摘要：本文整理自美团系统研发工程师汤楚熙，在 Flink Forward Asia 2022 实时湖仓专场的分享。本篇内容主要分为四个部分：
- 建设背景
- 核心能力设计与优化
- 业务实践
- 未来展望
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一、美团增量数仓的建设背景
美团数仓架构的诞生是基于这样的技术假设：“随着业务数据越积越多，增量数据 / 存量数据 的比值呈下降趋势，采用增量计算模式性价比更高。”
当然也与底层技术的发展有很强的相关性，Flink、Hudi 等具备增量计算、更新能力的技术框架，为增量数仓落地的提供了必要条件。
从时间线上看，增量数仓架构的演进过程可大致划分为三个阶段：
- 第一个阶段，2019 到 2020 年。这个阶段，业务希望在离线数仓的能力之上，得到更新鲜的数据，即实时数仓。所以我们借鉴了离线数仓的模型概念，提出了实时数仓的模型抽象。
- 第二个阶段，2020 到 2021。这个阶段实时数仓的生产任务还大量依赖 JavaAPI，对开发效率有较大的影响，所以我们要加快 FlinkSQL 的落地，提升数仓开发的效率。
- 第三个阶段，从 2021 年到现在。这个阶段随着数据湖技术的逐渐成熟，我们开始尝试整合离线跟实时数仓架构，进而提出了一套增量数仓的新架构。
目前美团内部会有 M、B、C、D 端等四大类业务场景，不同的场景之间对数据一致性、时效性的要求有交叉，但又不完全相同，需要寻找一套尽可能适配所有这些场景的技术架构。
首先我们会想到的是 Lambda 架构，它会通过实时链路解决高时效性的用数场景的需求；并通过离线链路来解决一些长业务周期的指标计算的需求；以及对数据一致性要求较高的场景的用数需求。
Lambda 架构最大的问题生产链路过于复杂，一方面造成较高的资源成本，另外是高昂运维的成本。
比如对高数据新鲜度的场景，高度依赖 Kafka，而其最初的架构设计就没有充分考虑到对数据一致性的保证。
业务会通过排序、幂等处理等手段牺牲计算资源，达成了数据一致性。
此外还有的问题是，运维门槛高。一个的典型的案例是，美团某 B 端业务场景对数据新鲜度要求较高，其交易主题表要求在 Flink 作业中保留 180 天状态数据，单任务状态大小>50TB，改口径后的直接消费上游 MQ 回溯数据，时长会超过 1 天，业务方很难接受，目前只能被动改造成先刷离线不变数据，再刷增量变更数据。
对时延不敏感，但需要能够灵活的将数据按不同粒度进行组织访问的离线场景，重度依赖于 Hive，而其的最初也并未考虑到数据高效的更新的能力。
典型的例子是，离线数仓最新快照事实表的生产场景，这种类型数据在业务上很常见，要求将上游的按天、小时生产的 DeltaRecord 与下游表中的存量数据快照做 Merge，理论上只需从存量快照数据中按 DeltaRecord 的 key 取出全部变更记录，Merge 之后再覆盖写即可。但当前离线数仓的普遍做法是全量加载存量快照数据，再与增量数据做归并排序后取最新一条，未变更记录的加载是非必要且浪费资源的。
我们期望增量数仓架构，能够很好的同时兼顾数据的时效性和数据一致性，并且低成本的完成数据的合并计算、高效组织。
相对基于 Kafka 构建的实时数仓来看，增量数仓需要提升回溯场景的效率、降低为保证数据一致性的资源开销。
相对基于 Hive 构建离线数仓，在没有就绪时间提前的前提要求下，可继续沿用批模式来执行增量数据合并，提升计算效率。
二、核心能力设计与优化
2.1 增量数仓存储架构
实现增量计算、更新，引入了一套支持事务管理、主键和 CDC 能力，可同时按部分行和列进行更新，并且对查询友好的新的存储引擎。这个新存储引擎的名字我们内部叫做 Beluga，它的基本架构是在 Hudi 的基础上，加以改造而来。
改造 Hudi 的动机是，最初 v0.8 不支持 CDC。考虑到了这点，我们引入 Hbase(KV)来生产 Changelog。
Beluga 有三个核心模块：
- Beluga Client，运行在Flink作业中，主要用来处理读写请求和事务的协调。
- Beluga Server，是基于 Hbase 来改造实现的，主要承担数据的更新、ChangeLog 的生产能力。
- Beluga File Store，这层是基于 Hudi 来实现，主要用于存储 CDC 数据和快照数据。
2.2 优化分桶策略
Beluga 的增量行更新能力，是借助数据分桶来实现的。
第一步使 Hbase 和 Hudi 的分桶模型统一。 这里将 Hbase 的 HRegion 和 Hudi 的 FileGroup 做了一一映射，共同组成了一个分桶。新记录会先过 Hbase 的 Region，然后按需生产出 Changelog，将数据刷入 Hudi。
