案例讲解实时数仓建设-外卖
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2021-08-18 21:09
实时数据在美团外卖的场景是非常多的，主要有以下几点：
运营层面：比如实时业务变化，实时营销效果，当日营业情况以及当日实时业务趋势分析等。
生产层面：比如实时系统是否可靠，系统是否稳定，实时监控系统的健康状况等。
C端用户：比如搜索推荐排序，需要实时了解用户的想法，行为、特点，给用户推荐更加关注的内容。
风控侧：在外卖以及金融科技用的是非常多的，实时风险识别，反欺诈，异常交易等，都是大量应用实时数据的场景
1. 实时计算技术选型
目前开源的实时技术比较多，比较通用的是Storm、Spark Streaming以及Flink，具体要根据不同公司的业务情况进行选型。
美团外卖是依托美团整体的基础数据体系建设，从技术成熟度来讲，前几年用的是Storm，Storm当时在性能稳定性、可靠性以及扩展性上是无可替代的，随着Flink越来越成熟，从技术性能上以及框架设计优势上已经超越Storm，从趋势来讲就像Spark替代MR一样，Storm也会慢慢被Flink替代，当然从Storm迁移到Flink会有一个过程，我们目前有一些老的任务仍然在Storm上，也在不断推进任务迁移。
具体Storm和Flink的对比可以参考上图表格。
2. 实时架构
① Lambda架构
Lambda架构是比较经典的架构，以前实时的场景不是很多，以离线为主，当附加了实时场景后，由于离线和实时的时效性不同，导致技术生态是不一样的。Lambda架构相当于附加了一条实时生产链路，在应用层面进行一个整合，双路生产，各自独立。这在业务应用中也是顺理成章采用的一种方式。
双路生产会存在一些问题，比如加工逻辑double，开发运维也会double，资源同样会变成两个资源链路。因为存在以上问题，所以又演进了一个Kappa架构。
② Kappa架构
Kappa架构从架构设计来讲比较简单，生产统一，一套逻辑同时生产离线和实时。但是在实际应用场景有比较大的局限性，在业内直接用Kappa架构生产落地的案例不多见，且场景比较单一。这些问题在我们这边同样会遇到，我们也会有自己的一些思考，在后面会讲到。
在外卖业务上，我们也遇到了一些问题。
业务早期，为了满足业务需要，一般是拿到需求后case by case的先把需求完成，业务对于实时性要求是很高的，从时效性来说，没有进行中间层沉淀的机会，在这种场景下，一般是拿到业务逻辑直接嵌入，这是能想到的简单有效的方法，在业务发展初期这种开发模式比较常见。
如上图所示，拿到数据源后，会经过数据清洗，扩维，通过Storm或Flink进行业务逻辑处理，最后直接进行业务输出。把这个环节拆开来看，数据源端会重复引用相同的数据源，后面进行清洗、过滤、扩维等操作，都要重复做一遍，唯一不同的是业务的代码逻辑是不一样的，如果业务较少，这种模式还可以接受，但当后续业务量上去后，会出现谁开发谁运维的情况，维护工作量会越来越大，作业无法形成统一管理。而且所有人都在申请资源，导致资源成本急速膨胀，资源不能集约有效利用，因此要思考如何从整体来进行实时数据的建设。
那么如何来构建实时数仓呢？
首先要进行拆解，有哪些数据，有哪些场景，这些场景有哪些共同特点，对于外卖场景来说一共有两大类，日志类和业务类。
日志类：数据量特别大，半结构化，嵌套比较深。日志类的数据有个很大的特点，日志流一旦形成是不会变的，通过埋点的方式收集平台所有的日志，统一进行采集分发，就像一颗树，树根非常大，推到前端应用的时候，相当于从树根到树枝分叉的过程（从1到n的分解过程），如果所有的业务都从根上找数据，看起来路径最短，但包袱太重，数据检索效率低。日志类数据一般用于生产监控和用户行为分析，时效性要求比较高，时间窗口一般是5min或10min或截止到当前的一个状态，主要的应用是实时大屏和实时特征，例如用户每一次点击行为都能够立刻感知到等需求。
业务类：主要是业务交易数据，业务系统一般是自成体系的，以Binlog日志的形式往下分发，业务系统都是事务型的，主要采用范式建模方式，特点是结构化的，主体非常清晰，但数据表较多，需要多表关联才能表达完整业务，因此是一个n到1的集成加工过程。
