华能 + Alluxio | 数字化浪潮下跨地域数据联邦访问与分析

1. 数字化转型与国产化进程推进

为了响应国家“十四五”数字经济发展规划的号召，中国企业推动创新资源共建共享，促进创新模式开放化演进，在信息化、数字化、智能化的强烈需求下，中国龙头企业统筹全渠道的技术能力，逐渐形成了一套覆盖集团业务发展、经营管理等核心发展战略需要的战略方向。

数字化转型初见成效，数据能力不断挖掘与创新；大数据技术推陈出新，国产化步伐日益加快。无论是互联网企业还是传统行业下的领导企业，有什么数据，如何使用数据，如何更加智能地利用数据这些议题被不断挖掘与迭代。

在东数西算的理念下，数据跨平台、跨机房、跨地域的技术问题与挑战逐渐浮现出来。这篇文章我们主要从技术的角度，对跨地域的数据联邦，或者说总公司和分公司不同数据域的互联互通进行讨论，研究相关技术可行性与分享整个研究过程。为了加快国产化软硬件的推进，本次实践采用国产化硬件ARM服务器（鲲鹏920）以及国产化操作系统统信进行相关的技术验证。

2. 原型目标与设计

通过对跨地域数据联邦的调研，我们发现中国很多企业面临的业务挑战虽然不同，但是技术难点是相似的，主要有：

挑战一：总公司通过传统的ETL作业采集分公司数据（比如通过Informatica、Kettle、DataX等），这些作业往往是按需定制，并且定期执行的；当有新的数据合规要求或者总公司数据分析要求时，都需要进行定制开发、测试、部署，这对数据汇总的时效性带来了很大的负面影响。另外通过ETL作业采集的分公司数据，在遇到分公司数据更新时，非常容易造成总公司与分公司之间的数据不一致，导致分析结果有所纰漏。

挑战二：子公司的自助式查询，一方面是对总公司的数据申请，很多时候整个数据访问链路是断裂的，往往需要通过流程筛查、繁琐的数据同步手段进行（比如通过FTP传输，甚至是物理介质的长途运输）。考虑到数据安全以及国家审计合规的要求，总公司数据是否可以在子公司持久化存储、数据访问脱敏、权限管控等等也都是当前中国企业面临的具体技术挑战。

因此我们本次的研究主要会关注在数据流的双向流动方面。

2.1 研究原型技术选型

当前大数据技术已经成为企业内部典型的数据分析手段，因此在原型实现的过程中，我们主要使用开源的大数据技术，从存储、计算（分析）、编排3个维度进行选型。其中每个维度我们选择时下最主流的组件，以确保该原型的通用性。

数据存储：

√ HDFS：Hadoop分布式文件系统（Distributed File System）

数据分析（以SQL分析为主）：

√ Hive：构建于Hadoop之上的数据仓库，通过一种类SQL语言HiveQL为用户提供数据的归纳、查询和分析等功能。

数据编排：

√ lluxio：Alluxio是一个开源的虚拟分布式文件系统( Virtual Distributed File System, VDFS)，位于大数据栈中的计算和存储之间。它为计算框架提供了数据抽象层，使得应用能够通过一个共同的接口连接底层不同的存储系统。

环境模拟：总公司/分公司-1/分公司-2

√ 每个公司有自建的HDFS集群；

√ 每个公司有自建的Alluxio集群：用于实现与本公司HDFS集群和其他公司HDFS集群的数据联邦；

√ 每个公司有自建的Hive集群。

备注：
CPU型号: 鲲鹏920
HDFS 3.1.1
Hive 3.1.0
Alluxio 2.8

2.2 数据流定义

使用HDFS、Hive、Alluxio定义数据持久化与数据访问链路。在总公司和分公司构建统一的技术栈（技术标准），实现数据共享闭环：
1 在总公司数据域，实现分公司数据联邦，允许总公司实现全域数据访问与分析；

