Apache Celeborn在中通的探索实践

随着公司业务体量不断发展，多个业务线依赖于大数据平台开展数据业务，大数据底层系统的稳定和高效成为了公司业务正常运转的基石。中通的大数据平台的基座依托于Hadoop，目前公司90%的ETL任务基于Spark-Sql引擎构建的，每天线上运行的 Spark任务有12w+，每天Shuffle产生的数据规模达6PB以上，同时单次Shuffle数据最大规模达数百TB以上，巨大的Shuffle数据量和复杂的计算环境使得Spark的Shuffle过程面临巨大挑战。因此保证Shuffle稳定性对Spark任务的执行效率和稳定性显得至关重要。

中通Spark Shuffle采用了社区的External Shuffle Service方案，我们称ESS方案。ESS的Shuffle服务是内嵌在NodeManager中，Spark Eexcutor参与Shuffle过程时，Shuffle Write阶段，Map任务产生的数据直接Shuffle写入到本地存储介质。Shuffle Read阶段，Reduce任务读取Shuffle数据文件时，无需从Executor获取，直接从内嵌在NodeManager中的ESS服务获取。通过上述方式完成了Shuffle的数据交互，如下图所示的ESS数据交互过程。

ESS数据交互过程

Shuffle过程会涉及到频繁的磁盘IO和网络连接，它的主要作用是将所有Map任务产生的数据进行重分区并重组，提供给下游Reduce任务使用，该方案的好处是Shuffle数据获取不受Eexcutor是否退出的影响。但是该方案也存在一些不足和弊端，主要表现以下三个方面：

目前中通的离线集群主流的机型的磁盘配置主要分为二种：

1）24块SAS盘（单盘1.7TB HDD）

2）12块SATA盘（单盘15TB HDD）

由于单机的io能力存在非常巨大的差异，在etl高峰时期导致12块的SATA盘的磁盘利用率一直处于在高水位，而24块盘的SAS盘利用率却一直不高，整个集群的磁盘利用率非常的不均衡，从而我们作业的长尾任务非常严重，ETL时效无法得到有效保障。

即使我们在去年扩容了数百台物理机，但整个etl时效并没有得到提前，甚至任务运行的更加不稳定，这也是我们目前遇到的最大的痛点问题。

在ESS架构下的Shuffle Read阶段，每个NodeManager所在的机器都会收到Reducer发来的数据请求，这就涉及到了M乘以N级别的网络连接和磁盘的随机读写，很容易将磁盘的iops打到上限，使得整个shuffle的速度比较缓慢，甚至出现Fetch Failed情况。

每个Mapper在Shuffle Write阶段写入数据到本地磁盘，数据有且只有一份，如果发生磁盘故障或者机器宕机了，数据就会丢失。可能引起Spark Stage级别的重算，造成ETL延迟。

Spark Remote Shuffle Service （简称RSS）,这是一种基于推送的shuffle服务。核心思想，基于push的shuffle的概念。在shuffle Write阶段，Mapper产生shuffle数据被推送至远端的shuffle服务，并按照partition进行合并。在Shuffle Read阶段，Reducer从远端的shuffle服务读取合并的Shuffle文件。如下图所示为RSS数据交互过程。

RSS数据交互过程

RSS为spark shuffle带来几个关键性的好处。

1） 提升磁盘IO效率

在传统的ESS的方案中，都是大量小的随机IO。但是，基于推送的shuffle，reducer读取数据时，从ESS原有的小的随机读写变为大的顺序读写，磁盘IO性能得到了提升。

2）缓解了shuffle可靠性问题

在ESS方案中，需要每个 reduce 任务都能成功地从所有 map 任务中获取每个相应数据，这在拥有数千个节点的繁忙集群通常无法满足。RSS通过提供多个shuffle数据副本保证了shuffle的可靠性。

3）降低网络数

在ESS方案中，Mapper和Reducer数量乘数决定了整体的网络连接数，而在RSS中，Mapper和Reducer数量线性关系决定了整体的网络连接数，大大降低了网络连接数的数量。

Celeborn是阿里云捐赠给Apache软件基金会的专注于处理Shuffle中间数据Remote Shuffle Service，致力于打造统一的中间数据服务，助推计算引擎提升性能和稳定性。目前已经广泛运行在包括阿里云、小米、shopee、网易等在内的各大企业中。Celeborn具有磁盘负载感知，双副本机制，支持AQE，基于推送shuffle服务，智能流控反压，原地升级，优雅下线机器等优点。

今年年初我们调研了业界几乎所有的RSS的开源实现，最终我们选择Celeborn作为Spark计算引擎的统一Shuffle中间数据服务，因为它具备以下几个独特的优势。

