Kafka - 分布式流媒体平台

2025 年 1 月 23 日 | 阅读 13 分钟

分布式流处理平台简介

分布式流处理平台是一个旨在跨多台机器或节点实时处理、分析和处理连续数据流的系统。这些平台通过将工作负载分布到计算机集群中,实现对大量数据的有效处理。它们支持可伸缩性、容错性和实时处理等各种功能,使其对于需要即时洞察的应用程序至关重要,例如金融交易、监控系统和实时分析。

Kafka - A Distributed Streaming Platform

使用 Apache Pulsar 的示例程序

Apache Pulsar 是一个开源的分布式消息和流处理平台。它为实时数据流提供了一个可伸缩、低延迟且持久的解决方案。下面是一个示例程序,演示如何使用 Apache Pulsar 从流中生产和消费消息。

设置 Apache Pulsar

1. 在本地模式下启动 Pulsar

在运行程序之前,请确保 Pulsar 正在运行。您可以使用以下命令在本地模式下启动 Pulsar

2. 创建 Pulsar 主题

您可以使用 Pulsar CLI 创建主题

生产者和消费者示例

Pulsar 生产者 Python 代码

输出

Kafka - A Distributed Streaming Platform

Pulsar 消费者 Python 代码


Kafka - A Distributed Streaming Platform

说明

  1. 生产者代码
    • 创建一个连接到本地 Pulsar 代理的 Pulsar 客户端。
    • 向主题 my-topic 生产 10 条消息。
    • 每条消息都发送到 Pulsar 并打印到控制台。
  2. 消费者代码
    • 创建一个 Pulsar 客户端和一个订阅 my-topic 主题的消费者。
    • 持续接收主题中的消息并打印。
    • 处理后确认每条消息,以确保不会重新投递。

此示例演示了 Apache Pulsar 生产和消费消息的简单用例,展示了分布式流处理平台在实际场景中的核心功能。

流处理模型

流处理模型旨在实时处理和分析连续数据流。这些模型定义了数据在系统中流动时如何处理,无论是应用简单的转换、按时间窗口聚合数据还是将流连接起来。

Kafka - A Distributed Streaming Platform

1. 无状态与有状态处理

无状态处理

无状态处理是指不依赖任何先前数据或上下文的操作。每个事件都是独立处理的,这意味着处理特定事件的结果不依赖于事件本身之外的任何信息。

示例:从整数流中过滤偶数。

使用 Apache Kafka Streams API(通过 Faust)的 Python 程序示例

说明

  • 该程序处理来自 numbers 主题的数字流。
  • 它过滤掉偶数并将它们发送到 even-numbers 主题。
  • 每个数字的处理都是独立的,没有维护状态。

有状态处理

有状态处理涉及维护跨多个事件的某些状态或上下文的操作。这允许事件的处理依赖于先前事件或累积状态。

示例:计算文本消息流中每个单词的出现次数。

使用 Apache Kafka Streams API(通过 Faust)的 Python 程序示例

输出

Kafka - A Distributed Streaming Platform

说明

  • 该程序从 text-messages 主题读取文本消息流。
  • 它使用表 (word_count_table) 维护所有消息中每个单词的有状态计数。
  • 状态(单词计数)会随着新消息的到来而更新和使用。

2. 窗口和聚合

窗口是一种将数据流分成有限时间块(称为窗口)的方法,以应用聚合等操作,否则这些操作在无限流上是不可能实现的。

翻滚窗口

翻滚窗口是固定大小、不重叠的窗口。每个事件都恰好落入一个窗口。

示例:计算 10 秒窗口中的事件数。

使用 Apache Flink 和 PyFlink API 的 Python 程序示例

输出

Kafka - A Distributed Streaming Platform

说明

  • 该程序处理输入流(例如,来自套接字)。
  • 它应用 10 秒的翻滚窗口,其中每个窗口内的所有事件都将被计数。
  • 每个窗口都独立处理,结果在每个窗口结束时打印。