2 在分公司数据域，合规访问总公司数据湖，并结合子公司私有数据进行自助化分析；

3. Alluxio在ARM环境下的基本测试

3.1 Alluxio基于ARM编译

## 编译 
mvn -T2C -DskipTests -Dmaven.javadoc.skip -Dlicense.skip - 
Dcheckstyle.skip -Dfindbugs.skip clean install

3.2 Alluxio基于ARM服务器的部署与基本测试

## 基本测试 
[root@node1 ~]# alluxio runTests

3.3 Alluxio分布式高可用性验证（自动切换+手动切换）

## 管理命令获取元数据高可用信息
[root@node1 ~]# alluxio fsadmin journal quorum info -domain MASTER
Journal domain  : MASTER
Quorum size     : 3
Quorum leader   : node1:19200
 
STATE       | PRIORITY | SERVER ADDRESS
AVAILABLE   | 0        | node1:19200
AVAILABLE   | 0        | node2:19200
AVAILABLE   | 0        | node3:19200
 
## 关闭主管理节点
[root@node1 ~]# alluxio-stop.sh master
Successfully Killed 1 process(es) successfully on node1
 
## 管理命令获取元数据高可用信息，检查管理节点自动切换状态
[root@node1 ~]# alluxio fsadmin journal quorum info -domain MASTER
Journal domain  : MASTER
Quorum size     : 3
Quorum leader   : node2:19200
 
STATE       | PRIORITY | SERVER ADDRESS
UNAVAILABLE | 0        | node1:19200
AVAILABLE   | 0        | node2:19200
AVAILABLE   | 0        | node3:19200
[root@node1 ~]#

## 管理命令获取元数据高可用信息
[root@node1 ~]# alluxio fsadmin journal quorum info -domain MASTER
Journal domain  : MASTER
Quorum size     : 3
Quorum leader   : node2:19200
 
STATE       | PRIORITY | SERVER ADDRESS
AVAILABLE   | 0        | node1:19200
AVAILABLE   | 0        | node2:19200
AVAILABLE   | 0        | node3:19200
 
## 手动切换主节点
[root@node1 ~]# alluxio fsadmin journal quorum elect -address node3:19200
Initiating transfer of leadership to node3:19200
Successfully elected node3:19200 as the new leader
Resetting priorities of masters after successful transfer of leadership
Quorum priorities were reset to 1
 
## 管理命令获取元数据高可用信息，检查管理节点切换状态
[root@node1 ~]# alluxio fsadmin journal quorum info -domain MASTER
 
Journal domain  : MASTER
Quorum size     : 3
Quorum leader   : node3:19200
 
STATE       | PRIORITY | SERVER ADDRESS
AVAILABLE   | 1        | node1:19200
AVAILABLE   | 1        | node2:19200
AVAILABLE   | 1        | node3:19200
[root@node1 ~]#

3.4 Alluxio与HDFS集成

## HDFS数据查询
[root@node1 alluxio]# hdfs dfs -ls /test/
Found 1 items
-rw-r--r--   1 root hdfsadmingroup      53136 2022-07-22 16:57 /test/pom.xml
 
## Alluxio数据挂载映射
[root@node1 alluxio]# alluxio fs mount /test/ hdfs://node1:9000/test
Mounted hdfs://node1:9000/test at /test
 
## Alluxio数据查询
[root@node1 alluxio]# alluxio fs ls -R /test
-rw-r--r--  root           hdfsadmingroup           53136       PERSISTED 07-22-2022 16:57:23:651   0% /test/pom.xml
[root@node1 alluxio]#

3.5 Alluxio与Hive集成

## 创建Hive表
hive> create table test.test(id int) location 'alluxio://node1:19998/test/test';
OK
Time taken: 0.116 seconds
hive>

3.6 Alluxio基于ACL的权限控制

## 默认其他用户可以访问，禁止其他用户可以访问
[root@node1 ~]# alluxio fs setfacl -m user::--- /test
[root@node1 ~]# alluxio fs setfacl -m other::--- /test
 
