流計算框架 Flink 與 Storm 的效能對比

Ververica發表於2019-04-29
框架ORM

背景

Apache Flink 和 Apache Storm 是當前業界廣泛使用的兩個分散式實時計算框架。其中 Apache Storm（以下簡稱“Storm”）在美團點評實時計算業務中已有較為成熟的運用（可參考 Storm 的可靠性保證測試），有管理平臺、常用 API 和相應的文件，大量實時作業基於 Storm 構建。而 Apache Flink（以下簡稱“Flink”）在近期倍受關注，具有高吞吐、低延遲、高可靠和精確計算等特性，對事件視窗有很好的支援，目前在美團點評實時計算業務中也已有一定應用。

為深入熟悉瞭解 Flink 框架，驗證其穩定性和可靠性，評估其實時處理效能，識別該體系中的缺點，找到其效能瓶頸並進行優化，給使用者提供最適合的實時計算引擎，我們以實踐經驗豐富的 Storm 框架作為對照，進行了一系列實驗測試 Flink 框架的效能，計算 Flink 作為確保“至少一次”和“恰好一次”語義的實時計算框架時對資源的消耗，為實時計算平臺資源規劃、框架選擇、效能調優等決策及 Flink 平臺的建設提出建議並提供資料支援，為後續的 SLA 建設提供一定參考。

Flink 與 Storm 兩個框架對比：

StormFlink
狀態管理無狀態，需使用者自行進行狀態管理有狀態
視窗支援對事件視窗支援較弱，快取整個視窗的所有資料，視窗結束時一起計算視窗支援較為完善，自帶一些視窗聚合方法，並且會自動管理視窗狀態。
訊息投遞At Most Once
At Least Once		At Most Once
At Least Once
Exactly Once
容錯方式ACK機制 ：對每個訊息進行全鏈路跟蹤，失敗或超時進行重發。檢查點機制 ：通過分散式一致性快照機制，對資料流和運算元狀態進行儲存。在發生錯誤時，使系統能夠進行回滾。
應用現狀在美團點評實時計算業務中已有較為成熟的運用，有管理平臺、常用 API 和相應的文件，大量實時作業基於 Storm 構建。在美團點評實時計算業務中已有一定應用，但是管理平臺、API 及文件等仍需進一步完善。


測試目標

評估不同場景、不同資料壓力下 Flink 和 Storm 兩個實時計算框架目前的效能表現，獲取其詳細效能資料並找到處理效能的極限；瞭解不同配置對 Flink 效能影響的程度，分析各種配置的適用場景，從而得出調優建議。

測試場景

“輸入-輸出”簡單處理場景

通過對“輸入-輸出”這樣簡單處理邏輯場景的測試，儘可能減少其它因素的干擾，反映兩個框架本身的效能。
同時測算框架處理能力的極限，處理更加複雜的邏輯的效能不會比純粹“輸入-輸出”更高。

使用者作業耗時較長的場景

如果使用者的處理邏輯較為複雜，或是訪問了資料庫等外部元件，其執行時間會增大，作業的效能會受到影響。因此，我們測試了使用者作業耗時較長的場景下兩個框架的排程效能。

視窗統計場景

實時計算中常有對時間視窗或計數視窗進行統計的需求，例如一天中每五分鐘的訪問量，每 100 個訂單中有多少個使用了優惠等。Flink 在視窗支援上的功能比 Storm 更加強大，API 更加完善，但是我們同時也想了解在視窗統計這個常用場景下兩個框架的效能。

精確計算場景（即訊息投遞語義為“恰好一次”）

Storm 僅能保證“至多一次” (At Most Once) 和“至少一次” (At Least Once) 的訊息投遞語義，即可能存在重複傳送的情況。有很多業務場景對資料的精確性要求較高，希望訊息投遞不重不漏。Flink 支援“恰好一次” (Exactly Once) 的語義，但是在限定的資源條件下，更加嚴格的精確度要求可能帶來更高的代價，從而影響效能。因此，我們測試了在不同訊息投遞語義下兩個框架的效能，希望為精確計算場景的資源規劃提供資料參考。

