在实时数据部分，通过Binlog方式，将业务数据库中的数据变更（CDC，Change Data Capture）采集到实时数仓。同时，通过Flume -Kafka-Sink对日志数据进行实时采集，当不同来源的数据都采集到实时存储系统后，便可以基于实时存储系统来构建实时数仓。在实时数仓的内部，仍然会遵守传统数仓分层理论，将数据分为ODS 层、DWD 层、DWS 层、 ADS 层以实现最大程度的模型复用。
在离线数据部分，通过DataX定时同步的方式，批量同步业务库RDS中的数据。当不同来源的数据进入到离线数仓后，便可以在离线数仓内部，依赖Spark SQL 或Hive SQL 对数据进⾏定时处理，分离出不同层级（ODS 、DWD 、ADS 等）的数据，并将这些数据存在⼀个存储介质上，⼀般会采用如 HDFS 的分布式文件系统或者 S3 对象存储上。通过这样的⽅式，离线数仓便构建起来了。与此同时，为了保障数据的一致性，通常需要开启数据清洗任务，使用离线数据对实时数据进行清洗和定期覆盖，保障数据最终的一致性。

从技术架构的角度对传统数据技术栈进行分析，会发现为了迎合不同场景的需求，往往会采用多种技术栈，例如对于 OLAP 场景的多维分析，一般使⽤ Doris 或 Kylin、 Druid。除此之外，为应对半结构化数据的分析需求，例如日志分析与检索场景，通常会使⽤ ES 进行分析；面对高并发点查询的Data Serving 场景会使⽤ HBase等。其中涉及到的数据组件有数十种，高昂的使用成本和组件间兼容、维护及扩展带来的繁重压力成为企业必须要面临的问题。

从上述介绍即可知道，传统的数据架构存在几个核心的痛点问题：

传统数据架构组件繁多，维护复杂，运维难度非常高。
计算、存储和研发成本都较高，与行业降本提效的趋势背道而驰。
同时维护两套数据仓库（实时数仓和离线数仓）和两套计算（实时数据量和实时计算任务），数据时效性和一致性无法保证。

在此背景下，需要构建⼀个“极速、易用、统一、实时”的数据架构来解决这些痛点：

极速：更快的查询速度，最大化提升业务分析人员的效率；
易用：对于用户侧的使用和运维侧的管控，都提供了极简的使用体验；
统一：异构数据与分析场景的统一，半结构化和结构化数据可以统一存储，多分析场景可以统一技术栈；
实时：端到端的高时效性保证，发挥实时数据的价值

二、构建极速易用的实时数仓架构

采取Doris和Flink来构建极速易用的实时数仓，具体架构如下图所示。多种数据源的数据经过flink cdc 集成或flink job加工件处理后，入库到Doris或者Hive等湖仓中，最终基于Doris提供统一的查询服务。

在数据同步上，通过Flink CDC将RDS的数据实时同步到Doris。通过Routine Load将kafka等消息系统的数据实时同步到Doris，在数仓分层上，ODS层通常选择明细模型构建，DWD层可以通过SQL调度任务，对ODS数据抽取并获取，DWS和ADS层则可以通过物化视图和Rollup进行构建。在数据湖上， Doris ⽀持为 Hive、Iceberg 、Hudi 以及Delta Lake（todo）提供联邦分析和湖仓加速的能⼒。在数据应用上，Doris 既可以承载批量数据加工处理的需求，也可以承载高吞吐的 Ad-hoc(数据探索) 和高并发点查询等多种应⽤场景。

三、解决方案

3.1 如何实现数据的增量与全量同步

3.1.1 增量及全量数据同步

在全量数据和增量的同步上，采取了Flink CDC来实现。其原理非常简单，Flink CDC实现了基于Snapshot的全量数据同步，基于 BinLog的实时增量数据同步。全量数据同步和增量数据同步可以自动切换，因此在数据迁移过程中，只需要配置好同步的表即可。当Flink任务启动时，优先进行历史表的数据同步，同步完成后自动切换成实时同步。

