一、概述

Apache Kafka 发展至今，已经是一个很成熟的消息队列组件了，也是大数据生态圈中不可或缺的一员。Apache Kafka 社区非常的活跃，通过社区成员不断的贡献代码和迭代项目，使得 Apache Kafka 功能越发丰富、性能越发稳定，成为企业大数据技术架构解决方案中重要的一环。

Apache Kafka 作为一个热门消息队列中间件，具备高效可靠的消息处理能力，且拥有非常广泛的应用领域。那么，今天就来聊一聊基于 Kafka 的实时数仓在搜索的实践应用。

二、为什么需要 Kafka

在设计大数据技术架构之前，通常会做一些技术调研。我们会去思考一下为什么需要 Kafka？怎么判断选择的 Kafka 技术能否满足当前的技术要求？

2.1 早期的数据架构

早期的数据类型比较简单，业务架构也比较简单，就是将需要的数据存储下来。比如将游戏类的数据存储到数据库（MySQL、Oracle）。但是，随着业务的增量，存储的数据类型也随之增加了，然后我们需要使用的大数据集群，利用数据仓库来将这些数据进行分类存储，如下图所示：

但是，数据仓库存储数据是有时延的，通常时延为 T+1。而现在的数据服务对象对时延要求均有很高的要求，例如物联网、微服务、移动端 APP 等等，皆需要实时处理这些数据。

2.2 Kafka 的出现

Kafka 的出现，给日益增长的复杂业务，提供了新的存储方案。将各种复杂的业务数据统一存储到 Kafka 里面，然后在通过 Kafka 做数据分流。如下图所示：

这里，可以将视频、游戏、音乐等不同类型的数据统一存储到 Kafka 里面，然后在通过流处理对 Kafka 里面的数据做分流操作。例如，将数据存储到数据仓库、将计算的结果存储到 KV 做实时分析等。

通常消息系统常见的有两种，它们分别是：

  • 消息队列：队列消费者充当了工作组的角色，每条消息记录只能传递给一个工作进程，从而有效的划分工作流程；
  • 生产 &消费：消费者通常是互相独立的，每个消费者都可以获得每条消息的副本。

这两种方式都是有效和实用的，通过消息队列将工作内容分开，用于容错和扩展；生产和消费能够允许多租户，来使得系统解耦。而 Apache Kafka 的优点之一在于它将消息队列、生产和消费结合到了一个强大的消息系统当中。

同时，Kafka 拥有正确的消息处理特性，主要体现在以下几个方面：

  • 可扩展性：当 Kafka 的性能（如存储、吞吐等）达到瓶颈时，可以通过水平扩展来提升性能；
  • 真实存储：Kafka 的数据是实时落地在磁盘上的，不会因为集群重启或故障而丢失数据；
  • 实时处理：能够集成主流的计算引擎（如 Flink、Spark 等），对数据进行实时处理；
  • 顺序写入：磁盘顺序 I/O 读写，跳过磁头“寻址”时间，提高读写速度；
  • 内存映射：操作系统分页存储利用内存提升 I/O 性能，实现文件到内存的映射，通过同步或者异步来控制 Flush；
  • 零拷贝：将磁盘文件的数据复制到“页面缓存”一次，然后将数据从“页面缓存”直接发送到网络；
  • 高效存储：Topic 和 Partition 拆为多个文件片段（Segment），定期清理无效文件。采用稀疏存储，间隔若干字节建立一条索引，防止索引文件过大。

2.3 简单的应用场景

这里，我们可以通过一个简单直观的应用场景，来了解 Kafka 的用途。

场景：假如用户 A 正在玩一款游戏，某一天用户 A 喜欢上了游戏里面的一款道具，打算购买，于是在当天 14:00 时充值了 10 元，在逛游戏商店时又喜欢上了另一款道具，于是在 14:30 时又充值了 30 元，接着在 15:00 时开始下单购买，花费了 20 元，剩余金额为 20 元。那么，整个事件流，对应到库表里面的数据明细应该是如下图所示：

