Apache Flink 在京东的实践与优化
问题导读：
1、如何保证前后两次提交生成算子稳定的对应关系呢？
2、如何把 checkpoint 写入公共 HDFS，把业务数据写入另外的 HDFS？
3、如何将数据从一个 OSS 存储读出、处理后写到另外一个 OSS 存储？
一、业务演进和规模
1. 业务演进
京东在 2014 年基于 storm 打造了第一代流式处理平台，可以较好的满足业务对于数据处理实时性的要求。不过它有一些局限性，对于那些数据量特别大，但是对延迟却不那么敏感的业务场景，显得有些力不从心。于是我们在 2017 年引入了 Spark streaming，利用它的微批处理来应对这种业务场景。
随着业务的发展和业务规模的扩大，我们迫切需要一种兼具低延迟和高吞吐能力，同时支持窗口计算、状态和恰好一次语义的计算引擎。
[*]于是在 2018 年，我们引入了 Flink，同时开始基于 K8s 进行实时计算容器化的升级改造；
[*]到了 2019 年，我们所有的实时计算任务都跑在 K8s 上了。同年我们基于 Flink 1.8 打造了全新的 SQL 平台，方便业务开发实时计算应用；
[*]到了 2020 年，基于 Flink 和 K8s 打造的全新实时计算平台已经比较完善了，我们进行了计算引擎的统一，同时支持智能诊断，来降低用户开发和运维应用的成本和难度。在过去，流处理是我们关注的一个重点。同年，我们也开始支持批处理，于是整个实时计算平台开始朝着批流一体的方向演进。
2. 业务场景
京东 Flink 服务于京东内部非常多的业务线，主要应用场景包括实时数仓、实时大屏、实时推荐、实时报表、实时风控和实时监控，当然还有其他一些应用场景。总之，实时计算的业务需求，一般都会用 Flink 进行开发。
3. 业务规模
目前我们的 K8s 集群由 5000 多台机器组成，服务了京东内部 20 多个一级部门。目前在线的流计算任务数有 3000 多，流计算的处理峰值达到 5亿条每秒。
二、容器化实践
下面分享一下容器化的实践。
在 2017 年，京东内部的大多数任务还是 storm 任务，它们都是跑在物理机上的，同时还有一小部分的 Spark streaming 跑在 Yarn 上。不同的运行环境导致部署和运维的成本特别高，并且在资源利用上有一定的浪费，所以我们迫切需要一个统一集群资源管理和调度系统，来解决这个问题。
经过一系列的尝试、对比和优化，我们选择了 K8s。它不仅可以解决部署运维、资源利用的一些问题，还具有云原生弹性自愈、天然容器完整隔离、更易扩展迁移等优点。于是在 2018 年初，我们开始进行容器化的升级改造。
在 2018 年的 6.18，我们只有 20% 的任务跑在 K8s 上；到了 2019 年 2 月份，已经实现了实时计算的所有任务都跑在 K8s 上。容器化后的实时计算平台经历了 6.18，双 11 多次大促，扛住了洪峰压力，运行的非常稳定。
但是，我们过去的 Flink 容器化方案是基于资源预先分配的静态方式，不能满足很多业务场景，于是我们在 2020 年也进行了一个容器化方案的升级，后面会详细介绍。
容器化带来非常多的收益，这里主要强调三点：
[*]第一，可以很方便的实现服务的混合部署，极大地提升资源共享能力，节省机器资源。
[*]第二，天然的弹性扩展，一定的自愈能力，并且它可以做到一个更完整的资源隔离，更好的保障业务的稳定性。
[*]第三，通过容器化实现了开发、测试、生产的一致环境，同时提高了部署和自动化运维的能力，使管理和运维的成本降低了一半。
我们过去的容器化方案是基于 K8s deployment 部署的 Standalone Session 集群。它需要用户在平台创建集群时，事先预估出集群所需资源，比如需要的 jobmanager 和 taskmanager 的资源规格和个数，然后平台通过 K8s 客户端向 K8s master 发出请求，来创建 jobmanager 的 deployment 和 taskmanager 的 deployment。
