OPPO大数据离线计算平台架构演进 _大数据

宁可枝头抱香死，何曾吹落北风中。这篇文章主要讲述OPPO大数据离线计算平台架构演进相关的知识，希望能为你提供帮助。
1 前言
OPPO的大数据离线计算发展，经历了哪些阶段？在生产中遇到哪些经典的大数据问题？我们是怎么解决的，从中有哪些架构上的升级演进？未来的OPPO离线平台有哪些方向规划？今天会给大家一一揭秘。
2 OPPO大数据离线计算发展历史
2.1 大数据行业发展阶段一家公司的技术发展，离不开整个行业的发展背景。我们简短回归一下大数据行业的发展，通过谷歌的BigData搜索热度我们大概分一下大数据的近十几年的进程。
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? 图1：google bigdata 关键词搜索热度
?上面的热度曲线来看，大数据发展大概可以分成三个阶段：
?成长期（2009-2015），这段时期主要代表是Hadoop1.0以及相关生态的快速成长；
巅峰期（2015-2018），这段时期主要代表是Hadoop2.0以及Spark迅速成为大数据基础架构和计算引擎的行业事实基础底座；
成熟期（2018-now），这段时间主要代表是Spark、Flink等计算引擎以及OLAP引擎的繁荣；
从这个热度曲线看，有一个小疑问，近两年大数据热度迅速下降，那么什么技术在近几年成为热度最大的技术？
2.2 OPPO 大数据发展阶段OPPO大数据起步比整个行业稍晚，我们先看一下发展时间轴：
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?2013年，大数据巅峰期之初，OPPO开始搭建大数据集群和团队，使用Hadoop 0.20版本（Hadoop1.0）。
2015年，使用CDH服务，集群初具规模。
2018年，自建集群，已经达到中等规模，使用Hive作为计算引擎。
2020年，开始大规模从Hive向Spark计算引擎迁移SQL作业。
2021年，从大数据资源层和计算层升级改造。
OPPO的大数据发展可以总结成两个阶段：
发展期：2013-2018年，OPPO大数据从无到有，慢慢成长，计算节点规模从0扩展到中等规模；
繁荣期：2018-现在，三年大数据快速发展，技术上从hadoop1.0升级到hadoop2.0，计算引擎由hive升级到spark；自研技术以及架构升级解决集群规模膨胀后常见问题；
3 大数据计算领域常见问题
大数据领域有很多经典的问题，我们这里选取了生产环境遇到五种典型的问题来说明；我们将围绕这五种问题展开，介绍OPPO大数据离线计算的架构演进。
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图3：大数据计算领域常见问题
?3.1 Shuffle问题Shuffle是大数据计算的关键一环，shuffle 对任务的性能和稳定性都产生重要的影响。有以下几点因素，导致shuffle性能变慢和稳定性变差：
spill& merge：多次磁盘io；map在写shuffle数据的过程中，会将内存的数据按照一定大小刷到磁盘，最后做sort和merge，会产生多次磁盘io.
磁盘随机读：每个reduce只读取每个map输出的部分数据，导致在map端磁盘随机读。
过多的RPC连接：假设有M个map，N个reduce，shuffle过程要建立MxN个RPC连接（考虑多个map可能在同一台机器，这个MxN是最大连接数）。
Shuffle问题不仅会影响任务的性能和稳定性，同时在大数据任务上云的过程中，shuffle数据的承接也成为上云的阻碍。云上资源的动态回收，需要等待下游读取上游的shuffle数据之后才能安全的释放资源，否则会导致shuffle失败。
3.2 小文件问题小文件问题几乎是大数据平台必须面对的问题，小文件主要有两点危害：

小文件过多对HDFS存储的NameNode节点产生比较大的压力。
小文件过多，会对下游任务并发度产生影响，每个小文件生成一个map任务读数据，造成过多的任务生成，同时会有过多的碎片读。

