Flink on K8s 企业生产化实践
背景
为了解决公司模型&特征迭代的系统性问题，提升算法开发与迭代效率，部门立项了特征平台项目。特征平台旨在解决数据存储分散、口径重复、提取复杂、链路过长等问题，在大数据与算法间架起科学桥梁，提供强有力的样本及特征数据支撑。平台从 Hive 、Hbase 、关系型数据库等大数据 ODS ( Operational Data store ) 层进行快速的数据 ETL ，将数据抽取到特征平台进行管理，并统一了数据出口，供数据科学家、数据工程师、机器学习工程师做算法模型的数据测试、训练、推理及其他数据应用。
本篇文章主要分享特征平台 flink on K8s 的部署实践，文章主要分以下几个方面进行介绍。首先本文对 K8s 基本概念及 Flink 任务执行图进行简要介绍，接着文章对比了现有的几种 Flink on K8s 部署方式，
为什么flink 要基于K8s做部署？
主要有以下几个优势：
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容器环境容易部署、清理和重建：不像是虚拟环境以镜像进行分发部署起来对底层系统环境依赖小，所需要的包都可以集成到镜像中，重复使用。
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更好的隔离性与安全性，应用部署以pod启动，pod之间相互独立，资源环境隔离后更安全。
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k8s集群能够利用好资源，机器学习、在线服务等许多任务都可以混合部署。
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云原生的趋势，丰富的k8s生态，以及大数据计算上云原生的趋势
介绍
2.1 K8s 简介
Kubernetes 为您提供了一个可弹性运行分布式系统的框架。Kubernetes 会满足您的扩展要求、故障转移、部署模式等，Kubernetes 项目的本质，是为用户提供一个具有普遍意义的容器编排工具。
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K8S被称为云时代的操作系统（其中的镜像就类似软件安装包）
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旨在提供“跨主机集群的自动部署、扩展以及运行应用程序容器的平台”
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调度、资源管理、服务发现、健康检查、自动伸缩、滚动升级…
基本组件
Pod: K8s 的原子调度单位，是一个或多个 Container 的组合，Container 共享同一个网络、存储。
Deployment: 对一组相同 Pod 的高级抽象，可以自动重启恢复，保障高可用。
Service: 定义服务的访问入口，通过 Label Selector 绑定后端 Pod 副本集。如果 K8s 内部有一个服务，需要在外部进行访问，此时可以通过 Service 用 LoadBalancer 或者 NodePort 的方式将其暴露出去。如果不希望或不需要对外暴露服务，可以把 Service 设置为 Cluster IP 或者是 None 模式。
ConfigMap: K-V 结构数据，通常的用法是将 ConfigMap 挂载到 Pod ，作为配置文件提供 Pod 里新的进程使用。
Stateful - 有状态应用部署
Job与Cronjob-离线业务
2.2 Flink介绍
Apache Flink 是一个框架和分布式处理引擎，用于在无边界和有边界数据流上进行有状态的计算。Flink 能在所有常见集群环境中运行，并能以内存速度和任意规模进行计算
2.2.1 Flink 架构图
Flink 架构图跟常见的大数据组建类似，都是采用主流的主从架构，一个 JobManager，多个 TaskManager，并可对JobManager进行HA部署。
Flink 代码从提交到真正执行，需要经过几次 Graph 图的转换，过程如下：StreamGraph -> JobGraph -> ExecutionGraph -> 物理执行图
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第一层 StreamGraph 从 Source 节点开始，每一次 transform 生成一个 StreamNode，两个 StreamNode 通过 StreamEdge 连接在一起,形成 StreamNode 和 StreamEdge 构成的DAG。
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第二层 JobGraph，依旧从 Source 节点开始，然后去遍历寻找能够嵌到一起的 operator，如果能够嵌到一起则嵌到一起，不能嵌到一起的单独生成 jobVertex，通过 JobEdge 链接上下游 JobVertex，最终形成 JobVertex 层面的 DAG。
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JobVertex DAG 提交到任务以后，从 Source 节点开始排序,根据 JobVertex 生成ExecutionJobVertex，根据 jobVertex的IntermediateDataSet 构建 IntermediateResult，然后 IntermediateResult 构建上下游的依赖关系，形成 ExecutionJobVertex 层面的 DAG 即 ExecutionGraph。
