【JS】阿里云 EMR Delta Lake 在流利说数据接入中的架构和实践

• Z时代
• 2024-01-10
• 分类：技术分享

背景

流利说目前的离线计算任务中，大部分数据源都是来自于业务 DB，业务DB数据接入的准确性、稳定性和及时性，决定着下游整个离线计算 pipeline 的准确性和及时性。同时，我们还有部分业务需求，需要对 DB 中的数据和 hive 中的数据做近实时的联合查询。
在引入阿里云 EMR Delta Lake 之前，我们通过封装 DataX 来完成业务 DB 数据的接入，采用 Master-Slave 架构，Master 维护着每日要执行的 DataX 任务的元数据信息，Worker 节点通过不断的以抢占的方式获取状态为 init 和 restryable 的 DataX 任务来执行，直到当天的所有的 DataX 任务全都执行完毕为止。

架构图大致如下:

Worker 处理的过程如下:

对于近实时需求，我们是直接开一个从库，配置 presto connector 去连接从库，来实现业务 BD 中的数据和 hive 中的数据做近实时的联合查询需求。

这种架构方案的优点是简单，易于实现。但是随着数据量也来越多，缺点也就逐渐暴露出来了:
性能瓶颈: 随着业务的增长，这种通过 SELECT 的方式接入数据的性能会越来越差，受 DB 性能瓶颈影响，无法通过增加 Worker 节点的方式来缓解。
规模大的表只能通过从库来拉取，造成数据接入的成本越来越高。
无法业务满足近实时的查询需求，近实时查询只能通过从库的方式查询，进一步加大了接入的成本。
为了解决这些问题，我们将目光聚焦到了 CDC实时接入的方案上。

技术方案选型

对于 CDC实时接入的方案，目前业内主要有以下几种: CDC + Merge 方案、CDC + Hudi、CDC + Delta Lake 及 CDC + Iceberg 等几种方案。其中，CDC + Merge 方案是在是在数据湖方案出现之前的做法，这种方案能节省DB从库的成本，但是无法满足业务近实时查询的需求等功能，所以最开始就 pass 掉了，而 Iceberg 在我们选型之初，还不够成熟，业界也没有可参考的案列，所以也被 pass 掉了，最后我们是在 CDC + Hudi 和 CDC + Delta Lake 之间选择。
在选型时，Hudi 和 Delta Lake 两者的功能上都是大同小异的，所以我们主要是从这几方案来考虑的: 稳定性、小文件合并、是否支持SQL、云厂商支持程度、语言支持程度等几个方面来考虑。

基于以上指标，加上我们整个数据平台都是基于阿里云 EMR 搭建的，选择 Delta Lake 的话，会省掉大量的适配开发工作，所以我们最终选择了 CDC + Delta Lake 的方案。
整体架构

总体架构图

整体的架构如上图所示。我们接入的数据会分为两部分，存量历史数据和新数据，存量历史数据使用 DataX 从 MySQL 中导出，存入 OSS 中，新数据使用 Binlog 采集存入 Delta Lake 表中。每日凌晨跑 ETL 任务前，先对历史数据和新数据做 Merge 操作，ETL 任务使用 Merge 之后的数据。

Delta Lake 数据接入
在 Binlog 实时采集方面，我们采用了开源的 Debezium ，负责从 MySQL 实时拉取 Binlog 并完成适当解析，每张表对应一个 Topic ，分库分表合并为一个 Topic 分发到 Kafka 上供下游消费。Binlog 数据接入到 Kafka 之后，我们需要创建 Kafka Source 表指向对应的 Kafka Topic 中, 表的格式为:

CREATE TABLE kafka_{db_name}_{table_name} (key BINARY, value BINARY, topic STRING, partition INT, offset BIGINT, timestamp TIMESTAMP, timestampType INT)
USING kafka
OPTIONS (
kafka.sasl.mechanism 'PLAIN',
subscribe 'cdc-{db_name}-{table_name}',
serialization.format '1',
kafka.sasl.jaas.config '*****(redacted)',
kafka.bootstrap.servers '{bootstrap-servers}',
kafka.security.protocol 'SASL_PLAINTEXT'
)