效能指標

吞吐量（Throughput）

  • 單位時間內由計算框架成功地傳送資料的數量，本次測試吞吐量的單位為：條/秒。
  • 反映了系統的負載能力，在相應的資源條件下，單位時間內系統能處理多少資料。
  • 吞吐量常用於資源規劃，同時也用於協助分析系統效能瓶頸，從而進行相應的資源調整以保證系統能達到使用者所要求的處理能力。假設商家每小時能做二十份午餐（吞吐量 20 份/小時），一個外賣小哥每小時只能送兩份（吞吐量 2 份/小時），這個系統的瓶頸就在小哥配送這個環節，可以給該商家安排十個外賣小哥配送。

延遲（Latency）

  • 資料從進入系統到流出系統所用的時間，本次測試延遲的單位為：毫秒。
  • 反映了系統處理的實時性。
  • 金融交易分析等大量實時計算業務對延遲有較高要求，延遲越低，資料實時性越強。
  • 假設商家做一份午餐需要 5 分鐘，小哥配送需要 25 分鐘，這個流程中使用者感受到了 30 分鐘的延遲。如果更換配送方案後延遲變成了 60 分鐘，等送到了飯菜都涼了，這個新的方案就是無法接受的。

測試環境

為 Storm 和 Flink 分別搭建由 1 臺主節點和 2 臺從節點構成的 Standalone 叢集進行本次測試。其中為了觀察 Flink 在實際生產環境中的效能，對於部分測內容也進行了 on Yarn 環境的測試。

叢集引數

引數項 引數值
CPU QEMU Virtual CPU version 1.1.2 2.6GHz
Core 8
Memory 16GB
Disk 500G
OS CentOS release 6.5 (Final)

框架引數

引數項 Storm 配置 Flink 配置
Version Storm 1.1.0-mt002 Flink 1.3.0
Master Memory 2600M 2600M
Slave Memory 1600M * 16 12800M * 2
Parallelism 2 supervisor
16 worker		 2 Task Manager
16 Task slots

測試方法

測試流程

資料生產

Data Generator 按特定速率生成資料，帶上自增的 id 和 eventTime 時間戳寫入 Kafka 的一個 Topic（Topic Data）。

資料處理

Storm Task 和 Flink Task （每個測試用例不同）從 Kafka Topic Data 相同的 Offset 開始消費，並將結果及相應 inTime、outTime 時間戳分別寫入兩個 Topic（Topic Storm 和 Topic Flink）中。

指標統計

Metrics Collector 按 outTime 的時間視窗從這兩個 Topic 中統計測試指標，每五分鐘將相應的指標寫入 MySQL 表中。
Metrics Collector 按 outTime 取五分鐘的滾動時間視窗，計算五分鐘的平均吞吐（輸出資料的條數）、五分鐘內的延遲（outTime - eventTime 或 outTime - inTime）的中位數及 99 線等指標，寫入 MySQL 相應的資料表中。最後對 MySQL 表中的吞吐計算均值，延遲中位數及延遲 99 線選取中位數，繪製影象並分析。

預設引數

  • Storm 和 Flink 預設均為 At Least Once 語義。
    • Storm 開啟 ACK，ACKer 數量為 1。
    • Flink 的 Checkpoint 時間間隔為 30 秒，預設 StateBackend 為 Memory。
  • 保證 Kafka 不是效能瓶頸，儘可能排除 Kafka 對測試結果的影響。
  • 測試延遲時資料生產速率小於資料處理能力，假設資料被寫入 Kafka 後立刻被讀取，即 eventTime 等於資料進入系統的時間。
  • 測試吞吐量時從 Kafka Topic 的最舊開始讀取，假設該 Topic 中的測試資料量充足。

測試用例

Identity

  • Identity 用例主要模擬“輸入-輸出”簡單處理場景，反映兩個框架本身的效能。
  • 輸入資料為“msgId, eventTime”，其中 eventTime 視為資料生成時間。單條輸入資料約 20 B。
  • 進入作業處理流程時記錄 inTime，作業處理完成後（準備輸出時）記錄 outTime。
  • 作業從 Kafka Topic Data 中讀取資料後，在字串末尾追加時間戳，然後直接輸出到 Kafka。
  • 輸出資料為“msgId, eventTime, inTime, outTime”。單條輸出資料約 50 B。

