流计算框架 Flink 与 Storm 的性能对比
1. 背景
Apache Flink 和 Apache Storm 是当前业界广泛使用的两个分布式实时计算框架。其中 Apache Storm（以下简称“Storm”）在美团点评实时计算业务中已有较为成熟的运用（可参考 Storm 的可靠性保证测试），有管理平台、常用 API 和相应的文档，大量实时作业基于 Storm 构建。而 Apache Flink（以下简称“Flink”）在近期倍受关注，具有高吞吐、低延迟、高可靠和精确计算等特性，对事件窗口有很好的支持，目前在美团点评实时计算业务中也已有一定应用。
为深入熟悉了解 Flink 框架，验证其稳定性和可靠性，评估其实时处理性能，识别该体系中的缺点，找到其性能瓶颈并进行优化，给用户提供最适合的实时计算引擎，我们以实践经验丰富的 Storm 框架作为对照，进行了一系列实验测试 Flink 框架的性能，计算 Flink 作为确保“至少一次”和“恰好一次”语义的实时计算框架时对资源的消耗，为实时计算平台资源规划、框架选择、性能调优等决策及 Flink 平台的建设提出建议并提供数据支持，为后续的 SLA 建设提供一定参考。
Flink 与 Storm 两个框架对比：
| Storm | Flink | |
|---|---|---|
| 状态管理 | 无状态，需用户自行进行状态管理 | 有状态 |
| 窗口支持 | 对事件窗口支持较弱，缓存整个窗口的所有数据，窗口结束时一起计算 | 窗口支持较为完善，自带一些窗口聚合方法，并且会自动管理窗口状态。 |
| 消息投递 | At Most Once At Least Once | At Most Once At Least Once Exactly Once |
| 容错方式 | ACK机制 ：对每个消息进行全链路跟踪，失败或超时进行重发。 | 检查点机制 ：通过分布式一致性快照机制，对数据流和算子状态进行保存。在发生错误时，使系统能够进行回滚。 |
| 应用现状 | 在美团点评实时计算业务中已有较为成熟的运用，有管理平台、常用 API 和相应的文档，大量实时作业基于 Storm 构建。 | 在美团点评实时计算业务中已有一定应用，但是管理平台、API 及文档等仍需进一步完善。 |
2. 测试目标
评估不同场景、不同数据压力下 Flink 和 Storm 两个实时计算框架目前的性能表现，获取其详细性能数据并找到处理性能的极限；了解不同配置对 Flink 性能影响的程度，分析各种配置的适用场景，从而得出调优建议。
2.1 测试场景
“输入-输出”简单处理场景
通过对“输入-输出”这样简单处理逻辑场景的测试，尽可能减少其它因素的干扰，反映两个框架本身的性能。
同时测算框架处理能力的极限，处理更加复杂的逻辑的性能不会比纯粹“输入-输出”更高。
用户作业耗时较长的场景
如果用户的处理逻辑较为复杂，或是访问了数据库等外部组件，其执行时间会增大，作业的性能会受到影响。因此，我们测试了用户作业耗时较长的场景下两个框架的调度性能。
窗口统计场景
实时计算中常有对时间窗口或计数窗口进行统计的需求，例如一天中每五分钟的访问量，每 100 个订单中有多少个使用了优惠等。Flink 在窗口支持上的功能比 Storm 更加强大，API 更加完善，但是我们同时也想了解在窗口统计这个常用场景下两个框架的性能。
精确计算场景（即消息投递语义为“恰好一次”）
Storm 仅能保证“至多一次” (At Most Once) 和“至少一次” (At Least Once) 的消息投递语义，即可能存在重复发送的情况。有很多业务场景对数据的精确性要求较高，希望消息投递不重不漏。Flink 支持“恰好一次” (Exactly Once) 的语义，但是在限定的资源条件下，更加严格的精确度要求可能带来更高的代价，从而影响性能。因此，我们测试了在不同消息投递语义下两个框架的性能，希望为精确计算场景的资源规划提供数据参考。
2.2 性能指标
吞吐量（Throughput）
- 单位时间内由计算框架成功地传送数据的数量，本次测试吞吐量的单位为：条/秒。
- 反映了系统的负载能力，在相应的资源条件下，单位时间内系统能处理多少数据。
- 吞吐量常用于资源规划，同时也用于协助分析系统性能瓶颈，从而进行相应的资源调整以保证系统能达到用户所要求的处理能力。假设商家每小时能做二十份午餐（吞吐量 20 份/小时），一个外卖小哥每小时只能送两份（吞吐量 2 份/小时），这个系统的瓶颈就在小哥配送这个环节，可以给该商家安排十个外卖小哥配送。
