摘要：本文整理自阿里云实时数仓 Hologres 负责人姜伟华老师在 Flink Forward Asia 2024 行业解决方案（二）专场中的分享。主要分为以下三个方面：
- 实时数仓的发展历程
- 从实时数仓到实时湖仓
- 总结
01 实时数仓的发展历程
以一个典型客户案例来回顾实时数仓的发展历程。
1.1 第一代实时数仓：Lambda 架构，离线实时分别计算
自大数据出现之始，实时数仓采用的就是 Lambda 架构，实时和离线两条链路完全独立。离线链路中，数据写入 Hive 或 MaxCompute 等类似的离线数仓，进行T + 1加工；实时链路中，数据则先写入 Kafka，由 Flink 消费加工后，将最终结果（如 DWS 层或 ADS 层）写入 KV 存储（如 MySQL、HBase 或 Redis）对外提供服务。两条链路的连接点在于离线链路会在第二天修正实时结果数据，以确保最终数据的准确性。
但这种架构存在诸多问题。其一，数据和计算双源头，由两个引擎完成计算；其二，逻辑难以对齐，导致计算和数据重复。离线链路一般存在 ODS 层、DWD 层、DWS 层的分工，因此，离线数据复用较为简单；而在实时链路上，端到端的数据计算，会形成烟囱式架构，运维难度和成本极高。
1.2 第二代实时数仓：Kafka 实时数仓分层+OLAP
在第一代实时数仓的基础上，该客户研发了第二代实时数仓。
该架构离线链路部分保持不变，实时链路部分尝试构建 DWD 层、DWS层和 ADS 层的分工，通过分层建立复用机制，实现秒级或分钟级的实时数据。典型做法是使用 Kafka 作为中间层，每层由 Flink 消费 Kafka，并写入下一级 Kafka ，实现一定程度的实时复用。
但在实际应用中发现，Kafka 用于实时复用非常困难，且效果有限。因其本质是因为Kafka消费设计，数据不可查、不可订正，这使得架构的复用性较差。但该架构也有创新点，即在最下层引入 OLAP 引擎（如 Hologres），提供了除 KV 查询之外更复杂的查询能力，业务可灵活查询，减少了预计算 KV 的情况，且在数据出现问题时可方便反查每一层。
1.3 第三代实时数仓：Hologres 实时数仓分层复用+分析服务一体
针对使用 Kafka 导致的数据中间层复用困难的问题，该客户与Hologres 合作完成了第三代实时数仓的架构设计。
第三代实时数仓将 Kafka 替换为 Hologres 存储引擎，在列存的基础上提供 Binlog，数据的任何写入都会产生 Binlog ，驱动下游 Flink 任务计算，把每一层（DWD 层、DWS 层和 ADS 层）的数据统一存储在 Hologres 中，中间由 Flink 加工，实现了统一存储和服务，便于查询和修改业务数据。
基于此，形成了实时数仓三明治架构：
上游数据经 Flink 加工后写入 Hologres 形成 ODS 层，Hologres 的 Binlog 驱动下游 Flink 任务计算，依次生成 DWD 层、DWS 层数据，形成秒级响应的端到端链路，数据实时流动且分层，解决了 Lambda 架构实时数据加工分层和实时离线一致化的问题。
在这个过程中， Hologres 与Flink 进行了深度集成。Hologres 可作为 Flink 的维表，提供每秒百万级的查询能力；也可作为结果表，支持实时写入且写入即可见，具备高性能的写入和更新能力；还能作为 Flink 的上游，支持 Flink 读取全量数据和消费 Binlog 以获取增量数据；并且对接了 Flink 的 Catalog ，使用更加便捷。
1.4 未来架构演进思考：从实时数仓到实时湖仓
在数仓领域，Flink + Hologres 方案表现出了不错的性能和优势，但在新兴的湖仓场景下，我们需要进一步思考如何实现更好的效果。
湖仓场景下，首要解决的是实时与离线如何更好结合的问题。Flink + Hologres 仅解决了 Lambda 架构的实时链路数据分层加工的问题，要将实时链路与离线链路结合，理想状态是 Lambda 架构的实时和离线链路访问同一份数据，即统一存储，且用户使用相同的 SQL 表达业务逻辑，实现统一计算，否则 Lambda 架构的不一致问题将始终存在。这就需要灵活的引擎，既能支持批处理，又能支持流处理和增量处理，同时具备高性能、生命周期管理、存储语义等特性，以实现统一存储和计算，达到实时互通的效果。于是近两年通过 Hologres + Flink + Paimon 的组合我们逐渐实现了这一目标。
02 从实时数仓到实时湖仓
2.1 湖仓统一元数据管理
在湖仓架构中，数据存储在湖上，首先要考虑如何方便访问湖的元数据。Hologres 在 3.0 版本中引入了 External Database 概念。Hologres 是一个 PostgreSQL 生态的数仓产品。Hologres 3.0扩展了 PostgreSQL 的 database 概念，引入 External Database 。External database 对于用户和BI工具来说，就是一个普通的 PostgreSQL database。但其实这个external database 可以映射到数据湖上的一个Catalog（如Paimon Catalog）。这样，用户使用兼容 PG 的 BI 工具连接该 Database 时，无需导入元数据，即可查看湖上的 Schema 和 Table。