## user1 用户访问失败
user1@node1 ~]$ alluxio fs ls /test
Permission denied: user=user1, access=r--, path=/test: failed at test, inode owner=root, inode group=root, inode mode=---r-x—
[user1@node1 ~]$
 
## user1 用户授权，访问成功
root@node1 ~]# alluxio fs setfacl -m user:user1:rwx /test
[user1@node1 ~]$ alluxio fs ls /test
-rw-r--r--  root           root                      1726       PERSISTED 07-25-2022 14:50:51:180 100% /test/run-presto.pl
[user1@node1 ~]$
 
## user2 用户未授权访问失败
[user2@node1 ~]$ alluxio fs ls /test
Permission denied: user=user2, access=r--, path=/test: failed at test, inode owner=root, inode group=root, inode mode=---r-x---
[user2@node1 ~]$
 
## 取消授权user1，访问失败
root@node1 ~]# alluxio fs setfacl -b /test
[user1@node1 ~]$ alluxio fs ls /test
Permission denied: user=user1, access=r--, path=/test: failed at test, inode owner=root, inode group=root, inode mode=---r-x---
[user1@node1 ~]$
 
## 查看目录权限
[root@node1 ~]# alluxio fs getfacl /test
# file: /test
# owner: root
# group: root
user::---
group::r-x
other::---
mask::rwx
[root@node1 ~]#

4. 数据域联邦场景研究

4.1 分公司数据汇总与总公司集中式分析

数据流验证：在总公司数据域，实现分公司数据联邦，允许总公司实现全域数据访问与分析：

√ 构建总公司分公司模拟环境；

√ 总公司基于Alluxio创建数据表T3，建立分区x, y, z；

√ 分公司-1将HDFS目录X映射到总公司Alluxio分区x，准备模拟数据；

√ 分公司-2将HDFS目录Y映射到总公司Alluxio分区y，准备模拟数据；

√ 总公司使用Hive读取T3数据，验证：访问分公司-1与分公司-2的所有数据正常；

√ 分公司-2将目录Y的数据进行更新；

√ 通知总公司数据表T3 y分区数据变更（元数据失效）；

√ 总公司使用Hive读取T3数据，验证：访问分公司-1与分公司-2（更新后）的所有数据正常。

## 总公司创建t3 表
hive> create external table group_company.t3(value string)
    > partitioned by (part string)
    > location 'alluxio://node1:19998/group_company/t3';
OK
Time taken: 0.069 seconds
hive>
## 分公司1 分区x挂载到总公司 alluxio
[root@node1 ~]# hdfs dfs -put part\=x/ hdfs://node3:9000/regional_company_1/t3
[root@node1 ~]# hdfs dfs -put part\=y/ hdfs://node5:9000/regional_company_2/t3
[root@node1 ~]#
 
[root@node1 ~]# alluxio fs mount \
> /group_company/t3/part=x \
> hdfs://node3:9000/regional_company_1/t3/part=x
Mounted hdfs://node3:9000/regional_company_1/t3/part=x at /group_company/t3/part=x
[root@node1 ~]#
 
## 查询数据
hive> MSCK REPAIR TABLE group_company.t3;
OK
Partitions not in metastore:    t3:part=x
Repair: Added partition to metastore t3:part=x
Time taken: 0.169 seconds, Fetched: 2 row(s)
hive> select * from  group_company.t3;
OK
1abc    x
Time taken: 0.108 seconds, Fetched: 1 row(s)
hive>
 
## 分公司2 分区y挂载到总公司 alluxio
[root@node1 ~]# alluxio fs mount \
> /group_company/t3/part=y \
> hdfs://node5:9000/regional_company_2/t3/part=y
Mounted hdfs://node5:9000/regional_company_2/t3/part=y at /group_company/t3/part=y
[root@node1 ~]#
 