这样做的好处是，Hudi 本身就可以将 Hbase 作为其外部索引，可以提升数据的更新效率。
前期测试过程中发现，Hudi 原生的分桶策略，想要正确使用，是有比较高的门槛的。这个门槛高主要体现在，使用不当会造成性能表现不佳：
- 需要考虑估算事务提交的频率与每次提交的数据量，否则会产生较多的小文件，影响读性能。
- 用户需要自行解决分桶间数据倾斜，否则会影响下游有序消费任务的读性能。
- Hudi 的小文件复用策略使用 HDFS 的 append 接口，写性能差。
- 每次制作 Checkpoint 时，需要重新获取 Hudi 元数据，时间开销大。
为了解决这些问题，Beluga 设计了一套固定分桶策略。通过这套新分桶策略，我们在数据写入前就确定了其所属的分桶，而不是随着时间的变化，动态的增加分桶，这样有效控制了文件数的增长。
并且由于引入了 Hbase，对于数据更新操作，可以减少通过 HDFS 拉取文件构造元数据和索引的频率，进一步提升读写性能。
面对数据倾斜问题，我们加入了一套均衡算法，最大程度上保证分桶间的数据量保持均衡。
2.3 CDC 数据格式优化
Hudi 原生 CDC 能力，依赖 Flink 的回撤机制产生的 Changelog 来实现，但测试的过程中，发现存在数据不一致的风险。
从上图中可以看到，Flink 回撤机制无法保证，UPDATE 事件的-U/+U 消息在一次事务中，同时提交。如果+U 与-U 不在一次事务中提交，一旦上游节点发生故障，导致数据丢失。对于下游来讲，可能造成永久性的数据不一致。为此，我们进行了如下优化。
从左图中我们可以看到，我们将 UPDATE 事件的 UPDATE_BEFORE 与 UPDATE_AFTER 事件合并到一条记录中，类似 MySQL 的 Binlog。
这样可以保证更好的原子性，消除了数据不一致的风险。并且一定程度的使数据更紧凑，一定程度的减少序列化的开销。而且我们也了解到 Hudi 在 0.13 后也会采用类似的设计。
2.4 扩展有状态计算场景
建设实时数仓过程中，我们发现 Beluga 还可以低成本的解决一些有状态计算场景问题。
比如当业务遇到长周期的多流数据关联时，为了保证数据的一致性，需要在 Flink 状态中保留很长一段时间的数据快照。一方面，由于状态量过大，影响 Checkpoint 制作的稳定性。另一方面，由于 Flink 内部状态无法在多作业进行共享，有些作为公共维表的数据存储，存在资源浪费。
针对这种场景，我们可以通过 Beluga 的 Hbase 自带的 Cell 级别的更新能力，实现一些长周期、双流关联的业务场景需求。理论上我们还可以借助 Hbase 的点查能力，支持维度关联 Lookup-join 的场景。
一方面，可以缓解 Checkpoint 的压力。另一方面，数据可跨作业共享，资源利用率也得到了提升。
2.5 批流一体数据生产、运维能力
数据回溯是很常见的运维场景，已知在达到相同的计算吞吐量的情况下，流计算模式，要比批模式运行使用更多的计算资源。所以这里会采用 Flink 批任务完成数据的回溯。
我们发现，公司一些业务的业务数据的状态流转周期不固定。如一张事实表，按照事件时间进行分区后，它最近几个物理分区内的数据都有可能被流任务更新。
如果此时不加限制的使用批任务，就可能会覆盖更新鲜的数据，影响最终计算结果。属于典型的写到写的并发冲突。
要解决这个问题，会让业务先停掉流计算任务，再用批任务进行数据覆盖更新。完成批覆盖写之后，再重新启动流任务，回补断流期间的数据。
在一些无写冲突的情况下，可以不停掉流计算任务。等到批任务完成数据更新后，再结合实际情况，选择通过流任务来回放批未覆盖到的分区数据。这样可以一定程度的减少断流时长，加快了数据回溯的过程。
为了避免用户误操作，我们在工具链层面，对可能有并发写冲突风险的作业，进行事前拦截。
三、业务实践
下面这部分讲一下，业务如何借助增量数仓改进其数仓架构问题，重点介绍以下三个案例：
案例一：通过增量的计算模式加速数据入仓，从而解决离线数仓就绪时间晚的问题。
案例二：如何利用新的技术架构，通过增量计算模式，有效提升一些事实表生产效率。
案例三：业务如何通过批流一体增量数据生产架构，提升数仓的开发运维效率。
3.1 案例一：如何加速数据入仓
采用增量数仓架构出现之前，业务数据入仓大概要分为以下几个关键步骤。先将 Binlog 和服务器日志收集到 Kafka 中，然后再落 Hive。此刻数据并没有完成清洗和加工，无法直接交付给业务使用。接下来再通过一个批处理任务，对 Hive 上的原始日志进行清洗和转换，落入 Hive 新表。这时才算正式完成数据入仓。
