Apache Hudi 在 B 站构建实时数据湖的实践

本文作者喻兆靖，介绍了为什么 B 站选择 Flink + Hudi 的数据湖技术方案，以及针对其做出的优化。主要内容为：
1.传统离线数仓痛点
2.数据湖技术方案
3.Hudi 任务稳定性保障
4.数据入湖实践
5.增量数据湖平台收益
6.社区贡献
7.未来的发展与思考

一、传统离线数仓痛点

1. 痛点

之前 B 站数仓的入仓流程大致如下所示：

在这种架构下产生了以下几个核心痛点：

1. 大规模的数据落地 HDFS 后，只能在凌晨分区归档后才能查询并做下一步处理；
2. 数据量较大的 RDS 数据同步，需要在凌晨分区归档后才能处理，并且需要做排序、去重以及 join 前一天分区的数据，才能产生出当天的数据；
3. 仅能通过分区粒度读取数据，在分流等场景下会出现大量的冗余 IO。

总结一下就是:

• 调度启动晚；
• 合并速度慢；
• 重复读取多。

2. 痛点思考

• 调度启动晚思路：既然 Flink 落 ODS 是准实时写入的，有明确的文件增量概念，可以使用基于文件的增量同 步，将清洗、补维、分流等逻辑通过增量的方式进行处理，这样就可以在 ODS 分区未归档的时 候就处理数据，理论上数据的延迟只取决于最后一批文件的处理时间。
• 合并速度慢思路：既然读取已经可以做到增量化了，那么合并也可以做到增量化，可以通过数据湖的能力结 合增量读取完成合并的增量化。
• 重复读取多思路：重复读取多的主要原因是分区的粒度太粗了，只能精确到小时/天级别。我们需要尝试一 些更加细粒度的数据组织方案，将 Data Skipping 可以做到字段级别，这样就可以进行高效的数 据查询了。

3. 解决方案: Magneto - 基于 Hudi 的增量数据湖平台

以下是基于 Magneto 构建的入仓流程：

• Flow使用流式 Flow 的方式，统一离线和实时的 ETL Pipline
• Organizer数据重组织，加速查询支持增量数据的 compaction
• Engine计算层使用 Flink，存储层使用 Hudi
• Metadata提炼表计算 SQL 逻辑标准化 Table Format 计算范式

二、数据湖技术方案

1. Iceberg 与 Hudi 的取舍

1.1 技术细节对比

1.2 社区活跃度对比

统计截止至 2021-08-09

1.3 总结

大致可以分为以下几个主要纬度来进行对比：

• 对 Append 的支持Iceberg 设计之初的主要支持方案，针对该场景做了很多优化。 Hudi 在 0.9 版本中对 Appned 模式进行了支持，目前在大部分场景下和 Iceberg 的差距不大， 目前的 0.10 版本中仍然在持续优化，与 Iceberg 的性能已经非常相近了。
• 对 Upsert 的支持Hudi 设计之初的主要支持方案，相对于 Iceberg 的设计，性能和文件数量上有非常明显的优 势，并且 Compaction 流程和逻辑全部都是高度抽象的接口。 Iceberg 对于 Upsert 的支持启动较晚，社区方案在性能、小文件等地方与 Hudi 还有比较明显 的差距。
• 社区活跃度Hudi 的社区相较于 Iceberg 社区明显更加活跃，得益于社区活跃，Hudi 对于功能的丰富程度与 Iceberg 拉开了一定的差距。

综合对比，我们选择了 Hudi 作为我们的数据湖组件，并在其上继续优化我们需要的功能 ( Flink 更好的集成、Clustering 支持等)

2. 选择 Flink + Hudi 作为写入方式

我们选择 Flink + Hudi 的方式集成 Hudi 的主要原因有三个：

1. 我们部分自己维护了 Flink 引擎，支撑了全公司的实时计算，从成本上考虑不想同时维护两套计算引擎，尤其是在我们内部 Spark 版本也做了很多内部修改的情况下。
2. Spark + Hudi 的集成方案主要有两种 Index 方案可供选择，但是都有劣势：Bloom Index：使用 Bloom Index 的话，Spark 会在写入的时候，每个 task 都去 list 一遍所有的文件，读取 footer 内写入的 Bloom 过滤数据，这样会对我们内部压力已经非常大的 HDFS 造成非常恐怖的压力。Hbase Index：这种方式倒是可以做到 O(1) 的找到索引，但是需要引入外部依赖，这样会使整个方案变的比较重。
3. 我们需要和 Flink 增量处理的框架进行对接。

3. Flink + Hudi 集成的优化

3.1 Hudi 0.8 版本集成 Flink 方案

针对 Hudi 0.8 版本集成暴露出来的问题，B站和社区合作进行了优化与完善。

3.2 Bootstrap State 冷启动

背景：支持在已经存在 Hudi 表启动 Flink 任务写入，从而可以做到由 Spark on Hudi 到 Flink on Hudi 的方案切换

原方案：

问题：每个 Task 处理全量数据，然后选择属于当前 Task 的 HoodieKey 存入 state 优化方案。

• 每个 Bootstrap Operator 在初始化时，加载属于当前 Task 的 fileId 相关的 BaseFile 和 logFile；
• 将 BaseFile 和 logFile 中的 recordKey 组装成 HoodieKey，通过 Key By 的形式发送给 BucketAssignFunction，然后将 HoodieKey 作为索引存储在 BucketAssignFunction 的 state 中。