Sleep

  • Sleep 用例主要模擬使用者作業耗時較長的場景，反映複雜使用者邏輯對框架差異的削弱，比較兩個框架的排程效能。
  • 輸入資料和輸出資料均與 Identity 相同。
  • 讀入資料後，等待一定時長（1 ms）後在字串末尾追加時間戳後輸出

Windowed Word Count

  • Windowed Word Count 用例主要模擬視窗統計場景，反映兩個框架在進行視窗統計時效能的差異。
  • 此外，還用其進行了精確計算場景的測試，反映 Flink 恰好一次投遞的效能。
  • 輸入為 JSON 格式，包含 msgId、eventTime 和一個由若干單片語成的句子，單詞之間由空格分隔。單條輸入資料約 150 B。
  • 讀入資料後解析 JSON，然後將句子分割為相應單詞，帶 eventTime 和 inTime 時間戳發給 CountWindow 進行單詞計數，同時記錄一個視窗中最大最小的 eventTime 和 inTime，最後帶 outTime 時間戳輸出到 Kafka 相應的 Topic。
  • Spout/Source 及 OutputBolt/Output/Sink 併發度恆為 1，增大併發度時僅增大 JSONParser、CountWindow 的併發度。
  • 由於 Storm 對 window 的支援較弱，CountWindow 使用一個 HashMap 手動實現，Flink 用了原生的 CountWindow 和相應的 Reduce 函式。

測試結果

Identity 單執行緒吞吐量

  • 上圖中藍色柱形為單執行緒 Storm 作業的吞吐，橙色柱形為單執行緒 Flink 作業的吞吐。
  • Identity 邏輯下，Storm 單執行緒吞吐為 8.7 萬條/秒，Flink 單執行緒吞吐可達 35 萬條/秒。
  • 當 Kafka Data 的 Partition 數為 1 時，Flink 的吞吐約為 Storm 的 3.2 倍；當其 Partition 數為 8 時，Flink 的吞吐約為 Storm 的 4.6 倍。
  • 由此可以看出，Flink 吞吐約為 Storm 的 3-5 倍。

Identity 單執行緒作業延遲

  • 採用 outTime - eventTime 作為延遲，圖中藍色折線為 Storm，橙色折線為 Flink。虛線為 99 線，實線為中位數。
  • 從圖中可以看出隨著資料量逐漸增大，Identity 的延遲逐漸增大。其中 99 線的增大速度比中位數快，Storm 的 增大速度比 Flink 快。
  • 其中 QPS 在 80000 以上的測試資料超過了 Storm 單執行緒的吞吐能力，無法對 Storm 進行測試，只有 Flink 的曲線。
  • 對比折線最右端的資料可以看出，Storm QPS 接近吞吐時延遲中位數約 100 毫秒，99 線約 700 毫秒，Flink 中位數約 50 毫秒，99 線約 300 毫秒。Flink 在滿吞吐時的延遲約為 Storm 的一半。

Sleep 吞吐量

  • 從圖中可以看出，Sleep 1 毫秒時，Storm 和 Flink 單執行緒的吞吐均在 900 條/秒左右，且隨著併發增大基本呈線性增大。
  • 對比藍色和橙色的柱形可以發現，此時兩個框架的吞吐能力基本一致。

Sleep 單執行緒作業延遲（中位數）

  • 依然採用 outTime - eventTime 作為延遲，從圖中可以看出，Sleep 1 毫秒時，Flink 的延遲仍低於 Storm。

Windowed Word Count 單執行緒吞吐量

  • 單執行緒執行大小為 10 的計數視窗，吞吐量統計如圖。
  • 從圖中可以看出，Storm 吞吐約為 1.2 萬條/秒，Flink Standalone 約為 4.3 萬條/秒。Flink 吞吐依然為 Storm 的 3 倍以上。