## 查询数据
hive> MSCK REPAIR TABLE group_company.t3;
OK
Partitions not in metastore:    t3:part=y
Repair: Added partition to metastore t3:part=y
Time taken: 0.153 seconds, Fetched: 2 row(s)
hive> select * from  group_company.t3;
OK
1abc    x
2def    y
Time taken: 0.137 seconds, Fetched: 2 row(s)
hive>
 
## 更新分区y 数据
[root@node1 ~]# hdfs dfs -cat hdfs://node5:9000/regional_company_2/t3/part=y/000000_0
2def
[root@node1 ~]# hdfs dfs -get hdfs://node5:9000/regional_company_2/t3/part=y/000000_0
[root@node1 ~]# echo '1111' > 000000_0
[root@node1 ~]# hdfs dfs -rm hdfs://node5:9000/regional_company_2/t3/part=y/000000_0
Deleted hdfs://node5:9000/regional_company_2/t3/part=y/000000_0
[root@node1 ~]# hdfs dfs -put 000000_0 hdfs://node5:9000/regional_company_2/t3/part=y/
[root@node1 ~]# hdfs dfs -cat hdfs://node5:9000/regional_company_2/t3/part=y/000000_0
1111
[root@node1 ~]#
 
## 更新查询数据
hive> select * from  group_company.t3;
OK
1abc    x
2def    y
Time taken: 0.112 seconds, Fetched: 2 row(s)
hive>
 
## 通知总公司更新数据
[root@node1 ~]# alluxio fs loadMetadata -F /group_company/t3
[root@node1 ~]#
 
## 总更新数据后查询
hive> select * from  group_company.t3;
OK
1abc    x
1111    y
Time taken: 0.1 seconds, Fetched: 2 row(s)
hive>

4.2 总公司数据分发与分公司自助分析

数据流验证：在分公司数据域，合规访问总公司数据湖，并结合私有数据进行自助化分析：

√ 构建总公司分公司模拟环境；

√ 总公司基于HDFS创建数据表T1，建立分区a, b, c；

√ 分公司-1基于Alluxio使用数据表T1元数据创建相应表格T1’；

√ 总公司挂载分区a到分公司-1的Alluxio相关目录；

√ 分公司-1的Hive, 访问T1’，验证：访问分区a的数据正常；

√ 总公司挂载分区c到分公司-1的Alluxio相关目录；

√ 通过分公司-1的Hive, 访问T1’，验证：访问分区a/c的数据正常；

√ 总公司将挂载的分区c从分公司1撤回；

√ 通过分公司-1的Hive, 访问T1’，验证：仅能正常访问分区a的数据；

√ 分公司创建数据表T2，完成数据表之间的join类型SQL，验证：总公司数据与分公司自有数据联邦访问正常。

## 总公司创建 t1 表 三个分区 a b c
hive> create database group_company location '/user/hive/group_company.db';
OK
Time taken: 0.017 seconds
hive> create external table group_company.t1(value string) partitioned by (part string);
OK
Time taken: 0.144 seconds
 
hive> insert into table group_company.t1 partition(part='a') values('1abc');
hive> insert into table group_company.t1 partition(part='b') values('2def');
hive> insert into table group_company.t1 partition(part='c') values('3ghi');
 
hive> select * from group_company.t1;
OK
1abc    a
2def    b
3ghi    c
Time taken: 0.142 seconds, Fetched: 3 row(s)
 
## 分公司1 挂载总表分区 a
[root@node3 alluxio]# bin/alluxio fs mkdir /regional_company_1/t1/
Successfully created directory /regional_company_1/t1
[root@node3 alluxio]#
 
[root@node3 alluxio]# bin/alluxio fs mount \
> /regional_company_1/t1/part=a \
> hdfs://node1:9000/user/hive/group_company.db/t1/part=a
Mounted hdfs://node1:9000/user/hive/group_company.db/t1/part=a at /regional_company_1/t1/part=a
[root@node3 alluxio]#
 
