MaxCompute Tunnel 技术原理及开发实战

简介： MaxCompute（原名ODPS）是一种快速、完全托管的EB级数据仓库解决方案, 致力于批量结构化数据的存储和计算，为用户提供数据仓库的解决方案及分析建模服务。Tunnel是MaxCompute提供的数据传输服务，提供高并发的离线数据上传下载服务，适合于全量数据或历史数据的批量导入, 并且在MaxCompute的客户端工具中，提供对应的命令实现本地文件与服务数据的互通。

本篇主要通过五个部分介绍MaxCompute Tunnel

• MaxCompute Tunnel技术原理
• MaxCompute Tunnel丰富的生态
• Tunnel功能简介
• SDK的使用方式
• 最佳实践

一、MaxCompute Tunnel技术原理

在服务端，提供的服务可以大概分为API层和执行层。API层有两个集群 Frontend集群会负责控制流的介入，Tunnel集群负责数据。在执行层分为控制集群和计算集群，控制集群会负责资源管控，meta的管理，和权限管理这些功能，计算集群就负责实际的计算和存储。

可以看到，Tunnel是属于API层的一个组件，专门负责数据的上传和下载。为什么这么做, 是因为这是一个大数据的系统，所以在MaxCompute上跑一个SQL其实就发了一条控制指令。由于目标的场景是一个大数据量的查询，比如说十亿条这种量级的，这是一个规模比较大的操作，如果在这个场景下想做数据的同步，就不能像MySQL传统输入一样通过insert into，因为insert into走控制集群这个链路是非常浪费资源的，同时也会有一些限制。一次一行的效率特别低，因此设计了分开的控制流和数据流。

Tunnel集群负责的功能是在SDK层提供了Tunnel的API，让用户可以通过一个结构化的方式去访问数据。另外，Tunnel是对外放出来的唯一的数据接口，会对用户写进来的数据做格式检查和权限校验，控制数据安全。同时会保证用户通过Tunnel写出来的数据用SQL可读，不用担心比如SQL读不了写进来的数据，或者写的数据和SQL读出来的值有差异。

另外一点，Tunnel是直接访问存储层的，MaxCompute在底层的存储是一个分布式文件系统，Tunnel是直接访问这个文件系统的，这样在性能上就有了保证。也就是说，Tunnel在理想情况下是可以保证单并发达到10兆每秒的吞吐能力，通过假并发也是可以水平扩展整个吞吐能力。

二、MaxCompute Tunnel丰富的生态

MaxCompute有非常丰富的生态，推荐首先要看一下有什么工具，或者有哪些服务可以做，建议优先使用一些成熟的服务，尽量不要自己先写代码。

官方的SDK有Java SDK和Python SDK。

另外，官方还提供了三种工具。MaxCompute客户端是一个命令行工具，在数据同步这方面支持用户把一个本地文件上传到MaxCompute里面，也可以通过下载一张表到一个本地文件上。MaxCompute Studio是一个idea插件，它也支持文件上传下载这样的方式。MMA2.0迁移工具是最近推出的一个工具，可以帮助用户把数据从现有的大数据系统里迁移到MaxCompute上，这些工具都是基于SDK开发的，都是通过SDK传输。

除了工具以外，MaxCompute在第三方服务上也是集成的，比如云上的数据通道图，SLS（阿里云的日志服务），DataHub（数据通道），他们都是原生就支持MaxCompute投递的，Kafka也是有官方的插件。

流计算方面，Blink，Spark也都是有MaxCompute同步插件的。数据同步服务方面，DataWorks的数据同步，实时同步和离线同步，都是支持MaxCompute同步的。

总结一下，如果有数据同步的需求，最好先看一下现有的服务是不是可以满足需求。如果觉得都满足不了，想要自己开发的话，可以看一下SDK是可以有哪些功能，和使用上的一些注意事项。

三、Tunnel功能简介

上图是Tunnel总体功能的表格。现在有两套API，分批量数据通道和流式数据通道。

批量数据通道目标的场景单并发的吞吐量很大，这种理想的场景是传量大的数据，一次一批，QPS和并发都不能特别高，但是单并发的吞吐量可以做得很大，这个在API上也有一些优化。

流式数据通道是新提供的一种服务，因为现在的上游服务大多数都是一些流式服务灌进来的，也就是说单并发可能流量没有那么大，但是都是比较细碎的数据，这种情况如果用批量数据通道会遇到很多限制。最明显的就是小文件问题，用批量数据通道写特别碎的数据进来会产生大量的碎片文件，跑SQL查询就会非常慢，用Tunnel下载也会非常慢。针对这种场景平台提供了流式数据通道服务，通过流式数据上来可以写得特别碎，一行写一次也可以，不需要担心小文件的问题，也不用担心并发的问题，并发可以无限多。流式数据通道是不限并发的，但是批量是限并发的。