其中，整个集群的高可用是基于 ZK 实现；状态存储主要是存在 HDFS，有小部分存在 OSS；监控指标 (容器指标、JVM 指标、任务指标) 上报到 Prometheus，结合 Grafana 实现指标的直观展示；日志是基于我们京东内部的 Logbook 系统进行采集、存储和查询。
在实践中发现，这个方案有两点不足：
[*]第一，资源需要提前分配，无法满足灵活多变的业务需要，无法做到按需分配。
[*]第二，极端场景下 Pod 不能正常拉起， 影响任务恢复 。
于是我们进行了一个容器化方案的升级，实现了基于 K8s 的动态的资源分配方式。在集群创建的时候，首先我们会根据用户指定的 job manager 的数量创建 jobmanager 的 deployment；用户在提交任务的时候，我们会根据任务所需要的资源数，动态的向平台申请资源，创建 taskmanager。
在运行过程中，如果发现这个任务需要扩容，job manager 会和平台交互，进行动态扩容；而在发现资源浪费时，会进行缩容。通过这样一个方式可以很好的解决静态预分配带来的问题，并提高了资源利用率。
此处，通过平台与 K8s 交互进行资源的创建&销毁，主要基于 4 点考虑：
[*]保证了计算平台对资源的监管。
[*]避免了平台集群配置 & 逻辑变化对镜像的影响。
[*]屏蔽了不同容器平台的差异。
[*]平台原有 K8s 交互相关代码复用。
另外，为了兼容原有 Slot 分配策略 (按 slot 分散)，在提交任务时会预估出任务所需资源并一次性申请，同时按照一定的策略进行等待。等到有足够的资源，能满足任务运行的需求时，再进行 slot 的分配。这样很大程度上可以兼容原有的 slot 分散分配策略。
三、Flink 优化改进
下面介绍一下 Flink 的优化改进。
1、预览拓扑
在业务使用平台的过程中，我们发现有几个业务痛点：
[*]第一，任务调优繁琐。在平台提交任务、运行之后如果要调整任务并行度、Slot 分组、Chaining 策略等，需要重新修改程序，或者通过命令行参数配置的方式进行调优，这是非常繁琐的。
[*]第二，SQL 任务无法灵活指定算子配置。
[*]第三，任务提交到集群之后，到底需要多少资源，任务所需 Slot 数预先不清楚。
[*]第四，并行度调整后网络 buffer 不足。
为了解决这些问题，我们开发了预览拓扑的功能：
[*]第一，拓扑配置。用户提交任务到平台之后，我们会把拓扑给预览出来，允许它灵活的配置这些算子的并行度。
[*]第二，槽位分组预览。我们会清晰的显示出任务的槽位分组情况和需要多少个槽。
[*]第三，网络 Buffer 预估。这样可以最大限度的方便用户在平台进行业务的调整和调优。
下面简单介绍预览拓扑的工作流程。用户在平台提交 SQL 作业或 Jar 作业，这个作业提交之后，会生成一个算子的配置信息，再反馈到我们平台。我们平台会把整个拓扑图预览出来，然后用户就可以在线进行算子配置信息的调整。调整完之后，把调整完的配置信息重新提交到我们平台。并且，这个过程可以是连续调整的，用户调整完觉得 ok 了就可以提交任务。提交任务之后，整个在线调整的参数就生效了。
这里任务可以多次提交，如何保证前后两次提交生成算子稳定的对应关系呢？我们采用这样一个策略：如果你指定了 uidHash 或者 uid，我们就可以拿 uidHash 和 uid 作为这样一个对应关系的 Key。如果没有，我们会遍历整个拓扑图，按照广度优先的顺序，根据算子在拓扑图中的位置生成确定的唯一的 ID。拿到唯一的 ID 之后，就可以得到一个确定的关系了。
2、背压量化
下面介绍一下我们的第二个改进，背压量化。目前观测背压有两种方式：
(1) 第一种方式是通过 Flink UI 的背压面板，可以非常直观的查看当前的背压情况。但是它也有些问题：
[*]第一，有的场景下采集不到背压。
[*]第二，无法跟踪历史背压情况。
[*]第三，背压影响不直观。
[*]第四，在大并行度的时候背压采集会有一定的压力。