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最后通过 ExecutionGraph 层到物理执行层。
Flink on K8s 部署模式
3.1 Flink 的部署模式 [1]
Session 模式
多个 Job 提交共享同一个 JobManager，Flink Cluster的实例已经被创建，并被所有Job共享的。Flink任务由Client提交，client做一些预备工作， 并在 Flink Client 上生成 JobGraph，这种方式的缺点是：一个Job导致的JobManager失败可能会导致所有的Job失败。
Per-Job 模式
为每次 Job 提交启动专用 JM，JM 将只执行此作业，然后退出。在 Flink Client 上生成 JobGraph，
可以理解为 Client 模式的Application Mode，这种模式充分利用资源管理框架的优势，例如Yarn，Mesos等，达到更强的资源隔离性，flink应用之间不会相互影响。一个Job一个Cluster实例。
Application 模式
Flink提交的程序，被当做集群内部Application，不再需要Client端做繁重的准备工作例如执行main函数
数，生成JobGraph，下载依赖并分发到各个节点等），main函数被提交给JobManager执行。
一个Application一个Cluster实例。
3.3 Standalone 部署的不足
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用户需要对 K8s 有一些最基本的认识，这样才能保证顺利将 Flink 运行到 K8s 之上。
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Flink 感知不到 K8s 的存在。
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目前主要使用静态的资源分配。需要提前确认好需要多少个 TaskManager，如果 Job 的并发需要做一些调整，TaskManager 的资源情况必须相应的跟上，否则任务无法正常执行。
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无法实时申请资源和释放资源。如果维持一个比较大的 Session Cluster，可能会资源浪费。但如果维持的 Session Cluster 比较小，可能会导致 Job 跑得慢或者是跑不起来。
3.4 Navtive 部署的优势
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资源申请方式：Flink 的 Client 内置了一个 K8s Client，可以借助 K8s Client 去创建 JobManager，当 Job 提交之后，如果对资源有需求，JobManager 会向 Flink 自己的 ResourceManager 去申请资源。这个时候 Flink 的 ResourceManager 会直接跟 K8s 的 API Server 通信，将这些请求资源直接下发给 K8s Cluster，告诉它需要多少个 TaskManger，每个 TaskManager 多大。当任务运行完之后，它也会告诉 K8s Cluster 释放没有使用的资源。相当于 Flink 用很原生的方式了解到 K8s Cluster 的存在，并知晓何时申请资源，何时释放资源。
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Native 是相对于 Flink 而言的，借助 Flink 的命令就可以达到自治的一个状态，不需要引入外部工具就可以通过 Flink 完成任务在 K8s 上的运行。
3.5部署方案最终选择
通过Flink standalone和 native 模式的分析，standalone需要配合 kubectl + yaml 部署，Flink 无法感知 K8s 集群的存在，资源被动申请，而Native部署仅使用 flink 客户端 kubernetes-session.sh or flink run 部署，Flink 主动与 K8s 申请资源，而成为最佳的部署方式，另外因为任务主要是离线批处理，每个appllication可以包含多个job 比较适合业务需求。
实战部署
这边只演示 k8s native部署模式，Standalone 部署需要手动去提前创建 ConfigMap、Service、JobManager Deployment、TaskManager Deployment 等比较麻烦。
4.1 K8s 集群
K8s >= 1.9 or Minikube
KubeConfig （可以查看、创建、删除 pods 和 services）
启用 Kubernetes DNS
具有 RBAC 权限的 Service Account 可以创建、删除 pods
4.2 PyFlink 镜像
FROM flink:1.12.1-scala_2.11-java8
# 安装 python3 and pip3 及需要的debug工具
RUN apt-get update -y && \
apt-get install -y python3.7 python3-pip python3.7-dev \