三、Kafka 解决了什么问题

早期为响应项目快速上线，在服务器或者云服务器上部署一个 WebServer，为个人电脑或者移动用户提供访问体验，然后后台在对接一个数据库，为 Web 应用提供数据持久化以及数据查询，流程如下图所示：

但是，随着用户的迅速增长，用户所有的访问都直接通过 SQL 数据库使得它不堪重负，数据库的压力也越来越大，不得不加上缓存服务以降低 SQL 数据库的荷载。

同时，为了理解用户行为，又开始收集日志并保存到 Hadoop 这样的大数据集群上做离线处理，并且把日志放在全文检索系统（比如 ElasticSearch）中以便快速定位问题。由于需要给投资方看业务状况，也需要把数据汇总到数据仓库（比如 Hive）中以便提供交互式报表。此时的系统架构已经具有一定的复杂性了，将来可能还会加入实时模块以及外部数据交互。

本质上，这是一个数据集成问题。没有任何一个系统能够解决所有的事情，所以业务数据根据不同用途，存放在不同的系统，比如归档、分析、搜索、缓存等。数据冗余本身没有任何问题，但是不同系统之间太过复杂的数据同步却是一种挑战。如下图所示：

而 Kafka 可以让合适的数据以合适的形式出现在合适的地方。Kafka 的做法是提供消息队列，让生产者向队列的末尾添加数据，让多个消费者从队列里面依次读取数据然后自行处理。如果说之前连接的复杂度是 O(N^2)，那么现在复杂度降低到了 O(N)，扩展起来也方便多了，流程如下图所示：

四、Kafka 的实践应用

4.1 为什么需要建设实时数仓

4.1.1 目的

通常情况下，在大数据场景中，存储海量数据建设数据仓库一般都是离线数仓（时延 T+1），通过定时任务每天拉取增量数据，然后创建各个业务不同维度的数据，对外提供 T+1 的数据服务。计算和数据的实时性均比较差，业务人员无法根据自己的即时性需求获取几分钟之前的实时数据。数据本身的价值随着时间的流逝会逐步减弱，因此数据产生后必须尽快的到达用户的手中，实时数仓的建设需求由此而来。

4.1.2 目标

为了适应业务高速迭代的特点，分析用户行为，挖掘用户价值，提高用户留存，在实时数据可用性、可扩展性、易用性、以及准确性等方面提供更好的支持，因此需要建设实时数仓。主要目标包含如下所示：

  • 统一收敛数据出口：统一数据口径，减少数据重复性建设；
  • 降低数据维护成本：提升数据准确性、及时性，优化数据使用体验和成本；
  • 减少数据使用成本：提高数据复用率，避免实时数据重复消费。

4.2 如何构建实时数仓为搜索提供数据

当前实时数仓比较主流的架构一般来说包含三个大的模块，它们分别是消息队列、计算引擎、以及存储。结合上述对 Kafka 的综合分析，结合搜索的业务场景，引入 Kafka 作为消息队列，复用大数据平台（BDSP）的能力作为计算引擎和存储

4.3 流处理引擎选择

目前业界比较通用的流处理引擎主要有两种，它们分别是 Flink 和 Spark，那么如何选择流处理引擎呢？我们可以对比以下特征来决定选择哪一种流处理引擎？

Flink 作为一款开源的大数据流式计算引擎，它同时支持流批一体，引入 Flink 作为实时数仓建设的流引擎的主要原因如下：

  • 高吞吐、低延时；
  • 灵活的流窗口；
  • 轻量级容错机制；
  • 流批一体

4.4 建设实时数仓遇到的问题

在建设初期，用于实时处理的 Kafka 集群规模较小，单个 Topic 的数据容量非常大，不同的实时任务都会消费同一个大数据量的 Topic，这样会导致 Kafka 集群的 I/O 压力非常的大。

因此，在使用的过程中会发现 Kafka 的压力非常大，经常出现延时、I/O 能性能告警。因此，我们采取了将大数据量的单 Topic 进行实时分发来解决这种问题，基于 Flink 设计了如下图所示的数据分发流程。