延迟（Latency）
- 数据从进入系统到流出系统所用的时间，本次测试延迟的单位为：毫秒。
- 反映了系统处理的实时性。
- 金融交易分析等大量实时计算业务对延迟有较高要求，延迟越低，数据实时性越强。
- 假设商家做一份午餐需要 5 分钟，小哥配送需要 25 分钟，这个流程中用户感受到了 30 分钟的延迟。如果更换配送方案后延迟变成了 60 分钟，等送到了饭菜都凉了，这个新的方案就是无法接受的。
3. 测试环境
为 Storm 和 Flink 分别搭建由 1 台主节点和 2 台从节点构成的 Standalone 集群进行本次测试。其中为了观察 Flink 在实际生产环境中的性能，对于部分测内容也进行了 on Yarn 环境的测试。
3.1 集群参数
| 参数项 | 参数值 |
|---|---|
| CPU | QEMU Virtual CPU version 1.1.2 2.6GHz |
| Core | 8 |
| Memory | 16GB |
| Disk | 500G |
| OS | CentOS release 6.5 (Final) |
3.2 框架参数
| 参数项 | 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 |
4. 测试方法
4.1 测试流程
数据生产
Data Generator 按特定速率生成数据，带上自增的 id 和 eventTime 时间戳写入 Kafka 的一个 Topic（Topic Data）。
数据处理
Storm Task 和 Flink Task （每个测试用例不同）从 Kafka Topic Data 相同的 Offset 开始消费，并将结果及相应 inTime、outTime 时间戳分别写入两个 Topic（Topic Storm 和 Topic Flink）中。
指标统计
Metrics Collector 按 outTime 的时间窗口从这两个 Topic 中统计测试指标，每五分钟将相应的指标写入 MySQL 表中。
Metrics Collector 按 outTime 取五分钟的滚动时间窗口，计算五分钟的平均吞吐（输出数据的条数）、五分钟内的延迟（outTime - eventTime 或 outTime - inTime）的中位数及 99 线等指标，写入 MySQL 相应的数据表中。最后对 MySQL 表中的吞吐计算均值，延迟中位数及延迟 99 线选取中位数，绘制图像并分析。
4.2 默认参数
- Storm 和 Flink 默认均为 At Least Once 语义。
- Storm 开启 ACK，ACKer 数量为 1。
- Flink 的 Checkpoint 时间间隔为 30 秒，默认 StateBackend 为 Memory。
- 保证 Kafka 不是性能瓶颈，尽可能排除 Kafka 对测试结果的影响。
- 测试延迟时数据生产速率小于数据处理能力，假设数据被写入 Kafka 后立刻被读取，即 eventTime 等于数据进入系统的时间。
- 测试吞吐量时从 Kafka Topic 的最旧开始读取，假设该 Topic 中的测试数据量充足。
4.3 测试用例
Identity
- Identity 用例主要模拟“输入-输出”简单处理场景，反映两个框架本身的性能。
- 输入数据为“msgId, eventTime”，其中 eventTime 视为数据生成时间。单条输入数据约 20 B。
- 进入作业处理流程时记录 inTime，作业处理完成后（准备输出时）记录 outTime。
- 作业从 Kafka Topic Data 中读取数据后，在字符串末尾追加时间戳，然后直接输出到 Kafka。
- 输出数据为“msgId, eventTime, inTime, outTime”。单条输出数据约 50 B。
Sleep
- Sleep 用例主要模拟用户作业耗时较长的场景，反映复杂用户逻辑对框架差异的削弱，比较两个框架的调度性能。
- 输入数据和输出数据均与 Identity 相同。
- 读入数据后，等待一定时长（1 ms）后在字符串末尾追加时间戳后输出
Windowed Word Count
- Windowed Word Count 用例主要模拟窗口统计场景，反映两个框架在进行窗口统计时性能的差异。
- 此外，还用其进行了精确计算场景的测试，反映 Flink 恰好一次投递的性能。
- 输入为 JSON 格式，包含 msgId、eventTime 和一个由若干单词组成的句子，单词之间由空格分隔。单条输入数据约 150 B。