滑动窗口

滑动窗口与先前的窗口重叠。每个事件都可以是多个窗口的一部分。

示例:计算每 5 秒滑动一次的 10 秒滑动窗口中的事件。

使用 Apache Flink 和 PyFlink API 的 Python 程序示例

输出

Kafka - A Distributed Streaming Platform

说明

  • 该程序处理一个输入流,该输入流具有一个 10 秒的滑动窗口,每 5 秒前进一次。
  • 每个事件都可能对多个窗口的结果有所贡献。

3. 事件时间处理

事件时间处理是指根据事件生成的时间(事件时间)而不是接收时间(处理时间)来处理事件。这在事件可能延迟或乱序到达的场景中至关重要。

示例:使用事件时间处理事件并处理延迟数据。

使用 Apache Flink 和 PyFlink API 的 Python 程序示例

输出

Kafka - A Distributed Streaming Platform

说明

  • 该程序处理一个输入流,其中每个事件都有一个时间戳。
  • 事件时间处理用于通过为事件分配时间戳来正确处理延迟数据。
  • 基于事件时间而不是处理时间应用 10 秒的窗口。

4. 流连接和复杂事件处理 (CEP)

流连接允许根据相关事件组合多个流。复杂事件处理 (CEP) 涉及检测跨流的模式或事件序列。

流连接

示例程序

输出

Kafka - A Distributed Streaming Platform

说明

  • 该程序根据 user_id 在两个流之间执行连接。
  • 连接在 10 秒窗口内执行,这意味着如果来自两个流的事件发生在此时间范围内,则它们会匹配。
  • 结果包括用户 ID、点击事件和购买事件。

复杂事件处理 (CEP)

复杂事件处理 (CEP) 涉及识别随时间推移的事件模式和序列。这对于检测欺诈、异常或操作序列等模式非常有用。

示例:使用 Apache Flink CEP 检测“登录后购买”模式。

使用 Apache Flink 和 PyFlink API 的 Python 程序示例

输出

Kafka - A Distributed Streaming Platform

说明

  • 该程序从流中读取事件,每个事件都包含 user_id 和 event_type。
  • 它使用 Apache Flink 的 CEP 库来定义登录事件后跟购买事件的模式。
  • 当检测到此模式时,它会触发处理函数,在此示例中,该函数只是打印匹配的模式。

高级分布式流处理平台

Kafka - A Distributed Streaming Platform

随着对实时数据处理的需求持续增长,分布式流处理平台正在不断发展,以应对新的挑战并利用新兴技术。以下是一些未来趋势

  1. 无服务器流处理架构
  2. 边缘计算和物联网流处理
  3. AI 和机器学习与流数据集成

1. 无服务器流处理架构

无服务器架构使开发人员能够专注于编写代码,而无需担心底层基础设施。在流处理平台上下文中,无服务器架构抽象了服务器管理、扩展和配置问题。

示例:AWS Lambda 与 Kinesis Data Streams

AWS Lambda 可用于处理 Kinesis Data Streams 中的事件,而无需管理服务器。

Python 程序示例

1. 创建 Lambda 函数

创建一个 Python Lambda 函数来处理 Kinesis 流中的记录

说明

  • Lambda 函数由 Kinesis Data Streams 触发。
  • 它处理流中的每个记录,解码有效负载并打印。
  • 您无需管理服务器;AWS Lambda 处理扩展和执行。

2. 配置 Lambda 函数

  • 在 AWS 管理控制台中设置 Kinesis Data Stream。
  • 创建一个新的 Lambda 函数并将其配置为使用 Python 运行时。
  • 将函数的触发器设置为您创建的 Kinesis Data Stream。

