使用Storm实现实时大数据分析

简单和明了，Storm让大数据分析变得轻松加愉快。

当今世界，公司的日常运营经常会生成TB级别的数据。数据来源囊括了互联网装置可以捕获的任何类型数据，网站、社交媒体、交易型商业数据以及其它商业环境中创建的数据。考虑到数据的生成量，实时处理成为了许多机构需要面对的首要挑战。我们经常用的一个非常有效的开源实时计算工具就是Storm —— Twitter开发，通常被比作“实时的Hadoop”。然而Storm远比Hadoop来的简单，因为用它处理大数据不会带来新老技术的交替。

Shruthi Kumar、Siddharth Patankar共同效力于Infosys，分别从事技术分析和研发工作。本文详述了Storm的使用方法，例子中的项目名称为“超速报警系统（Speeding Alert System）”。我们想实现的功能是：实时分析过往车辆的数据，一旦车辆数据超过预设的临界值 —— 便触发一个trigger并把相关的数据存入数据库。

1. Storm是什么

全量数据处理使用的大多是鼎鼎大名的hadoop或者hive，作为一个批处理系统，hadoop以其吞吐量大、自动容错等优点，在海量数据处理上得到了广泛的使用。

Hadoop下的Map/Reduce框架对于数据的处理流程是：

1、 将要处理的数据上传到Hadoop的文件系统HDFS中。

2、 Map阶段

a) Master对Map的预处理：对于大量的数据进行切分，划分为M个16~64M的数据分片(可通过参数自定义分片大小)

b) 调用Mapper函数：Master为Worker分配Map任务，每个分片都对应一个Worker进行处理。各个Worker读取并调用用户定义的Mapper函数 处理数据，并将结果存入HDFS，返回存储位置给Master。

一个Worker在Map阶段完成时，在HDFS中，生成一个排好序的Key-values组成的文件。并将位置信息汇报给Master。

3、 Reduce阶段

a) Master对Reduce的预处理：Master为Worker分配Reduce任务，他会将所有Mapper产生的数据进行映射，将相同key的任务分配给某个Worker。

b) 调用Reduce函数：各个Worker将分配到的数据集进行排序（使用工具类Merg），并调用用户自定义的Reduce函数，并将结果写入HDFS。

每个Worker的Reduce任务完成后，都会在HDFS中生成一个输出文件。Hadoop并不将这些文件合并，因为这些文件往往会作为另一个Map/reduce程序的输入。

以上的流程，粗略概括，就是从HDFS中获取数据，将其按照大小分片，进行分布式处理，最终输出结果。从流程来看，Hadoop框架进行数据处理有以下要求：

1、 数据已经存在在HDFS当中。

2、 数据间是少关联的。各个任务执行器在执行负责的数据时，无需考虑对其他数据的影响，数据之间应尽可能是无联系、不会影响的。

使用Hadoop，适合大批量的数据处理，这是他所擅长的。由于基于Map/Reduce这种单级的数据处理模型进行，因此，如果数据间的关联系较大，需要进行数据的多级交互处理（某个阶段的处理数据依赖于上一个阶段），需要进行多次map/reduce。又由于map/reduce每次执行都需要遍历整个数据集，对于数据的实时计算并不合适，于是有了storm。

对比Hadoop的批处理，Storm是个实时的、分布式以及具备高容错的计算系统。同Hadoop一样Storm也可以处理大批量的数据，然而Storm在保证高可靠性的前提下还可以让处理进行的更加实时；也就是说，所有的信息都会被处理。Storm同样还具备容错和分布计算这些特性，这就让Storm可以扩展到不同的机器上进行大批量的数据处理。他同样还有以下的这些特性：

在线实时流处理模型

对于处理大批量数据的Map/reduce程序，在任务完成之后就停止了，但Storm是用于实时计算的，所以，相应的处理程序会一直执行（等待任务，有任务则执行）直至手动停止。

对于Storm，他是实时处理模型，与hadoop的不同是，他是针对在线业务而存在的计算平台，如统计某用户的交易量、生成为某个用户的推荐列表等实时性高的需求。他是一个“流处理”框架。何谓流处理？storm将数据以Stream的方式，并按照Topology的顺序，依次处理并最终生成结果。

当然为了更好的理解文章，你首先需要安装和设置Storm。需要通过以下几个简单的步骤：

尽管 Storm 是使用 Clojure 语言开发的，您仍然可以在 Storm 中使用几乎任何语言编写应用程序。所需的只是一个连接到 Storm 的架构的适配器。已存在针对 Scala、JRuby、Perl 和 PHP 的适配器，但是还有支持流式传输到 Storm 拓扑结构中的结构化查询语言适配器。

2. Storm的组件

Storm集群和Hadoop集群表面上看很类似。但是Hadoop上运行的是MapReduce jobs，而在Storm上运行的是拓扑（topology），这两者之间是非常不一样的。一个关键的区别是： 一个MapReduce job最终会结束， 而一个topology永远会运行（除非你手动kill掉）。

Storm集群主要由一个主节点（Nimbus后台程序）和一群工作节点（worker node）Supervisor的节点组成，通过 Zookeeper进行协调。Nimbus类似Hadoop里面的JobTracker。Nimbus负责在集群里面分发代码，分配计算任务给机器， 并且监控状态。

每一个工作节点上面运行一个叫做Supervisor的节点。Supervisor会监听分配给它那台机器的工作，根据需要启动/关闭工作进程。每一个工作进程执行一个topology的一个子集；一个运行的topology由运行在很多机器上的很多工作进程组成。