3.1.2 数据一致性保证

如何保证数据一致性是大家重点关注的问题之一，那么在新架构是如何实现的呢？

数据⼀致性⼀般分为“最多⼀次” 、“⾄少⼀次”和“精确⼀次”三种模型。

最多⼀次（At-Most-Once）：发送⽅仅发送消息，不期待任何回复。在这种模型中，数据的⽣产和消费过程中可能出现数据丢失的问题。

⾄少⼀次（At-Least-Once）：发送⽅不断重试，直到对⽅收到为⽌。在这个模型中，⽣产和消费过程都可能出现数据重复。

精确⼀次（Exactly-Once）：能够保证消息只被严格发送⼀次，并且只被严格处理⼀次。这种数据模型能够严格保证数据⽣产和消费过程中的准确⼀致性。

Flink CDC通过Flink Checkpoint机制结合Doris两阶段提交可以实现端到端的Exactly Once语义，具体过程分为四步：

事务开启（Flink Job启动及Doris事务开启）：当Flink任务启动后，Doris Sink 会发起 Precommit 请求，随后开启写⼊事务。
数据传输（Flink Job的运行和数据传输）：在Flink Job运行过程中，Doris Sink不断从上游算子获取数据，并通过 HTTP Chunked 的⽅式持续将数据传输到 Doris。
事务预提交：当Flink开始进行Checkpoint时，Flink会发起Checkpoint请求，此时Flink各个算子会进行Barrier对齐和快照保存，Doris Sink发出停止 Stream Load 写⼊的请求，并发起一个事务提交请求到Doris。这步完成后，这批数据已经完全写入Doris BE中，但是BE没有进行数据发布前对用户是不可见的。
事务提交：当Flink的Checkpoint完成之后，将通知各个算子，Doris发起一次事务提交到Doris BE，BE对此次写入的数据进行发布，最终完成数据流的写入。

综上可知，利用 Flink CDC结合Doris 两阶段事务提交保证了数据写入一致性。需要注意的是，在该过程中可能遇到一个问题：如果事务预提交成功、但 Flink Checkpoint 失败了该怎么办？针对该问题，Doris 内部支持对写⼊数据进⾏回滚(Rollback)，从而保证数据最终的⼀致性。

3.1.3 DDL 和 DML 同步

随着业务的发展，部分用户可能存在RDS Schema的变更需求。当RDS表结构发生变更时，用户期望Flink CDC不但能够将数据变化同步到Doris，也希望将 RDS 表结构的变更同步到 Doris，⽤户则无需担⼼ RDS 表结构和 Doris 表结构不⼀致的问题。

Light Schema Change

Apache Doris 1.2.0 已经实现了 Light Schema Change 功能，可满⾜ DDL 同步需求，快速⽀持 Schema 的变更。

Light Schema Change的实现原理相对简单，对数据表的加减列操作，不再需要同步更改数据文件，仅需要再FE中更新元数据即可，从而实现毫秒级的Schema Change操作。由于Light Schema Change 只修改了 FE的元数据，并没有同步给 BE。因此会产⽣ BE 和 FE Schema 不⼀致的问题。为了解决这种问题，我们对 BE 的写出流程进⾏了修改，具体包含三个⽅⾯。

（1）数据写入：FE会将Schema 持久化到元数据中，当 FE 发起导⼊任务时，会把最新的 Schema 一起发给 Doris BE，BE 根据最新的Schema对数据进⾏写⼊，并与 RowSet 进⾏绑定。将该 Schema 持久化到 RowSet 的元数据中，实现了数据的各⾃解析，解决了写⼊过程中 Schema不⼀致的问题。

（2）数据读取：FE ⽣成查询计划时，会把最新的 Schema 附在其中⼀起发送给 BE，BE 拿到最新的 Schema 后对数据进⾏读取，解决读取过程中 Schema 发⽣不⼀致的问题。