小文件问题产生的原因有哪些？

任务数据量小同时写入的并发又比较大，比较典型的场景是动态分区。
数据倾斜，数据总量可能比较大，但是有数据倾斜，只有部分文件比较大，其他的文件都比较小。

3.3 多集群资源协调问题随着业务发展，集群迅速扩张，单个集群的规模越来越大，同时，集群数量也扩展到多个。面对多集群的环境如何做好资源协调是我们面临的一个挑战。
首先看下多集群的优劣势：
优势：各个集群资源隔离，风险隔离，部分业务独享资源。
劣势：资源隔离，形成资源孤岛，失去大集群优势，资源利用率不均匀。
例如，对比我们线上集群 vcore资源使用情况：
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图4：集群1 24小时资源使用情况
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图5：集群2 24小时资源使用情况
?从资源使用情况看，集群2的资源利用率明显低于集群1，这就造成集群之间负载不均匀，资源利用率低下，资源浪费。
3.4 元数据扩展问题由于历史原因，元数据在集群搭建初期选取单个mysql实例存储。随着业务数据快速增长的同时，元数据也在飞快增长。这种单点的元数据存储，已经成为整个大数据系统的稳定性和性能的最大的隐患。同时，在过去的一年，我们的集群因为元数据服务问题，曾经出现两次比较大的故障。在此背景下，对元数据的扩展，成为紧急且重要的事项。
问题来了，选择什么样的扩展方案？
调研业界的几种方案，包括：

使用TiDB等分布式数据库；
从新规划元数据的分布，拆分到不同的MySQL；
使用Waggle-Dance作为元数据的路由层；

在选型的过程中，我们考虑尽可能对用户影响最小，做到对用户透明，平滑扩展；
3.5 计算统一入口在我们将sql任务从hive迁移到spark引擎的同时，我们遇到的首要问题是：SparkSQL 任务能不能像HiveSQL一样很方便的通过beeline或者jdbc提交？原生的spark是通过spark自带的submit脚本提交任务，这种方式显然不适合大规模生产应用。
所以，我们提出统一计算入口的目标。
不仅统一SparkSQL任务提交，同时 jar包任务也要统一起来。
以上五个问题是我们在生产环境不断的碰壁，不断的探索，总结出来的典型的问题。当然，大数据计算领域还有更多的典型问题，限于文章篇幅，这里仅针对这五个问题探讨。
4 OPPO离线计算平台解决之道
针对前面提到的五个问题，我们介绍一下OPPO的解决方案，同时也是我们的离线计算平台的架构演进历程。
4.1 OPPO Remote Shuffle Service为了解决shuffle的性能和稳定性问题，同时，为大数据任务上云做铺垫，我们自研了OPPO Remote Shuffle Service（ORS2）。
4.1.1 ORS2在大数据平台整体架构
图6：ORS2在云数融合架构图
?有了ORS2，不仅将spark任务的shuffle过程从本地磁盘解耦，同时承接了云上资源的大数据计算任务的shuffle数据。
从ShuffleService本身来说，独立出来一个service角色，负责整合计算任务的shuffle数据。同时，ShuffleService本身可以部署到云上资源，动态扩缩容，将shuffle资源化。整体架构上看，ShuffleService 分成两层，上面Service层，主要有ShuffleMaster和ShuffleWorker两种角色。
ShuffleMaster负责ShuffleWorker的管理，监控，分配。ShuffleWorker将自身的相关信息上报给ShuffleMaster，master对worker的健康做管理；提供worker加黑放黑、punish等管理操作。分配策略可定制，比如：Random策略、Roundrobin策略、LoadBalance策略。
ShuffleWorker负责汇集数据，将相同分区的数据写入到一个文件，Reduce读分区数据的过程变成顺序读，避免了随机读以及MxN次的RPC通信。
在存储层，我们的ShuffleService可以灵活选取不同的分布式存储文件系统，分区文件的管理以及稳定性保障交由分布式文件系统保障。目前支持HDFS、CFS、Alluxio三种分布式文件系统接口。可以根据不同的需求使用不同的存储介质，例如，小任务作业或者对性能要求比较高的作业，可以考虑使用内存shuffle；对于稳定性要求比较高，作业重要性也比较高的作业，可以选取ssd；对性能要求不高的低级别作业，可以选取SATA存储；在性能和成本之间寻求最佳的平衡。
4.1.2 ORS2的核心架构
图7：ORS2 核心架构图
?从ShuffleService的核心架构来看，分为三个阶段：
ShuffleWriter：
Map任务使用ShuffleWriter完成数据的聚集和发送，采用多线程异步发送；使用堆外内存，内存管理统一交由spark原生内存管理系统，避免额外内存开销，降低OOM风险。为了提高发送数据的稳定性，我们设计了中间切换目的ShuffleWorker的共，当正在发送的ShuffleWorker出现故障，Writer端可以立即切换目的Worker，继续发送数据。
ShuffleWorker：
Shuffle负责将数据汇集，同时将数据落到分布式文件系统中。ShuffleWorker的性能和稳定性，我们做了很多设计，包括流量控制，定制的线程模型，消息解析定制，checksum机制等。
ShuffleReader：
ShuffleReader直接从分布式文件系统读取数据，不经过ShuffleWorker。为匹配不同的存储系统读数据的特性，Reader端我们做了Pipeline read优化。经过以上的多种优化，我们使用线上大作业测试，ShuffleService能够加速30%左右。
4.2 OPPO小文件解决方案小文件问题的解决，我们希望对用户是透明的，不需要用户介入，引擎侧通过修改配置即可解决。在了解了Spark写入文件的机制后，我们自研了透明的解决小文件方案。
Spark任务在最后写入数据的过程，目前有三种Commit方式：
（V1，V2，S3 commit），我们以V1版本的Commit方式介绍一下我们的小文件解决方案。
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图8：Spark Commit V1 示意图
?Spark的V1版本Commit，分为两个阶段，Task侧的commit和Driver侧的commit。Task侧的commit，负责将该Task本身产生的文件挪到Task级的临时目录；Driver侧的commit将整所有的Task commit的临时目录挪到最终的目录，最后创建_SUCCESS文件，标志作业运行成功。
我们实现了自己的CommitProtocol，在Driver commit阶段的前段加入合并小文件的操作，扫描：
$output.dir.root_temporary/$appAttempt/目录下面的小文件，然后生成对应的合并小文件作业。合并完小文件，再调用原来的commit，将合并后的文件挪到$output.dir.root/ 目录下。

