3000字入门数据湖(建议收藏)-技术圈

一、数据湖的角色和定位

随着移动互联网，物联网技术的发展，数据的应用逐渐从 BI 报表可视化往机器学习、预测分析等方向发展，即 BI 到 AI 的转变。

数据的使用者也从传统的业务分析人员转为数据科学家，算法工程师。此外对数据的实时性要求越来越高，也出现了越来越多的非结构化的数据。

目前的数据仓库技术出现了一定的局限性，比如单一不变的 schema 和模型已经无法满足各类不同场景和领域的数据分析的要求，并且数据科学家更愿意自己去处理原始的数据，而不是直接使用被处理过的数据。

比如对于数据缺失这种情况，数据科学家会尝试各种不同的算法去弥补缺失数据，针对不同的业务场景也会有不同的处理方式。

目前数据湖相关的技术是业界针对这些问题的一种解决方案。

下表展示了数据仓库和数据湖在各个维度上的特性：

相比于数据仓库，数据湖会保留最原始的数据，并且是读取时确定 Schema，这样可以在业务发生变化时能灵活调整。

最原始的数据湖技术其实就是对象存储，比如 Amazon S3，Aliyun OSS，可以存储任意形式的原始数据，但是如果不对这些存储的原始文件加以管理，就会使数据湖退化成数据沼泽（dataswamp)。

所以必须有相关的技术发展来解决这些问题。

我们都知道一个大数据处理系统分为：

分布式文件系统：HDFS，S3
基于一定的文件格式将文件存储在分布式文件系统：Parquet，ORC， ARVO
用来组织文件的元数据系统：Metastore
处理文件的计算引擎，包括流处理和批处理：SPARK，FLINK

简单的说，数据湖技术是计算引擎和底层存储格式之间的一种数据组织格式，用来定义数据、元数据的组织方式。

目前并没有针对数据湖的比较成熟的解决方案，几个大厂在开发相关技术来解决内部遇到的一些痛点后，开源了几个项目，比较著名的有Databrics 的 Dalta Lake，Uber 开源的 Hudi，Netflix 开源的 Iceberg。

二、Delta Lake

传统的 lambda 架构需要同时维护批处理和流处理两套系统，资源消耗大，维护复杂。

基于 Hive 的数仓或者传统的文件存储格式（比如 parquet / ORC），都存在一些难以解决的问题：

小文件问题；
并发读写问题；
有限的更新支持；
海量元数据（例如分区）导致 metastore 不堪重负

如上图，Delta Lake 是 Spark 计算框架和存储系统之间带有 Schema 信息的存储中间层。

它有一些重要的特性：

设计了基于 HDFS 存储的元数据系统，解决 metastore 不堪重负的问题；
支持更多种类的更新模式，比如 Merge / Update / Delete 等操作，配合流式写入或者读取的支持，让实时数据湖变得水到渠成；
流批操作可以共享同一张表；
版本概念，可以随时回溯，避免一次误操作或者代码逻辑而无法恢复的灾难性后果。

Delta Lake 是基于 Parquet 的存储层，所有的数据都是使用 Parquet 来存储，能够利用 parquet 原生高效的压缩和编码方案。

Delta Lake 在多并发写入之间提供 ACID 事务保证。每次写入都是一个事务，并且在事务日志中记录了写入的序列顺序。

事务日志跟踪文件级别的写入并使用乐观并发控制，这非常适合数据湖，因为多次写入/修改相同的文件很少发生。在存在冲突的情况下，Delta Lake 会抛出并发修改异常以便用户能够处理它们并重试其作业。

Delta Lake 其实只是一个 Lib 库，不是一个 service，不需要单独部署，而是直接依附于计算引擎的，但目前只支持 spark 引擎，使用过程中和 parquet 唯一的区别是把 format parquet 换成 delta 即可，可谓是部署和使用成本极低。

三、Apache Hudi

Hudi 是什么一般来说，我们会将大量数据存储到HDFS/S3，新数据增量写入，而旧数据鲜有改动，特别是在经过数据清洗，放入数据仓库的场景。

且在数据仓库如 hive中，对于update的支持非常有限，计算昂贵。另一方面，若是有仅对某段时间内新增数据进行分析的场景，则hive、presto、hbase等也未提供原生方式，而是需要根据时间戳进行过滤分析。

