分布式实时计算引擎——Storm研究

王润华 毋建军 侯佳路

北京政法职业学院信息技术系

分布式实时计算引擎
——Storm研究

王润华 毋建军 侯佳路

北京政法职业学院信息技术系

王润华（1978）女，硕士，讲师，研究方向为移动互联网方向。

本文介绍了一种分布式实时计算引擎——Storm，它具有简单、高性能、高可靠、可伸缩等特点，并且支持广泛的编程语言。本文不仅介绍了Storm的架构和特性，还结合实例演示了使用Strom进行实时计算的具体过程。

过去十年在数据处理（data processing）领域发生了一场革命，MapReduce，Hadoop和其他相关技术的出现，已经使数据处理系统的存储能力、计算能力、伸缩能力达到了之前无法想象的高度。但是遗憾的是这些技术是“批处理系统”而不是实时系统，实时性也不是这些系统所关心的，然而业界对实时处理海量数据的需求却越来越强烈，Storm的出现填补了数据处理生态系统（data processing ecosystem）在实时方面的空白。

Storm概述

对于实时处理，典型的传统方式是手工建立一个由queues和workers组成的网络。workers处理来自queue的messages，更新数据库（或其他操作），然后生成新的messages发送给其他的queues做进一步处理。这种方式有以下几个问题。

（1）繁琐：需要花大量的时间去配置向哪里发送messages、部署workers、部署intermediate queues，真正涉及实时处理逻辑代码所占的比例很小。

（2）脆弱：缺乏完善的故障容错（f aul ttolerance）机制，在程序运行过程中需要确保每一个worker和queue都是正常运行的。

（3）伸缩性差：系统运行过程中当message的吞吐量超过了单台物理机的承载能力时，就需要将数据分布到更多的机器上去处理，这需要手工重新配置workers以便可以将数据分发新增的机器上，这样做不仅麻烦还极易出错。

虽然queues和workers方式在容错和伸缩方面有很大的缺陷，但是基于消息处理（message processing）的模型却非常适合作为实时计算的基础模型，Strom也使用基于消息处理（message processing）的基础模型。

Storm具有如下几个主要特点：

极其广泛的应用场景；

良好的伸缩性；

无消息丢失保证；

稳定与可维护性好；

良好的容错性；

支持广泛的编程语言；

Storm架构

Storm集群

从表面上看Storm集群与Hadoop集群非常类似，Hadoop集群上运行MapReduce任务而Storm集群运行被称为Topology的任务，但MapReduce与Topology有着非常大的差别——最关键的一点是MapReduce任务最终会结束而Topology一直处理消息，直到被主动结束。

Storm集群架构如图1所示，Storm集群由一个主节点（master node）和多个工作节点（worker node）组成。主节点上运行着一个被称为Nimbus的守护进程，它负责在集群中部署代码、为每个工作节点分派任务并监控任务的执行状态。每个工作节点上也运行着一个被称为Supervisor的守护进程，Supervisor监听分派给该工作节点的任务，并根据需要启动或关闭工作进程（worker processes），每个工作进程负责执行一个Topology的子集；每个Topology由分布在多个工作节点上的多个工作进程共同执行。

Nimbus与Supervisors之间通过一个Zookeeper集群来进行协调。Nimbus和Supervisor被设计为无状态和快速失败（fail-fast）的，所有的状态信息都保存在Zookeeper集群或本地磁盘中，这意味着Nimbus和Supervisor失败退出或被结束后重新启动将不会丢失任何信息，这样的设计使得Storm非常的稳定。

Topology

前面提到Storm任务被称为Topology，一个Topology实际上是一个由计算逻辑组成的“图”，“图”中每个节点包含计算逻辑，节点之间的连接指示数据如何在节点间传播。Storm使用Thrift作为通信中间件，所以可以使用任何Thrift支持的语言来编写Topology。

图1　Storm集群架构

Stream

Stream是Storm的核心抽象概念。在Storm中消息被称为元组（tuple），Stream就是一个数量无限的元组序列，Storm提供了一组原语可以以分布和可靠的方式将一个Stream传播到另一个Stream，其中Spout和Bolt就其中两个最基本的原语，用户程序通过实现Spout和Bolt的接口来定制自己的应用逻辑。Spout是Stream的源，Bolt是一个或多个Stream的消费者，做一些处理，也可能生成新的Stream。一个复杂的应用往往需要多个步骤也就是多个Bolt，Bolt可以做非常多的事情，例如：运行函数、元组过滤、Stream聚合、Stream join、与数据库对话等。

由Spout和Bolt组成的网络（图）既是Topology，而图中的边则是Stream，Stream指示元组如何在Spout和Bolt间传播。Topology中的每个节点（Spout或Bolt）都是并行执行的，用户可以指定每个节点的并行度，Storm便会产生相应数量的子任务在集群上执行。

前面提到Topology会一直处理消息，直到被主动结束。Storm会重新分配失败的任务，此外Strom保证没有消息会丢失，即使硬件出现故障。

数据模型

Strom使用消息即元组（tuple）作为数据模型，一个元组可以有多个字段（field），字段的类型可以是字符串或字节数组，通过一定的扩展用户也可以使用自定义的字段类型。

Stream grouping

Stream grouping告诉Topology如何在节点间传输元组。前面提到Spout和Bolt都是并行执行的，如图3所示，如果Bolt A需要向Bolt B发送元组，那么元组如何在Bolt A的子任务和Bolt B的子任务间传播呢？传播策略的不同在有些情况下可能会极大的影响计算结果，Stream grouping就是用来解决这个问题的，我们将在Strom应用实例部分进行详细的说明。

圆圈代表Spout或Bolt的并行子任务

Storm应用实例

这里通过一个对单词计数的Topol o gy（WordCountTopology）来演示Storm的具体应用方法。代码如图4所示，该代码摘自Storm自身的示例程序，并去掉了对说明用法无关的细节。

图2　Topology是由Spouts和Bolts组成的图

图3　Topology的执行过程

图4　WordCountTopology代码

要实现一个Topology最主要的工作就是提供具体的Spout、Bolt （用户的Spout和Bolt需要实现特定接口或继承自已有的基类）和他们之间Stream grouping。WordCountTopology有一个Spout和两个Bolt，Soput引用了已有的一个类RandomSentenceSpout来产生随机的句子，Bolt SplitSentence将句子拆分成单词，Bolt WordCount对单词进行统计。RandomSentenceSpout与SplitSentence之间的Stream grouping类型为Shuffle grouping，即子任务间任意传播元组，而SplitSentence与WordCount间的Stream grouping类型为Fields grouping，即相同的单词都传输给同一个子任务，这对单词统计的正确性是非常重要的。

结语

Storm的出现填补了数据处理生态系统（d ata processing ecosystem）在实时方面的空白，同时Storm具有高可靠、伸缩性好、编程模型简单、支持广泛的编程语言等特点，极大的简化了分布式实时系统的开发。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.027