图9：Spark Commit 阶段合并小文件示意图
?这种方式巧妙的避免显性的提交额外的作业对结果数据合并，同时，在Driver commit挪动结果文件的时候挪动的文件数成数量级的降低，减少文件挪动的时间消耗。目前，我们已经在国内和海外环境全部上线小文件合并。
4.3 OPPO Yarn Router-多集群资源协调前面我们提到多集群的主要的缺点是导致资源孤岛，集群的负载不均衡，整体资源利用率低。下面我们抽象出简单的示意图：

图10：多集群资源使用不均衡示意图
?从示意图上看，左边代表pending作业，右边代表集群资源情况；长度代表资源量多少，颜色代表资源负载，越深代表负载越高。很明显可以看出来，目前的各个集群资源负载不均衡，同时pending作业情况也跟集群的资源使用比成比例，比如Y1集群的资源负载很高，但是pending作业也很高，Y3集群资源很空闲，但是这个集群没有作业pending。
这种问题，我们如何解决？
我们引入了社区的Yarn Router功能，用户提交的任务到router，router再分配到各个yarn集群，实现联邦调度。
社区版本的Router策略比较单一，只能通过简单的比例分配路由到不同的集群。这种方式只能简单实现路由作业的功能，对集群的资源使用和作业运行情况没有感知，所以，做出来的决策依然会导致集群负载不均匀，例如：

【OPPO大数据离线计算平台架构演进】图11：集群1 资源负载情况
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图12：集群2 资源负载情况
为了彻底解决负载均衡的问题，我们自研了智能路由策略。
ResourceManager实时向router上报自身集群的资源和作业运行情况，给出资源释放量的预测，router根据各个集群上报的信息，产生全局的视图。根据全局视图，router做出更合理的路由决策。

图13：OPPO Yarn Router
?总体上看，有了一个全局视野的Router角色，多集群场景下，充分发挥多集群的优势，同时避免多集群的不足。未来，我们计划赋予Router更多的能力，不仅用来解决作业pending，提升资源利用率。还将从作业运行效率方面做更多的工作，让作业和计算、存储资源做更好的匹配，让计算更有价值。
4.4 元数据扩展利器——Waggle DanceWaggle Dance为Hive MetaStore提供路由代理，是Apache 开源项目。Waggle Dance完全兼容HiveMetaStore原生接口，无缝接入现有系统，实现对用户透明升级，这也是我们选择该技术方案的主要原因。
Waggle Dance的工作原理是将现有的Hive数据库按照库名分别路由到不同组的Metastore，每一组Metastore对应独立的MySQL DB 实例，实现从物理上隔离元数据。