Apache Hudi 代表 Hadoop Upserts anD Incrementals，能够使HDFS数据集在分钟级的时延内支持变更，也支持下游系统对这个数据集的增量处理。

Hudi数据集通过自定义的 nputFormat 兼容当前 Hadoop 生态系统，包括 Apache Hive，Apache Parquet，Presto 和 Apache Spark，使得终端用户可以无缝的对接。

如下图，基于 Hudi 简化的服务架构，分钟级延迟。

Hudi 存储的架构

如上图，最下面有一个时间轴，这是 Hudi 的核心。

Hudi 会维护一个时间轴，在每次执行操作时（如写入、删除、合并等），均会带有一个时间戳。

通过时间轴，可以实现在仅查询某个时间点之后成功提交的数据，或是仅查询某个时间点之前的数据。

这样可以避免扫描更大的时间范围，并非常高效地只消费更改过的文件（例如在某个时间点提交了更改操作后，仅 query 某个时间点之前的数据，则仍可以 query 修改前的数据）。

如上图的左边，Hudi 将数据集组织到与 Hive 表非常相似的基本路径下的目录结构中。

数据集分为多个分区，每个分区均由相对于基本路径的分区路径唯一标识。

如上图的中间部分，Hudi 以两种不同的存储格式存储所有摄取的数据。

读优化的列存格式（ROFormat）：仅使用列式文件（parquet）存储数据。在写入/更新数据时，直接同步合并原文件，生成新版本的基文件（需要重写整个列数据文件，即使只有一个字节的新数据被提交）。此存储类型下，写入数据非常昂贵，而读取的成本没有增加，所以适合频繁读的工作负载，因为数据集的最新版本在列式文件中始终可用，以进行高效的查询。
写优化的行存格式（WOFormat）：使用列式（parquet）与行式（avro）文件组合，进行数据存储。在更新记录时，更新到增量文件中（avro），然后进行异步（或同步）的compaction，创建列式文件（parquet）的新版本。此存储类型适合频繁写的工作负载，因为新记录是以appending 的模式写入增量文件中。但是在读取数据集时，需要将增量文件与旧文件进行合并，生成列式文件。

四、Apache Iceberg

Iceberg 作为新兴的数据湖框架之一，开创性的抽象出“表格式”table format）这一中间层，既独立于上层的计算引擎（如Spark和Flink）和查询引擎（如Hive和Presto），也和下层的文件格式（如Parquet，ORC和Avro）相互解耦。

此外 Iceberg 还提供了许多额外的能力：

ACID事务；
时间旅行（time travel），以访问之前版本的数据；
完备的自定义类型、分区方式和操作的抽象；
列和分区方式可以进化，而且进化对用户无感，即无需重新组织或变更数据文件；
隐式分区，使SQL不用针对分区方式特殊优化；
面向云存储的优化等；

Iceberg的架构和实现并未绑定于某一特定引擎，它实现了通用的数据组织格式，利用此格式可以方便地与不同引擎（如Flink、Hive、Spark）对接。

所以 Iceberg 的架构更加的优雅，对于数据格式、类型系统有完备的定义和可进化的设计。

但是 Iceberg 缺少行级更新、删除能力，这两大能力是现有数据组织最大的卖点，社区仍然在优化中。

五、总结

下表从各个维度，总结了三大数据湖框架支持的特性。

如果用一个比喻来说明delta、iceberg、hudi、三者差异的话，可以把三个项目比做建房子。

Delta的房子底座相对结实，功能楼层也建得相对比较高，但这个房子其实可以说是databricks的，本质上是为了更好地壮大Spark生态，在delta上其他的计算引擎难以替换Spark的位置，尤其是写入路径层面。
Iceberg的建筑基础非常扎实，扩展到新的计算引擎或者文件系统都非常的方便，但是现在功能楼层相对低一点，目前最缺的功能就是upsert和compaction两个，Iceberg社区正在以最高优先级推动这两个功能的实现。
Hudi的情况要相对不一样，它的建筑基础设计不如iceberg结实，举个例子，如果要接入Flink作为Sink的话，需要把整个房子从底向上翻一遍，把接口抽象出来，同时还要考虑不影响其他功能，当然Hudi的功能楼层还是比较完善的，提供的upsert和compaction功能直接命中广大群众的痛点。

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