2. 边缘计算和物联网流处理

边缘计算涉及在数据生成的地方(网络边缘)附近处理数据,以减少延迟和带宽使用。物联网流处理需要实时处理和分析来自众多物联网设备的数据。

示例:在 IoT 边缘设备上使用 Apache Flink

Python 程序示例

1. 使用 Flink 设置边缘处理

对于边缘处理,您可以在物联网设备上部署轻量级 Flink 集群。下面是一个在边缘设备上运行的 Flink 作业的概念示例

说明

  • 该程序从物联网传感器读取温度数据。
  • 它使用滑动窗口计算平均温度。
  • 处理在边缘设备上进行,以最大程度地减少延迟和带宽使用。

3. AI 和机器学习与流数据集成

将 AI 和机器学习与流数据集成,可实现实时分析、预测和决策。此趋势涉及将模型应用于流数据,以执行异常检测、推荐系统等任务。

示例:使用 Apache Flink 和 TensorFlow 进行实时异常检测

Python 程序示例

1. 准备机器学习模型

假设您有一个用于异常检测的预训练 TensorFlow 模型。

2. 与 Flink 集成以进行实时预测

将模型与 Apache Flink 集成以应用实时预测。

输出

Kafka - A Distributed Streaming Platform

说明

  • 使用预训练的 TensorFlow 模型进行异常检测。
  • 该模型与 Flink 作业集成,其中流中的数据实时处理。
  • 对传入数据进行预测,并检测和处理异常。

分布式流处理平台中的数据管理

Kafka - A Distributed Streaming Platform

分布式流处理平台中的数据管理涉及几个关键组件

  1. 数据摄取和集成
  2. 流存储
  3. 序列化格式
  4. 模式演进和管理

让我们通过示例程序来探讨这些组件。

1. 数据摄取和集成

数据摄取是将数据收集并引入流处理平台的过程。集成涉及将来自各种来源的数据组合成统一的流。

示例:用于数据摄取的 Kafka Connect

Kafka Connect 是一个用于将各种来源的数据可伸缩、可靠地摄取到 Kafka 的工具。

使用文件源连接器设置 Kafka Connect

1. 创建连接器配置

创建文件源连接器配置 (file-source-connector.properties)

2. 启动 Kafka Connect

使用配置启动 Kafka Connect

说明

  • 文件源连接器:从文件读取数据并将其流式传输到 Kafka 主题。
  • 配置:指定要读取的文件和要写入的 Kafka 主题。

2. 流存储

流存储涉及数据如何在流处理平台内存储和管理。例如,Kafka 将数据存储在日志中。

示例:Kafka 日志存储

Kafka 将数据存储在主题分区中,每个分区都是一个日志文件。每个日志文件都由一系列记录组成。

使用 Kafka 写入和读取日志的程序

1. Kafka 生产者 (Python)

2. Kafka 消费者 (Python)

说明

  • 生产者:将日志消息写入 Kafka 主题。
  • 消费者:从 Kafka 主题读取日志消息。

3. 序列化格式

序列化格式用于在通过网络发送数据之前对其进行编码。常见的格式包括 Avro 和 Protobuf。

示例:Avro 序列化

1. 定义 Avro 模式

2. Avro 序列化的 Python 代码

消费者示例

说明

  • Avro 序列化:使用 Avro 格式序列化和反序列化数据,提供紧凑快速的数据编码。
  • 生产者:将 Avro 编码数据发送到 Kafka。
  • 消费者:从 Kafka 接收和解码 Avro 数据。

4. 模式演进和管理

模式演进允许数据模式随时间变化而不会破坏兼容性。这对于管理分布式系统中的数据更改至关重要。

示例:带有 Avro 的模式注册表

1. 启动模式注册表

假设您已安装 Confluent 模式注册表

2. 注册 Avro 模式

使用模式注册表 REST API 注册模式

说明

  • 模式注册表:管理和提供数据序列化和反序列化的模式。
  • 模式注册:向模式注册表注册模式,以确保兼容性并管理模式演进。