引言
在快速发展的数据驱动时代，数据的实时、准确同步成为了企业信息系统不可或缺的一部分。随着技术的进步，特别是在分布式计算和大数据技术的背景下，构建一个高效且可靠的数据同步管道成为了挑战。
Apache SeaTunnel作为一个先进的数据集成开发平台，提供了构建高效CDC数据同步管道的可能性。本文将深入探讨利用Apache SeaTunnel构建CDC数据同步管道的过程，揭示其背后的关键技术和实践策略，旨在为面临数据同步挑战的专业人士提供实用指导。
大家下午好，今天分享的主题是基于Apache SeaTunnel构建CDC数据同步管道。我之前主要从事监控APM的计算平台工作，后来转向数据集成开发平台。目前，我正在基于Apache SeaTunnel开发CDC的数据同步管道，长期活跃于开源社区。我是Apache SeaTunnel的PMC成员和Skywalking的committer。
Apache SeaTunnel 简介
Apache SeaTunnel是一个数据集成开发平台，其发展经历了几个重要阶段： 
- ETL时代（90年代）：面向结构化数据库的数据同步，用于构建数据仓库。
- MPP和分布式技术流行：使用技术如Hive进行数据仓库的构建。此阶段主要使用mapreduce程序进行数据搬运和转换。
- 数据湖技术流行：重视数据集成，强调先同步数据至数据湖仓储，再进行业务面向的转换和设计。
技术定位与挑战
Apache SeaTunnel在ELT环节中，主要解决简单的转换问题，并快速搬运数据。面临的挑战包括：
- 处理多样化的数据源和存储差异。
- 尽量减少对数据源的影响。
- 适应不同的数据集成场景，如离线和实时CDC同步。
- 保证数据集成的监控和量化指标。
重要特性
- 简单易用：No code，通过配置文件提交作业。
- 运行监控：提供详细的读写监控。
- 丰富的生态：插件式架构，提供统一的读写API。
Apache SeaTunnel的发展历程
Apache SeaTunnel的前身是Whatdorp。它于2021年加入Apache孵化器，并在2022年发布了第一个版本。2022年10月，进行了重大重构，引入统一API。
2022年11月，开发了专门用于数据同步的引擎。到2022年底，连接器的读写功能已经支持超过100种数据源。到2023年，主要集中于CDC和整库同步。
CDC（Change Data Capture）简介
CDC，即变更数据捕获，是一种捕获数据库变更事件（如插入、更新、删除）的技术。在业务数据库中，数据不断变更，CDC的作用是捕获这些事件，并同步到数仓、数据湖或其他平台，确保目标存储与原始数据库保持一致。 
CDC的应用场景
- 数据复制：如备库建设或读写分离。
- 数据分析：在大数据平台进行基于BI的数据分析。
- 检索业务：例如，将商品库或文档库同步到ES等检索平台。
- 操作审计：记录系统变更，用于金融审计等。
常见的CDC方案的痛点
- 单表作业限制：大多数开源方案中，一个作业通常只能处理一个表。
- 读取与写入分离：一些平台专注于数据捕获，而另一些只负责数据写入。
- 多数据库支持问题：不同的数据库可能需要不同的同步平台，增加了维护难度。
- 大规模表处理困难：处理大型表时可能遇到性能瓶颈。
- DDL变更同步：实时同步数据库结构（DDL）变更是一个复杂且重要的需求。
Apache SeaTunnel在CDC中的应用
Apache SeaTunnel作为一个连接器，可以实现抽象的Source API和Sink API，即读写API，以实现数据的同步。它的设计目标是：
- 支持多种数据库：如MySQL、Oracle等。
- 零编码：自动建表和动态增删表，无需编写代码。
- 高效读取：先进行数据快照，再跟踪binlog变化。
- 确保一致性：实现exactly-once语义，即使在中断恢复情况下也不会出现数据重复。
Apache SeaTunnel CDC的设计实践重点
在于处理数据同步的两个阶段：快照读取和增量跟踪。 
快照读取阶段
基本流程
- Chunk划分（Splitting）：为了高效同步大量历史数据，表被划分为多个chunk（或split），每个chunk处理一部分数据。
- 并行处理：每个表分成多个split，这些split通过路由算法分配给不同的reader进行并行读取。
-
事件反馈机制：每个reader在完成split读取后会向split分发器报告进度（watermark）。
Split详解
- 组成：Split包括唯一ID、指向的表ID、以及划分细节（如数据范围）。
- 划分方法：Split可基于不同类型的列（如数字或时间）进行范围划分。
- 处理过程：划分后的split被分发给reader，每个split的读取完成后会报告数据水位线。
增量跟踪阶段
单线程流读取
- 流读取特性：与快照阶段的并行读取不同，增量跟踪通常为单线程操作。