我们主要用到的字段是 value 和 offset ，其中 value 的格式如下:

{
"payload": {
"before": {
db记录变更前的schema及内容，op=c时，为null
},
"after": {
db记录变更后的schema及内容，op=d时，为null
},
"source": {
ebezium配置信息
},
"op": "c",
"ts_ms":
}
}

同时创建 Delta Lake 表，Location 指向 HDFS 或者 OSS ，表结构为:

CREATE TABLE IF NOT EXISTS delta.delta_{dbname}{table_name}(
{row_key_info},
ts_ms bigint,
json_record string,
operation_type string,
offset bigint
)
USING delta
LOCATION '------/delta/{db_name}.db/{table_name}'

其中 row_key_info 为 Delta Lake 表的唯一索引字段，对于单库单表而言，row_key_info 为 mysql 表的 primary key 字段 eg: id long，对于分库分表及分实例分库分表而言，row_key_info 为分库分表的字段和单表里primary key 字段组成，eg: 以 user_id 为分表字段，每张表里以 id 为 primary key , 那么对应的 row_key_info 为 id long, user_id long。
StreamingSQL 处理 Kafka 中的数据，我们主要是提取 Kafka Source 表中的 offset、value 字段及 value 字段中的 CDC 信息如: op、ts_ms 及 payload 的 after 和 before 字段。StreamingSQL 中，我们采用 5min 一个 mini batch，主要是考虑到 mini batch 太小会产生很多小文件，处理速度会越来越慢，也会影响读的性能，太大了又没法满足近实时查询的要求。而 Delta Lake 表，我们不将 after 或者 before 字段解析出来，主要是考虑到我们业务表 的 schema 经常变更，业务表 schema 一变更就要去修复一遍数据，成本比较大。在 StreamingSQL 处理过程中，对于 op=’c’ 的数据我们会直接 insert 操作，json_record 取 after 字段。对于 op=’u’ 或者 op=’d’ 的数据，如果 Delta Lake 表中不存在，那么执行 insert 操作, 如果存在，那么执行 update 操作；json_record 的赋值值，op=’d’，json_record 取 before 字段，op=’u’，json_record 取 after 字段。保留 op=’d’ 的字段，主要是考虑到删除的数据可能在存量历史表中，如果直接删除的话，凌晨 merge 的数据中，存在存量历史表中的数据就不会被删除。
整个 StreamingSQL 的处理大致如下:_

 CREATE SCAN incremental{dbname}{tablename} on kafka{dbname}{table_name} USING STREAM
OPTIONS(
startingOffsets='earliest',
maxOffsetsPerTrigger='1000000',
failOnDataLoss=false
);
CREATE STREAM job
OPTIONS(
checkpointLocation='------/delta/{db_name}.db/{table_name}checkpoint',
triggerIntervalMs='300000'
)
MERGE INTO delta.delta{dbname}{table_name} as target
USING (
SELECT * FROM (
SELECT ts_ms, offset, operation_type, {key_column_sql}, coalesce(after_record, before_record) as after_record, row_number() OVER (PARTITION BY {key_column_partition_sql} ORDER BY ts_ms DESC, offset DESC) as rank
FROM (
SELECT ts_ms, offset, operation_type, before_record, after_record, {key_column_include_sql}
FROM ( SELECT get_json_object(string(value), '$.payload.op') as operation_type, get_json_object(string(value), '$.payload.before') as before_record,
get_json_object(string(value), '$.payload.after') as after_record, get_json_object(string(value), '$.payload.ts_ms') as tsms,
offset
FROM incremental{dbname}{table_name}
) binlog
) binlog_wo_init ) binlog_rank where rank = 1) as source
ON {key_column_condition_sql}
WHEN MATCHED AND (source.operation_type = 'u' or source.operation_type='d') THEN
UPDATE SET {set_key_column_sql}, ts_ms=source.ts_ms, json_record=source.after_record, operation_type=source.operation_type, offset=source.offset
WHEN NOT MATCHED AND (source.operation_type='c' or source.operation_type='u' or source.operation_type='d') THEN
INSERT ({inser_key_column_sql}, ts_ms, json_record, operation_type, offset) values ({insert_key_column_value_sql}, source.ts_ms, source.after_record, source.operation_type, source.offset);