图14：Waggle-Dance元数据切分示意图
?上面的示意图，左边是原始的HiveMetastore架构，从架构图本身来看，整体架构存在明显的单点问题，同时数据交换流程不够优美。使用Waggle Dance升级后，整体架构更加清晰，更加优美。Waggle Dance作为元数据交换的“总线”，将上层计算引擎的请求按照库名路由到对应的Metastore。
我们在做线上切分元数据实际操作过程中，总体Metastore停机时间在10分钟以内。我们对Waggle Dance做了定制优化，加了数据缓存层，提升路由效率；同时，将Waggle Dance与我们的内部管理系统整合，提供界面话的元数据管理服务。
4.5 计算统一入口——Olivia为了解决Spark任务提交入口的问题，我们还是将目光投向了开源社区，发现Livy可以很好的解决SparkSQL的任务提交。
Livy是一个提交Spark任务的REST服务，可以通过多种途径向Livy提交作业，比如我们常用的是beeline提交sql任务，还有其他的比如网络接口提交；
任务提交到Livy后，Livy向Yarn集群提交任务，Livy client生成Spark Context，拉起Driver。Livy可以同时管理多个Spark Context，支持batch和interactive两种提交模式，功能基本类似HiveServer。
图15：Livy架构示意图（引自官网）
Livy能满足我们的需求吗？
我们先看Livy本身有哪些问题。我们总结的Livy主要有三个缺陷：
缺乏高可用：Livy Server进程重启或者服务掉线，上面管理的Spark Context session将会失控，导致任务失败。
缺乏负载均衡：Livy Server的任务分配是一个随机过程，随机选取zk命名空间的一个Livy Server，这种随机过程会导致一组Livy Server负载不均衡。
对spark submit作业支持不足：对于spark submit提交的jar包任务，目前支持的不完善。

图16：Olivia 架构示意图
针对上面的几个问题，我们基于Livy自研了Olivia，是一种高可用、负载均衡、同时支持spark submit jar包任务以及python脚本的计算统一入口。
Olivia使用域名提交作业，用户不用感知具体是哪台Server支持作业提交和管理。后台使用一致性Hash实现负载均衡，如果有Server上下线，也会自动完成负载均衡。对于故障转移，我们使用zk存储spark session信息，某个server出现问题，对应管理的session会自动转移到其他的server管理。对于Spark submit任务的支持，我们新增一个Olivia client角色，该client会自动将jar包以及python脚本上传到集群，方便Olivia Server提交作业。
4.6 总揽前面介绍了我们对五种问题的解决方案，串联起来就是我们今天的主题：大数据离线计算平台的演进。
在这一章的最后，我们从整理看一下目前的离线计算架构视图。

图17：OPPO 大数据平台架构示意图
?由上到下，我们可以抽象出六层，分别是：
Job Submit：这层主要是我们的离线作业调度Oflow，完成任务的定时调度，dag 管理，作业运行管理；核心功能就是实现了任务的提交。
Job Control：这层主要有HiveServer、Livy、Olivia这些任务控制组件，负责任务向集群提交和管控。
Compute Engine：引擎层主要使用Spark和MR。
Shuffle Service：这层是为Spark引擎提供shuffle 服务，后续Shuffle Service也将承接Flink引擎的 shuffle 数据。
MetaData Control：Waggle Dance和MetaStore以及底层的MySQL形成我们的元数据控制层，使用了Waggle Dance是我们的元数据管理更灵活。
Resource Control：资源控制层，就是我们的计算资源，主要由Yarn Router来控制各个集群的作业路由，各个Yarn集群完成资源的管理和作业运行。我们不仅在Router上有自研的策略，我们在RM资源调度上也探索了更多的调度模式，比如：动态标签、资源限售、更智能的抢占调度。
5 OPPO离线计算平台发展展望
?技术的发展演进一直在进行，OPPO的离线计算未来是什么样子，这也是我们一直在思索的命题。我们考虑从纵向和横向两个方向都要兼顾。
5.1 横向思索横向上，考虑与其他资源和计算模式打通融合。
我们正在与弹性计算团队合作，将大数据与云上资源打通，利用线上服务和大数据计算两种模式的错峰特性，充分利用公司现有资源，实现在离线混合调度。
同时，我们跟实时计算团队合作，探索更适合实时计算的调度模式。
5.2 纵向思索纵向上，我们思考如何将现有架构做的更深入，更精细化。
大HBO概念：我们在探索一种大HBO概念的架构升级，从Oflow 到 yarn调度，再到spark引擎以及OLAP引擎的HBO优化。核心是提供更快、更自动、成本更低的计算。
Shuffle的继续演进，思考后续Shuffle的演进，与引擎作业调度更加融合，提供spark 批计算的Pipeline计算形式。同时，考虑在 Shuffle Service加入Shuffle Sorter角色，将sort过程挪到Shuffle Service层，将spark sort算子并行化，加速sort操作。
最后，感谢大家的关注，欢迎大家多多交流大数据计算的技术思考。
作者简介
David OPPO高级数据平台工程师
主要负责OPPO大数据离线计算方向架构设计开发，曾在国内一线大厂参与自研大数据计算引擎开发。对大数据平台建设有比较丰富的经验。
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