同时，也支持把阿里云 MaxCompute 离线数仓的 project 映射成External Database。换言之，用户使用 PG 的 BI 工具来连接External Database 即可访问 MaxCompute 数据湖上所有元数据的表，乃至建表和查询。
2.2 湖仓高性能查询
实时数仓大部分是内表，查询性能非常高。但是要基于湖仓架构对外提供服务，则要考虑如何在数据湖上提供高性能查询的问题。
对于湖上数据的高性能查询，Hologres 提供了良好的查询能力，尤其针对 Paimon、MySQL 等表。
2.2.1 Hologres + Paimon 核心特性
Paimon 作为阿里主推的开源湖格式，和 Hologres 结合具有诸多优势。
Hologres 3.0 重点支持了 Paimon 的增删查改元数据能力、Deletion Vector以及查询性能加速，并且是唯一支持 Paimon Changelog 的 OLAP 产品。Paimon Changelog 类似于 Binlog ，可以体现 Paimon 的两个 snapshot 之间的 delta ，可利用此构建增量和流式加工能力，实现流批一体或 Lambda 架构的统一计算。Hologres 3.0的 dynamic table 支持增量消费 Paimon Changelog。同时Hologres 3.0也支持写入 Paimon表。
2.2.2 性能对比：Hologres + Paimon 与 Trino + Paimon 
若只查 Paimon 数据湖，Hologres 3.0 性能约为 Trino 的 6倍，若将数据导入 Hologres 内表，利用其更多的索引，性能可提升至约 10 倍，用户可根据业务需求选择。若注重数据共享，直查数据湖较好；若是 DWS 层或 ADS 层，更关注性能，则导入内表更佳。
2.3 实时湖仓分层架构
2.3.1 Hologres Dynamic Table
■ 功能概述
Hologres 3.0 发布的 Dynamic Table 功能实现了多模式统一计算，支持批、流和增量三种计算模式一体。无论何种计算模式，用户数据可保持一份，无论是湖上的 Paimon 表或是 Hologres 内表，通过同一份SQL表达业务逻辑，实现多种模式统一。
在 3.0 版本中，推出了全量和增量两种计算模式，流式计算内部已有版本，公有云发布时间待定。全量计算也可看作离线计算，时效性可达天级或小时级，适用于定期报表；增量计算时效性为分钟级，适用于定时分析；流式计算时效性为秒级，适用于实时风控和监测等场景。
从成本角度看，全量计算调度频率低，也无需状态，实现业务逻辑成本相对较低，但较长时间的全量计算成本较高；增量适中；流式要预先占用资源，成本最高。通过三种模式，可根据时效性和成本要求对湖表或内表进行实时数仓分层，实现流批一致化计算。
■ 技术原理
关于全量计算（离线）的研究非常成熟；流是一种利用状态实现数据快速计算的计算方式；增量也利用了状态，但其状态与流的状态略有不同，流的状态是依次进入的，整体上为延迟考虑。而增量更多考虑吞吐，将数据切成若干个批，每次基于上一批的结果状态，处理一个批，并更新状态。这样就实现了近实时的高性能增量计算。综上，增量模式使用列存状态表，流式模式使用行存状态表。
■ 使用方式
Dynamic Table 在语法上非常接近于标准 SQL 中的 create table as select （CTAS）。CTAS是一次性的 SQL，执行完便不再执行该 SQL ，而是直接把结果写到一张表。Dynamic Table在 CTAS上加了一个 Dynamic 字样，即该计算被周期性地执行。
在全量刷新模式下，调度周期可以是每天或者每小时。在增量刷新模式下，由于增量一般要求分钟级的延时，因此，刷新周期一般是1-5分钟。
可以看到，对于不同的计算模式，其 SQL 差异是非常小的。业务逻辑部分几乎完全相同。因此，在 Lambda 架构下，表达实时和离线的计算逻辑使用同一个 SQL 。
Dynamic Table 还支持分区级别的自动刷新模式转换。这很好适配了lambda架构的当天分区需要近实时或者实时刷新（增量、流式），而T+1分区用全量刷新的使用模式。这样，用户只需要写一个SQL就可以了，无需为实时和离线写两遍SQL。
■ Serverless降本与隔离
当提及 Dynamic Table 时，有一个无法绕开的问题——资源从哪里来。当我们每天或每小时加工一次，无论是增量或是全量，都需要大量的资源。Hologres 是一个实时数仓，致力于提高资源的使用率，为用户提供最低延迟、最高 QPS 的查询，无论是数仓分层或是数据计算都要消耗很多资源。如果计算直接发生在实例内，它会挤占实例的大量资源，大大降低实例的稳定性，影响刷新的速度。