&& rm -rf /var/lib/apt/lists/*
RUN rm -rf /usr/bin/python
RUN ln -s /usr/bin/python3 /usr/bin/python
# 安装 Python Flink
RUN pip3 install apache-flink==1.12.1
# 如果有引用第三方 Python 依赖库， 可以在构建镜像时安装上这些依赖
#COPY /path/to/requirements.txt /opt/requirements.txt
#RUN pip3 install -r requirements.txt
# 如果有引用第三方 Java 依赖， 也可以在构建镜像时加入到 ${FLINK_HOME}/usrlib 目录下
RUN mkdir -p $FLINK_HOME/usrlib
COPY /path/of/external/jar/dependencies $FLINK_HOME/usrlib/
COPY /path/of/python/codes /opt/python_codesDocker build 部署需要的 pyflink 镜像
Flink image -> PyFlink image -> PyFlink App image
4.3 Flink Application native部署
操作方式：flink application on k8s native模式非常简单，直接一条命令搞定了Application模式的运行提交 Job
./bin/flink run-application -p 2 -t kubernetes-application \ -Dkubernetes.cluster-id=app-cluster \ -Dtaskmanager.memory.process.size=4096m \ -Dkubernetes.taskmanager.cpu=2 \ -Dtaskmanager.numberOfTaskSlots=4 \ -Dkubernetes.container.image=demo-pyflink-app:1.12.1 \ -pyfs /opt/python_codes \ -pym new_word_count启动流程图：
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首先创建出了 Service、Master 和 ConfigMap 这几个资源以后，Flink Master Deployment 里面已经带了一个用户 Jar，这个时候 Cluster Entrypoint 就会从用户 Jar 里面去提取出或者运行用户的 main，然后产生 JobGraph。之后再提交到 Dispatcher，由 Dispatcher 去产生 Master，然后再向 ResourceManager 申请资源，后面的逻辑的就和 Session 的方式是一样的。
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它和 Session 最大的差异就在于它是一步提交的。因为没有了两步提交的需求，如果不需要在任务起来以后访问外部 UI，就可以不用外部的 Service。可直接通过一步提交使任务运行。通过本地的 port-forward 或者是用 K8s ApiServer 的一些 proxy 可以访问 Flink 的 Web UI。此时，External Service 就不需要了，意味着不需要再占用一个 LoadBalancer 或者占用 NodePort。
4.4 生产化流程
Flink应用编写流程如下图：
这块产品主要是采用flink sql去完成 功能，运行模式比较统一，注册source、sink、 执行sq，因此可以采用同一份代码，提供给用户sql编辑框或者用户界面上选择所需要读取的库表字段后端组合成sql语句，最终统一任务运行形成一个离线计算平台，通过动态传递参数进行flink应用的提交和执行。
后端在数据库中配置好source和sink的类型以及连接信息暴露给前端。
前端去选择对应的数据源比如说mysql、hive，然后选择所需要读取的库表，展示table schema ，用户 可以选择需要读取的库表字段。同时选择需要存储的数据汇如说elasticsearch、mysql等，获取这些动态参数后，通过k8s java client 去创建 job去提交flink应用。
flink应用启动时获取这些db、库表信息、库表字段后传递给FLink程序，flink程序构造成flinksql去执行应用，具体不在详细执行。
5.总结
本文为大家分享 flink on K8s 部署的实践经验，简要介绍了 K8s 基本概念与 Flink 执行图，对 Flink 不同的部署方式进行了对比，并使用具体 demo 分析了 Pyflink on K8s 部署的过程中组件间的协调过程，协助大家在上手使用的同时了解底层执行过程。
参考文献
[1] Apache Flink 1.12 Documentation: Deployment
[2] Apache Flink 1.12 Documentation: Kubernetes Setup
[3] Apache Flink 1.12 Documentation: Native Kubernetes
[4] Flink on K8s技术演进：如何原生地在Kubernetes上运行Flink？-InfoQ
[5] Apache Flink on Kubernetes：四种运行模式，我该选择哪种？ - DockOne.io