上述流程，随着业务类型和数据量的增加，又会面临新的问题：

  • 数据量增加，随着消费任务的增加，Kafka 集群 I/O 负载大时会影响消费；
  • 不用业务之间 Topic 的消费没有落地存储（比如 HDFS、HBase 存储等），会产生重复消费的情况；
  • 数据耦合度过高，迁移数据和任务难度大。

4.5 实时数仓方案进阶

目前，主流的实时数仓架构通常有 2 种，它们分别是 Lambda、Kappa。

4.5.1 Lambda

随着实时性需求的提出，为了快速计算一些实时指标（比如，实时点击、曝光等），会在离线数仓大数据架构的基础上增加一个实时计算的链路，并对消息队列实现数据来源的流失处理，通过消费消息队列中的数据 ，用流计算引擎来实现指标的增量计算，并推送到下游的数据服务中去，由下游数据服务层完成离线和实时结果的汇总。具体流程如下：

4.5.2 Kappa

Kappa 架构只关心流式计算，数据以流的方式写入到 Kafka ，然后通过 Flink 这类实时计算引擎将计算结果存放到数据服务层以供查询。可以看作是在 Lambda 架构的基础上简化了离线数仓的部分。具体流程如下：

在实际建设实时数仓的过程中，我们结合这 2 种架构的思想来使用。实时数仓引入了类似于离线数仓的分层理念，主要是为了提供模型的复用率，同时也要考虑易用性、一致性、以及计算的成本。

4.5.3 实时数仓分层

在进阶建设实时数仓时，分层架构的设计并不会像离线数仓那边复杂，这是为了避免数据计算链路过长造成不必要的延时情况。具体流程图如下所示：

  • ODS 层：以 Kafka 作为消息队列，将所有需要实时计算处理的数据放到对应的 Topic 进行处理；
  • DW 层：通过 Flink 实时消费 Topic 中的数据，然后通过数据清理、多维度关联（JOIN）等，将一些相同维度的业务系统、维表中的特征属性进行关联，提供数据易用性和复用性能力，最终得到实时明细数据；
  • DIM 层：用来存储关联的查询的维度信息，存储介质可以按需选择，比如 HBase、Redis、MySQL 等；
  • DA 层：针对实时数据场景需求，进行高度聚合汇总，服务于 KV、BI 等场景。OLAP 分析可以使用 ClickHouse，KV 可以选择 HBase（若数据量较小，可以采用 Redis）。

通过上面的流程，建设实时数仓分层时，确保了对实时计算要求比较高的任务不会影响到 BI 报表、或者 KV 查询。但是，会有新的问题需要解决：

Kafka 实时数据如何点查？

消费任务异常时如何分析？

4.5.4 Kafka 监控

针对这些问题，我们调研和引入了 Kafka 监控系统——Kafka Eagle（目前改名为 EFAK）。复用该监控系统中比较重要的维度监控功能。

Kafka Eagle 处理能够满足上诉两个维度的监控需求之外，还提供了一些日常比较实用的功能，比如 Topic 记录查看、Topic 容量查看、消费和生产任务的速率、消费积压等。我们采用了 Kafka-Eagle 来作为对实时数仓的任务监控。

Kafka-Eagle 是一款完全开源的对 Kafka 集群及应用做全面监控的系统，其核心由以下几个部分组成：

  • 数据采集：核心数据来源 JMX 和 API 获取；
  • 数据存储：支持 MySQL 和 Sqlite 存储；
  • 数据展示：消费者应用、图表趋势监控（包括集群状态、消费生产速率、消费积压等）、开发的分布式 KSQL 查询引擎，通过 KSQL 消息查询；
  • 数据告警：支持常用的 IM 告警（微信，钉钉，WebHook 等），同时邮件、短信、电话告警也一并支持。

部分预览截图如下：

1）Topic 最近 7 天写入量分布

默认展示所有 Topic 的每天写入总量分布，可选择时间维度、Topic 聚合维度，来查看写入量的分布情况，预览截图如下所示：

2）KSQL 查询 Topic 消息记录

可以通过编写 SQL 语句，来查询（支持过滤条件）Topic 中的消息记录，预览截图如下所示：

3）消费 Topic 积压详情

可以监控所有被消费的 Topic 的消费速率、消费积压等详情，预览截图如下所示：