- 读入数据后解析 JSON，然后将句子分割为相应单词，带 eventTime 和 inTime 时间戳发给 CountWindow 进行单词计数，同时记录一个窗口中最大最小的 eventTime 和 inTime，最后带 outTime 时间戳输出到 Kafka 相应的 Topic。
- Spout/Source 及 OutputBolt/Output/Sink 并发度恒为 1，增大并发度时仅增大 JSONParser、CountWindow 的并发度。
- 由于 Storm 对 window 的支持较弱，CountWindow 使用一个 HashMap 手动实现，Flink 用了原生的 CountWindow 和相应的 Reduce 函数。
5. 测试结果
5.1 Identity 单线程吞吐量
- 上图中蓝色柱形为单线程 Storm 作业的吞吐，橙色柱形为单线程 Flink 作业的吞吐。
- Identity 逻辑下，Storm 单线程吞吐为 8.7 万条/秒，Flink 单线程吞吐可达 35 万条/秒。
- 当 Kafka Data 的 Partition 数为 1 时，Flink 的吞吐约为 Storm 的 3.2 倍；当其 Partition 数为 8 时，Flink 的吞吐约为 Storm 的 4.6 倍。
- 由此可以看出，Flink 吞吐约为 Storm 的 3-5 倍。
5.2 Identity 单线程作业延迟
- 采用 outTime - eventTime 作为延迟，图中蓝色折线为 Storm，橙色折线为 Flink。虚线为 99 线，实线为中位数。
- 从图中可以看出随着数据量逐渐增大，Identity 的延迟逐渐增大。其中 99 线的增大速度比中位数快，Storm 的 增大速度比 Flink 快。
- 其中 QPS 在 80000 以上的测试数据超过了 Storm 单线程的吞吐能力，无法对 Storm 进行测试，只有 Flink 的曲线。
- 对比折线最右端的数据可以看出，Storm QPS 接近吞吐时延迟中位数约 100 毫秒，99 线约 700 毫秒，Flink 中位数约 50 毫秒，99 线约 300 毫秒。Flink 在满吞吐时的延迟约为 Storm 的一半。
5.3 Sleep 吞吐量
- 从图中可以看出，Sleep 1 毫秒时，Storm 和 Flink 单线程的吞吐均在 900 条/秒左右，且随着并发增大基本呈线性增大。
- 对比蓝色和橙色的柱形可以发现，此时两个框架的吞吐能力基本一致。
5.4 Sleep 单线程作业延迟（中位数）
- 依然采用 outTime - eventTime 作为延迟，从图中可以看出，Sleep 1 毫秒时，Flink 的延迟仍低于 Storm。
5.5 Windowed Word Count 单线程吞吐量
- 单线程执行大小为 10 的计数窗口，吞吐量统计如图。
- 从图中可以看出，Storm 吞吐约为 1.2 万条/秒，Flink Standalone 约为 4.3 万条/秒。Flink 吞吐依然为 Storm 的 3 倍以上。
5.6 Windowed Word Count Flink At Least Once 与 Exactly Once 吞吐量对比
- 由于同一算子的多个并行任务处理速度可能不同，在上游算子中不同快照里的内容，经过中间并行算子的处理，到达下游算子时可能被计入同一个快照中。这样一来，这部分数据会被重复处理。因此，Flink 在 Exactly Once 语义下需要进行对齐，即当前最早的快照中所有数据处理完之前，属于下一个快照的数据不进行处理，而是在缓存区等待。当前测试用例中，在 JSON Parser 和 CountWindow、CountWindow 和 Output 之间均需要进行对齐，有一定消耗。为体现出对齐场景，Source/Output/Sink 并发度的并发度仍为 1，提高了 JSONParser/CountWindow 的并发度。具体流程细节参见前文 Windowed Word Count 流程图。
- 上图中橙色柱形为 At Least Once 的吞吐量，黄色柱形为 Exactly Once 的吞吐量。对比两者可以看出，在当前并发条件下，Exactly Once 的吞吐较 At Least Once 而言下降了 6.3%
5.7 Windowed Word Count Storm At Least Once 与 At Most Once 吞吐量对比