业务类实时处理面临的几个难点：
业务的多状态性：业务过程从开始到结束是不断变化的，比如从下单->支付->配送，业务库是在原始基础上进行变更的，binlog会产生很多变化的日志。而业务分析更加关注最终状态，由此产生数据回撤计算的问题，例如10点下单，13点取消，但希望在10点减掉取消单。
业务集成：业务分析数据一般无法通过单一主体表达，往往是很多表进行关联，才能得到想要的信息，在实时流中进行数据的合流对齐，往往需要较大的缓存处理且复杂。
分析是批量的，处理过程是流式的：对单一数据，无法形成分析，因此分析对象一定是批量的，而数据加工是逐条的。
日志类和业务类的场景一般是同时存在的，交织在一起，无论是Lambda架构还是Kappa架构，单一的应用都会有一些问题。因此针对场景来选择架构与实践才更有意义。
1. 实时架构：流批结合的探索
基于以上问题，我们有自己的思考。通过流批结合的方式来应对不同的业务场景。
如上图所示，数据从日志统一采集到消息队列，再到数据流的ETL过程，作为基础数据流的建设是统一的。之后对于日志类实时特征，实时大屏类应用走实时流计算。对于Binlog类业务分析走实时OLAP批处理。
流式处理分析业务的痛点？对于范式业务，Storm和Flink都需要很大的外存，来实现数据流之间的业务对齐，需要大量的计算资源。且由于外存的限制，必须进行窗口的限定策略，最终可能放弃一些数据。计算之后，一般是存到Redis里做查询支撑，且KV存储在应对分析类查询场景中也有较多局限。
实时OLAP怎么实现？有没有一种自带存储的实时计算引擎，当实时数据来了之后，可以灵活的在一定范围内自由计算，并且有一定的数据承载能力，同时支持分析查询响应呢？随着技术的发展，目前MPP引擎发展非常迅速，性能也在飞快提升，所以在这种场景下就有了一种新的可能。这里我们使用的是Doris引擎。
这种想法在业内也已经有实践，且成为一个重要探索方向。阿里基于ADB的实时OLAP方案等
2. 实时数仓架构设计
从整个实时数仓架构来看，首先考虑的是如何管理所有的实时数据，资源如何有效整合，数据如何进行建设。
从方法论来讲，实时和离线是非常相似的，离线数仓早期的时候也是case by case，当数据规模涨到一定量的时候才会考虑如何治理。分层是一种非常有效的数据治理方式，所以在实时数仓如何进行管理的问题上，首先考虑的也是分层的处理逻辑，具体如下：
数据源：在数据源的层面，离线和实时在数据源是一致的，主要分为日志类和业务类，日志类又包括用户日志，DB日志以及服务器日志等。
实时明细层：在明细层，为了解决重复建设的问题，要进行统一构建，利用离线数仓的模式，建设统一的基础明细数据层，按照主题进行管理，明细层的目的是给下游提供直接可用的数据，因此要对基础层进行统一的加工，比如清洗、过滤、扩维等。
汇总层：汇总层通过Flink或Storm的简洁算子直接可以算出结果，并且形成汇总指标池，所有的指标都统一在汇总层加工，所有人按照统一的规范管理建设，形成可复用的汇总结果。
总结起来，从整个实时数仓的建设角度来讲，首先数据建设的层次化要先建出来，先搭框架，然后定规范，每一层加工到什么程度，每一层用什么样的方式，当规范定义出来后，便于在生产上进行标准化的加工。由于要保证时效性，设计的时候，层次不能太多，对于实时性要求比较高的场景，基本可以走上图左侧的数据流，对于批量处理的需求，可以从实时明细层导入到实时olap引擎里，基于olap引擎自身的计算和查询能力进行快速的回撤计算，如上图右侧的数据流。
架构确定之后，后面考虑的是如何进行平台化的建设，实时平台化建设完全附加于实时数仓管理之上进行的。
首先进行功能的抽象，把功能抽象成组件，这样就可以达到标准化的生产，系统化的保障就可以更深入的建设，对于基础加工层的清洗、过滤、合流、扩维、转换、加密、筛选等功能都可以抽象出来，基础层通过这种组件化的方式构建直接可用的数据结果流。这其中会有一个问题，用户的需求多样，满足了这个用户，如何兼容其他的用户，因此可能会出现冗余加工的情况，从存储来讲，实时数据不存历史，不会消耗过多的存储，这种冗余是可以接受的，通过冗余的方式可以提高生产效率，是一种空间换时间的思想应用。