从表格中可以看到，通过Tunnel是可以访问这几种资源的：普通表，Hash Clustered表，Range Clustered表和Transactional表，最后是查询结果，这些都是可以下载的；普通表两种上传都支持；Hash Clustered表和Range Clustered表并不适合Tunnel去写，因为数据在存储上需要做一个系统，而且会排序，而Tunnel集群规模没有计算机集群那么大，没有这个能力去做排序。因此，这种表一般经典的用法就是先写一张普通表，然后通过SQL做一个insert overwrite，生成一张Hash Clustered表或者Range Clustered表。

流式上传在架构上做了升级，有一个异步处理的机制，会把用户写进来的数据在后台进行加工，所以后面会支持Hash Clustered表。

Transactional表是说，MaxCompute的普通表是不支持update或者delete的，系统最近在SQL上支持了这个语法，就是用户可以update，也可以delete，也可以支持transaction。批量上传的API现在是支持Transactional表，但是只支持append，也称为insert into，它是不能从Tunnel的API上去update的。流式的也正在规划中，后续可能会连update也一起完成。批量的可能不会做update这个功能，但是批量的现在就可以append这种Transactional表。

查询结果就是说，如果跑一个SQL，在odpscmd客户端或者DataWorks上对查询结果有1万条的限制。但是这个查询结果可以通过Tunnel下载，就不受条数限制，可以下载完整的查询结果到本地。

总而言之，如果使用SDK的话，就可以做到表格里的这些功能。

四、SDK的使用方式

1）基本配置

如果想开发的话有哪些东西需要配置，不管上传、下载，还是流式上传，这些配置都是一样的。首先需要创建一个ODPS对象和一个Table Tunnel对象。如果想用SDK跑SQL，要创建ODPS；TableTunnel是Tunnel入口的一个类，所有的功能都是从这个类发起的。

然后看具体的配置项，图中左侧列举的是比较关键的几个。Access ID和Access Key就是账号信息，阿里云通过这个来表示一个账号。

ODPS Endpoint是服务的一个入口，现在在公共云上应该有21个region，包括金融云和政务云，中国有7个，海外有14个。每个region的endpoint是不一样的，使用时需要找到自己购买的region服务，并正确填写endpoint进去。

Tunnel Endpoint是可选的，如果不填，系统会通过所填的ODPS endpoint自动路由到对应的Tunnel endpoint上。在公共云上的网络环境比较复杂，分公网域名和内网域名，内网域名还分经典网络和VBC，也许会有路由的endpoint网络不通这种场景，这个时候平台提供了一个接口，用户可以把能访问的Tunnel endpoint填进来，这样就会优先用所填的Tunnel endpoint而不会用路由的，但99%的情况下是不用填。

Default project这个参数是在弹内经常用的。 MaxCompute的权限管理非常丰富，比如如果在公共云上有多个project，想要控制数据在跨project流动的话，就可以通过这个参数来配置。ODPS里设置的Default Project可以理解为是原project，下面的create Stream Session里面又有一个project，即要访问数据所在的project。如果这两个project不一样，系统会检查这个权限，用户是否可以访问目标project的数据。如果跑SQL，它也会根据原project来控制资源的使用。如果只有一个，这两个填成一样的就可以。

一般来说，Access ID，Access Key, 和ODPS Endpoint是必选的，Tunnel Endpoint可选，Default project如果只有一个只填一个就行了。

2）具体的上传接口

接下来展示具体的上传接口。首先看批量上传。

【批量上传】

批量上传的流程是先创建一个upload session (第31行),然后open writer，用writer去写数据，然后close，再upload session加commit。

Upload session可以理解为是一个会话的对象，类似于transaction的概念。这次上传是以upload session为单位的，即最终upload session commit成功了这些数据才是可见的。在一个upload session内部可以open多个writer，并且多个writer可以并发上传，但是writer是有状态的，需要给它指定一个不重复的block ID，避免产生覆盖。Upload session也是有状态的，没有commit就不可见； 如果commit成功了，这个session就结束了，暂时就不能再去open writer。Writer的实现原理是open一个writer请求，系统会发一个HTP请求到服务端，然后保持这个长链接，写数据时平台会实时地把数据写到服务端，writer是写一个临时目录。根据这个机制可以看到，如果writer或者close失败了，就相当于这个长连接断了。所以writer和close这两个接口是不能重试的，如果writer中间有任何阶段失败了，就需要重新写。