1、 Nimbus主节点：

主节点通常运行一个后台程序 —— Nimbus，用于响应分布在集群中的节点，分配任务和监测故障。这个很类似于Hadoop中的Job Tracker。

2、Supervisor工作节点：

工作节点同样会运行一个后台程序 —— Supervisor，用于收听工作指派并基于要求运行工作进程。每个工作节点都是topology中一个子集的实现。而Nimbus和Supervisor之间的协调则通过Zookeeper系统或者集群。

3、Zookeeper

Zookeeper是完成Supervisor和Nimbus之间协调的服务。而应用程序实现实时的逻辑则被封装进Storm中的“topology”。topology则是一组由Spouts（数据源）和Bolts（数据操作）通过Stream Groupings进行连接的图。下面对出现的术语进行更深刻的解析。

4、Worker：

运行具体处理组件逻辑的进程。

5、Task：

worker中每一个spout/bolt的线程称为一个task. 在storm0.8之后，task不再与物理线程对应，同一个spout/bolt的task可能会共享一个物理线程，该线程称为executor。

6、Topology（拓扑）：

storm中运行的一个实时应用程序，因为各个组件间的消息流动形成逻辑上的一个拓扑结构。一个topology是spouts和bolts组成的图， 通过stream groupings将图中的spouts和bolts连接起来，如下图：

一个topology会一直运行直到你手动kill掉，Storm自动重新分配执行失败的任务， 并且Storm可以保证你不会有数据丢失（如果开启了高可靠性的话）。如果一些机器意外停机它上面的所有任务会被转移到其他机器上。

运行一个topology很简单。首先，把你所有的代码以及所依赖的jar打进一个jar包。然后运行类似下面的这个命令：

storm jar all-my-code.jar backtype.storm.MyTopology arg1 arg2

这个命令会运行主类: backtype.strom.MyTopology, 参数是arg1, arg2。这个类的main函数定义这个topology并且把它提交给Nimbus。storm jar负责连接到Nimbus并且上传jar包。

Topology的定义是一个Thrift结构，并且Nimbus就是一个Thrift服务， 你可以提交由任何语言创建的topology。上面的方面是用JVM-based语言提交的最简单的方法。

7、Spout：

消息源spout是Storm里面一个topology里面的消息生产者。简而言之，Spout从来源处读取数据并放入topology。Spout分成可靠和不可靠两种；当Storm接收失败时，可靠的Spout会对tuple（元组，数据项组成的列表）进行重发；而不可靠的Spout不会考虑接收成功与否只发射一次。

消息源可以发射多条消息流stream。使用OutputFieldsDeclarer.declareStream来定义多个stream，然后使用SpoutOutputCollector来发射指定的stream。

而Spout中最主要的方法就是nextTuple（），该方法会发射一个新的tuple到topology，如果没有新tuple发射则会简单的返回。

要注意的是nextTuple方法不能阻塞，因为storm在同一个线程上面调用所有消息源spout的方法。

另外两个比较重要的spout方法是ack和fail。storm在检测到一个tuple被整个topology成功处理的时候调用ack，否则调用fail。storm只对可靠的spout调用ack和fail。

8、Bolt：

Topology中所有的处理都由Bolt完成。即所有的消息处理逻辑被封装在bolts里面。Bolt可以完成任何事，比如：连接的过滤、聚合、访问文件/数据库、等等。

Bolt从Spout中接收数据并进行处理，如果遇到复杂流的处理也可能将tuple发送给另一个Bolt进行处理。即需要经过很多blots。比如算出一堆图片里面被转发最多的图片就至少需要两步：第一步算出每个图片的转发数量。第二步找出转发最多的前10个图片。（如果要把这个过程做得更具有扩展性那么可能需要更多的步骤）。

Bolts可以发射多条消息流， 使用OutputFieldsDeclarer.declareStream定义stream，使用OutputCollector.emit来选择要发射的stream。

而Bolt中最重要的方法是execute（），以新的tuple作为参数接收。不管是Spout还是Bolt，如果将tuple发射成多个流，这些流都可以通过declareStream（）来声明。

bolts使用OutputCollector来发射tuple，bolts必须要为它处理的每一个tuple调用OutputCollector的ack方法，以通知Storm这个tuple被处理完成了，从而通知这个tuple的发射者spouts。 一般的流程是： bolts处理一个输入tuple, 发射0个或者多个tuple, 然后调用ack通知storm自己已经处理过这个tuple了。storm提供了一个IBasicBolt会自动调用ack。

9、Tuple：

一次消息传递的基本单元。本来应该是一个key-value的map，但是由于各个组件间传递的tuple的字段名称已经事先定义好，所以tuple中只要按序填入各个value就行了，所以就是一个value list.

10、Stream：

源源不断传递的tuple就组成了stream。消息流stream是storm里的关键抽象。一个消息流是一个没有边界的tuple序列， 而这些tuple序列会以一种分布式的方式并行地创建和处理。通过对stream中tuple序列中每个字段命名来定义stream。在默认的情况下，tuple的字段类型可以是：integer，long，short， byte，string，double，float，boolean和byte array。你也可以自定义类型（只要实现相应的序列化器）。

每个消息流在定义的时候会被分配给一个id，因为单向消息流使用的相当普遍， OutputFieldsDeclarer定义了一些方法让你可以定义一个stream而不用指定这个id。在这种情况下这个stream会分配个值为‘default’默认的id 。

Storm提供的最基本的处理stream的原语是spout和bolt。你可以实现spout和bolt提供的接口来处理你的业务逻辑。

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