分布式实时计算—从霍普金大学数据错误谈谈如何保证实时计算数据准确性

原文作者：实时流式计算

原文地址：从霍普金大学数据错误谈谈如何保证实时计算数据准确性

目录

一、Kafka

1、Produce端消息传递

1、Consumer端消息传递

3、精确一次

二、Flink

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作为全球新冠疫情数据的实时统计的权威，约翰斯·霍普金斯大学的实时数据一直是大家实时关注的，也是各大媒体的主要数据来源。在今天早上的相当一段长的时间，霍普金斯大学的全球疫情分布大屏中显示，全球确诊人数已经突破200万。有图有真相

随后相关媒体也进行了转发，不过这个数据明显波动太大，随后该网站也修改了数据

约翰斯·霍普金斯大学系统科学与工程中心就制作了“全球新冠病毒扩散地图”，用于实时可视化和跟踪报告的病例。于1月22日首次公开。为了提高数据的实时性，数据的来源通过手动和自动获取的方式。手动的方式出错的概率还是很大的，如果我们可以通过实时流获取数据的方式，就可以避免数据错误的问题，这其实是数据从一方到达另一方的数据是否准确的问题，也就是端到端的一致性。这种消息传递的定义叫做消息传递语义，我们要了解的是message delivery semantic 也就是消息传递语义。这是一个通用的概念，也就是消息传递过程中消息传递的保证性。分为三种：

	解释	特征
最多一次（at most once）	消息可能丢失也可能被处理，但最多只会被处理一次	可能丢失 不会重复
至少一次（at least once）	消息不会丢失，但可能被处理多次。	可能重复 不会丢失
精确传递一次（exactly once）	消息被处理且只会被处理一次。	不丢失 不重复 就一次

那么我们希望能做到精确传递一次（exactly once），虽然可能会付出一些性能的代价。我们从几个常见的流计算框架中，看一看都是如何解决端到端的一致性的问题。

一、Kafka

Kafka是最初由Linkedin公司开发，是一个分布式、支持分区的（partition）、多副本的（replica），基于zookeeper协调的分布式消息系统，它的最大的特性就是可以实时的处理大量数据以满足各种需求场景：比如基于hadoop的批处理系统、低延迟的实时系统、storm/Spark流式处理引擎，web/nginx日志、访问日志，消息服务等等，用scala语言编写，Linkedin于2010年贡献给了Apache基金会并成为顶级开源项目。

而kafka其实有两次消息传递，一次生产者发送消息给kafka，一次消费者去kafka消费消息。两次传递都会影响最终结果，两次都是精确一次，最终结果才是精确一次。两次中有一次会丢失消息，或者有一次会重复，那么最终的结果就是可能丢失或者重复的。

1、Produce端消息传递

这是producer端的代码：

Properties properties = new Properties();
        properties.put("bootstrap.servers", "kafka01:9092,kafka02:9092");
        properties.put("acks", "all");
        properties.put("retries", 0);
        properties.put("batch.size", 16384);
        properties.put("linger.ms", 1);
        properties.put("buffer.memory", 33554432);
        properties.put("key.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
        properties.put("value.serializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringSerializer");
        KafkaProducer kafkaProducer = new KafkaProducer(properties);
        for (int i = 1; i <= 600; i++) {
            kafkaProducer.send(new ProducerRecord("z_test_20190430", "testkafka0613"+i));
            System.out.println("testkafka"+i);
        }
        kafkaProducer.close();

其中指定了一个参数acks 可以有三个值选择：

• 0：producer完全不管broker的处理结果，回调也就没有用了，并不能保证消息成功发送 但是这种吞吐量最高
• all或者-1：leader broker会等消息写入 并且ISR都写入后才会响应，这种只要ISR有副本存活就肯定不会丢失，但吞吐量最低。
• 1：默认的值 leader broker自己写入后就响应，不会等待ISR其他的副本写入，只要leader broker存活就不会丢失，即保证了不丢失，也保证了吞吐量。

所以设置为0时，实现了at most once，而且从这边看只要保证集群稳定的情况下，不设置为0，消息不会丢失。但是还有一种情况就是消息成功写入，而这个时候由于网络问题producer没有收到写入成功的响应，producer就会开启重试的操作，直到网络恢复，消息就发送了多次。这就是at least once了。kafka producer 的参数acks 的默认值为1，所以默认的producer级别是at least once。并不能exactly once。

1、Consumer端消息传递

consumer是靠offset保证消息传递的。consumer消费的代码如下：

Properties props = new Properties();
        props.put("bootstrap.servers", "kafka01:9092，kafka02:9092");
        props.put("group.id", "test");
        props.put("enable.auto.commit", "true");
        props.put("auto.commit.interval.ms", "1000");
        props.put("key.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
        props.put("value.deserializer", "org.apache.kafka.common.serialization.StringDeserializer");
        
        props.put("auto.offset.reset","earliest");
        
