Pravega Flink connector 的过去现在和未来

Posted 2021-08-16 zhisheng_blog

摘要：本文整理自戴尔科技集团软件工程师周煜敏在 Flink Forward Asia 2020 分享的议题《Pravega Flink Connector 的过去、现在和未来》，文章内容为：

1. Pravega 以及 Pravega connector 简介

2. Pravega connector 的过去

3. 回顾 Flink 1.11 高阶特性心得分享

4. 未来展望

5. Pravega 创客大赛介绍

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一、Pravega 以及 Pravega connector 简介

Pravega 项目的名字来源于梵语，意思是 good speed。项目起源于 2016 年，基于 Apache V2 协议在 Github 上开源，并且于 2020 年 11 月加入了 CNCF 的大家庭，成为了 CNCF 的 sandbox 项目。

Pravega 项目是为大规模数据流场景而设计的，弥补传统消息队列存储短板的一个新的企业级存储系统。它在保持对于流的无边界、高性能的读写上，也增加了企业级的一些特性：例如弹性伸缩以及分层存储，可以帮助企业用户降低使用和维护的成本。同时我们也在存储领域有着多年的技术沉淀，可以依托公司商用存储产品为客户提供持久化的存储。

以上的架构图描述的是 Pravega 典型的读写场景，借此进行 Pravega 术语介绍以帮助大家进一步了解系统架构。

• 中间部分是一个 Pravega 的集群 ，它整体是以 stream 抽象的系统。stream 可以认为是类比 Kafka 的 topic。同样，Pravega 的 Segment 可以类比 Kafka 的 Partition，作为数据分区的概念，同时提供动态伸缩的功能。

  Segment 存储二进制数据数据流，并且根据数据流量的大小，发生 merge 或者 split 的操作，以释放或者集中资源。此时 Segment 会进行 seal 操作禁止新数据写入，然后由新建的 Segment 进行新数据的接收。

• 图片左侧是数据写入的场景，支持 append only 的写入。用户可以对于每一个 event 指定 Routing key 来决定 Segment 的归属。这一点可以类比 Kafka Partitioner。单一的 Routing key 上的数据具有保序性，确保读出的顺序与写入相同。

• 图片右侧是数据读取的场景，多个 reader 会有一个 Reader Group 进行管控。Reader Group 控制着 reader 之间的负载均衡的，来保证所有的 Segment 能在 reader 之间均匀分布。同时也提供 Checkpoint 机制形成一致的 stream 切分来保证数据的故障恢复。对于 "读"，我们支持批和流两种语义。对于流的场景，我们支持尾读；对于批的场景，我们会更多的考虑高并发来达到高吞吐。

二、Pravega Flink connector 的过去

Pravega Flink connector 是 Pravega 最初支持的 connector，这也是因为 Pravega 与 Flink 的设计理念非常一致，都是以流为基础的批流一体的系统，能够组成存储加计算的完整解决方案。

1. Pravega 发展历程

• connector 从 2017 年开始成为独立的 Github 项目。2017 年，我们基于 Flink 1.3 版本进行开发，当时有包括 Stephan Ewen 在内的 Flink PMC 成员加入，合作构建了最基础的 Source / Sink function，支持最基础的读写，同时也包括 Pravega Checkpoint 的集成，这点会在后面进行介绍。

• 2018 年最重要的一个亮点功能就是端到端的精确一次性语义支持。当时团队和 Flink 社区有非常多的讨论，Pravega 首先支持了事务性写客户端的特性，社区在此基础上合作，以 Sink function 为基础，通过一套两阶段提交的语义实现了基于 checkpoint 的分布式事务功能。后来，Flink 也进一步抽象出了两阶段提交的 API，也就是为大家熟知的 TwoPhaseCommitSinkFunction 接口，并且也被 Kafka connector 采用。社区有博客来专门介绍这一接口，以及端到端的一次性语义。

• 2019 年更多的是 connector 对其它 API 的一些补完，包括对批的读取以及 Table API 都有了支持。

• 2020 年的主要关注点是对 Flink 1.11 的集成，其中的重点是 FLIP-27 以及 FLIP-95 的新特性集成。

2. Checkpoint 集成实现

以 Kafka 为例，可以首先来看一下 Kafka 是如何做到 Flink Checkpoint 的集成的。

上图所示是一个典型的 Kafka "读" 的架构。基于 Chandy-Lamport 算法的 Flink checkpoint 实现，当 Job master Trigger 一个 Checkpoint 时，会往 Task Executor 发送 RPC 请求。其接收到之后会把自身状态存储中的 Kafka commit offset 合并回 Job Manager 形成一个 Checkpoint Metadata。

仔细思考后，其实可以发现其中的一些小问题：

• 扩缩容以及动态的平衡支持。当 Partition 进行调整的时候，或者说对 Pravega 而言，在 Partition 动态扩容和缩容的时候，如何进行 Merge 一致性的保证。

• 还有一点就是 Task 需要维护一个 offset 的信息，整个设计会与 Kafka 的内部抽象 offset 耦合。

基于这些不足之处，Pravega 有自己内部设计的 Checkpoint 机制，我们来看一下它是怎么和 Flink 的 Checkpoint 进行集成的。

同样读取 Pravega Stream。开始 Checkpoint 这里就有不同，Job master 不再向 Task Executor 发送 RPC 请求，转而以 ExternallyInducedSource 的接口，向 Pravega 发送一个 Checkpoint 的请求。

