Flink流处理（四）- 时间语义

4. 时间语义（Time Semantics）

这章我们会介绍时间语义，以及在流中，对于时间的各种不同的概念的描述。同时我们也会讨论一个流处理器在事件乱序的情况下，如何能提供精准的结果，以及如何使用流对历史events进行处理。

一分钟的含义

假设我们要持续的对流计算并生成结果，例如每一分钟。这里的“一分钟”在流处理应用里到底意味着什么呢？

考虑这么一个场景，一个程序用于分析手机网游用户的events。用户属于各个小队。基于小队成员达成游戏给定目标的速度，应用收集小队的信息并在游戏中给出奖励，例如升级、经验等。例如，如果一个小队的所有用户在一分钟内生产了500个泡泡，则他们获得一次升级。小明是其中一个玩家，他每天早上会在去上班的公交上玩这个游戏。可问题是，小明住在大山里，在出山的路上网络特别差。假设小明开始在游戏中生产泡泡，此时手机连接到了网络，并发送events到分析程序。突然，公交进入了一个隧道，导致他的手机断网了。小明继续玩游戏，此时events会缓存到他的手机里。当公交出了隧道，网络恢复后，pending的events会被发送到分析程序。此时分析程序怎么做？在这里一分钟意味着什么呢？是否考虑到了小明断网的时间？下图描述了此问题：

在线游戏是一个简单的场景，描述了 operator 语义如何依赖于时间。当events发生在某个时间段内，但是应用接收到events时已超过了这个时间段时，应用应如何处理时间语义？在这个手机游戏中，若是对此处理不当，会导致较差的客户体验。但是在一些非常看重时间的应用中，结果可能会更严重。如果仅考虑在一分钟内接收到多少个events，则结果会直接与于网络连接状况、或是处理速度等相关。所以，真正定义一分钟内的events时，应该与数据本身的时间相关。

例如在小明玩游戏这个例子中，流处理应用可以以两种时间概念进行操作：处理时间（processing time）或事件时间（event time）。接下来介绍这两种概念。

处理时间（Processing Time）

处理时间是处理流的operator在执行时，所属机器上的本地时间。Processing-time 窗口包含所有在一个时间周期内到达window operator 的events，以本地机器时间衡量。如下图所示，在小明游戏的案例中，在小明的手机断开连接后，processing-time 窗口仍会持续计时，所以不会将小明断网时间内的events计入到当前时间段。

事件时间（Event Time）

事件时间是一个event实际发生的时间，它基于事件流中event被打上的时间戳。时间戳一般存储与event 数据中。下图展示了一个event-time 窗口，可以正确的将events放入合适的窗口中，反应了事件实际发生的情况，即使事件的到达存在延迟。

事件时间将处理速度与结果完全解耦。基于事件时间的操作时可预测的（predictable）并且结果是明确的（deterministic）。使用事件时间窗口计算时，无论流处理的速度有多快，或是events到达operator的速度有多慢，它输出的一定是个相同的结果。

处理延迟的events仅仅是事件时间可以解决的众多问题中的一个。更普遍的数据乱序的问题，也可以由事件时间解决。假设小花是游戏的另一个玩家，她与小明都是做的同一班公交，在同一时间玩游戏，但是用的是不同的手机卡。在过隧道时，小明的手机没信号了，但是小花的手机还可以正常联网并向游戏应用继续发送events。

依赖于事件时间，我们可以在数据无序到达的情况下，依然保证事件的正确性。进一步的说，在结合了可重跑的流（replayable streams）时，明确的时间戳可以用于快速执行过去的数据（fast forward the past）。也就是说，你可以重跑（replay） 一个流并分析历史数据，就像events是实时发生的一样。同时，你也可以快进计算，直到到达当前的状态（fast forward the computation to the present），这样一旦应用获取了正在发生的事件时，它可以像一个实时应用一样，以同样的program logic继续工作。

水印（Watermarks）

在讨论event-time 窗口时，我们忽略了一个很重要的方面：我们如何决定何时触发一个event-time 窗口？也就是说，我们需要等待多长时间，才能确保已经收到了在某个特定时间点之前发生的所有事件呢？并且我们如何知道数据会有延迟呢？很遗憾，这些问题是没有一个完美的答案的，因为分布式系统会有各种预料之外的异常，并且可能会有多方面的外部组件影响延迟。在这章我们会引入如何使用水印（watermarks）配置event-time窗口的行为。

水印是一个全局的进度指标（progress metric），表示的是：在什么时间点，我们可以有信心判断，之后不会有更多的（延迟的）事件到达。本质上，水印提供了一个逻辑时钟，提醒系统关于当前event time的信息。当一个operator收到了一个水印，时间为T。它可以假设：不会再有更多时间戳小于T的事件被收到。水印对于event-time窗口以及operators处理乱序events至关重要。一旦一个水印被接收到后，operators即被通知到：对于某个时间周期，所有的时间戳已经被观察到（observed），接下来应触发计算，或是将收到的事件进行排序。

水印提供了一个配置，用于权衡结果可信度与延迟。Eager watermarks可以确保低延迟，但是提供较低的可信度。在这种情况下，延迟的events可能会在水印之后到达，我们需要提供处理这些events的代码。另一方面，如果水印特别宽松，则我们对结果的准确度会有更大的信心，但是可能会增加不必要的处理延迟。

在很多真实应用中，系统并没有足够的知识去完美地准确算出水印。在手机游戏的例子中，基本是不可能预测用户会有多长的时间丢失连接。无论是自定义的水印或是自动生成的水印，在分布式系统中，由于有落后的tasks，跟踪整个分布式系统的进度可能仍是个问题。所以，如果仅简单的依赖于水印，则可能并不是一个很好的方法。更重要的是，流处理系统应提供一些机制去处理这些落后于水印的events。根据应用的需求，可以简单的丢弃这些事件，或是记录日志，亦或是使用它们去修正之前的结果。

处理时间vs事件时间

这里你可能会好奇既然event time可以解决我们所有的问题，那为什么还要提出processing time。事实上，处理时间在某些情况下是非常有用的。Processing-time 窗口可以尽可能地引入最低延时。例如：不考虑延迟及乱序事件，window仅是用于缓存一些数据，在到达一段时间后立即触发一个计算。所以对于那些速度比准确度更重要的应用来说，processing time 会更方便。另一个案例是定期实时提供报告结果，不考虑精准度。最后，processing-time窗口是流自身行为的一个体现，可能在某些场景下是一个很好的属性。例如，计算每秒收集到的事件，用于检测outage。总而言之，processing time 提供了低延时，但是输出的结果取决于处理的速度，并且结果并不是明确的。而event time保证了明确的结果，并可以处理延时或乱序的事件。

References：

Vasiliki Kalavri, Fabian Hueske. Stream Processing With Apache Flink. 2019