执行完 StreamingSQL 之后，就会生成如下格式的数据：

其中 part-xxxx.snappy.parquet 保存的是 DeltaLake 表的数据文件，而 _delta_log 目录下保存的是 DeltaLake 表的元数据，包括如下:
其中 xxxxxxxx 表示的是版本信息，xxxxxxxx.json 文件里保存的是有效的 parquet 文件信息，其中 add 类型的为有效的 parquet 文件， remove 为无效的 parquet 文件。
Delta Lake 是支持 Time travel 的，但是我们 CDC 数据接入的话，用不到数据回滚策略，如果多版本的数据一直保留会给我们的存储带来一定的影响，所以我们要定期删除过期版本的数据，目前是仅保留2个小时内的版本数据。同时，Delta Lake 不支持自动合并小文件的功能，所以我们还需要定期合并小文件。目前我们的做法是，每小时通过 OPTIMIZE 和 VACCUM 来做一次合并小文件操作及清理过期数据文件操作:_

 optimize delta{dbname}{tablename};
set spark.databricks.delta.retentionDurationCheck.enabled = false;
VACUUM delta{dbname}{table_name} RETAIN 1 HOURS;

由于目前 Hive 和 Presto 无法直接读取 Spark SQL 创建的 Delta Lake 表，但是监控及近实时查询需求，需要查询 Delta Lake 表，所以我们还创建了用于 Hive 和 Presto 表查询的。
Delta Lake 数据与存量数据 Merge

由于 Delta Lake 的数据我们仅接入新数据，对于存量历史数据我们是通过DataX 一次性导入的，加上 Delta Lake 表 Hive 无法直接查询，所以每日凌晨我们需要对这两部分数据做一次 merge 操作，写入到新的表中便于 Spark SQL 和 Hive 统一使用。这一模块的架构大致如下:
图片

每日凌晨0点前，调用 DeltaService API ，根据 Delta Lake 任务的配置自动生成 merge任务 的 task 信息、spark-sql 脚本及 对应的 Airflow DAG 文件。
merge 任务的 task 信息主要包括如下信息:

自动生成 Merge 脚本，主要是从 Delta Lake 任务的配置中获取 mysql 表的schema 信息，删掉历史的 Hive 表，再根据 schema 信息重新创建 Hive 外部表，再根据新的 schema 从Delta Lake表的 json_record 字段和历史存量数据表中获取对应的字段值做 union all 操作，缺失值采用mysql 的默认值, union 之后，再根据 row_key 进行分组，按 ts_ms 排序取第一条，同时取出operation_type=’d’ 的数据。整体如下:

 CREATE DATABASE IF NOT EXISTS {db_name} LOCATION '------/delta/{db_name}.db';
DROP TABLE IF EXISTS {db_name}.{table_name};
CREATE TABLE IF NOT EXISTS {db_name}.{table_name}(
{table_column_infos}
)
STORED AS PARQUET
LOCATION '------/delta/{db_name}.db/{table_name}/data_date=${{data_date}}';
INSERT OVERWRITE TABLE {db_name}.{table_name}
SELECT {table_columns}
FROM ( SELECT {table_columns}, _operation_type, row_number() OVER (PARTITION BY {row_keys} ORDER BY ts_ms DESC) as ranknum
FROM (
SELECT {delta_columns}, operation_type as _operation_type, tsms
FROM delta{dbname}{table_name}
UNION ALL
SELECT {hive_columns}, 'c' as _operation_type, 0 as ts_ms
FROM {db_name}.{table_name}_delta_history
) union_rank
) ranked_data
WHERE ranknum=1
AND _operation_type <> 'd'