同时，Pravega 内部会利用 StateSynchronizer 组件来同步和协调所有的 reader，并且会在所有的 reader 之间，发送 Checkpoint 的 event。当 Task Executor 读到 Checkpoint Event 之后，整个 Pravega 会标志着这个 Checkpoint 完成，然后返回的 Pravega Checkpoint 会存到 Job master state 当中，从而完成 Checkpoint。

这样的实现其实对于 Flink 来说是更干净的，因为它没有耦合外部系统的实现细节，整个 Checkpoint 的工作是交给 Pravega 来实现并完成的。

三、回顾 Flink 1.11 高阶特性心得分享

Flink1.11 是 2020 年的一个重要发布版本，对 connector 而言其实也有非常多的挑战，主要集中在两个 FLIP 的实现：FLIP-27 以及 FLIP-95。对于这两个全新功能，团队也花了很多时间去集成，在过程中也遇到了一些问题和挑战。下面我们来向大家分享一下我们是如何踩坑和填坑的。本文会以 FLIP-95 为例展开。

1. FLIP-95 集成

FLIP-95 是新的 Table API，其动机和 FLIP-27 类似，也是为了实现批流一体的接口，同时也能更好地支持 CDC 的集成。针对冗长的配置键，也提出了相应的 FLIP-122 来简化配置键的设定。

■ 1.1 Pravega 旧的 Table API

从上图可以看到 Pravega 在 Flink 1.10 之前的一个 Table API，并且从图中建表的 DDL 可以看到：

• 以 update mode 和 append 去进行区分批和流，而且批流的数据这样的区分并不直观。

• 配置件也非常的冗长和复杂，读取的 Stream 需要通过 connector.reader.stream-info.0 这样非常长的配置键来配置。

• 在代码层面，和 DataStream API 也有非常多的耦合难以维护。

针对这些问题，我们也就有了非常大的动力去实现这样一套新的 API，让用户更好的去使用表的抽象。整个框架如图所示，借由整个新框架的帮助，所有的配置项通过 ConfigOption 接口定义，并且都集中在 PravegaOptions 类管理。

■ 1.2 Pravega 全新 Table API

下图是最新 Table API 建表的实现，和之前的相比有非常大的简化，同时在功能上也有了不少优化，例如企业级安全选项的配置，多 stream 以及起始 streamcut 的指定功能。

2. Flink-18641 解决过程心得分享

接下来，我想在此分享 Flink 1.11 集成的一个小的心得，是关于一个 issue 解决过程的分享。Flink-18641 是我们在集成 1.11.0 版本时碰到的问题。升级的过程中，在单元测试中会报 CheckpointException。接下来是我们完整的 debug 过程。

• 首先会自己去逐步断点调试，通过查看 error 的报错日志，分析相关的 Pravega 以及 Flink 的源码，确定它是 Flink CheckpointCoordinator 相关的一些问题；

• 然后我们也查看了社区的一些提交记录，发现 Flink 1.10 之后， CheckpointCoordinator 线程模型，由原来锁控制的模型变成了 Mailbox 模型。这个模型导致了我们原来同步串型化执行的一些逻辑，错误的被并行化运行了，于是导致该错误；

• 进一步看了这一个改动的 pull request，也通过邮件和相关的一些 Committer 取得了联系。最后在 dev 邮件列表上确认问题，并且开了这个 JIRA ticket。

我们也总结了以下一些注意事项给到在做开源社区的同胞们：

• 在邮件列表和 JIRA 中搜索是否有其他人已经提出了类似问题；

• 完整的描述问题，提供详细的版本信息，报错日志和重现步骤；

• 得到社区成员反馈之后，可以进一步会议沟通商讨解决方案；

• 在非中文环境需要使用英语。

其实作为中国的开发人员，有除了像 mailing list 和  JIRA 之外。我们也有钉钉群以及视频的方式可以联系到非常多的 Committer。其实更多的就是一个交流的过程，做开源就是要和社区多交流，可以促进项目之间的共同成长。

四、未来展望

• 在未来比较大的工作就是 Pravega schema registry 集成。Pravega schema registry 提供了对 Pravega stream 的元数据的管理，包括数据 schema 以及序列化方式，并进行存储。这个功能伴随着 Pravega 0.8 版本发布了该项目的第一个开源版本。我们将在之后的 0.10 版本中基于这一项目实现 Pravega 的Catalog，使得 Flink table API 的使用更加简单；

• 其次，我们也时刻关注 Flink 社区的新动向，对于社区的新版本、新功能也会积极集成，目前的计划包括 FLIP-143 和 FLIP-129；

• 社区也在逐步完成基于 docker 容器的新的 Test Framework 的转换，我们也在关注并进行集成。

最后也希望社区的小伙伴可以多多的关注 Pravega 项目，促进 Pravega connector 与 Flink 的共同发展。

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由戴尔科技集团举办的 Pravega 创客大赛将于 7 月 15 日开放注册，并于 8 月 13 日正式开启比赛。本次大赛旨在将开发人员、设计师和企业家聚集在一起，与志同道合的人共同探讨如何利用 Pravega 的优秀特性解决各类挑战，创造有价值的解决方案。

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