1）磁盘负载感知

Celeborn为作业分配资源时，从磁盘视角出发的，将整个集群的所有磁盘进行统一的分配，如下图所示的磁盘Slots分配流程。

磁盘Slots分配流程

它将磁盘分为两个组，一个为快盘组,一个是慢盘组，并且实时感知磁盘的读写性能，按照一定梯度在两个组中间分配磁盘资源，通过调整梯度能够最大化利用集群磁盘的性能。该特性对于中通异构磁盘的集群非常友好，使用了Celeborn的RSS服务就不用考虑物理机磁盘数量或磁盘IO能力的差异，Celeborn利用实时感知磁盘的能力帮我们解决该问题，该能力可以帮我们做到更均衡的使用集群IO资源提升Spark Shuffle效率，保证了Spark ETL作业的执行效率和稳定性。

2）智能流控反压

由于我们的部署方式采用完全混合部署，因此我们需要严格控制内存的配置，以避免Worker机器内存被耗尽导致无法正常提供服务。为此，Celeborn设计了拥塞控制和流量控制机制。

拥塞控制方面，参考了TCP的拥塞控制机制，其中包括慢启动、拥塞避免和拥塞控制三个环节。在Shuffle Write阶段，数据推送开始时处于慢启动阶段，推送速率逐渐增加。一旦达到阈值，便进入拥塞避免阶段，推送速率以较缓慢的固定斜率增长。如果Worker内存达到警戒线，将触发拥塞控制，向每个client发送一条消息。Client接收到消息后，将回到慢启动阶段，推送速率也会降低。

流量控制方面，基于Credit Based的实现。具体来说，Client发送数据之前，先向Worker获取一定的Credit，这意味着Worker为Client预留一部分内存，Client推送不超过Worker分配的Credit的数据。这种机制保证了对内存的精准控制。但是，对性能有一定的损耗。

总体上，该特性在保证了Shuffle Write阶段，Celeborn能够同时兼顾瞬时流量的高峰和稳定态的性能的一种能力。

3）支持Spark 2.x AQE

Celeborn天然支持Spark 2.x AQE特性，因为中通Spark是基于Intel的Spark2.3.2 AQE分支衍生出来的。该特性的支持大大降低了集成RSS上的复杂度。

4）支持主流离线计算引擎

Celeborn不仅仅支持Spark离线计算引擎，还支持MR、Flink Batch等离线计算引擎，并覆盖了中通的所有的离线计算场景，未来我们完全可以使用一个组件覆盖所有的shuffle场景。

我们今年在4月份开始对celeborn0.3.0做深度测试工作,期间也遇到了一些问题，下面我们整理了一些我们所遇到问题做一些分享。

现象：多个大数据量的Spark作业执行速度慢，Worker日志出现大量的Trim Action，如下图所示：

原因：这是由于Netty的Thread-Local Cache引起的，社区的这两个patch CELEBORN-796和CELEBORN-897， 就是全局地将Thread-Local Cache关闭，从而改善了Netty的内存使用。

解决：通过合并上述两个Patch，重新测试，多个大数据量的Spark作业明显变快，Netty内存使用也得到很好的改善，如下图所示:

现象：Spark作业执行总是不成功，Task的异常堆栈，如下图所示：

原因：StorageManager中存在并发数据清单fileInfos，当spark app开始往worker写入shuffle数据时，先在磁盘创建shuffle file, 然后将该file添加至fileInfos。另外一个清理过期app的线程直接从磁盘读取shuffle file, 通过fileInfos进行过滤出不在其中的shuffle file，进行清理。两个并发的线程之间会导致fileInfos数据与磁盘shuffle file不一致，从而导致新创建没来得及写入数据的shuffle file被误删，进而导致spark app由于文件误删而失败。

解决：我们修复了这一块的代码bug。

为此，我们为社区贡献了pr CELEBORN-1005。

原因：过期app清理数据机制和shuffle运行结束的清理数据机制逻辑存在重合，使得过期app数据清理时，一并将该app的新的shuffle阶段的数据给删除了，导致spark的reduce任务无法读取到被删除的数据而失败。例如，一个app的shuffle(application_1689848866482_13046341_1-18)触发了cleanupExpiredShuffleKey，那可能这个时候fileInfos清单为空。

接着cleanupExpiredAppDirs这个线程就可能就会把/rss/application_1689848866482_13046341_1所有的子目录删除，删除的时候可能有新的ReserveSlots，这个时候可能会把新创建的目录给删除。

解决：在cleanupExpiredAppDir使用参数celeborn.worker.storage.expireDis.timeout增加判断，只删除12小时之前的app过期的目录，即可避免该问题。

为此，我们为社区贡献了pr CELEBORN-1046。

现象：如下所示，当Driver内存溢出时，通过dump内存分析，可以看到内存中积压PbPartitionLocation对象达500多万个。

原因：假一个Spark作业并发度为3000， 每个MapTask处理1000个分区，如果Mapper处理的数据压缩率比较高，解压后每个分区数据的大小都大于1GB，就达到了Split的触发阈值1GB。如果所有MapTask写入的数据同时触发PartitionSplit, 每个MapTask产生1000个Split消息，在一瞬间至少会产生300（3000*1000）万条rpc请求，堆积在Driver的rpc收件箱，Driver端处理线程处理不过来，或者GC不过来或不及时等原因，最终导致Driver内存溢出。