（3）数据 Compaction：当数据进⾏ Compaction 时，选取需要进⾏ Compaction 的 RowSet中最新的Schema作为之后RowSet 对应的 Schema，以此解决不同 Schema上 RowSet 的合并问题

经过对 Light Schema Change 写出流程的优化后，单个 Schema Chang 从 310 毫秒降低到了 7 毫秒，整体性能有近百倍的提升，彻底的解决了海量数据的 Schema Change 变化难的问题。

Flink CDC DML 和DDL同步

有了上述Light Schema Change 的保证，Flink CDC 能够同时⽀持DML 和DDL 的数据同步。那么是如何实现的呢？

（1）开启 DDL 变更配置：在 Flink CDC 的 MySQL Source 侧开启同步 MySQL DDL 的变更配置，在 Doris 侧识别 DDL 的数据变更，并对其进⾏解析。

（2）识别及校验：当 Doris Sink 发现 DDL 语句后，Doris Sink 会对表结构进⾏验证，验证其是否⽀持 Light Schema Change。

（3）发起 Schema Change ：当表结构验证通过后，Doris Sink 发起 Schema Change 请求到 Doris，从⽽完成此次 Schema Change 的变化。

解决了数据同步过程中源数据⼀致性的保证、全量数据和增量数据的同步以及 DDL 数据的变更后，一个完整的数据同步⽅案就基本形成了。

3.2 如何基于Flink实现多种数据集成

除了上文中所提及的基于Flink CDC 进行数据增量/全量同步外，还可以基于 Flink Job 和 Doris 来构建多种不同的数据集成方式：

将Mysql中两个表的数据同步到Flink后，在Flink内部进行多流Join完成数据打宽，后将大宽表同步到Doris中。
对上游的Kafka数据进行清洗，在Flinkjob完成清洗后，通过Doris-Sink写入到Doris中。
对Mysql数据和Kafka数据在Flink内部进行多流Join，将Join后的宽表结果写入Doris中。
在Doris侧预先创建宽表，将上游RDS中的数据根据Key写入，使用Doris的部分列更新将多列数据写入到Doris的大宽表中。

3.3 如何选择数据模型

Doris针对不同场景，提供了不同的数据模型，分别为明细模型、聚合模型、主键模型。

3.3.1 DUPLICATE 明细模型

在某些多维分析场景下，数据既没有主键，也没有聚合需求，Duplicate 数据模型可以满足这类需求。明细模型主要用于需要保留原始数据的场景，如日志分析，用户行为分析等场景。明细模型适合任意维度的 Ad-hoc 查询（即席查询）。虽然同样无法利用预聚合的特性，但是不受聚合模型的约束，可以发挥列存模型的优势（只读取相关列，而不需要读取所有 Key 列）。

3.3.2 AGGREGATE 聚合模型

在企业实际业务中有很多需要对数据进行统计和汇总操作的场景，如需要分析网站和 APP 访问流量、统计用户的访问总时长、访问总次数，或者像厂商需要为广告主提供广告点击的总流量、展示总量、消费统计等指标。在这些不需要召回明细数据的场景，通常可以使用聚合模型，比如上图中需要根据门店 ID 和时间对每个门店的销售额实时进行统计。

3.3.3 UNIQUE KEY 主键模型

在某些场景下用户对数据更新和数据全局唯一性有去重的需求，通常使用UNIQUE KEY 模型。在 UNIQUE 模型中，会根据表中的主键进⾏Upsert 操作：对于已有的主键做 Update 操作，更新 value 列，没有的主键做 Insert 操作，比如图中我们以订单id为唯一主键，对订单上的其他数据（时间和状态）进行更新。

3.4 如何构建数仓分层

由于数据量级普遍较大，如果直接查询数仓中的原始数据，需要访问的表数量和底层文件的数量都较多，不同层级对数据或指标做不同粒度的抽象，通过复用数据模型来简化数据管理压力，利用血缘关系来定位数据链路的异常，同时进一步提升数据分析的效率，在Doris 中可以通过以下多种思路来构建数据仓库分层：