## 创建表查询数据
hive> create external table t1(value string)
    > partitioned by (part string)
    > location 'alluxio://node3:19998/regional_company_1/t1';
OK
Time taken: 0.972 seconds
hive> select * from t1;
OK
Time taken: 1.282 seconds
hive> MSCK REPAIR TABLE t1;
OK
Partitions not in metastore:    t1:part=a
Repair: Added partition to metastore t1:part=a
Time taken: 0.235 seconds, Fetched: 2 row(s)
hive> select * from t1;
OK
1abc    a
Time taken: 0.137 seconds, Fetched: 1 row(s)
hive>
 
## 分公司1 挂载总表分区 c
[root@node3 alluxio]# bin/alluxio fs mount \
> /regional_company_1/t1/part=c \
> hdfs://node1:9000/user/hive/group_company.db/t1/part=c
Mounted hdfs://node1:9000/user/hive/group_company.db/t1/part=c at /regional_company_1/t1/part=c
[root@node3 alluxio]#
 
## 查询数据
hive> MSCK REPAIR TABLE t1;
OK
Partitions not in metastore:    t1:part=c
Repair: Added partition to metastore t1:part=c
Time taken: 0.244 seconds, Fetched: 2 row(s)
hive> select * from t1;
OK
1abc    a
3ghi    c
Time taken: 0.145 seconds, Fetched: 2 row(s)
hive>
 
## 撤回
[root@node3 alluxio]# bin/alluxio fs unmount /regional_company_1/t1/part=c
Unmounted /regional_company_1/t1/part=c
[root@node3 alluxio]#
 
hive> select * from t1;
OK
1abc    a
Time taken: 2.281 seconds, Fetched: 1 row(s)
hive>
 
## join t2 表
hive> select * from t2;
OK
5678    a
1234    d
Time taken: 0.082 seconds, Fetched: 2 row(s)
hive>
 
hive> select * from (
    > select * from t1
    > ) t1
    > join (
    > select * from t2
    > ) t2
    > on t1.part = t2.part;
Query ID = root_20220720135305_c5730dc3-a46a-478a-a368-2e0343385700
Total jobs = 1
Hadoop job information for Stage-3: number of mappers: 1; number of reducers: 0
2022-07-20 13:53:26,621 Stage-3 map = 0%,  reduce = 0%
2022-07-20 13:53:31,775 Stage-3 map = 100%,  reduce = 0%, Cumulative CPU 2.42 sec
MapReduce Total cumulative CPU time: 2 seconds 420 msec
Ended Job = job_1658118353477_0009
MapReduce Jobs Launched:
Stage-Stage-3: Map: 1   Cumulative CPU: 2.42 sec   HDFS Read: 8876 HDFS Write: 113 SUCCESS
Total MapReduce CPU Time Spent: 2 seconds 420 msec
OK
1abc    a       5678    a
Time taken: 27.333 seconds, Fetched: 1 row(s)
hive>

5. 总结

通过本次研究发现：

1 我们在国产化软硬件环境中（ARM+统信）对当前主流组件完成了适配和基本验证，Hive+Alluxio+HDFS的技术栈可以在国产化环境下正常运行；
2 通过Alluxio数据编排实现跨地域的数据联邦，实现总公司与分公司之间不同物理数据域的互联互通，提供企业内部完整的数据链路；
3 通过Alluxio自身的ACL控制，以及Alluxio与底层UFS（本次验证是HDFS）的挂载设定进行数据逻辑映射的控制；

在技术可行性方面的验证，也为我们日后的原型优化提供了更多的思路：

1 考虑新的数据合规要求，设定Alluxio中数据的TTL控制数据访问生命周期；
2 数据更新的机制，无论是利用UFS自身的变更通知还是外围的消息机制，更好地保障企业内部跨数据域的数据访问一致性；
3 更加细粒度的数据访问控制，通过更多的数据语义理解，提高对数据管理的灵活度；

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