分布式實(shí)時(shí)計(jì)算引擎
——Storm研究

王潤(rùn)華 毋建軍 侯佳路

北京政法職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系

分布式實(shí)時(shí)計(jì)算引擎
——Storm研究

王潤(rùn)華 毋建軍 侯佳路

北京政法職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)系

王潤(rùn)華（1978）女，碩士，講師，研究方向?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)方向。

本文介紹了一種分布式實(shí)時(shí)計(jì)算引擎——Storm，它具有簡(jiǎn)單、高性能、高可靠、可伸縮等特點(diǎn)，并且支持廣泛的編程語(yǔ)言。本文不僅介紹了Storm的架構(gòu)和特性，還結(jié)合實(shí)例演示了使用Strom進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算的具體過(guò)程。

過(guò)去十年在數(shù)據(jù)處理（data processing）領(lǐng)域發(fā)生了一場(chǎng)革命，MapReduce，Hadoop和其他相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，已經(jīng)使數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的存儲(chǔ)能力、計(jì)算能力、伸縮能力達(dá)到了之前無(wú)法想象的高度。但是遺憾的是這些技術(shù)是“批處理系統(tǒng)”而不是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性也不是這些系統(tǒng)所關(guān)心的，然而業(yè)界對(duì)實(shí)時(shí)處理海量數(shù)據(jù)的需求卻越來(lái)越強(qiáng)烈，Storm的出現(xiàn)填補(bǔ)了數(shù)據(jù)處理生態(tài)系統(tǒng)（data processing ecosystem）在實(shí)時(shí)方面的空白。

Storm概述

對(duì)于實(shí)時(shí)處理，典型的傳統(tǒng)方式是手工建立一個(gè)由queues和workers組成的網(wǎng)絡(luò)。workers處理來(lái)自queue的messages，更新數(shù)據(jù)庫(kù)（或其他操作），然后生成新的messages發(fā)送給其他的queues做進(jìn)一步處理。這種方式有以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）繁瑣：需要花大量的時(shí)間去配置向哪里發(fā)送messages、部署workers、部署intermediate queues，真正涉及實(shí)時(shí)處理邏輯代碼所占的比例很小。

（2）脆弱：缺乏完善的故障容錯(cuò)（f aul ttolerance）機(jī)制，在程序運(yùn)行過(guò)程中需要確保每一個(gè)worker和queue都是正常運(yùn)行的。

（3）伸縮性差：系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中當(dāng)message的吞吐量超過(guò)了單臺(tái)物理機(jī)的承載能力時(shí)，就需要將數(shù)據(jù)分布到更多的機(jī)器上去處理，這需要手工重新配置workers以便可以將數(shù)據(jù)分發(fā)新增的機(jī)器上，這樣做不僅麻煩還極易出錯(cuò)。

雖然queues和workers方式在容錯(cuò)和伸縮方面有很大的缺陷，但是基于消息處理（message processing）的模型卻非常適合作為實(shí)時(shí)計(jì)算的基礎(chǔ)模型，Strom也使用基于消息處理（message processing）的基礎(chǔ)模型。

Storm具有如下幾個(gè)主要特點(diǎn)：

極其廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景；

良好的伸縮性；

無(wú)消息丟失保證；

穩(wěn)定與可維護(hù)性好；

良好的容錯(cuò)性；

支持廣泛的編程語(yǔ)言；

Storm架構(gòu)

Storm集群

從表面上看Storm集群與Hadoop集群非常類似，Hadoop集群上運(yùn)行MapReduce任務(wù)而Storm集群運(yùn)行被稱為Topology的任務(wù)，但MapReduce與Topology有著非常大的差別——最關(guān)鍵的一點(diǎn)是MapReduce任務(wù)最終會(huì)結(jié)束而Topology一直處理消息，直到被主動(dòng)結(jié)束。

Storm集群架構(gòu)如圖1所示，Storm集群由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)（master node）和多個(gè)工作節(jié)點(diǎn)（worker node）組成。主節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行著一個(gè)被稱為Nimbus的守護(hù)進(jìn)程，它負(fù)責(zé)在集群中部署代碼、為每個(gè)工作節(jié)點(diǎn)分派任務(wù)并監(jiān)控任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)。每個(gè)工作節(jié)點(diǎn)上也運(yùn)行著一個(gè)被稱為Supervisor的守護(hù)進(jìn)程，Supervisor監(jiān)聽分派給該工作節(jié)點(diǎn)的任務(wù)，并根據(jù)需要啟動(dòng)或關(guān)閉工作進(jìn)程（worker processes），每個(gè)工作進(jìn)程負(fù)責(zé)執(zhí)行一個(gè)Topology的子集；每個(gè)Topology由分布在多個(gè)工作節(jié)點(diǎn)上的多個(gè)工作進(jìn)程共同執(zhí)行。

Nimbus與Supervisors之間通過(guò)一個(gè)Zookeeper集群來(lái)進(jìn)行協(xié)調(diào)。Nimbus和Supervisor被設(shè)計(jì)為無(wú)狀態(tài)和快速失敗（fail-fast）的，所有的狀態(tài)信息都保存在Zookeeper集群或本地磁盤中，這意味著Nimbus和Supervisor失敗退出或被結(jié)束后重新啟動(dòng)將不會(huì)丟失任何信息，這樣的設(shè)計(jì)使得Storm非常的穩(wěn)定。