Windowed Word Count Flink At Least Once 與 Exactly Once 吞吐量對比

  • 由於同一運算元的多個並行任務處理速度可能不同，在上游運算元中不同快照裡的內容，經過中間並行運算元的處理，到達下游運算元時可能被計入同一個快照中。這樣一來，這部分資料會被重複處理。因此，Flink 在 Exactly Once 語義下需要進行對齊，即當前最早的快照中所有資料處理完之前，屬於下一個快照的資料不進行處理，而是在快取區等待。當前測試用例中，在 JSON Parser 和 CountWindow、CountWindow 和 Output 之間均需要進行對齊，有一定消耗。為體現出對齊場景，Source/Output/Sink 併發度的併發度仍為 1，提高了 JSONParser/CountWindow 的併發度。具體流程細節參見前文 Windowed Word Count 流程圖。
  • 上圖中橙色柱形為 At Least Once 的吞吐量，黃色柱形為 Exactly Once 的吞吐量。對比兩者可以看出，在當前併發條件下，Exactly Once 的吞吐較 At Least Once 而言下降了 6.3%

Windowed Word Count Storm At Least Once 與 At Most Once 吞吐量對比

  • Storm 將 ACKer 數量設定為零後，每條訊息在傳送時就自動 ACK，不再等待 Bolt 的 ACK，也不再重發訊息，為 At Most Once 語義。
  • 上圖中藍色柱形為 At Least Once 的吞吐量，淺藍色柱形為 At Most Once 的吞吐量。對比兩者可以看出，在當前併發條件下，At Most Once 語義下的吞吐較 At Least Once 而言提高了 16.8%

Windowed Word Count 單執行緒作業延遲

  • Identity 和 Sleep 觀測的都是 outTime - eventTime，因為作業處理時間較短或 Thread.sleep() 精度不高，outTime - inTime 為零或沒有比較意義；Windowed Word Count 中可以有效測得 outTime - inTime 的數值，將其與 outTime - eventTime 畫在同一張圖上，其中 outTime - eventTime 為虛線，outTime - InTime 為實線。
  • 觀察橙色的兩條折線可以發現，Flink 用兩種方式統計的延遲都維持在較低水平；觀察兩條藍色的曲線可以發現，Storm 的 outTime - inTime 較低，outTime - eventTime 一直較高，即 inTime 和 eventTime 之間的差值一直較大，可能與 Storm 和 Flink 的資料讀入方式有關。
  • 藍色折線表明 Storm 的延遲隨資料量的增大而增大，而橙色折線表明 Flink 的延遲隨著資料量的增大而減小（此處未測至 Flink 吞吐量，接近吞吐時 Flink 延遲依然會上升）。
  • 即使僅關注 outTime - inTime（即圖中實線部分），依然可以發現，當 QPS 逐漸增大的時候，Flink 在延遲上的優勢開始體現出來。

Windowed Word Count Flink At Least Once 與 Exactly Once 延遲對比

  • 圖中黃色為 99 線，橙色為中位數，虛線為 At Least Once，實線為 Exactly Once。圖中相應顏色的虛實曲線都基本重合，可以看出 Flink Exactly Once 的延遲中位數曲線與 At Least Once 基本貼合，在延遲上效能沒有太大差異。

Windowed Word Count Storm At Least Once 與 At Most Once 延遲對比

  • 圖中藍色為 99 線，淺藍色為中位數，虛線為 At Least Once，實線為 At Most Once。QPS 在 4000 及以前的時候，虛線實線基本重合；QPS 在 6000 時兩者已有差異，虛線略高；QPS 接近 8000 時，已超過 At Least Once 語義下 Storm 的吞吐，因此只有實線上的點。
  • 可以看出，QPS 較低時 Storm At Most Once 與 At Least Once 的延遲觀察不到差異，隨著 QPS 增大差異開始增大，At Most Once 的延遲較低。

Windowed Word Count Flink 不同 StateBackends 吞吐量對比

  • Flink 支援 Standalone 和 on Yarn 的叢集部署模式，同時支援 Memory、FileSystem、RocksDB 三種狀態儲存後端（StateBackends）。由於線上作業需要，測試了這三種 StateBackends 在兩種叢集部署模式上的效能差異。其中，Standalone 時的儲存路徑為 JobManager 上的一個檔案目錄，on Yarn 時儲存路徑為 HDFS 上一個檔案目錄。
  • 對比三組柱形可以發現，使用 FileSystem 和 Memory 的吞吐差異不大，使用 RocksDB 的吞吐僅其餘兩者的十分之一左右。
  • 對比兩種顏色可以發現，Standalone 和 on Yarn 的總體差異不大，使用 FileSystem 和 Memory 時 on Yarn 模式下吞吐稍高，使用 RocksDB 時 Standalone 模式下的吞吐稍高。

