第五十二篇 浅谈ETL系统设计

1. ETL系统分层架构

1.1 现代ETL系统三级模型

源系统

抽取层

临时存储区

转换层

清洗规则引擎

加载层

目标数据仓库

关键组件说明：

• 临时存储区：落地原始数据（如AWS S3/HDFS）
• 规则引擎：执行数据质量检查（如Great Expectations）
• 元数据存储：记录数据血缘（如Apache Atlas）

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2. 核心子系统实现方案

2.1 增量抽取的工业级实现

基于CDC的实时捕获方案：

# 使用Debezium实现MySQL CDC
from debezium import Connect

conn = Connect(host='mysql-server', 
               port=3306,
               user='etl_user',
               password='securepass')

for change in conn.stream('inventory.orders'):
    process_change(change)  # 处理变更事件
    write_to_kafka('ods_orders', change)  # 写入消息队列

增量策略对比：

策略	实现方式	适用场景
Timestamp	更新时间戳过滤	OLTP系统，有时间字段
CDC	数据库日志解析	实时数据捕获
Hash Diff	全字段MD5比对	无时间戳的小表

2.2 缓慢变化维(SCD)的工程实现

Type 2实现模板：

-- 当前有效记录标记
ALTER TABLE dim_customer 
ADD COLUMN is_current BOOLEAN DEFAULT TRUE;

-- SCD2处理存储过程
CREATE PROCEDURE scd_type2_update()
BEGIN
    -- 失效旧记录
    UPDATE dim_customer 
    SET is_current = FALSE, 
        end_date = CURRENT_DATE
    WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM stage_customer)
      AND is_current = TRUE;

    -- 插入新记录
    INSERT INTO dim_customer
    SELECT NULL, customer_id, name, address, 
           CURRENT_DATE AS start_date, 
           NULL AS end_date,
           TRUE AS is_current
    FROM stage_customer;
END;

2.3 分布式数据清洗架构

# 使用Spark进行分布式清洗
from pyspark.sql import SparkSession

spark = SparkSession.builder \
    .appName("DataCleaning") \
    .config("spark.executor.memory", "8g") \
    .getOrCreate()

raw_df = spark.read.parquet("s3://raw-data/orders")
cleaned_df = raw_df.dropDuplicates(["order_id"]) \
                  .filter("amount > 0") \
                  .withColumn("phone", 
                       regexp_replace(col("phone"), "[^0-9]", ""))
cleaned_df.write.parquet("s3://cleaned-data/orders")

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3. 生产级优化策略

3.1 高性能加载技术

数据分区策略：

-- 按日期分区的Hive表
CREATE TABLE dw_sales (
    order_id BIGINT,
    sale_date DATE,
    amount DECIMAL(10,2)
)
PARTITIONED BY (sale_year INT, sale_month INT)
STORED AS ORC;

加载性能优化矩阵：

技术手段	实施方法	效果预估
批量提交	每1000条提交一次事务	提升30%写入速度
索引预创建	加载前禁用，完成后重建	缩短50%加载时间
列式存储	使用ORC/Parquet格式	减少70%存储空间

3.2 企业级错误处理机制

错误隔离设计：

class ETLPipeline:
    
    def run(self):
        try:
            self.extract()
            self.transform()
            self.load()
        except DataQualityError as e:
            self.log_error(e)
            self.move_to_quarantine(e.record)
            self.send_alert(e)
        finally:
            self.update_metadata()

    def move_to_quarantine(self, record):
        with self.error_db.connect() as conn:
            conn.execute("""
                INSERT INTO error_queue 
                VALUES (?, ?, ?)""", 
                (datetime.now(), record, traceback.format_exc()))

---

4. 大数据集成模式

4.1 Lambda架构实现

// Spark Streaming实时处理
val kafkaStream = KafkaUtils.createDirectStream[String, String](
  ssc, Locations(kafkaBrokers), TopicsSet("orders"))

kafkaStream.foreachRDD { rdd =>
  rdd.map(parseOrder)
     .filter(validateOrder)
     .foreachPartition { orders =>
       CassandraConnector.writeToCassandra(orders)
     }
}

// 批处理层补偿
spark.read.parquet("s3://batch-data/orders")
  .createOrReplaceTempView("batch_orders")

spark.sql("""
  SELECT user_id, SUM(amount) 
  FROM batch_orders 
  GROUP BY user_id""")

4.2 流批一体处理对比

架构类型	延迟	准确性	典型工具链
Lambda	秒级	最终一致	Kafka+Spark+HDFS
Kappa	毫秒级	精确一次	Flink+Pravega
混合架构	分级处理	平衡方案	Spark Structured Streaming

---

5. 工业级场景实战

5.1 金融交易数据整合

挑战：

• 多银行系统数据合并
• 交易时区标准化
• 合规性检查（反洗钱规则）

技术方案：

-- 时区统一转换
CREATE VIEW unified_transactions AS
SELECT 
  transaction_id,
  CONVERT_TZ(transaction_time, 
            bank_timezone, 
            'UTC') AS utc_time,
  amount,
  CASE bank_id
    WHEN 'CITI' THEN DECRYPT(account_number)
    ELSE account_number
  END AS unified_account
FROM raw_transactions
WHERE amount <= compliance_limit;

5.2 物联网设备数据处理

流水线设计：

传感器数据 → Kafka → Flink实时过滤 → 
    ↓                          ↓
HDFS冷存储 ← Spark批处理 ← 异常检测

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架构设计Q&A

Q1：如何选择批处理与流处理架构？
✅ 决策树：
数据延迟要求 < 1分钟 → 流处理
数据量 > 1TB/天 → 批处理
需要精确一次语义 → 选择Flink

Q2：维度表如何应对高频更新？
✅ 解决方案：

• 使用Mini-Batch处理（每5分钟合并更新）
• 采用LSM-Tree存储结构（如Cassandra）
• 建立二级索引加速查询

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️ 专家级工具推荐

1. 数据质量：Apache Griffin（指标定义、异常检测）
2. 任务调度：Dagster（数据感知的编排系统）
3. 元数据管理：DataHub（端到端血缘追踪）

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下期预告：《大数据分析》
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