vivo 海量基础数据计算架构应用实践
作者：来自 vivo 互联网大数据团队
本文根据刘开周老师在“2023 vivo开发者大会"现场演讲内容整理而成。公众号回复【2023 VDC】获取互联网技术分会场议题相关资料。
本文介绍了vivo在万亿级数据增长驱动下，基础数据架构建设的演进过程，在实时和离线计算过程中，如何基于业务发展，数据质量，计算成本等方面的挑战，构建稳定，可靠，低成本、高性能的双活计算架构。
基础数据是公司大数据应用的关键底座，价值挖掘的基石，内容包括：大数据集成，数据计算，架构容灾等几个主要方面。建设的目标包括：确保基础数据及时准确、计算性能好、资源成本消耗低、架构容灾能力强、研发效率高，这也是基础数据工作的核心能力。
一、基础数据发展与挑战
1.1 vivo 早期的基础数据架构
为了满足业务发展，0-1构建基础数据的基础框架，数据来源主要是日志，通过实时采集，缓存到Kafka，按小时离线转存到ODS表，日处理数据量在百亿级，整个数据链路简洁高效，但是，随着业务发展，数据增长，用户的诉求多样化，该基础数据架构逐渐面临诸多挑战。
1.2 vivo 业发展带来挑战
一是：数据规模增长，日增记录数从百亿到万亿级，日增存储量从GB级到PB级，实时并发QPS量级达到数据百万。
二是：计算场景增加，从离线计算扩展到准实时，实时，甚至流批一体计算场景。
三是：性能要求提高，实时计算端到端延时，需要从小时到秒级；离线计算单小时数据量级从GB达到10TB+，业务发展速度超过了技术架构迭代速度，必然给技术带来更大的挑战。
1.3 技术挑战
首先是单个Topic数据量每天数百亿，多个消费组同时消费，重复消费导致计算和存储资源浪费；Kafka集群稳定性越来越差。
数据量的增加，数据采集和ETL计算时延越来越长，无法满足链路秒级时延，每小时超过10TB的离线处理时间超过2～3小时。
考虑存储成本的原因，Kafka生命周期配置有限，长时间的故障会导致数据丢失。
由于计算性能和吞吐有限，需要不断增加资源，运维值班的压力日益增长，每月有超过20天都有起夜的情况。
当然，除了技术挑战，还有面临用户的挑战。
1.4 用户诉求
数据安全方面：数据加密，计算｜需要解密｜和鉴权，确保数据的安全合规
带宽成本方面：数据压缩，计算｜需要解压缩｜和拆分，降低传输的带宽成本
存储成本方面：数据输出，需要支持｜不同压缩格式，以降低存储成本
使用便捷方面：需要扩充｜基础数据｜公共维度，避免下游重复计算
使用门槛方面：实时和离线数据｜需要满足SQL化查询，降低用户使用门槛
二、vivo 基础数据架构应用实践
2.1 整体架构
基于业务发展，构建多机房多集群，双活容灾链路基础架构，全面支持多种周期(秒级/分钟/小时/天等)数据计算场景。
相比较历史架构，我们新增了离线采集链路，直接从源端拷贝LOG日志，缓存到HDFS目录，再解析入库写ODS表，与原实时链路互备，可实现链路故障容灾切换，同时，实时计算增加分拣层，收敛消费，支持多组件的配置化输出，为了确保数据及时和准确性，构建了完善的数据校验和监控体系。
显然，当前的架构有点类似Lambda架构，可能会有以下几个疑问：
实时和离线链路会出现存储和计算冗余，浪费资源多；
实时和离线计算会存在数据一致性问题，运维成本大；
现在都发展到流批/湖仓一体计算，此架构不够先进。
大数据计算架构，满足公司和业务发展，才是最好的，过于追求先进，又或者太过落后，都不利于公司和业务的发展，基础数据，重点是稳定高可用，通过持续的优化和迭代，将资源浪费问题，数据一致性问题和性能问题解决，构建一种双活容灾全新架构，才是我们初衷。
结合业务发展和使用调研，发现批计算场景远多于实时计算场景，并且有以下特点：
因Kafka的存储与HDFS存储比较，成本高，如果将万亿级数据全部缓存Kafka，存储成本巨大。
实时应用场景占比很少，约20%,海量数据消费资源持续空跑，导致大量计算资源浪费。
Kafka数据使用门槛高，不能直接SQL查询，理解和使用的效率太低。
离线重跑频繁，Kafka消费重置offset操作不方便，运维难度较大。
流批/湖仓一体架构成熟度有限，技术挑战难度较大，稳定性存在挑战。
基础数据的双链路一致性问题、资源冗余问题、性能问题，通过架构调整是可以解决的。
2.2 双链路设计
结合2种用数场景，将离线和实时计算链路，数据缓存和计算分离，减少实时存储和计算的资源，减少故障风险。
只有实时计算诉求，开启实时采集；写入到Kafka或者Pulsar集群，缓存8-24小时(可根据需要调整)，用于后续实时计算。
只有离线计算诉求，开启离线采集；按小时拷贝到HDFS缓存集群，保存2-7天(可根据需要调整)，用于后续离线计算。
同时，数据采集端确保实时和离线数据不冗余，这样设计的好处就是：
