一、实时数仓建设背景
1. 实时需求日趋迫切
目前各大公司的产品需求和内部决策对于数据实时性的要求越来越迫切，需要实时数仓的能力来赋能。传统离线数仓的数据时效性是 T+1，调度频率以天为单位，无法支撑实时场景的数据需求。即使能将调度频率设置成小时，也只能解决部分时效性要求不高的场景，对于实效性要求很高的场景还是无法优雅的支撑。因此实时使用数据的问题必须得到有效解决。
2. 实时技术日趋成熟
实时计算框架已经经历了三代发展，分别是：Storm、SparkStreaming、Flink，计算框架越来越成熟。一方面，实时任务的开发已经能通过编写 SQL 的方式来完成，在技术层面能很好地继承离线数仓的架构设计思想；另一方面，在线数据开发平台所提供的功能对实时任务开发、调试、运维的支持也日渐趋于成熟，开发成本逐步降低，有助于去做这件事。
二、实时数仓建设目的
1. 解决传统数仓的问题
从目前数仓建设的现状来看，实时数仓是一个容易让人产生混淆的概念，根据传统经验分析，数仓有一个重要的功能，即能够记录历史。通常，数仓都是希望从业务上线的第一天开始有数据，然后一直记录到现在。但实时流处理技术，又是强调当前处理状态的一个技术，结合当前一线大厂的建设经验和滴滴在该领域的建设现状，我们尝试把公司内实时数仓建设的目的定位为，以数仓建设理论和实时技术，解决由于当前离线数仓数据时效性低解决不了的问题。
现阶段我们要建设实时数仓的主要原因是：
公司业务对于数据的实时性越来越迫切，需要有实时数据来辅助完成决策；
实时数据建设没有规范，数据可用性较差，无法形成数仓体系，资源大量浪费；
数据平台工具对整体实时开发的支持也日渐趋于成熟，开发成本降低。
2. 实时数仓的应用场景
实时 OLAP 分析；
实时数据看板；
实时业务监控；
实时数据接口服务。
三、实时数仓建设方案
接下来我们分析下目前实时数仓建设比较好的几个案例，希望这些案例能够给大家带来一些启发。
1. 滴滴顺风车实时数仓案例
滴滴数据团队建设的实时数仓，基本满足了顺风车业务方在实时侧的各类业务需求，初步建立起顺风实时数仓，完成了整体数据分层，包含明细数据和汇总数据，统一了 DWD 层，降低了大数据资源消耗，提高了数据复用性，可对外输出丰富的数据服务。
从数据架构图来看，顺风车实时数仓和对应的离线数仓有很多类似的地方。例如分层结构；比如 OD层，明细层，汇总层，乃至应用层他们命名的模式可能都是一样的。但仔细比较不难发现，两者有很多区别：
与离线数仓相比，实时数仓的层次更少一些：
从目前建设离线数仓的经验来看，数仓的数据明细层内容会非常丰富，处理明细数据外一般还会包含轻度汇总层的概念，另外离线数仓中应用层数据在数仓内部，但实时数仓中，app 应用层数据已经落入应用系统的存储介质中，可以把该层与数仓的表分离；
应用层少建设的好处：实时处理数据的时候，每建一个层次，数据必然会产生一定的延迟；
汇总层少建的好处：在汇总统计的时候，往往为了容忍一部分数据的延迟，可能会人为的制造一些延迟来保证数据的准确。举例，在统计跨天相关的订单事件中的数据时，可能会等到 00:00:05 或者 00:00:10 再统计，确保 00:00 前的数据已经全部接受到位了，再进行统计。所以，汇总层的层次太多的话，就会更大的加重人为造成的数据延迟。
与离线数仓相比，实时数仓的数据源存储不同：
接下来，根据顺风车实时数仓架构图，对每一层建设做具体展开：
1. ODS 贴源层建设
根据顺风车具体场景，目前顺风车数据源主要包括订单相关的 binlog 日志，冒泡和安全相关的 public 日志，流量相关的埋点日志等。这些数据部分已采集写入 kafka 或 ddmq 等数据通道中，部分数据需要借助内部自研同步工具完成采集，最终基于顺风车数仓 ods 层建设规范分主题统一写入 kafka 存储介质中。