        KafkaConsumer consumer = new KafkaConsumer<>(props);
        consumer.subscribe(Arrays.asList("foo", "bar"));
      try{
        while (true) {
            ConsumerRecords records = consumer.poll(1000);
            for (ConsumerRecord record : records) {
                System.out.printf("offset = %d, key = %s, value = %s%n", record.offset(), record.key(), record.value());
            }
         }
        }finally{
          consumer.close();
        }

其中有一个参数是 enable.auto.commit。若设置为true consumer在消费之前提交位移 就实现了at most once。若是消费后提交 就实现了 at least once 默认的配置就是这个。kafka consumer的参数enable.auto.commit的默认值为true ，所以默认的consumer级别是at least once。也并不能exactly once。

图 consumer-groups

3、精确一次

通过了解producer端与consumer端的设置，我们发现kafka在两端的默认配置都是at least once，肯能重复，通过配置的话呢也不能做到exactly once，好像kafka的消息一定会丢失或者重复的，是不是没有办法做到exactly once了呢？确实在kafka 0.11.0.0版本之前producer端确实是不可能的，但是在kafka 0.11.0.0版本之后，kafka正式推出了idempotent producer。也就是幂等的producer还有对事务的支持。

幂等的producer：kafka 0.11.0.0版本引入了idempotent producer机制，在这个机制中同一消息可能被producer发送多次，但是在broker端只会写入一次，他为每一条消息编号去重，而且对kafka开销影响不大。如何设置开启呢？ 需要设置producer端的新参数 enable.idempotent 为true。而多分区的情况，我们需要保证原子性的写入多个分区，即写入到多个分区的消息要么全部成功，要么全部回滚。

这时候就需要使用事务，在producer端设置 transcational.id为一个指定字符串。这样幂等producer只能保证单分区上无重复消息；事务可以保证多分区写入消息的完整性。

这样producer端实现了exactly once，那么consumer端呢？consumer端由于可能无法消费事务中所有消息，并且消息可能被删除，所以事务并不能解决consumer端exactly once的问题，我们可能还是需要自己处理这方面的逻辑。比如自己管理offset的提交，不要自动提交，也是可以实现exactly once的。还有一个选择就是使用kafka自己的流处理引擎，也就是Kafka Streams，设置processing.guarantee=exactly_once，就可以轻松实现exactly once了。

二、Flink

Apache Flink是由Apache软件基金会开发的开源流处理框架，其核心是用Java和Scala编写的分布式流数据流引擎。Flink以数据并行和流水线方式执行任意流数据程序，Flink的流水线运行时系统可以执行批处理和流处理程序。此外，Flink的运行时本身也支持迭代算法的执行。我们从flink消费并写入kafka的例子是如何通过两部提交来保证exactly-once语义的为了保证exactly-once，所有写入kafka的操作必须是事务的。在两次checkpiont之间要批量提交数据，这样在任务失败后就可以将没有提交的数据回滚。

两部提交协议的第一步是预提交。flink的jobmanager会在数据流中插入一个检查点的标记（这个标记可以用来区别这次checkpoint的数据和下次checkpoint的数据）。这个标记会在整个dag中传递。每个dag中的算子遇到这个标记就会触发这个算子状态的快照。

读取kafka的算子，在遇到检查点标记时会存储kafka的offset。之后，会把这个检查点标记传到下一个算子。接下来就到了flink的内存操作算子。这些内部算子就不用考虑两部提交协议了，因为他们的状态会随着flink整体的状态来更新或者回滚。

到了和外部系统打交道的时候，就需要两步提交协议来保证数据不丢失不重复了。在预提交这个步骤下，所有向kafka提交的数据都是预提交。

当所有算子的快照完成，也就是这次的checkpoint完成时，flink的jobmanager会向所有算子发通知说这次checkpoint完成，flink负责向kafka写入数据的算子也会正式提交之前写操作的数据。在任务运行中的任何阶段失败，都会从上一次的状态恢复，所有没有正式提交的数据也会回滚。

总结一下flink的两步提交：

• 当所有算子都完成他们的快照时，进行正式提交操作
• 当任意子任务在预提交阶段失败时，其他任务立即停止，并回滚到上一次成功快照的状态。
• 在预提交状态成功后，外部系统需要完美支持正式提交之前的操作。如果有提交失败发生，整个flink应用会进入失败状态并重启，重启后将会继续从上次状态来尝试进行提交操作。

这样flink就通过状态和两次提交协议来保证了端到端的exactly-once语义。

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