数据缓存 HDFS 比 Kafka 成本更低(降低40%成本)，不容易丢，离线重跑更加便捷；
实时链路出问题可立即切换到离线链路（定点采集，分钟级切换入仓），容灾能力会更加强大。
随着业务发展，实时场景逐渐增加，切换到实时链路后，会与原离线数据比较，数据不一致性风险更大，为此，我们通过三个措施解决，将ETL过程组件化，标准化，配置化。
一是：开发上线通用组件，离线和实时ETL共用
二是：成立ETL｜专属团队，统一处理逻辑
三是：构建ETL处理平台，配置化开发
这样，通过链路切换，处理逻辑统一，功能和逻辑一致，既提升了研发效率，也消除了数据不一致风险；而在计算方面，实时和离线计算集群相互独立，实时和离线数据缓存计算相互独立，互不影响，计算更加稳定。
解决了Kafka存储成本、双链路数据不一致、链路容灾问题，接下来就是计算性能的问题需要解决：
实时计算，存在每天百亿级别的大Topic，多消费组重复消费，计算资源浪费。
实时计算，数据全链路端到端（数据生产端到数据用端）秒级延迟诉求无法满足。
离线计算，单次处理数据量10TB+，计算时间长超过2小时，计算内存配置TB级，及时性没法保证。
离线计算，单小时数据量级不固定，任务配置的计算资源是固定的，当数据量增加时，常有oom现象，必然，导致值班运维压力就比较大。
2.3 实时计算性能优化
增加统一分拣层，通过Topic一次消费，满足不同业务的数据要求，避免重复消费，存储换计算，降低成本。
为了解决百亿级大Topic=重复消费问题，我们构建了实时分拣层，主要是基于用户不同诉求，将不同用户，需要的部分数据，单独分拣到子Topic，提供用户消费，该分拣层，只需要申请一个消费组，一次消费，一次处理即可，有效避免重复消费和计算，这样，通过对大Topic部分数据的适当冗余，以存储换计算，可降低资源成本30%以上，同时，有效确保下游数据的一致性。
为了实现实时链路秒级延时，也遇到了一些困难， 主要介绍下高并发场景下的Redis批量动态扩容问题：
在实时ETL环节，会存在多个维表关联，维表缓存Redis，实时并发请求量达到数百万，因并发量持续增加，在Redis动态批量扩容时，会因数据均衡导致请求延迟，严重时达30分，单次扩容量机器越多越严重，这种延时部分业务无法接受， 我们考虑到=后续组件容灾的需要，通过请求时延、并发量、扩容影响等几个方面的kv组件验证测试，最终采用了HBase2.0，得益于它毫秒级的请求延时，优秀的异步请求框架，扩容批量复制region功能，因此，我们将HBase引入到实时链路中，达到解决Redis批量扩容导致消费延时的问题。
对于动态扩容延时敏感业务，优先采用HBase缓存维表，Redis作为降级容灾组件；对于动态扩容延时不敏感业务，优先采用Redis缓存维表，HBase作为降级容灾组件。
在实际应用中，还有两个小建议：
一是：实时任务重启时，瞬间会产生大量Redis连接请求，Redis服务器负载急剧增加，会存在无法建立连接直接抛弃的情况，因此，建议在Redis连接代码中增加重试机制，或者，连接量比较大时，可以适当分批连接。
二是：Redis组件的单点故障，不管是不是集群部署，难免出现问题，以免到时束手无策，建议增加额外组件降级容灾，我们主要是HBase和Redis并存。
2.4 离线计算性能优化
批处理，参考流计算的原理，采用微批处理模式，解决超过10TB/小时的性能问题。
前面多次提到的离线计算，单次处理数据量超过10TB，消耗特别多的资源，数据经常出现延迟，从图中可以看出，链路处理环节比较多，尤其在Join大维表时，会产生大量shuffle读写，频繁出现7337端口异常现象（这里的7337是ESS服务端口），因集群没有类似RSS这样的服务，即使有，也不一定能抗住这个量级的shuffle读写，所以，降低shuffle数量，是我们提升离线计算性能的关键。
为了降低shuffle数量，首先想到的就是降低单次处理数据量，于是，我们借鉴了流式计算模型，设计了微批计算架构，其原理介绍下：
数据采集写HDFS频率由小时改为分钟级(如10分钟)；持续监控缓存目录，当满足条件时(比如大小达到1TB)，自动提交Spark批处理任务；读取该批次文件，识别文件处理状态，并写元数据，处理完，更新该批次文件状态，以此循环，将小时处理，调整为无固定周期的微批处理；当发现某小时数据处理完成时，提交hive表分区（注意：是否处理完我们调用采集接口，这里不做详细描述）。
这种微批计算架构，通过充分利用时间和资源，在提升性能和吞吐量的同时，也提升了资源利用率。至此，我们降低了单次处理的数据量，比如：业务表单次处理数据量从百亿下将到10亿，但是，join多张大维表时shuffle量依然很大，耗时较长，资源消耗较高，这不是完美的解决方案，还需要在维表和join方式上持续优化。