Topology

前面提到Storm任務(wù)被稱為Topology，一個(gè)Topology實(shí)際上是一個(gè)由計(jì)算邏輯組成的“圖”，“圖”中每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含計(jì)算邏輯，節(jié)點(diǎn)之間的連接指示數(shù)據(jù)如何在節(jié)點(diǎn)間傳播。Storm使用Thrift作為通信中間件，所以可以使用任何Thrift支持的語(yǔ)言來(lái)編寫Topology。

圖1　Storm集群架構(gòu)

Stream

Stream是Storm的核心抽象概念。在Storm中消息被稱為元組（tuple），Stream就是一個(gè)數(shù)量無(wú)限的元組序列，Storm提供了一組原語(yǔ)可以以分布和可靠的方式將一個(gè)Stream傳播到另一個(gè)Stream，其中Spout和Bolt就其中兩個(gè)最基本的原語(yǔ)，用戶程序通過(guò)實(shí)現(xiàn)Spout和Bolt的接口來(lái)定制自己的應(yīng)用邏輯。Spout是Stream的源，Bolt是一個(gè)或多個(gè)Stream的消費(fèi)者，做一些處理，也可能生成新的Stream。一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用往往需要多個(gè)步驟也就是多個(gè)Bolt，Bolt可以做非常多的事情，例如：運(yùn)行函數(shù)、元組過(guò)濾、Stream聚合、Stream join、與數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)話等。

由Spout和Bolt組成的網(wǎng)絡(luò)（圖）既是Topology，而圖中的邊則是Stream，Stream指示元組如何在Spout和Bolt間傳播。Topology中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)（Spout或Bolt）都是并行執(zhí)行的，用戶可以指定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的并行度，Storm便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的子任務(wù)在集群上執(zhí)行。

前面提到Topology會(huì)一直處理消息，直到被主動(dòng)結(jié)束。Storm會(huì)重新分配失敗的任務(wù)，此外Strom保證沒有消息會(huì)丟失，即使硬件出現(xiàn)故障。

數(shù)據(jù)模型

Strom使用消息即元組（tuple）作為數(shù)據(jù)模型，一個(gè)元組可以有多個(gè)字段（field），字段的類型可以是字符串或字節(jié)數(shù)組，通過(guò)一定的擴(kuò)展用戶也可以使用自定義的字段類型。

Stream grouping

Stream grouping告訴Topology如何在節(jié)點(diǎn)間傳輸元組。前面提到Spout和Bolt都是并行執(zhí)行的，如圖3所示，如果Bolt A需要向Bolt B發(fā)送元組，那么元組如何在Bolt A的子任務(wù)和Bolt B的子任務(wù)間傳播呢？傳播策略的不同在有些情況下可能會(huì)極大的影響計(jì)算結(jié)果，Stream grouping就是用來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的，我們將在Strom應(yīng)用實(shí)例部分進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。

圓圈代表Spout或Bolt的并行子任務(wù)

Storm應(yīng)用實(shí)例

這里通過(guò)一個(gè)對(duì)單詞計(jì)數(shù)的Topol o gy（WordCountTopology）來(lái)演示Storm的具體應(yīng)用方法。代碼如圖4所示，該代碼摘自Storm自身的示例程序，并去掉了對(duì)說(shuō)明用法無(wú)關(guān)的細(xì)節(jié)。

圖2　Topology是由Spouts和Bolts組成的圖

圖3　Topology的執(zhí)行過(guò)程

圖4　WordCountTopology代碼

要實(shí)現(xiàn)一個(gè)Topology最主要的工作就是提供具體的Spout、Bolt （用戶的Spout和Bolt需要實(shí)現(xiàn)特定接口或繼承自已有的基類）和他們之間Stream grouping。WordCountTopology有一個(gè)Spout和兩個(gè)Bolt，Soput引用了已有的一個(gè)類RandomSentenceSpout來(lái)產(chǎn)生隨機(jī)的句子，Bolt SplitSentence將句子拆分成單詞，Bolt WordCount對(duì)單詞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。RandomSentenceSpout與SplitSentence之間的Stream grouping類型為Shuffle grouping，即子任務(wù)間任意傳播元組，而SplitSentence與WordCount間的Stream grouping類型為Fields grouping，即相同的單詞都傳輸給同一個(gè)子任務(wù)，這對(duì)單詞統(tǒng)計(jì)的正確性是非常重要的。

結(jié)語(yǔ)

Storm的出現(xiàn)填補(bǔ)了數(shù)據(jù)處理生態(tài)系統(tǒng)（d ata processing ecosystem）在實(shí)時(shí)方面的空白，同時(shí)Storm具有高可靠、伸縮性好、編程模型簡(jiǎn)單、支持廣泛的編程語(yǔ)言等特點(diǎn)，極大的簡(jiǎn)化了分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的開發(fā)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.027