除了正常的commit之外，MaxCompute还支持让用户检查数据正确性。比如用户open了五个writer，commit的时候可以把这五个ID当成例子上传确认。如果检查到服务端与这个例子不一致，commit就会报错。

总结一下，基本的功能点有：

批量上传是有状态并发；

commit成功后数据才可见；

支持insertOverwrite, 也支持InsertInto语义。

Insert overwrite指commit的时候支持使用某个upload session的数据直接overwrite掉一整个分区或者一张表，类似SQL的Insert和Overwrite的功能。

这个功能也有使用限制。

第一，一个upload session不能超过2万个Block。

第二，Block ID会导致数据覆盖。

第三，upload session 24小时过期，因为writer数据是写在存储的临时目录的，临时数据有回收周期，超过24小时， writer写过的数据就有可能被回收掉，这个就限制了upload session的生命周期。

第四，如果open了一个writer但是不写数据，就相当于占了一个空闲链接，服务端会把这个链接直接断掉。

【流式上传】

接下来看一下流式上传的接口。前文中有提到，流式上传是在API上做了简化，还去掉了并发的限制和时间的限制。

接口是CreateStreamUploadSession，写数据的从writer改成了RecordPack。所谓的pack其实相当于一个内存里的buffer，可以用pack.append(record)，比如判断size只需要判断这个buffer足够大或者条数足够多，然后再flush就可以了（42到44行）。Pack并不是写网络的，而是写内存的。因此，不同于writer，flush是可以重试的，因为数据都在内存里。并且Pack也没有状态，不需要关心writer的Block ID等等。另外，因为flush成功后数据就可见了，所以session也没有commit这种状态。因此，如果要开发分布式服务，这个相比批量上传就简化很多，没有太多的限制，只需要确保本机内存是否够大就好了。

同时系统还支持了内存的复用，即flush过以后的pack是可以复用的。系统会把上次写满的内存留住，避免产生GC。流式上传只支持InsertInto，因为在API上没有另外的接口，所以InsertOverwrite语义现在是不支持的。另外，流式服务是支持异步数据处理的，也就是除了保证用户通过流式写上来的数据可读之外，服务端还有一个机制能识别出来新写进来的数据和存量数据，可以对新写出来的数据做一些异步的处理，比如zorder by排序和墨纸。

ZorderBy排序是指一种数据的组织方式，可以把存在MaxCompute的数据按某些规则重新组织一遍，这样查询的时候效率会非常高。墨纸是指支持把数据在后端重新写一遍，把一些很碎的数据重新组织成存储数据存储效率较高的数据文件。在这个基础上还可以做一些排序和其他的处理，后续会再加更多的功能。

流式上传也会有一些限制。首先在写的时候，系统会对这个表加锁，流式写的时候其他的操作是不能写的，比如InsertInto和Insert Overwrite是会失败的，要把流式停掉之后才能正常写。另外，DDL有一些延迟，如果要drop table或者rename table的话，可能drop完还能成功写几条数据，会有最多60秒的延迟。如果有这种场景，建议先把流式停掉再去drop或者rename。

【批量下载】

接下来介绍批量下载的接口。

TableTunnel创建了一个叫downloadSession的对象。可以得到record Count，指一个分区或者一张表的总行数。下面是open reader，可以和批量上传对应起来: reader和writer; uploadSession和downloadSession。Openreader是按record来区分的，比如有1000行，可以分十个100行并发下载。Download支持列裁剪，也就是可以下载其中几列。下载查询结果就把TableTunnel入口类改成InstanceTunnel，odps也是一样，53行就不是project, table了，是一个InstanceID。

使用限制方面，和批量上传类似，DownloadSession限制也是24小时，因为它也有临时文件。同样空闲链接120秒超时，另外还有Project级别并发限流，性能受碎片文件影响。

五、最佳实践

如果并发很高，不推荐走批量接口，因为并发限流是project级别的，如果上传或者下载的限额打满，整个project的批量上传都会失败。

这种接口推荐把并发降下来，然后充分利用并发约10兆每秒的吞吐能力。流式因为架构上的原因，是不受并发限制的。QPS不建议批量上传，因为碎片文件的问题，不建议用特别高的QPS来用批量的接口写数据。 如果QPS和并发都不高，使用这三种方式都不会很受限制。

另外有几个场景，transaction现在支持批量上传，流式上传后续会跟进。目前流式上传不支持Insert Overwrite，可能后面也不一定会开发，因为这个场景明显是一个批量的语义。

作者：慕明 阿里云智能 技术专家

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