命名规范：ODS 层实时数据源主要包括两种。
一种是在离线采集时已经自动生产的 DDMQ 或者是 Kafka topic，这类型的数据命名方式为采集系统自动生成规范为：cn-binlog-数据库名-数据库名 eg：cn-binlog-ihap_fangyuan-ihap_fangyuan
一种是需要自己进行采集同步到 kafka topic 中，生产的 topic 命名规范同离线类似：ODS 层采用：realtime_ods_binlog_{源系统库/表名}/ods_log_{日志名} eg: realtime_ods_binlog_ihap_fangyuan
2. DWD 明细层建设
根据顺风车业务过程作为建模驱动，基于每个具体的业务过程特点，构建最细粒度的明细层事实表；结合顺风车分析师在离线侧的数据使用特点，将明细事实表的某些重要维度属性字段做适当冗余，完成宽表化处理，之后基于当前顺风车业务方对实时数据的需求重点，重点建设交易、财务、体验、安全、流量等几大模块；该层的数据来源于 ODS 层，通过大数据架构提供的 Stream SQL 完成 ETL 工作，对于 binlog 日志的处理主要进行简单的数据清洗、处理数据漂移和数据乱序，以及可能对多个 ODS 表进行 Stream Join，对于流量日志主要是做通用的 ETL 处理和针对顺风车场景的数据过滤，完成非结构化数据的结构化处理和数据的分流；该层的数据除了存储在消息队列 Kafka 中，通常也会把数据实时写入 Druid 数据库中，供查询明细数据和作为简单汇总数据的加工数据源。
命名规范：DWD 层的表命名使用英文小写字母，单词之间用下划分开，总长度不能超过 40 个字符，并且应遵循下述规则：realtime_dwd_{业务/pub}_{数据域缩写}_[{业务过程缩写}]_[{自定义表命名标签缩写}]
3. DIM 层
公共维度层，基于维度建模理念思想，建立整个业务过程的一致性维度，降低数据计算口径和算法不统一风险；
DIM 层数据来源于两部分：一部分是 Flink 程序实时处理 ODS 层数据得到，另外一部分是通过离线任务出仓得到；
DIM 层维度数据主要使用 MySQL、Hbase、fusion(滴滴自研 KV 存储) 三种存储引擎，对于维表数据比较少的情况可以使用 MySQL，对于单条数据大小比较小，查询 QPS 比较高的情况，可以使用 fusion 存储，降低机器内存资源占用，对于数据量比较大，对维表数据变化不是特别敏感的场景，可以使用 HBase 存储。
命名规范：DIM 层的表命名使用英文小写字母，单词之间用下划线分开，总长度不能超过 30 个字符，并且应遵循下述规则：dim_{业务/pub}_{维度定义}[_{自定义命名标签}]：
4. DWM 汇总层建设
在建设顺风车实时数仓的汇总层的时候，跟顺风车离线数仓有很多一样的地方，但其具体技术实现会存在很大不同。
第一：对于一些共性指标的加工，比如 pv，uv，订单业务过程指标等，我们会在汇总层进行统一的运算，确保关于指标的口径是统一在一个固定的模型中完成。对于一些个性指标，从指标复用性的角度出发，确定唯一的时间字段，同时该字段尽可能与其他指标在时间维度上完成拉齐，例如行中异常订单数需要与交易域指标在事件时间上做到拉齐。
第二：在顺风车汇总层建设中，需要进行多维的主题汇总，因为实时数仓本身是面向主题的，可能每个主题会关心的维度都不一样，所以需要在不同的主题下，按照这个主题关心的维度对数据进行汇总，最后来算业务方需要的汇总指标。在具体操作中，对于 pv 类指标使用 Stream SQL 实现 1 分钟汇总指标作为最小汇总单位指标，在此基础上进行时间维度上的指标累加；对于 uv 类指标直接使用 druid 数据库作为指标汇总容器，根据业务方对汇总指标的及时性和准确性的要求，实现相应的精确去重和非精确去重。