效果：通过将 Bootstrap 功能单独抽出一个 Operator，做到了索引加载的可扩展性，加载速度提升 N (取决于并发度) 倍。

3.3 Checkpoint 一致性优化

背景：在 Hudi 0.8 版本的 StreamWriteFunction 中，存在极端情况下的数据一致性问题。

原方案：

问题：CheckpointComplete不在CK生命周期内，存在CK成功但是instant没有commit的情 况，从而导致出现数据丢失。

优化方案：

3.4 Append 模式支持及优化

背景：Append 模式是用于支持不需要 update 的数据集时使用的模式，可以在流程中省略索引、 合并等不必要的处理，从而大幅提高写入效率。

主要修改：

• 支持每次 FlushBucket 写入一个新的文件，避免出现读写的放大；
• 添加参数，支持关闭 BoundedInMemeoryQueue 内部的限速机制，在 Flink Append 模式下只需要将 Queue 的大小和 Bucket buffer 设置成同样的大小就可以了；
• 针对每个 CK 产生的小文件，制定自定义 Compaction 计划；
• 通过以上的开发和优化之后，在纯 Insert 场景下性能可达原先 COW 的 5 倍。

三、Hudi 任务稳定性保障

1. Hudi 集成 Flink Metrics

通过在关键节点上报 Metric，可以比较清晰的掌握整个任务的运行情况：

2. 系统内数据校验

3. 系统外数据校验

四、数据入湖实践

1. CDC数据入湖

1.1 TiDB入湖方案

由于目前开源的各种方案都没办法直接支持 TiDB 的数据导出，直接使用 Select 的方式会影响数 据库的稳定性，所以拆成了全量 + 增量的方式：

1. 启动 TI-CDC，将 TIDB 的 CDC 数据写入对应的 Kafka topic；
2. 利用 TiDB 提供的 Dumpling 组件，修改部分源码，支持直接写入 HDFS；
3. 启动 Flink 将全量数据通过 Bulk Insert 的方式写入 Hudi；
4. 消费增量的 CDC 数据，通过 Flink MOR 的方式写入 Hudi。

1.2 MySQL 入湖方案

MySQL 的入湖方案是直接使用开源的 Flink-CDC，将全量和增量数据通过一个 Flink 任务写入 Kafka topic：

1. 启动 Flink-CDC 任务将全量数据以及 CDC 数据导入 Kafka topic；
2. 启动 Flink Batch 任务读取全量数据，通过 Bulk Insert 写入 Hudi；
3. 切换为 Flink Streaming 任务将增量 CDC 数据通过 MOR 的方式写入 Hudi。

2. 日志数据增量入湖

• 实现 HDFSStreamingSource 和 ReaderOperator，增量同步 ODS 的数据文件，并且通过写入 ODS 的分区索引信息，减少对 HDFS 的 list 请求；
• 支持 transform SQL 配置化，允许用户进行自定义逻辑转化，包括但不限于维表 join、自定义 udf、按字段分流等；
• 实现 Flink on Hudi 的 Append 模式，大幅提升不需要合并的数据写入速率。

五、增量数据湖平台收益

• 通过 Flink 增量同步大幅度提升了数据同步的时效性，分区就绪时间从 2:00~5:00 提前到 00:30 分内；
• 存储引擎使用 Hudi，提供用户基于 COW、MOR 的多种查询方式，让不同用户可以根据自己 的应用场景选择合适的查询方式，而不是单纯的只能等待分区归档后查询；
• 相较于之前数仓的 T+1 Binlog 合并方式，基于 Hudi 的自动 Compaction 使得用户可以将 Hive 当成 MySQL 的快照进行查询；
• 大幅节约资源，原先需要重复查询的分流任务只需要执行一次，节约大约 18000 core。

六、社区贡献

上述优化都已经合并到 Hudi 社区，B站在未来会进一步加强 Hudi 的建设，与社区一起成⻓。

部分核心PR

https://issues.apache.org/jira/projects/Hudi/issues/Hudi-1923

https://issues.apache.org/jira/projects/Hudi/issues/Hudi-1924

https://issues.apache.org/jira/projects/Hudi/issues/Hudi-1954

https://issues.apache.org/jira/projects/Hudi/issues/Hudi-2019

https://issues.apache.org/jira/projects/Hudi/issues/Hudi-2052

https://issues.apache.org/jira/projects/Hudi/issues/Hudi-2084

https://issues.apache.org/jira/projects/Hudi/issues/Hudi-2342

七、未来的发展与思考

• 平台支持流批一体，统一实时与离线逻辑；
• 推进数仓增量化，达成 Hudi ODS -> Flink -> Hudi DW -> Flink -> Hudi ADS 的全流程；
• 在 Flink 上支持 Hudi 的 Clustering，体现出 Hudi 在数据组织上的优势，并探索 Z-Order 等加速多维查询的性能表现；
• 支持 inline clustering。

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