Flink Runtime 架构设计
整体架构
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Flink Runtime │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ Dispatcher │ │ JobMaster │ │ResourceMgr │ │
│ │ │ │ │ │ │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │
│ │ │ │ │
│ └────────────────┼────────────────┘ │
│ │ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ Execution Layer ││
│ │ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ││
│ │ │ExecutionGraph│ │ Scheduler │ │ Execution │ ││
│ │ │ │ │ │ │ │ ││
│ │ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ ││
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘│
│ │ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ Task Execution Layer ││
│ │ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ││
│ │ │TaskExecutor │ │ State │ │ Checkpoint │ ││
│ │ │ │ │ Backend │ │ │ ││
│ │ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ ││
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘│
│ │ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ Network Layer ││
│ │ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ││
│ │ │ Net │ │ Shuffle │ │ RPC │ ││
│ │ │ │ │ │ │ │ ││
│ │ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ ││
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘│
│ │ │
│ ┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐│
│ │ HA Layer ││
│ │ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ││
│ │ │HighAvailability│LeaderElection│LeaderRetrieval│ ││
│ │ │ │ │ │ │ │ ││
│ │ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ ││
│ └─────────────────────────────────────────────────────────────┘│
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
组件层次结构
1. 管理层 (Management Layer)
- Dispatcher: 作业调度入口
- JobMaster: 作业执行管理器
- ResourceManager: 资源管理器
2. 执行层 (Execution Layer)
- ExecutionGraph: 执行图管理
- Scheduler: 任务调度器
- Execution: 执行环境
3. 任务执行层 (Task Execution Layer)
- TaskExecutor: 任务执行器
- State Backend: 状态后端
- Checkpoint: 检查点机制
4. 网络层 (Network Layer)
- Net: 网络通信
- Shuffle: 数据混洗
- RPC: 远程过程调用
5. 高可用层 (High Availability Layer)
- HighAvailability: 高可用性
- LeaderElection: 领导者选举
- LeaderRetrieval: 领导者检索
数据流架构
┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐
│ Client │───▶│ Dispatcher │───▶│ JobMaster │
└─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘│ │▼ ▼┌─────────────┐ ┌─────────────┐│ResourceMgr │◀───│TaskExecutor │└─────────────┘ └─────────────┘│ │▼ ▼┌─────────────┐ ┌─────────────┐│ Cluster │ │ Execution ││ Resources │ │ Engine │└─────────────┘ └─────────────┘
作业执行流程
1. 作业提交流程
Client│▼
Dispatcher (接收作业)│▼
JobMaster (创建作业)│▼
ResourceManager (请求资源)│▼
TaskExecutor (分配资源)│▼
Execution (开始执行)
2. 任务调度流程
JobMaster│▼
Scheduler (调度策略)│▼
ExecutionGraph (执行计划)│▼
TaskExecutor (任务执行)│▼
State Backend (状态管理)
3. 数据流处理
Source Operator│▼
Stream Operator│▼
Sink Operator│▼
Checkpoint (状态快照)
容错架构
1. 检查点机制
┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐
│ Checkpoint │───▶│ State │───▶│ Storage │
│ Coordinator │ │ Backend │ │ Backend │
└─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘│ │ │▼ ▼ ▼
┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐
│ Barrier │ │ Snapshot │ │ Recovery │
│ Mechanism │ │ Mechanism │ │ Mechanism │
└─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘
2. 故障恢复流程
Failure Detection│▼
Checkpoint Trigger│▼
State Snapshot│▼
Recovery Process│▼
State Restoration
资源管理架构
1. 资源分配
ResourceManager│├─── CPU Resources│├─── Memory Resources│├─── Network Resources│└─── Storage Resources
2. 槽位管理
Slot Pool│├─── Available Slots│├─── Allocated Slots│├─── Pending Requests│└─── Slot Status
网络架构
1. 数据传输
TaskExecutor A│▼
Network Buffer│▼
Network Channel│▼
Network Buffer│▼
TaskExecutor B
2. 背压机制
Producer│▼
Credit-based Flow Control│▼
Backpressure Detection│▼
Consumer
高可用架构
1. 领导者选举
ZooKeeper/K8s│├─── Leader Election│├─── Service Discovery│├─── Configuration Management│└─── Failure Detection
2. 故障转移
Active Service│▼
Failure Detection│▼
Leader Election│▼
Standby Service│▼
Service Recovery
内存架构
1. 内存模型
JVM Heap│├─── User Code│├─── Flink Runtime│└─── JVM Overhead
Off-heap Memory│├─── Network Buffers│├─── Managed Memory│└─── Direct Memory
2. 内存分配策略
Memory Manager│├─── Network Buffer Pool│├─── Managed Memory Pool│├─── Direct Memory Pool│└─── Memory Monitoring
监控架构
1. 指标收集
Metrics System│├─── System Metrics│├─── Application Metrics│├─── Custom Metrics│└─── Health Checks
2. 监控数据流
TaskExecutor│▼
Metrics Reporter│▼
Metrics Registry│▼
External Monitoring System
扩展点架构
1. 插件化设计
Core Runtime│├─── State Backend Plugin│├─── Resource Manager Plugin│├─── Scheduler Plugin│└─── Metrics Reporter Plugin
2. 配置管理
Configuration System│├─── Static Configuration│├─── Dynamic Configuration│├─── Environment Variables│└─── Configuration Validation
性能优化架构
1. 网络优化
- 零拷贝传输: 减少数据拷贝开销
- 批量传输: 提高网络利用率
- 连接复用: 减少连接建立开销
2. 内存优化
- 内存池: 减少内存分配开销
- 序列化优化: 提高序列化性能
- 缓存策略: 优化数据访问模式
3. 调度优化
- 智能调度: 优化任务分配
- 负载均衡: 平衡集群负载
- 资源预测: 预测资源需求
安全架构
1. 认证机制
Security Manager│├─── Authentication│├─── Authorization│├─── Encryption│└─── Audit Logging
2. 网络安全
Network Security│├─── SSL/TLS│├─── Kerberos│├─── SASL│└─── Network Isolation