Windowed Word Count Flink 不同 StateBackends 延遲對比

  • 使用 FileSystem 和 Memory 作為 Backends 時，延遲基本一致且較低。
  • 使用 RocksDB 作為 Backends 時，延遲稍高，且由於吞吐較低，在達到吞吐瓶頸前的延遲陡增。其中 on Yarn 模式下吞吐更低，接近吞吐時的延遲更高。

結論及建議

框架本身效能

  • 由 5.1、5.5 的測試結果可以看出，Storm 單執行緒吞吐約為 8.7 萬條/秒，Flink 單執行緒吞吐可達 35 萬條/秒。Flink 吞吐約為 Storm 的 3-5 倍。
  • 由 5.2、5.8 的測試結果可以看出，Storm QPS 接近吞吐時延遲（含 Kafka 讀寫時間）中位數約 100 毫秒，99 線約 700 毫秒，Flink 中位數約 50 毫秒，99 線約 300 毫秒。Flink 在滿吞吐時的延遲約為 Storm 的一半，且隨著 QPS 逐漸增大，Flink 在延遲上的優勢開始體現出來。
  • 綜上可得，Flink 框架本身效能優於 Storm。

複雜使用者邏輯對框架差異的削弱

  • 對比 5.1 和 5.3、5.2 和 5.4 的測試結果可以發現，單個 Bolt Sleep 時長達到 1 毫秒時，Flink 的延遲仍低於 Storm，但吞吐優勢已基本無法體現。
  • 因此，使用者邏輯越複雜，本身耗時越長，針對該邏輯的測試體現出來的框架的差異越小。

不同訊息投遞語義的差異

  • 由 5.6、5.7、5.9、5.10 的測試結果可以看出，Flink Exactly Once 的吞吐較 At Least Once 而言下降 6.3%，延遲差異不大；Storm At Most Once 語義下的吞吐較 At Least Once 提升 16.8%，延遲稍有下降。
  • 由於 Storm 會對每條訊息進行 ACK，Flink 是基於一批訊息做的檢查點，不同的實現原理導致兩者在 At Least Once 語義的花費差異較大，從而影響了效能。而 Flink 實現 Exactly Once 語義僅增加了對齊操作，因此在運算元併發量不大、沒有出現慢節點的情況下對 Flink 效能的影響不大。Storm At Most Once 語義下的效能仍然低於 Flink。

Flink 狀態儲存後端選擇

  • Flink 提供了記憶體、檔案系統、RocksDB 三種 StateBackends，結合 5.11、5.12 的測試結果，三者的對比如下：
StateBackend 過程狀態儲存 檢查點儲存 吞吐 推薦使用場景
Memory TM Memory JM Memory 高（3-5 倍 Storm） 除錯、無狀態或對資料是否丟失重複無要求
FileSystem TM Memory FS/HDFS 高（3-5 倍 Storm） 普通狀態、視窗、KV 結構（建議作為預設 Backend）
RocksDB RocksDB on TM FS/HDFS 低（0.3-0.5 倍 Storm） 超大狀態、超長視窗、大型 KV 結構

推薦使用 Flink 的場景

綜合上述測試結果，以下實時計算場景建議考慮使用 Flink 框架進行計算：

  • 要求訊息投遞語義為 Exactly Once 的場景；
  • 資料量較大，要求高吞吐低延遲的場景；
  • 需要進行狀態管理或視窗統計的場景。

展望

  • 本次測試中尚有一些內容沒有進行更加深入的測試，有待後續測試補充。例如：
    • Exactly Once 在併發量增大的時候是否吞吐會明顯下降？
    • 使用者耗時到 1ms 時框架的差異已經不再明顯（Thread.sleep() 的精度只能到毫秒），使用者耗時在什麼範圍內 Flink 的優勢依然能體現出來？
  • 本次測試僅觀察了吞吐量和延遲兩項指標，對於系統的可靠性、可擴充套件性等重要的效能指標沒有在統計資料層面進行關注，有待後續補充。
  • Flink 使用 RocksDBStateBackend 時的吞吐較低，有待進一步探索和優化。
  • 關於 Flink 的更高階 API，如 Table API & SQL 及 CEP 等，需要進一步瞭解和完善。

參考內容

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