- Storm 将 ACKer 数量设置为零后，每条消息在发送时就自动 ACK，不再等待 Bolt 的 ACK，也不再重发消息，为 At Most Once 语义。
- 上图中蓝色柱形为 At Least Once 的吞吐量，浅蓝色柱形为 At Most Once 的吞吐量。对比两者可以看出，在当前并发条件下，At Most Once 语义下的吞吐较 At Least Once 而言提高了 16.8%
5.8 Windowed Word Count 单线程作业延迟
- Identity 和 Sleep 观测的都是 outTime - eventTime，因为作业处理时间较短或 Thread.sleep() 精度不高，outTime - inTime 为零或没有比较意义；Windowed Word Count 中可以有效测得 outTime - inTime 的数值，将其与 outTime - eventTime 画在同一张图上，其中 outTime - eventTime 为虚线，outTime - InTime 为实线。
- 观察橙色的两条折线可以发现，Flink 用两种方式统计的延迟都维持在较低水平；观察两条蓝色的曲线可以发现，Storm 的 outTime - inTime 较低，outTime - eventTime 一直较高，即 inTime 和 eventTime 之间的差值一直较大，可能与 Storm 和 Flink 的数据读入方式有关。
- 蓝色折线表明 Storm 的延迟随数据量的增大而增大，而橙色折线表明 Flink 的延迟随着数据量的增大而减小（此处未测至 Flink 吞吐量，接近吞吐时 Flink 延迟依然会上升）。
- 即使仅关注 outTime - inTime（即图中实线部分），依然可以发现，当 QPS 逐渐增大的时候，Flink 在延迟上的优势开始体现出来。
5.9 Windowed Word Count Flink At Least Once 与 Exactly Once 延迟对比
- 图中黄色为 99 线，橙色为中位数，虚线为 At Least Once，实线为 Exactly Once。图中相应颜色的虚实曲线都基本重合，可以看出 Flink Exactly Once 的延迟中位数曲线与 At Least Once 基本贴合，在延迟上性能没有太大差异。
5.10 Windowed Word Count Storm At Least Once 与 At Most Once 延迟对比
- 图中蓝色为 99 线，浅蓝色为中位数，虚线为 At Least Once，实线为 At Most Once。QPS 在 4000 及以前的时候，虚线实线基本重合；QPS 在 6000 时两者已有差异，虚线略高；QPS 接近 8000 时，已超过 At Least Once 语义下 Storm 的吞吐，因此只有实线上的点。
- 可以看出，QPS 较低时 Storm At Most Once 与 At Least Once 的延迟观察不到差异，随着 QPS 增大差异开始增大，At Most Once 的延迟较低。
5.11 Windowed Word Count Flink 不同 StateBackends 吞吐量对比
- Flink 支持 Standalone 和 on Yarn 的集群部署模式，同时支持 Memory、FileSystem、RocksDB 三种状态存储后端（StateBackends）。由于线上作业需要，测试了这三种 StateBackends 在两种集群部署模式上的性能差异。其中，Standalone 时的存储路径为 JobManager 上的一个文件目录，on Yarn 时存储路径为 HDFS 上一个文件目录。
- 对比三组柱形可以发现，使用 FileSystem 和 Memory 的吞吐差异不大，使用 RocksDB 的吞吐仅其余两者的十分之一左右。
- 对比两种颜色可以发现，Standalone 和 on Yarn 的总体差异不大，使用 FileSystem 和 Memory 时 on Yarn 模式下吞吐稍高，使用 RocksDB 时 Standalone 模式下的吞吐稍高。
5.12 Windowed Word Count Flink 不同 StateBackends 延迟对比
- 使用 FileSystem 和 Memory 作为 Backends 时，延迟基本一致且较低。