3.4.1 微批调度

通过INSERT INTO SELECT 可以将原始表的数据进行处理和过滤并写入到目标表中，这种SQL抽取数据的行为一把是以微批形式进行（例如15分钟一次的ETL计算任务），通常发生在从ODS到DWD层数据的抽取过程中，因此需要借助外部的调度工具例如Dolphinscheduler等来对ETL SQL进行调度。

3.4.2 物化视图与Rollup

物化视图本质是一个预先计算的过程，可以在Base表上，创建不同的物化视图或Rollup来对Base表进行聚合计算。通常在明细层到汇总层（例如dwd层到dws层或 dws层到ads层）的汇聚过程中，可以使用物化视图，以此实现指标的高度聚合。同时物化视图的计算是实时进行的，因此站在计算的角度，也可以将物化视图理解为一个单表上的实时计算过程。

3.4.3 多表物化视图

Doris 2.0将实现多表物化视图这一功能，可以将带有 Join 的查询结果固化以供用户直接查询，支持定时自动或手动触发的方式进行全量更新查询结果。基于多表物化视图这一功能的实现，可以做更复杂的数据流处理，比如数据源侧有 TableA、TableB、TableC，在多表物化视图的情况下，用户就可以将 TableA 和 TableB 的数据进行实时Join 计算后物化到 MV1 中。在这个角度上来看，多表物化视图更像一个多流数据实时 Join 的过程。

3.5 如何应对数据更新

在实时数仓构建的过程中，还需面临高并发写入和实时更新的挑战，如何在亿级数据中快速找到需要更新的数据，并对其进行更新，⼀直都是大数据领域不断追寻的答案。

3.5.1 高并发数据更新

在Doris中通过Unique Key 模型来满足数据更新的需求，同时通过MVCC多版本并发机制来实现数据的读写隔离。当新数据写入时，如果不存在相同key的数据则会直接写入，如果有相同key的数据则增加版本，此时数据将多个版本的形式存在。后台会启动异步的Compaction进程对历史版本的数据进行清理，当用户在查询时，Doris会将最新版本对应的数据返回给用户，这种设计解决了海量数据的更新问题。

在Doris中提供了Merge-on-Read和Merge-on-Write两种数据更新模式。

在此我们以订单数据的写入为例介绍 Merge-on-Read 的数据写入与查询流程，三条订单数据均以 Append 的形式写⼊ Doris 表中：

数据 Insert：首先写入 ID 为 1,2,3 的三条数据；
数据 Update：当我们将订单 1 的 Cost 更新为 30 时，其实是写⼊⼀条 ID 为 1，Cost 为 30 的新版本数据，数据通过 Append的形式写⼊ Doris；
数据 Delete：当我们对订单 2 的数据进行删除时，仍然通过Append方式，将数据多版本写⼊ Doris ，并将 _DORIS_DELETE_SIGN 字段变为 1 ，则表示这条数据被删除了。当Doris读取数据时，发现最新版本的数据被标记删除，就会将该数据从查询结果中进行过滤。

Merge-on-Read的特点是写入速度比较快，但是在数据读取过程中由于需要进行多路归并排序，存在着大量非必要的CPU计算资源消耗和IO开销。

在1.2.0 版本中，Doris在原有的Unique Key数据模型上增加了 Merge-on-Write的数据更新模式。Merge-on-Write兼顾了写入和查询性能，在写入过程中引入了Delete Bitmap数据结构，使用Delete Bitmap标记Rowset中某一行是否被删除，为了保持Unique Key原有的语义，Delete Bitmap也支持多版本。另外使用了兼顾性能和存储空间的 Row Bitmap，将Bitmap中的MemTable一起存储在BE中，每个Segment会对应⼀个 Bitmap。

写入流程：

DeltaWriter先将数据Flush到磁盘。
批量检查所有 Key，在点查过程中经过区间树，查找到对应的 RowSet。
在 RowSet 内部通过 BloomFilter 和 index进行高效查询。