凌晨0点之后，Airflow 会根据 Airflow DAG 文件自动调度执行 merge 的Spark SQL 脚本，脚本执行成功后，更新 merge task 的状态为 succeed ，Airflow 的 ETL DAG 会根据merge task 的状态自动调度下游的 ETL 任务。

Delta Lake 数据监控对于 Delta Lake 数据的监控，我们主要是为了两个目的：监控数据是否延迟及监控数据是否丢失，主要是在 MySQL 与 Delta Lake 表之间及 CDC 接入过来的 Kafka Topic 与 Delta Lake 表之间。

CDC 接入过来的 Kafka Topic 和 Delta Lake 表之间的延迟监控：我们是每15分钟从 Kafka 的 Topic 中获取每个 Partition 的最大 offset 对应的 mysql 的 row_key 字段内容，放入监控的 MySQL 表 delta_kafka_monitor_info 中，再从 delta_kafka_monitor_info 中获取上一周期的 row_key 字段内容，到 Delta Lake 表中查询，如果查询不到，说明数据有延迟或者丢失，发出告警。

MySQL 与 Delta Lake 之间的监控：我们有两种，一种是探针方案，每15分钟，从 MySQL 中获取最大的 id，对于分库分表，只监控一张表的，存入 delta_mysql_monitor_info 中，再从 delta_mysql_monitor_info 中获取上一周期的最大 id，到 Delta Lake 表中查询，如果查询不到，说明数据有延迟或者丢失，发出告警。另一种是直接 count(id)，这种方案又分为单库单表和分库分表两种，元数据保存在 mysql 表 id_based_mysql_delta_monitor_info 中，主要包含 min_id、max_id、mysql_count 三个字段，对于单库单表，也是每隔5分钟，从 Delta Lake 表中获取 min_id 和 max_id 之间的 count 值，跟 mysql_count 对比，如果小于 mysql_count 值说明有数据丢失或者延迟，发出告警。再从 mysql 中获取 max(id) 和 max_id 与 max(id) 之间的 count 值，更新到 id_based_mysql_delta_monitor_info 表中。对于分库分表的情况，根据分库分表规则，生成每一张表对应的 id_based_mysql_delta_monitor_info 信息，每半小时执行一遍监控，规则同单库单表。

遇到的挑战

业务表 schema 变更频繁，Delta Lake 表如果直接解析 CDC 的字段信息的话，如果不能及时发现并修复数据的话，后期修复数据的成本会较大，目前我们是不解析字段，等到凌晨 merge 的时候再解析。
随着数据量越来越大，StreamingSQL 任务的性能会越来越差。我们目前是 StreamingSQL 处理延迟，出现大量延迟告警后，将 Delta Lake 存量数据替换成昨日 merge 后的数据，再删掉 Delta Lake 表，删除 checkpoint 数据，从头开始消费 KafkaSource 表的数据。降低 Delta Lake 表数据，从而缓解StreamingSQL 的压力。
Hive 和 Presto 不能直接查询 Spark SQL 创建的 Delta Lake 表，目前我们是创建支持 Hive 和 Presto 查询的外部表来供 Hive 和 Presto 使用，但是这些表又无法通过 Spark SQL 查询。所以上层 ETL 应用无法在不更改代码的情况下，在 Hive 和 Spark SQL 及Presto 引擎之间自由切换。

带来的收益

节省了 DB 从库的成本，采用 CDC + Delta Lake 之后，我们的成本节省了近80%。
凌晨 DB 数据接入的时间成本大大降低，能够确保所有非特殊要求的 DB 数据接入都能在1个小时内跑完。

后续规划

StreamingSQL 任务随着 Delta Lake 表数据量越来越大，性能越来越差问题跟进。
推动能否解决 Spark SQL 创建的 Delta Lake 表，无法直接使用 Hive 和 Presto 查询的问题。

作者：张宽天
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