维表的优化，将全局全量维表，修改为多个业务增量维表，降低Join维表数据量，以适当冗余存储换Join效率。
因为维表都是公司级的全量表，数据在4～10亿左右，且需要关联2到3个不同维表，关联方式是Sort Merge Join，会产生shuffle和Sort的开销，效率很低。
因此，我们做了降低维表量级，调整Join模式两个优化，降维表如下：
首先：基于业务表和维表，构建业务增量维表，维表数据量从亿级下降到千万级；
其次：所有维表都存储在HBase，增量维表半年重新初始化一次(减少无效数据)；
最后：Join时优先使用增量维表，少部分使用全量维表，并且每次计算都会更新增量维表。
接下来，调整业务表和维表的Join方式，首先，来看下原来大表关联使用的Sort Merge Join的原理。
先读取数据，基于SortShuffleManager机制，做内存排序，磁盘溢写，磁盘文件合并等操作，然后，对每个分区的数据做排序，最后匹配关联，可以有效解决大数据量关联,不能全部内存Join的痛点。
而我们降低了业务表和维表的数据量，分区减少了，shuffle量自然也会减少，如果再把消耗比较大的分区排序去掉，就可以大大提升关联性能。
而对于千万级维表如果采用广播方式，可能造成Driver端OOM，毕竟维表还是GB级别的，所以，采用Shuffle Hash Join方式是最佳方案。
最大的优点就是，就是将维表分区的数据加载到内存中，并且使用Map结构保存，Join时，通过get的方式遍历，避免排序，简单高效。
这样，通过降低业务表和维表数据量，改变Join方式，相比较原来计算性能提升60%+，至此，离线计算性能问题得到解决，数据产出及时性也就迎刃而解。
2.5 数据完整性
在数据采集，实时ETL和离线ETL，写ODS过程中，如何确保数据不丢，不错，保持数据完整性 ？其挑战主要有三个。
数据完整如何判定，比如A表数据量，下降20%？或者30%，表示不完整？很难统一定义，也是行业痛点。
出现问题，并且是异常，如何快速定位？
不完整的数据，给到下游用户，成千上万的任务都在使用错误的数据计算，影响面很大，故障恢复成本很高。
而这一切的基础，都需要依赖元数据，因此，元数据收集成了很关键的工作，必须优先设计和建设，这里不展开讲实时元数据的收集内容。
当有了丰富的元数据后，利用实时元数据，我们在链路中，增加了三层实时数据完整性对账校验，它们分别是：
数据采集，完整性对账
ETL处理，完整性对账
组件输出，完整性对账
这样，通过可视化输出对账结果，能够快速定位和发现问题，定位时长从天级别下降到分钟级别。
为了准确识别数据异常波动，我们结合业务特征，建设出了多种完整性校验方法，并构建多功能交叉验证体系，应用于数据校验，主要有以下几种校验方案：
短周期内的同比和环比
基于历史趋势的算法校验
基于数据时延的偶发漂移
基于节假日的数据起伏等
基于时间段的操作特征等
将这些验证方案，交叉叠加应用到，不同的表和Topic，可以明显提升异常发现的准确率,实际从85%提升到99%，如果出现异常告警，也会自动阻断下游任务，这样会大大降低对下游用户的影响。
三、vivo 基础数据架构总结展望
3.1 架构实践总结
基础数据架构应用诸多实践，没有全部详细描述，有关业务痛点，用户诉求，研发幸福感经过长期的建设，也取得了一些进步。
基础数据架构，从单链路升级到流批存算分离双活架构，多机房/集群/组件容灾，基础数据链路高可用。
实时计算，避免重复消费，数据按需分拣，构建低延时的计算架构，满足数百万并发处理请求。
离线计算，任务化整为零，数据分拆减量，计算降低过程开销，存储换性能，整体性能提升60%。
数据及时性，整体架构升级改造，数据处理量级从百亿级到数万亿级，SLA及时率稳定保持在99.9%。
数据完整性，三层级实时对账，多功能数据校验，准确的监控告警，SLA完整性稳定99.9995%。
值班运维，得益于高可用架构和链路，高性能计算，起夜值班天数从月均20+下降到月均5天以内。
而数据压缩，数据安全，数据易用性，便捷性，在过程中都有涉及，只是没有详细讲述。
3.2 架构迭代规划
打造更敏捷高效，低成本的湖仓一体大数据计算架构。
离线采集，重点解决源端宕机数据丢失问题，因为当前部分数据离线采集，端侧服务器宕机，可能会有数据丢失风险。
离线计算，重点解决Shuffle问题，从ESS切到RSS，实现Shuffle数据的存储和计算分离，解决ESS服务的性能问题。
实时运维，提升异常发现和处理的智能化水平，重点是实时元数据的捕获与归因分析，解决实时运维中定位难，处理时间要求短的问题。
实时计算，将联合相关团队，构建更敏捷高效，低成本的，湖仓一体化大数据计算架构。
END
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