解决：正常情况下只有少数异常分区才会触发split请求，由于数据的压缩率导致的大规模split的场景还是比较少见的，所以我们适当了提高了参数spark.celeborn.client.shuffle.partitionSplit.threshold阈值由1G改为10G，规避了这种场景下导致的driver oom。

现象：这意味着该机器几乎不参与rss的工作，如下图所示，查看机器的磁盘负载几乎没有负载，磁盘可用空间富余，对于已经分配出去的Slots也能正常工作。

原因：磁盘资源Slots分配机制使用的是loadAware。可能的情况是，部分机器被loadAware排序到尾部，而loadAware机制排序时参照的指标是fetchTime。由于fetchTime的滑动窗口指标采集门槛阈值设定过高（为100），导致磁盘指标数据无法进入该窗口，从而fetchTime指标一直不更新。这导致该机器的磁盘一直排在最后，无法参与Slot的分配。

解决：经过研究源码，发现将参数celeborn.worker.diskTime.slidingWindow.minFetchCount由100改为0，可以避免该问题。这样做的原理是：30秒一个采样点，如果这个30秒里面没有数据，填进去是0，那这个窗口出来的平均值也是逐步降低的。这样一部分slot就可以分配出去，当Spark作业启动后，fetchTime应该会越来越准确。

现象：查看Worker日志发现，出现大量的NPE异常，如下图：

原因：一个坏盘出现时，如果清理过期的shuffle keys，从StorageManager中字段diskOperators获取某个shuffle key对应的线程池会抛出NullPointerException，导致后续shuffle key对应的过期数据无法清理，使得磁盘的可用容量减少，直至磁盘容量告警。

解决：celeborn清理机制，过滤掉状态异常的磁盘，只清理状态正常的磁盘，就不会抛出NPE异常，从而导致退出逻辑。

为此，我们为社区贡献了pr CELEBORN-1103。

由于我们的监控系统没有采用prometheus，celeborn原生提供了prometheus的支持，对于我们的监控系统只支持json格式不是很友好，我们定制了支持json格式指标采集。

为此，我们为社区贡献了pr CELEBORN-1122。

今年4月份开始我们开展调研和验证Celeborn的工作, 8月份开启非核心etl时段的部分测试队列灰度测试，并在10月底将灰度时间延长到凌晨1点，10月份我们将celeborn升级至最新的0.3.1,并平稳度过整个双十一大促，12月份我们已将所有的spark任务接入celeborn并稳定运行至今。Celeborn落地的整个里程碑如下图所示：

至此，Celeborn基本在中通已经完全落地，架构升级后给我们带来了巨大的收益，主要体现以下几个方面：

落地celeborn，本质利用其磁盘感知能力，充分利用小盘机快IO能力，提高小盘机器磁盘利用率，降低大盘机器的磁盘利用率，使得整体集群的磁盘利用率更均衡，从而提升spark etl任务的执行效率，提高稳定性。如下图所示，落地Celeborn后，大盘机和小盘机的磁盘利用率均在55%左右，整体上均衡了集群磁盘利用率。

Celeborn的落地大幅降低机器间网络连接数的使用，落地前后，单台机器网络连接数从4万左右下降到2万左右，网络连接数下降一倍多，大大地节省了网络连接资源。如下图所示：

在ESS架构下，我们采集了RegisterExternalShuffle超时报错和FetchFailed报错，统计出总的Task失败数为4w6左右。接入celeborn后，我们采集Task Failed中关键字包含CelebornIOException的个数，统计出Task失败数下降到20左右，减少了2300多倍，效果是相当亮眼的。如下图所示：

在使用ESS架构下，中通的核心宽表任务平均产出时间大概在4点30分左右，Celeborn上线之后，核心宽表提速90分钟以上，目前平均产出时间在3点左右，得到了数仓与业务方的高度认可与肯定。

Celeborn落地过程我们取得了很大的成果，整体上大大提升了spark中的shuffle执行效率、可靠性和稳定性。后续我们计划打造基于Celeborn的统一中间数据服务，逐步接入MR、FLINK。

同时我们也关注到了社区的一些新特性，例如，Memory Cache、Spark Stage重算等功能。未来，我们也计划逐步落地和实践。

在这里特别感谢Celeborn社区的 @一锤 @明济 @履霜等老师，在中通Celeborn落地的过程中，给予的大力技术支持。他们的专业知识和耐心指导为我们解决了许多问题。愿Celeborn社区蓬勃发展，不断壮大，为更多企业的成功发展贡献力量。