通过基础层的加工，数据全部沉淀到IDL层，同时写到olap引擎的基础层，再往上是实时汇总层计算，基于storm、flink或doris，生产多维度的汇总指标，形成统一的汇总层，进行统一的存储分发。
当这些功能都有了以后，元数据管理，指标管理，数据安全性、SLA、数据质量等系统能力也会逐渐构建起来。
1. 实时基础层功能
实时基础层的建设要解决一些问题。
首先是一条流重复读的问题，一条Binlog打过来，是以DB包的形式存在的，用户可能只用其中一张表，如果大家都要用，可能存在所有人都要接这个流的问题。解决方案是可以按照不同的业务解构出来，还原到基础数据流层，根据业务的需要做成范式结构，按照数仓的建模方式进行集成化的主题建设。
其次要进行组件的封装，比如基础层的清洗、过滤、扩维等功能，通过一个很简单的表达入口，让用户将逻辑写出来。trans环节是比较灵活的，比如从一个值转换成另外一个值，对于这种自定义逻辑表达，我们也开放了自定义组件，可以通过java或python开发自定义脚本，进行数据加工。
2. 实时特征生产功能
特征生产可以通过sql语法进行逻辑表达，底层进行逻辑的适配，透传到计算引擎，屏蔽用户对计算引擎的依赖。就像对于离线场景，目前大公司很少通过代码的方式开发，除非一些特别的case，所以基本上可以通过sql化的方式表达。
在功能层面，把指标管理的思想融合进去，原子指标、派生指标，标准计算口径，维度选择，窗口设置等操作都可以通过配置化的方式，这样可以统一解析生产逻辑，进行统一封装。
还有一个问题，同一个源，写了很多sql，每一次提交都会起一个数据流，比较浪费资源，我们的解决方案是，通过同一条流实现动态指标的生产，在不停服务的情况下可以动态添加指标。
所以在实时平台建设过程中，更多考虑的是如何更有效的利用资源，在哪些环节更能节约化的使用资源，这是在工程方面更多考虑的事情。
3. SLA建设
SLA主要解决两个问题，一个是端到端的SLA，一个是作业生产效率的SLA，我们采用埋点+上报的方式，由于实时流比较大，埋点要尽量简单，不能埋太多的东西，能表达业务即可，每个作业的输出统一上报到SLA监控平台，通过统一接口的形式，在每一个作业点上报所需要的信息，最后能够统计到端到端的SLA。
在实时生产中，由于链路非常长，无法控制所有链路，但是可以控制自己作业的效率，所以作业SLA也是必不可少的。
4. 实时OLAP方案
问题：
Binlog业务还原复杂：业务变化很多，需要某个时间点的变化，因此需要进行排序，并且数据要存起来，这对于内存和cpu的资源消耗都是非常大的。
Binlog业务关联复杂：流式计算里，流和流之间的关联，对于业务逻辑的表达是非常困难的。
解决方案：
通过带计算能力的olap引擎来解决，不需要把一个流进行逻辑化映射，只需要解决数据实时稳定的入库问题。
我们这边采用的是doris作为高性能的olap引擎，由于业务数据产生的结果和结果之间还需要进行衍生计算，doris可以利用unique模型或聚合模型快速还原业务，还原业务的同时还可以进行汇总层的聚合，也是为了复用而设计。应用层可以是物理的，也可以是逻辑化视图。
这种模式重在解决业务回撤计算，比如业务状态改变，需要在历史的某个点将值变更，这种场景用流计算的成本非常大，olap模式可以很好的解决这个问题。
最后通过一个案例说明，比如商家要根据用户历史下单数给用户优惠，商家需要看到历史下了多少单，历史T+1的数据要有，今天实时的数据也要有，这种场景是典型的Lambda架构，可以在doris里设计一个分区表，一个是历史分区，一个是今日分区，历史分区可以通过离线的方式生产，今日指标可以通过实时的方式计算，写到今日分区里，查询的时候进行一个简单的汇总。
这种场景看起来比较简单，难点在于商家的量上来之后，很多简单的问题都会变的复杂，因此后面我们也会通过更多的业务输入，沉淀出更多的业务场景，抽象出来形成统一的生产方案和功能，以最小化的实时计算资源支撑多样化的业务需求，这也是未来需要达到的目的。