第三：汇总层建设过程中，还会涉及到衍生维度的加工。在顺风车券相关的汇总指标加工中我们使用 Hbase 的版本机制来构建一个衍生维度的拉链表，通过事件流和 Hbase 维表关联的方式得到实时数据当时的准确维度
命名规范：DWM 层的表命名使用英文小写字母，单词之间用下划线分开，总长度不能超过 40 个字符，并且应遵循下述规则：realtime_dwm_{业务/pub}_{数据域缩写}_{数据主粒度缩写}_[{自定义表命名标签缩写}]_{统计时间周期范围缩写}：
{业务/pub}：参考业务命名
{数据域缩写}：参考数据域划分部分
{数据主粒度缩写}：指数据主要粒度或数据域的缩写，也是联合主键中的主要维度
{自定义表命名标签缩写}：实体名称可以根据数据仓库转换整合后做一定的业务抽象的名称，该名称应该准确表述实体所代表的业务含义
{统计时间周期范围缩写}：1d:天增量；td:天累计(全量)；1h:小时增量；th:小时累计(全量)；1min:分钟增量；tmin:分钟累计(全量)
样例：realtime_dwm_trip_trd_pas_bus_accum_1min
APP 应用层
该层主要的工作是把实时汇总数据写入应用系统的数据库中，包括用于大屏显示和实时 OLAP 的 Druid 数据库(该数据库除了写入应用数据，也可以写入明细数据完成汇总指标的计算)中，用于实时数据接口服务的 Hbase 数据库，用于实时数据产品的 mysql 或者 redis 数据库中。
命名规范：基于实时数仓的特殊性不做硬性要求。
2. 快手实时数仓场景化案例
1) 目标及难点
目标
首先由于是做数仓，因此希望所有的实时指标都有离线指标去对应，要求实时指标和离线指标整体的数据差异在 1% 以内，这是最低标准。
其次是数据延迟，其 SLA 标准是活动期间所有核心报表场景的数据延迟不能超过 5 分钟，这 5 分钟包括作业挂掉之后和恢复时间，如果超过则意味着 SLA 不达标。
最后是稳定性，针对一些场景，比如作业重启后，我们的曲线是正常的，不会因为作业重启导致指标产出一些明显的异常。
难点
第一个难点是数据量大。每天整体的入口流量数据量级大概在万亿级。在活动如春晚的场景，QPS 峰值能达到亿 / 秒。
第二个难点是组件依赖比较复杂。可能这条链路里有的依赖于 Kafka，有的依赖 Flink，还有一些依赖 KV 存储、RPC 接口、OLAP 引擎等，我们需要思考在这条链路里如何分布，才能让这些组件都能正常工作。
第三个难点是链路复杂。目前我们有 200+ 核心业务作业，50+ 核心数据，整体作业超过 1000。
2) 实时数仓 - 分层模型
基于上面三个难点，来看一下数仓架构：
最下层有三个不同的数据源，分别是客户端日志、服务日志以及 Binlog 日志；在公共基础层分为两个不同的层次，一个是 DWD 层，做明细数据，另一个是 DWS 层，做公共聚合数据，DIM 是我们常说的维度。我们有一个基于离线数仓的主题预分层，这个主题预分层可能包括流量、用户、设备、视频的生产消费、风控、社交等。DWD 层的核心工作是标准化的清洗；DWS 层是把维度的数据和 DWD 层进行关联，关联之后生成一些通用粒度的聚合层次。再往上是应用层，包括一些大盘的数据，多维分析的模型以及业务专题数据；最上面是场景。整体过程可以分为三步：
第一步是做业务数据化，相当于把业务的数据接进来；第二步是数据资产化，意思是对数据做很多的清洗，然后形成一些规则有序的数据；第三步是数据业务化，可以理解数据在实时数据层面可以反哺业务，为业务数据价值建设提供一些赋能。