(2) 另外一种观测背压的方式是基于 Flink Task Metrics 指标。比如说，它会上报 inPoolUsage、outPoolUsage 这些指标，然后把它采集到 Prometheus 进行一个查询，这种方式可以解决背压历史跟踪的问题。不过它有其他一些问题：
[*]第一，不同 Flink 版本的背压指标含义有一定差异。
[*]第二，分析背压有一定门槛，你需要对整个背压相关的指标有比较深的认识，联合进行分析。
[*]第三，背压的影响不是那么直观，很难衡量它对业务的影响。
针对这个问题，我们的解决方案是采集背压发生的位置、时间和次数指标，然后上报上去。将量化的背压监控指标与运行时拓扑结合起来，就可以很直观的看到背压产生的影响 (影响任务的位置、时长和次数)。
3、文件系统支持多配置
下面介绍下文件系统支持多配置的功能。
目前在 Flink 中使用文件系统时，会使用 FileSystem.get 传入 URI，FileSystem 会将 shceme+authority 作为 key 去查找缓存的文件系统，如果不存在，根据 scheme 查找到 FileSystemFactory 调用 create 创建文件系统，返回之后就可以对文件进行操作了。不过，在平台实践过程中，经常会遇到这样的问题：
(1) 第一， 如何把 checkpoint 写入公共 HDFS，把业务数据写入另外的 HDFS？比如在平台统一管理状态，用户不关注状态的存储，只关注自己业务数据读写 HDFS 这样的场景，会有这样的需求。怎么满足这样的一个业务场景呢？
[*]一个方案是可以把多个 HDFS 集群的配置进行融合，但是它会有个问题。就是如果多个 HDFS 集群配置有冲突的话，合并会带来一定的问题。
[*]另外，可以考虑一些联邦的机制，比如 ViewFs，但这种机制可能又有点重。是否有其它更好的方案呢？
(2) 第二， 如何将数据从一个 OSS 存储读出、处理后写到另外一个 OSS 存储？
这两个问题都涉及到如何让 Flink 的同一个文件系统支持多套配置。我们的解决方案是通过使用不同的scheme指定和隔离不同的配置。以 HDFS 支持多配置为例，如下图所示：
[*]第一步，在配置中设置自定义 scheme (aaHDFS) 的绑定的 scheme (HDFS) 及对应 HDFS 配置路径。
[*]第二步，在调用 FileSystem.get 时，从 aaHDFS 对应的路径加载 Hadoop 配置。
[*]第三步，在读写 HDFS 时，使用 HadoopFileSystemWrapper 将用户自定义 scheme 的路径 (aaHDFS://) 转换为真实的 hadoop 路径 (HDFS://)。
我们也做了许多其它的优化和扩展，主要分为三大块。
[*]第一块是性能的优化，包括 HDFS 优化 (合并小文件、降低 RPC 调用)、基于负载的动态 rebalance、Slot 分配策略扩展 (顺序、随机、按槽分散) 等等。
[*]第二块是稳定性的优化，包括 ZK 防抖、JM Failover 优化、最后一次 checkpoint 作为 savepoint 等等。
[*]第三块是易用性的优化，包括日志增强 (日志分离、日志级别动态配置)、SQL 扩展 (窗口支持增量计算，支持offset)、智能诊断等等。
四、未来规划
最后是未来规划。归纳为 4 点：
[*]第一，持续完善 SQL 平台。持续增强完善 SQL 平台，推动用户更多地使用 SQL 开发作业。
[*]第二，智能诊断和自动调整。全自动智能诊断，自适应调整运行参数，作业自治。
[*]第三，批流一体。SQL 层面批流一体，兼具低延迟的流处理和高稳定的批处理能力。
[*]第四，AI 探索实践。批流统一和 AI 实时化，人工智能场景探索与实践。
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作者：Flink 中文社区
来源：flink-learning
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