- 使用 RocksDB 作为 Backends 时，延迟稍高，且由于吞吐较低，在达到吞吐瓶颈前的延迟陡增。其中 on Yarn 模式下吞吐更低，接近吞吐时的延迟更高。
6. 结论及建议
6.1 框架本身性能
- 由 5.1、5.5 的测试结果可以看出，Storm 单线程吞吐约为 8.7 万条/秒，Flink 单线程吞吐可达 35 万条/秒。Flink 吞吐约为 Storm 的 3-5 倍。
- 由 5.2、5.8 的测试结果可以看出，Storm QPS 接近吞吐时延迟（含 Kafka 读写时间）中位数约 100 毫秒，99 线约 700 毫秒，Flink 中位数约 50 毫秒，99 线约 300 毫秒。Flink 在满吞吐时的延迟约为 Storm 的一半，且随着 QPS 逐渐增大，Flink 在延迟上的优势开始体现出来。
- 综上可得，Flink 框架本身性能优于 Storm。
6.2 复杂用户逻辑对框架差异的削弱
- 对比 5.1 和 5.3、5.2 和 5.4 的测试结果可以发现，单个 Bolt Sleep 时长达到 1 毫秒时，Flink 的延迟仍低于 Storm，但吞吐优势已基本无法体现。
- 因此，用户逻辑越复杂，本身耗时越长，针对该逻辑的测试体现出来的框架的差异越小。
6.3 不同消息投递语义的差异
- 由 5.6、5.7、5.9、5.10 的测试结果可以看出，Flink Exactly Once 的吞吐较 At Least Once 而言下降 6.3%，延迟差异不大；Storm At Most Once 语义下的吞吐较 At Least Once 提升 16.8%，延迟稍有下降。
- 由于 Storm 会对每条消息进行 ACK，Flink 是基于一批消息做的检查点，不同的实现原理导致两者在 At Least Once 语义的花费差异较大，从而影响了性能。而 Flink 实现 Exactly Once 语义仅增加了对齐操作，因此在算子并发量不大、没有出现慢节点的情况下对 Flink 性能的影响不大。Storm At Most Once 语义下的性能仍然低于 Flink。
6.4 Flink 状态存储后端选择
- Flink 提供了内存、文件系统、RocksDB 三种 StateBackends，结合 5.11、5.12 的测试结果，三者的对比如下：
| StateBackend | 过程状态存储 | 检查点存储 | 吞吐 | 推荐使用场景 |
|---|---|---|---|---|
| Memory | TM Memory | JM Memory | 高（3-5 倍 Storm） | 调试、无状态或对数据是否丢失重复无要求 |
| FileSystem | TM Memory | FS/HDFS | 高（3-5 倍 Storm） | 普通状态、窗口、KV 结构（建议作为默认 Backend） |
| RocksDB | RocksDB on TM | FS/HDFS | 低（0.3-0.5 倍 Storm） | 超大状态、超长窗口、大型 KV 结构 |
6.5 推荐使用 Flink 的场景
综合上述测试结果，以下实时计算场景建议考虑使用 Flink 框架进行计算：
- 要求消息投递语义为 Exactly Once 的场景；
- 数据量较大，要求高吞吐低延迟的场景；
- 需要进行状态管理或窗口统计的场景。
7. 展望
- 本次测试中尚有一些内容没有进行更加深入的测试，有待后续测试补充。例如：
- Exactly Once 在并发量增大的时候是否吞吐会明显下降？
- 用户耗时到 1ms 时框架的差异已经不再明显（Thread.sleep() 的精度只能到毫秒），用户耗时在什么范围内 Flink 的优势依然能体现出来？
- 本次测试仅观察了吞吐量和延迟两项指标，对于系统的可靠性、可扩展性等重要的性能指标没有在统计数据层面进行关注，有待后续补充。
- Flink 使用 RocksDBStateBackend 时的吞吐较低，有待进一步探索和优化。
- 关于 Flink 的更高级 API，如 Table API & SQL 及 CEP 等，需要进一步了解和完善。
8. 参考内容
- 分布式流处理框架——功能对比和性能评估.
- intel-hadoop/HiBench: HiBench is a big data benchmark suite.
- Yahoo的流计算引擎基准测试.
- Extending the Yahoo! Streaming Benchmark.
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