基于此，Hologres 引入了一个与 Dynamic Table 配套的能力——Serverless Computing。
各个云厂商、各个产品使用的 Serverless 的语义不同。对于Hologres来说，Serverless指的是单条 SQL 可以不依赖于实例资源，独立按需分配资源执行。因此，这里的 Serverless 的单位是单条 query 。对于一条 query，只要设一个flag，它会用 Serverless 方式，临时拉起资源执行该 query，执行结束后归还资源，按照使用的资源量收费。
首先，引入 Serverless 消除了对实例的影响；其次，对于Dynamic Table定时调度任务或高并发的大量查询，无需预留资源，根据实际使用资源付费，成本降低。最后，非常重要的一点，优化器会根据 SQL 的特点自动估算需要使用的资源，用户无需再关心资源分配是否合理，保证Query 100% 执行成功。
结合 Serverless 与Dynamic Table，即可在执行定期计算任务时使用Serverless 资源完成，不影响实例的同时，更快更好地执行。
2.3.2 Hologres Dynamic Table+Paimon
要实现实时湖仓，Hologres 基于 Paimon 构建 Dynamic Table 增量式消费 Paimon Changelog ，驱动增量计算进行增量 ETL 的加工，使得 ETL 计算更轻量，时效性更好。
2.3.3 实时湖仓分层应用案例
Dynamic Table 是一个相对较新的功能，今年在淘宝的两个核心业务上线，并经受了618和双11大促的严苛考验。
■ 淘宝直播
由于直播对时效性的要求，它是一个全仓的场景，其数据从 ODS 层开始都在 Hologres 中，依次在 DWD、DWS、ADS 层层加工。经 Flink 加工后写入 Hologres 内表，利用 Dynamic Table 的流式刷新能力逐层加工至 DWS 层和 ADS 层，形成实时风控和看板。同时，利用 Dynamic Table的全量回刷功能实现 T + 1 离线回刷，且实时和离线逻辑使用同一 SQL 。这样，即可构建纯实时的数据分层的 Lambda 架构。经评估，成本降低50%，开发效率提升约三倍。
■ 淘天营销活动分析场景
这是一个湖仓场景，对淘天的营销活动进行跟踪分析，时效性要求较低，分钟级足以。
该场景下，数据写入 Paimon 表，通过 Dynamic Table 的增量模式构建 ADS 层，形成分钟级延时的营销活动分析报表。此场景将流式改为增量，统一了链路，成本降至原来的三分之一，回刷延迟降至原来的五分之一。
2.3 Demo：Hologres + Flink + Paimon 实时湖仓分层
通过一个简单 Demo 展示基于 Flink + Paimon + Hologres 的湖上加工流程。
以 GitHub 的 Events 半结构化数据为例：先经 Flink 加工写入湖上的 Paimon 表，然后可直接查询 Paimon 表数据，利用 Dynamic Table 构建数仓分层，还可将数据写回湖上。
具体操作包括：
（1）创建一个 Database 关联湖上元数据，在湖上创建 Paimon 表
（2）通过 Flink 在表中写入数据
（3）由于该表的数据是 Json 格式，故可以直接查询；若要固化查询到的 SQL，可以抽取 Json 中的数据，写入 Hologres 表中
（4）可以在该 SQL 上加一个 Create Dynamic Table 的语法，由于是增量模式，可以把湖中的数据自动抽到仓中，也可以将模式改为流式，抽取会更加及时，可以手动刷新数据。
（5）也可以把数据直接写到湖上，在创建好湖表后，可以在湖表中 insert，把仓中的数据导入湖表；还可以使用 Spark、MaxCompute 等产品查湖表的数据，实现一个数据的多引擎的共享。
03 总结
实时数仓阶段， Flink + Hologres 组合实现了Lambda架构下实时链路的数仓分层和复用。在湖仓场景下，随着 Dynamic Table 等能力的增强，用户可根据业务需求选择全仓、湖仓或全湖方案。
若是全仓方案，可以在 Hologres 中加工时使用 Dynamic Table或者Flink引擎来实现流批一体或多模式计算。而随着用户对于数据共享的需求越来越多，用户可以把数仓分层中的较下面的某些层次（比方说ODS或者DWD，这些层更关注共享性和复用）放在湖上，而上层（如 ADS 或 DWS 层，这些层更关注性能）入仓。随着技术的进步，在湖仓一体的时代，用户可以根据自己对业务的诉求，包括成本、性能、延时、共享性等，选择更加合理的方案。
Hologres 作为阿里云的自研实时数仓引擎，在集团内外都有巨大的使用量。目前官网已有 40家以上的客户案例文章，实际客户远大于 40。随着湖仓能力的增强，该产品定位实现了由原本的实时数仓到一体化实时湖仓的转变。用户的数据无论是在仓中还是湖中，都可以通过使用 Hologres 获得良好的使用体验，如果大家对我们产品感兴趣，可以在阿里云官网搜索参与免费试用，谢谢大家。