3) 实时数仓 - 保障措施
基于上面的分层模型，来看一下整体的保障措施：
保障层面分为三个不同的部分，分别是质量保障，时效保障以及稳定保障。
我们先看蓝色部分的质量保障。针对质量保障，可以看到在数据源阶段，做了如数据源的乱序监控，这是我们基于自己的 SDK 的采集做的，以及数据源和离线的一致性校准。研发阶段的计算过程有三个阶段，分别是研发阶段、上线阶段和服务阶段。研发阶段可能会提供一个标准化的模型，基于这个模型会有一些 Benchmark，并且做离线的比对验证，保证质量是一致的；上线阶段更多的是服务监控和指标监控；在服务阶段，如果出现一些异常情况，先做 Flink 状态拉起，如果出现了一些不符合预期的场景，我们会做离线的整体数据修复。
第二个是时效性保障。针对数据源，我们把数据源的延迟情况也纳入监控。在研发阶段其实还有两个事情：首先是压测，常规的任务会拿最近 7 天或者最近 14 天的峰值流量去看它是否存在任务延迟的情况；通过压测之后，会有一些任务上线和重启性能评估，相当于按照 CP 恢复之后，重启的性能是什么样子。
最后一个是稳定保障，这在大型活动中会做得比较多，比如切换演练和分级保障。我们会基于之前的压测结果做限流，目的是保障作业在超过极限的情况下，仍然是稳定的，不会出现很多的不稳定或者 CP 失败的情况。之后我们会有两种不同的标准，一种是冷备双机房，另外一种是热备双机房。冷备双机房是：当一个单机房挂掉，我们会从另一个机房去拉起；热备双机房：相当于同样一份逻辑在两个机房各部署一次。以上就是我们整体的保障措施。
3) 快手场景问题及解决方案
1. PV/UV 标准化
1.1 场景
第一个问题是 PV/UV 标准化，这里有三个截图：
第一张图是春晚活动的预热场景，相当于是一种玩法，第二和第三张图是春晚当天的发红包活动和直播间截图。
在活动进行过程中，我们发现 60~70% 的需求是计算页面里的信息，如：
1.2 方案
抽象一下这个场景就是下面这种 SQL：
简单来说，就是从一张表做筛选条件，然后按照维度层面做聚合，接着产生一些 Count 或者 Sum 操作。
基于这种场景，我们最开始的解决方案如上图右边所示。
我们用到了 Flink SQL 的 Early Fire 机制，从 Source 数据源取数据，之后做了 DID 的分桶。比如最开始紫色的部分按这个做分桶，先做分桶的原因是防止某一个 DID 存在热点的问题。分桶之后会有一个叫做 Local Window Agg 的东西，相当于数据分完桶之后把相同类型的数据相加。Local Window Agg 之后再按照维度进行 Global Window Agg 的合桶，合桶的概念相当于按照维度计算出最终的结果。Early Fire 机制相当于在 Local Window Agg 开一个天级的窗口，然后每分钟去对外输出一次。
这个过程中我们遇到了一些问题，如上图左下角所示。
在代码正常运行的情况下是没有问题的，但如果整体数据存在延迟或者追溯历史数据的情况，比如一分钟 Early Fire 一次，因为追溯历史的时候数据量会比较大，所以可能导致 14:00 追溯历史，直接读到了 14:02 的数据，而 14:01 的那个点就被丢掉了，丢掉了以后会发生什么？
我们对于整个大盘的活跃设备、新增设备和回流设备有比较多的监控。
活跃设备指的是当天来过的设备；新增设备指的是当天来过且历史没有来过的设备；回流设备指的是当天来过且 N 天内没有来过的设备。但是我们计算过程之中可能需要 5~8 个这样不同的 Topic 去计算这几个指标。
我们看一下离线过程中，逻辑应该怎么算。
首先我们先算活跃设备，把这些合并到一起，然后做一个维度下的天级别去重，接着再去关联维度表，这个维度表包括设备的首末次时间，就是截止到昨天设备首次访问和末次访问的时间。