这种方案主要面临以下两点问题：
由于采用批计算模式，凌晨发起任务集中调度时，因资源不足而引起作业大量排队，从而影响作业就绪时间。
Binlog 的增量日志需要与 ODS 表中已存在的全量日志进行合并，才能交付给下游使用的。这个行为的时间开销也较大，会影响到 ODS 层数据的就绪时间。
在美团的用户行为日志明细数据入仓的场景中，业务的原始日志收集、落 Hive 的过程，问题都不大。但从原始日志清洗出 PV/MV 事件表时，数据的产出时间很不稳定。
从图上我们可以看到，一些极端情况下，这个过程可能持续到两个小时以上，业务的影响面很大。针对此问题，我们对入仓流程进行了增量化的改造。由 Flink 进行流处理，之后再结合下游业务的实际需求，将清洗后的数据有选择的落 Hive 或 Beluga，对接离线数仓和增量数仓。
改造后效果非常明显。流量数据的就绪时间提前了两小时以上，因不在依赖凌晨的调度，也不会因为资源不足而造成作业长期处于 Pending 状态，资源的利用率得到了提升。
3.2 案例二，通过增量计算模式来提升计算效率
场景-1：提升明细快照表合并效率。
业务想要一个体现最新的业务进展数据快照。在离数仓的计算模式下，得到这个快照需采用批模式，合并每天新增的变更事件到存量快照中。
比如图中的例子，在 T-1日产生了一条半年前订单的更新状态。为了保证 fact 层能够提供最新的业务快照，与业务库保持一致。需要将这张表近半年的全部分区，进行一次覆盖更新，计算效率是很差。
为了这么小比例的状态变更，需要拉全量数据进行合并。资源效率和数据就绪时间，都有较大的负面影响，实际这类明细数据生产非常适合用 Beluga 的增量更新能力，提升合并效率。
经过改造后，业务不再需要为少量数据的更新行为，重建整张表，有效的节省计算资源开销，进一步提升了数据时效性。
场景-2：提升累计快照事实表的计算效率
本质上属于累计窗口计算语义。如图所示，上游是一张增量明细表，它将每天的增量数据作为独立分区进行存储。下游表则是一张累计快照事实表，每天会创建一个新的分区，用于存储业务某一时刻，到当前的最新数据的累计值。
按照当前离线数仓的生产模式，每天都需要将上游表的所有分区全部读出来，做一次合并，计算出截止到当天的累计快照值，再写到下游表的新分区中。
但这样会面临一个问题，随着累计天数的增加，前一天累计好的结果，并未被直接用在算第二天的累计指标的计算过程中。每天都需要拉取上游表全部的分区数据，重新进行计算。这样会造成计算的开销越来越大，这个计算效率非常不理想。
下面介绍下如何通过增量数仓来解决这个问题。
针对这类场景，可以通过 Flink 的流计算模式，将每天新增的增量数据与已经算好的累计状态，在 Flink 作业中直接合并。不仅能够有效利用中间状态，还能够实时将计算后的结果，更新到下游表中，使计算效率和数据新鲜度，都得到了一定的提升。
3.3 案例三，通过增量计算模式来提升计算效率
业务的需求是，既要支持对数据延迟比较敏感并且数据一致性要求较高的 BI 场景，也要支持依赖较长历史周期数据算法的训练场景。
为了保证高时效性，并且不能有太多的重复数据。业务将实时数仓的 Kafka 数据，灌入到 Doris 中，利用 Doris 的主键模型去重。再按 10min 的调度周期，支持较高时效性要求的BI报表查询场景。
另外对于一些算法场景，不但需要长时间周期的特征数据，还需定期与 Hive 上的历史数据做合并。
链路很复杂，会带来大量不必要的运维工作。与此同时，链路上多处依赖调度系统，这会给就绪时间，带来很多不确定性，更不用提数据一致性的保证。
下面看下增量数仓是如何解决这些问题的。
通过 Beluga 替换掉 Kafka 和 Doris。因 Beluga 可保证数据的幂等写和强一致性。可以使用 Flink 流任务，替换掉了原有微批任务，保证数据的时效性。
通过 Beluga 存储全量历史快照数据，即使业务的指标需要依赖时间跨度很长的历史数据，也可以基于 Beluga 完成指标计算。
改造后，可以看到链路精简了许多，有效提升了开发运维效率，且削减了部分冗余资源。
四、未来展望
最后，分享下增量数仓的未来的建设规划。
- 持续完善 Beluga 的功能和架构，支持批量更新部分列的能力、点查的能力、还有高效的并发控制能力。
- 我们还会对 Beluga 的事务提交效率进行改进，支持秒级的事务提交，帮助业务以较低的成本，将离线数仓任务迁移至增量数仓的工具等能力。
- 在平台化的工作方面，需要一套统一的数仓接入服务，具备流、批任务托管和调度的开发平台。
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