。

3. ANSI-SQL的支持

Apache Flink 之所以利用ANSI-SQL作为用户统一的开发语言,是因为SQL有着非常明显的优点,如下:

Declarative - 用户只需要表达我想要什么,不用关心如何计算。

Optimized - 查询优化器可以为用户的 SQL 生成最优的执行计划,获取最好的查询性能。

Understandable - SQL语言被不同领域的人所熟知,用SQL 作为跨团队的开发语言可以很大地提高效率。

Stable - SQL 是一个拥有几十年历史的语言,是一个非常稳定的语言,很少有变动。

Unify - Apache Flink在引擎上对流与批进行统一,同时又利用ANSI-SQL在语法和语义层面进行统一。

4. 无限扩展的优化机制

Apache Flink 利用Apache Calcite对SQL进行解析和优化,Apache Calcite采用Calcite是开源的一套查询引擎,实现了两套Planner:

HepPlanner - 是RBO(Rule Base Optimize)模式,基于规则的优化。

VolcanoPlanner - 是CBO(Cost Base Optimize)模式,基于成本的优化。

Flink SQL会利用Calcite解析优化之后,最终转换为底层的DataStrem和Dataset。上图中 Batch rules和Stream rules可以根据优化需要无限添加优化规则。

七、丰富的类库和算子

Apache Flink 优秀的架构就像一座摩天大厦的地基一样为Apache Flink 持久的生命力打下了良好的基础,为打造Apache Flink丰富的功能生态留下无限的空间。

1. 类库

CEP - 复杂事件处理类库,核心是一个状态机,广泛应用于事件驱动的监控预警类业务场景。

ML - 机器学习类库,机器学习主要是识别数据中的关系、趋势和模式,一般应用在预测类业务场景。

GELLY - 图计算类库,图计算更多的是考虑边和点的概念,一般被用来解决网状关系的业务场景。

2. 算子

Apache Flink 提供了丰富的功能算子,对于数据流的处理来讲,可以分为单流处理(一个数据源)和多流处理(多个数据源)。

3. 多流操作

UNION - 将多个字段类型一致数据流合并为一个数据流,如下示意:

JOIN - 将多个数据流(数据类型可以不一致)联接为一个数据流,如下示意:

如上通过UION和JOIN我们可以将多流最终变成单流,Apache Flink 在单流上提供了更多的操作算子。

4. 单流操作

将多流变成单流之后,我们按数据输入输出的不同归类如下:

如上表格对单流上面操作做简单归类,除此之外还可以做 过滤,排序,窗口等操作,我们后续章节会逐一介绍。

4. 存在的问题

Apache Flink 目前的架构还存在很大的优化空间,比如前面提到的DataStreamAPI和DataSetAPI其实是流与批在API层面不统一的体现,同时看具体实现会发现DataStreamAPI会生成Transformation tree然后生成StreamGraph,最后生成JobGraph,底层对应StreamTask,但DataSetAPI会形成Operator tree,flink-optimize模块会对Batch Plan进行优化,形成Optimized Plan 后形成JobGraph,最后形成BatchTask。具体示意如下:

这种情况其实 DataStreamAPI到Runtime 和 DataSetAPI到Runtime的实现上并没有得到最大程度的统一和复用。在这一点上面Aalibab 企业版的Flink在架构和实现上都进行了进一步优化。

八、Alibaba企业版Flink架构

1. 组件栈

Alibaba 对Apache Flink进行了大量的架构优化,如下架构是一直努力的方向,大部分功能还在持续开发中,具体如下:

如上架构我们发现较大的变化是:

Query Processing - 我们增加了Query Processing层,在这一层进行统一的流和批的查询优化和底层算子的转换。

DAG API - 我们在Runtime层面统一抽象API接口,在API层对流与批进行统一。

2. TableAPI&SQL到Runtime的架构

Apache Flink执行层是流批统一的设计,在API和算子设计上面我们尽量达到流批的共享,在TableAPI和SQL层无论是流任务还是批任务最终都转换为统一的底层实现。示意图如下:

这个层面最核心的变化是批最终也会生成StreamGraph,执行层运行Stream Task。

九、特别说明

后续章节会以Alibaba 企业版 Flink为主介绍功能算子,篇章中分享的功能可能开源暂时没有,但这些的内容后续Alibaba会共享给社区,需要大家耐心等待。

十、小结

本篇概要的介绍了"批是流的特例"这一设计观点是Apache Flink的"命脉",它决定了Apache Flink的运行模式是纯流式的,这在实时计算场景的"低延迟"需求上,相对于Micro Batching模式占据了架构的绝对优势,同时概要的向大家介绍了Apache Flink的部署模式,容错处理,引擎的统一性和Apache Flink的架构,最后和大家分享了Alibaba企业版的Flink的架构,以及对开源Apache Flink所作出的优化。

本篇没有对具体技术进行详细展开,大家只要对Apache Flink有初步感知,头脑中知道Alibaba对Apache Flink进行了架构优化,增加了众多功能就可以了,至于Apache Flink的具体技术细节和实现原理,以及Alibaba对Apache Flink做了哪些架构优化和增加了哪些功能后续章节会展开介绍!

   
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