得到这个信息之后，我们就可以进行逻辑计算，然后我们会发现新增和回流的设备其实是活跃设备里打的一个子标签。新增设备就是做了一个逻辑处理，回流设备是做了 30 天的逻辑处理，基于这样的解决方案，我们能否简单地写一个 SQL 去解决这个问题？
其实我们最开始是这么做的，但遇到了一些问题：
第一个问题是：数据源是 6~8 个，而且我们大盘的口径经常会做微调，如果是单作业的话，每次微调的过程之中都要改，单作业的稳定性会非常差；第二个问题是：数据量是万亿级，这会导致两个情况，首先是这个量级的单作业稳定性非常差，其次是实时关联维表的时候用的 KV 存储，任何一个这样的 RPC 服务接口，都不可能在万亿级数据量的场景下保证服务稳定性；第三个问题是：我们对于时延要求比较高，要求时延小于一分钟。整个链路要避免批处理，如果出现了一些任务性能的单点问题，我们还要保证高性能和可扩容。
2.2 技术方案
针对以上问题，介绍一下我们是怎么做的：
如上图的例子，第一步是对 A B C 这三个数据源，先按照维度和 DID 做分钟级别去重，分别去重之后得到三个分钟级别去重的数据源，接着把它们 Union 到一起，然后再进行同样的逻辑操作。
这相当于我们数据源的入口从万亿变到了百亿的级别，分钟级别去重之后再进行一个天级别的去重，产生的数据源就可以从百亿变成了几十亿的级别。
在几十亿级别数据量的情况下，我们再去关联数据服务化，这就是一种比较可行的状态，相当于去关联用户画像的 RPC 接口，得到 RPC 接口之后，最终写入到了目标 Topic。这个目标 Topic 会导入到 OLAP 引擎，供给多个不同的服务，包括移动版服务，大屏服务，指标看板服务等。
这个方案有三个方面的优势，分别是稳定性、时效性和准确性。
首先是稳定性。松耦可以简单理解为当数据源 A 的逻辑和数据源 B 的逻辑需要修改时，可以单独修改。第二是任务可扩容，因为我们把所有逻辑拆分得非常细粒度，当一些地方出现了如流量问题，不会影响后面的部分，所以它扩容比较简单，除此之外还有服务化后置和状态可控。其次是时效性，我们做到毫秒延迟，并且维度丰富，整体上有 20+ 的维度做多维聚合。最后是准确性，我们支持数据验证、实时监控、模型出口统一等。此时我们遇到了另外一个问题 - 乱序。对于上方三个不同的作业，每一个作业重启至少会有两分钟左右的延迟，延迟会导致下游的数据源 Union 到一起就会有乱序。
2.3 延迟计算方案
遇到上面这种有乱序的情况下，我们要怎么处理？
我们总共有三种处理方案：
第一种解决方案是用 “did + 维度 + 分钟” 进行去重，Value 设为 “是否来过”。比如同一个 did，04:01 来了一条，它会进行结果输出。同样的，04:02 和 04:04 也会进行结果输出。但如果 04：01 再来，它就会丢弃，但如果 04:00 来，依旧会进行结果输出。
这个解决方案存在一些问题，因为我们按分钟存，存 20 分钟的状态大小是存 10 分钟的两倍，到后面这个状态大小有点不太可控，因此我们又换了解决方案 2。
第二种解决方案，我们的做法会涉及到一个假设前提，就是假设不存在数据源乱序的情况。在这种下，key 存的是 “did + 维度”，Value 为 “时间”，它的更新方式如上图所示。04:01 来了一条数据，进行结果输出。04:02 来了一条数据，如果是同一个 did，那么它会更新时间戳，然后仍然做结果输出。04：04 也是同样的逻辑，然后将时间戳更新到 04：04，如果后面来了一条 04：01 的数据，它发现时间戳已经更新到 04:04，它会丢弃这条数据。这样的做法大幅度减少了本身所需要的一些状态，但是对乱序是零容忍，不允许发生任何乱序的情况，由于我们不好解决这个问题，因此我们又想出了解决方案 3。