当查询到 Key 对应的RowSet后，便会覆盖 RowSet Key 对应的 Bitmap，接着在Publish阶段更新 Bitmap，从而保证批量点查 Key 和更新 Bitmap 期间不会有新的可见 RowSet，以保证 Bitmap 在更新过程中数据的正确性。除此之外，如果某个 Segment 没有被修改，则不会有对应版本的 Bitmap 记录。

查询流程：

当查询某⼀版本数据时， Doris 会从 LRU Cache Delete Bitmap 中查找该版本对应的缓存。
如果缓存不存在，再去 RowSet 中读取对应的Bitmap。
使⽤ Delete Bitmap 对 RowSet 中的数据进行过滤，将结果返回。

Merge-on-Write该模式不需要在读取的时候通过归并排序来对主键进行去重，这对于高频写入的场景而言，大大减少了查询执行时的额外消耗。此外还能够支持谓词下推，并能够很好利用Doris丰富的索引，在数据IO层面就能够进行充分的数据裁剪，大大减少数据的读取量和计算量，因此在很多场景的查询中都有非常明显的性能提升。在真实场景的测试中，通过 Merge-on-Write可以在保证数万QPS的高频Upsert 操作的同时，可以实现性能 3-10 倍的提升。

3.5.2 部分列更新

部分列更新是一个比较普遍的需求，例如广告业务中需要在不同的时间点对同一个广告行为（展示、点击、转换等）数据的更新。可以通过 Aggregate Key模型的replace_if_not_null实现。

3.6 如何进一步提升查询性能

3.6.1 智能物化视图

物化视图除了可以作为高度聚合的汇总层外，更广泛的定位是加速相对固定的聚合分析场景。物化视图是指根据预定义的SQL分析语句执行预计算，并将结算结果持久化到另一张对用户透明（用户无感知）但有实际存储的表中，在需要同时查询聚合数据和明细数据以及匹配不同前缀索引的场景，命中物化视图时可以获得更快的查询性能。

在使用物化视图时需要建立Base表并基于此建⽴物化视图，同⼀张 Base表可以构建多个不同的物化视图，从不同的维度进⾏统计。如果数据再物化视图中存在会直接查询物化视图，如果在物化视图中不存在才会查询Base表。

在数据写入或更新时，数据会在写入Base表的同时会写入物化视图，从而保证物化视图和Base 表数据的完全⼀致性。

智能路由选择遵循最小匹配原则，如上图所示智能选择过程包括选择最优和查询改写两个部分：

选择最优：

在过滤候选集过程中，被执行的 SQL 语句通过 Where 条件进⾏判断，Where 条件为advertiser=1。由此可⻅物化视图和 Base表都有该字段，这时的选集是物化视图和 Base 表。
Group By 计算，Group By 字段是 advertiser 和 channel，这两个字段同时在物化视图和 Base 表中，这时过滤的候选集仍然是物化视图和 Base表。
过滤计算函数，比如执⾏ count(distinctuser_id)，然后对数据进⾏计算，由于 Count Distinct 的字段 user_id 在物化视图和 Base 表中都存在，因此过滤结果仍是物化视图和 Base 表。
选择最优，通过⼀系列计算，发现查询条件⽆论是 Where 、Group By 还是 Agg Function 关联的字段，结果都有Base表和物化视图，因此需要进⾏最优选择。Doris 经过计算发现 Base 表的数据远⼤于物化视图，即物化视图的数据更⼩。

由此过程可⻅，如果通过物化视图进行查询，查询效率更⾼。当找到最优查询计划，就可以进⾏子查询改写，将 Count Distinct 改写成 Bitmap ，从⽽完成物化视图的智能路由。完成智能路由之后，会将 Doris生成的查询SQL 发送到 BE 进⾏分布式查询计算。

3.6.2 分区分桶裁剪

Doris 数据分为两级分区存储，第一层为分区(Partition)，目前支持 RANGE 分区和 LIST 分区两种类型, 第二层为 HASH 分桶(Bucket)，可以按照时间对数据进⾏分区，再按照分桶列将⼀个分区的数据进行 Hash 分到不同的桶⾥。在查询时则可以通过分区分桶裁剪来快速定位数据，加速查询性能的同时实现高并发。

