Yahoo!S4分布式流处理引擎分析总结

  S4(Simple Scalable Streaming System)是一个分布式流处理引擎，开发者可以在这个引擎基础上开发面向无界的，不间断的流数据处理应用。

  什么是流数据处理应用？例如，为了个性化搜索广告，系统需要实时处理来自几百万唯一用户每秒成千上万次的查询，并即时分析用户的会话特征来提高广告相关性预测模型的准确度。流数据处理应用要求我们的系统可以接受大量的，不间断的数据（称为流式数据），并可以迅速做出数据处理，S4正是完成这样一个需求。

  S4的设计思想

  S4将一个流抽象为由(K,A)形式的元素组成的序列，这里K和A分别是键和属性。在这种抽象的基础上S4设计了能够消费和发出这些(K,A)元素的组件，也就是Process Element。Process Element在S4中是最小的数据处理单元，每个PE实例只消费事件类型，属性key，属性value都匹配的事件，并最终输出结果或者输出新的(K,A)元素。下面这张S4论文内的图很好的诠释了上面说的内容。

  图中节点表示PE，有向边表示一个(K,A)元素及其流向。流初始化为一个Key为null，事件类型为Quote的(K,A)元素，按照上文的说法，S4中需要定义一个能消费相应事件类型，属性key，属性value事件的PE，也就是图中的PE1。当PE1完成处理后，它发出新的(K,A)元素，即图中的事件类型为WordEvent，key为word=”x”，属性为count=x的边，最后经过多个PE处理和(K,A)事件转换得到最终结果（这里不介绍上图的处理过程，详细看论文介绍）。

  实际上，我认为S4最核心的部分就是上面的设计，它将流的处理分为多个流事件，抽象为处理图中的有向边，并且每个流事件都用(K,A)的形式表示，这种表示方式使得事件间的转换传递很方便，这是一种借鉴了MapReduce的(key,value)的设计。同时因为流被分为多个流事件，那么就需要对应多个处理单元，每个PE唯一处理一种事件，并且PE间独立，这也大大降低了概念复杂性和系统复杂性。我们开发者要做的就是定制个性化的PE。

  PE间有事件传递的依赖性，很自然的，我们希望可以有一个PE集群，S4使用Processing Element Container的概念，将多个PE包含到同一个容器中，PEC接收源event，并最终发送结果event。PEC加上通信处理模块就形成了PE的逻辑主机Processing Node。如下图所示：

  PN负责监听事件，在到达事件上执行操作（PE完成），然后通过通信层Communication Layer的协助分发事件，也可以发出输出事件。

  S4通过一个hash函数，将事件路由到目标PN上，这个hash函数作用于事件的所有已知属性值上（需要配置），所以一个事件可能被路由到多个PN上。然后PN中的事件监听器会将到来的事件传递给PEC，PEC以适当的顺序调用适当的PE（每个编键keyed的PE都会被映射到一个确定的PN上，即图中的PE并不是物理存在一个PN相关，而是逻辑相关）。处理完成后，PN可能发出输出事件，也可以向Communication Layer请求协助向指定逻辑节点发送消息。

最后是通信层的介绍，它提供了“集群管理”，“故障恢复到备用节点”，“逻辑节点到物理节点映射”的作用。同时通信层还使用一个插件式的架构来选择网络协议，使用zookeeper在S4集群节点之间做一致性协作！

S4的其他特点总结（摘自网络）

S4

S4是一个通用的、分布式的、可扩展的、分区容错的、可插拔的流式系统。基于S4框架，开发者可以轻松开发面向持续流数据处理的应用。

S4的设计特点有以下几个方面。

• Actor Model

为了能在普通机型构成的集群上进行分布式处理，并且集群内部不使用共享内存，S4架构采用了Actor模式，这种模式提供了封装和地址透明语义，因此在允许应用大规模并发的同时，也提供了简单的编程接口。S4系统通过处理单元（Processing Elements，PEs）进行计算，消息在处理单元间以数据事件的形式传送，PE消费事件，发出一个或多个可能被其他PE处理的事件，或者直接发布结果。每个PE的状态对于其他PE不可见，PE之间唯一的交互模式就是发出事件和消费事件。框架提供了路由事件到合适的PE和创建新PE实例的功能。S4的设计模式符合封装和地址透明的特性。

• Decentralized and Symmetric Architecture

除了遵循Actor模式，S4也参照了MapReduce模式。为了简化部署和运维，从而达到更好地稳定性和扩展性，S4采用了对等架构，集群中的所有处理节点都是等同的，没有中心控制。这种架构将使得集群的扩展性很好，处理节点的总数理论上无上限；同时，S4将没有单点容错的问题。

Pluggable Architecture

S4系统使用Java开发，采用了极富层次的模块化编程，每个通用功能点都尽量抽象出来作为通用模块，而且尽可能让各模块实现可定制化。

• Partial Fault-Tolerance

基于Zookeeper服务的集群管理层将会自动路由事件从失效节点到其他节点。除非显式保存到持久性存储，否则节点故障时，节点上处理事件的状态会丢失。

• Object Oriented

节点间通信采用“Plain Old Java Objects”（POJOs）模式，应用开发者不需要写Schemas 或用哈希表来在节点间发送Tuples。

S4的功能组件分3大类，Clients、Adapters和PNode Cluster，图2显示了S4系统框架。

图2 Yahoo! S4流式系统框架结构图

S4提供Client Adapter，允许第三方客户端向S4集群发送事件和接收事件。Adapter实现了基于JSON的API，支持多语言实现的客户端驱动。

Client通过Driver组件与Adapter进行交互，Adapter也是一个Cluster，其中有多个Adapter结点，Client可以通过多个Driver与多个Adapter进行通信，这样可以保证单个Client在分发大数据量时Adapter不会成为瓶颈，也可以确保系统支持多个Client应用并发执行的快速、高效和可靠性。

在Adapter中，真正与Client交互的是其Stub组件，该组件实现了管理Client与Adapter之间通过TCP/IP协议进行通信的功能。GenericJsonClientStub这个类支持将事件在Client与Adapter之间以JSON的形式转换，从而支持更多种类型的Client应用。不同的Client可以配置不同的Stub来与Adapter进行通信，用户可以定义自己的Stub来实现自己想要的业务逻辑，这样也使得Client的行为更加多样性、个性化。