方案 3 是在方案 2 时间戳的基础之上，加了一个类似于环形缓冲区，在缓冲区之内允许乱序。
比如 04:01 来了一条数据，进行结果输出；04:02 来了一条数据，它会把时间戳更新到 04:02，并且会记录同一个设备在 04:01 也来过。如果 04:04 再来了一条数据，就按照相应的时间差做一个位移，最后通过这样的逻辑去保障它能够容忍一定的乱序。
综合来看这三个方案：
方案 1 在容忍 16 分钟乱序的情况下，单作业的状态大小在 480G 左右。这种情况虽然保证了准确性，但是作业的恢复和稳定性是完全不可控的状态，因此我们还是放弃了这个方案；
方案 2 是 30G 左右的状态大小，对于乱序 0 容忍，但是数据不准确，由于我们对准确性的要求非常高，因此也放弃了这个方案；
方案 3 的状态跟方案 1 相比，它的状态虽然变化了但是增加的不多，而且整体能达到跟方案 1 同样的效果。方案 3 容忍乱序的时间是 16 分钟，我们正常更新一个作业的话，10 分钟完全足够重启，因此最终选择了方案 3。
3. 运营场景
3.1 背景介绍
运营场景可分为四个部分：
第一个是数据大屏支持，包括单直播间的分析数据和大盘的分析数据，需要做到分钟级延迟，更新要求比较高；
第二个是直播看板支持，直播看板的数据会有特定维度的分析，特定人群支持，对维度丰富性要求比较高；
第三个是数据策略榜单，这个榜单主要是预测热门作品、爆款，要求的是小时级别的数据，更新要求比较低；
第四个是 C 端实时指标展示，查询量比较大，但是查询模式比较固定。
下面进行分析这 4 种不同的状态产生的一些不同的场景。
前 3 种基本没有什么差别，只是在查询模式上，有的是特定业务场景，有的是通用业务场景。
针对第 3 种和第 4 种，它对于更新的要求比较低，对于吞吐的要求比较高，过程之中的曲线也不要求有一致性。第 4 种查询模式更多的是单实体的一些查询，比如去查询内容，会有哪些指标，而且对 QPS 要求比较高。
3.2 技术方案
针对上方 4 种不同的场景，我们是如何去做的？
首先看一下基础明细层 (图中左方)，数据源有两条链路，其中一条链路是消费的流，比如直播的消费信息，还有观看 / 点赞 / 评论。经过一轮基础清洗，然后做维度管理。上游的这些维度信息来源于 Kafka，Kafka 写入了一些内容的维度，放到了 KV 存储里边，包括一些用户的维度。
这些维度关联了之后，最终写入 Kafka 的 DWD 事实层，这里为了做性能的提升，我们做了二级缓存的操作。
如图中上方，我们读取 DWD 层的数据然后做基础汇总，核心是窗口维度聚合生成 4 种不同粒度的数据，分别是大盘多维汇总 topic、直播间多维汇总 topic、作者多维汇总 topic、用户多维汇总 topic，这些都是通用维度的数据。
如图中下方，基于这些通用维度数据，我们再去加工个性化维度的数据，也就是 ADS 层。拿到了这些数据之后会有维度扩展，包括内容扩展和运营维度的拓展，然后再去做聚合，比如会有电商实时 topic，机构服务实时 topic 和大 V 直播实时 topic。
分成这样的两个链路会有一个好处：一个地方处理的是通用维度，另一个地方处理的是个性化的维度。通用维度保障的要求会比较高一些，个性化维度则会做很多个性化的逻辑。如果这两个耦合在一起的话，会发现任务经常出问题，并且分不清楚哪个任务的职责是什么，构建不出这样的一个稳定层。
如图中右方，最终我们用到了三种不同的引擎。简单来说就是 Redis 查询用到了 C 端的场景，OLAP 查询用到了大屏、业务看板的场景。
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