3.6.3 索引查询加速

除了分区分桶裁剪，还可以通过存储层索引来裁剪需要读取的数据量，仅以加速查询：

前缀索引：在排序的基础上快速定位数据
Zone Map 索引：维护列中 min/max/null 信息
Bitmap 索引：通过 Bitmap加速去重、交并查询
Bloom Filter 索引：快速判断元素是否属于集合；
Invert 倒排索引：支持字符串类型的全文检索；

3.6.4 执行层查询加速

Doris的MPP查询框架、向量化执行引擎以及查询优化器也提供了许多性能优化方式，例如：

算子下推：Limit、谓词过滤等算子下推到存储层；
向量化引擎：基于 SIMD 指令集优化，充分释放 CPU 计算能力；
Join 优化：Bucket Shuffle Join、Colocate Join 以及 Runtime Filter 等；

四、行业最佳实践

4.1 跨境电商

基于 Doris 构建实时数仓，上游数据源来自 RDS 业务库、⽂件系统数据以及埋点日志数据。在数据接⼊过程中通过 DataX 进⾏离线数据同步以及通过 Flink CDC 进⾏实时数据同步，在 Doris 内部构建不同的数据分层；最后在上层构建不同的数据应⽤，比如自助报表、数据大屏。除此之外，它基于应用平台构建了数据开发与治理平台，完成了源数据管理、数据分析等操作。

使用收益：

业务计算耗时从之前的两⼩时降低到三分钟。
全链路的更新报表的时间从周级别更新到十分钟级别。
Doris 高度兼容 MySQL，报表迁移无压力，开发周期从周级别降低至天级别。

4.2 运营服务商

数仓架构是通过 Flink CDC 将RDS的数据同步到 Doris 中，同时通过 Routine Load 直接订阅 Kafka 中接入的日志数据，然后在Doris 内部构建实时数仓。在数据调度时，通过开源 DolphinScheduler 完成数据调度，使⽤ Prometheus+Grafana 进⾏数据监控。

使用收益：

采⽤ Flink+Doris 架构体系后，架构简洁、组件减少，解决了多架构下的数据的冗余存储，服务器资源节省了 30%，数据存储磁盘占⽤节省了 60%，运营成本⼤幅降低。基于该数仓架构，在⽤户的业务场景上，可以支持数万次的⽤户在线查询和分析。

4.3 供应链企业

在过去该企业采取了 Hadoop体系，使用组件⽐较繁多，有 RDS、HBase、Hive、HDFS、Yarn、Kafka 等多个技术栈，在该架构下，查询性能无法得到有效快速的提升，维护和开发成本一直居高不下。

使用收益：

引入 Doris 之后，将 RDS 的数据通过 Flink CDC 实时同步到 Doris ⾥，服务器资源成本得到了很⼤的降低。数据的查询时间从 Spark 的 2~5 ⼩时，缩短到⼗分钟，查询效率也⼤⼤提升。在数据的同步过程中，使⽤了 Flink CDC+MySQL 全量加增量的数据同步⽅式，同时还利⽤ Doris 的 Light Schema Change（轻量表结构变更）特性实时同步 Binlog里的DDL表结构变更，实现数据接⼊数仓零开发成本。

注：轻量表结构变更Light Schema Change：在Doris1.2版本中，对数据表的加减列操作，不需要同步更改数据文件，仅需要在FE中更新元数据即可，从而实现毫秒级的Schema Change操作。与此同时，使得Doris在面对上游数据表维度变化时，可以更加快速稳定实现表结构同步，保证系统的高效且平稳运转。通过 Flink CDC，可实现上游数据库到 Doris 的 DML 和 DDL 同步，进一步提升了实时数仓数据处理和分析链路的时效性与便捷性。

参考文章：

如何基于 Apache Doris 与 Apache Flink 快速构建极速易用的实时数仓｜解决方案

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