- 减少业务压力：避免重复拉取binlog，减轻对业务数据库的压力。
Split管理
- 无终止的Split：增量阶段的Split没有结束点，意味着流读取是持续的。
- 水位线管理：增量Split包含所有快照Split的最小水位线，从最小位置开始读取。
- 资源优化：一个reader占用一个连接，保持高效且资源优化的数据跟踪。
Apache SeaTunnel CDC的设计允许有效地同步历史数据（快照读取）和实时变更（增量跟踪）。通过Split管理和资源优化策略，确保数据同步既高效又对原始数据库影响最小。
Apache SeaTunnel CDC的Exactly-Once实现
Apache SeaTunnel CDC实现Exactly-Once语义的核心在于处理数据同步中的不一致性和系统故障。
Exactly-Once的实现机制
快照读取的水位线管理
- 低水位与高水位：在快照读取时，首先记录低水位线，读取结束后记录高水位线。这两个水位线之间的差异表明数据库在此期间发生了变化。
- 内存表合并：低水位和高水位之间的变更会被合并到内存表中，确保未遗漏任何变更。
Split与Split之间的间隙处理
- 处理数据间隙：处理Split间的数据间隙，确保没有遗漏变更。
- 反向过滤与回捞：快照阶段的每个数据点都会检查以确保没有被之前的Split覆盖，避免数据重复。
- 阶段性校对：分为两个阶段（Stage 1和Stage 2），分别处理Split间的间隙和表间的间隙，确保所有变更都被捕获。
断点续传与分布式快照
分布式快照机制
- 不同引擎适配：分布式快照API适配不同的执行引擎，确保状态一致性。
- 检查点保存：定期发起检查点保存操作，所有组件上传自己的状态，保存完整的检查点状态。
- 恢复选择：在恢复时，可以选择任何一个检查点版本进行恢复。
分布式状态对齐
- 进程间状态同步：处理多个进程内的不同内存状态，确保它们在一个时间点达到一致状态。
- 信号传播与保存：从一个进程发起分布式快照信号，其余进程根据信号保存自己的状态并传递信号，直至所有节点状态对齐。
- 实际应用：在CDC任务中，枚举器节点、读取节点、写入节点均参与这一过程，保证整个数据同步过程的状态一致性。
DDL同步的深入探讨
在Apache SeaTunnel CDC中，DDL同步是一个关键的挑战。由于数据库结构可能在数据流处理过程中发生变化，因此必须谨慎处理这些变更。
DDL解析与抽象化
- DDL事件解析：DDL事件首先被解析并转换为结构化的抽象形式，这样做的目的是将DDL处理过程与特定数据库的语法细节解耦。
- 结构化事件处理：例如，添加列的操作被转换为一个通用的结构化事件，不再依赖于具体数据库的语法。
数据流与结构流的分离
- 信号插入：在DDL操作前后，系统会插入特定的信号以分离结构流和数据流。这样做允许在DDL操作期间暂停数据处理，避免在结构变更期间发生数据混乱。
前置与后置信号处理
- 前置信号：在DDL操作前，清空内存中的数据状态，并暂停数据处理，以确保结构变更前的数据完整性。
-
后置信号：DDL操作完成后，系统恢复数据处理，并继续之后的数据同步。
数据传输的细节优化
在数据传输方面，Apache SeaTunnel CDC通过一系列优化，确保数据同步的效率和一致性。
数据操作的类型化处理
- 插入（Insert）：处理新增数据，仅涉及操作后的状态。
- 更新（Update）：涉及操作前后的状态变化，需要精确处理以确保数据一致性。
- 删除（Delete）：只关注操作前的状态，因为数据在操作后不再存在。
高效的数据流管理
为了提高效率，CDC在数据流管理方面做了大量优化：
- 表级数据拆分：保证同一表内的数据处理的有序性。
- 键级数据排序：同一键的数据操作按顺序处理，保证数据状态的正确性。
- 并行数据写入：同一表内的数据可以并行写入，提高了数据处理的速度。
更新优化
对于不支持更新操作的目标存储，CDC采取了一种优化策略：将更新操作转换为先删除后插入操作，从而绕过存储的限制。
共享挖掘与多目标写入
为了减少对原始数据源的负担，CDC采用共享挖掘机制。这意味着数据被一次读取，然后共享给多个写入插件，允许数据被写入到多个目标存储。这种方法有效地整合了原本分散的数据读写流程，提升了整体效率。
自动建表
目的
- 自动转换：将原库的表结构自动转换到目标库，适用于不熟悉业务库表结构或表数量庞大的场景。
实现过程
- 表结构推送：将配置的所有表转换为通用的数据类型和表结构。
- 与写入插件的交互：启动时，插件接收表结构，检查并在目标库创建或更新表。
- 类型提升：处理异构数据库中的类型不匹配问题，如将小类型提升到大类型。
社区发展与参与
当前发展
- 多表读写：推进多表和多引擎支持。
- API推广：将自动建表等API推广到社区，实现在各插件中。
- 连接器升级：升级连接器以支持新的多表读写功能。
- DDL解析：开发支持目标端表结构的DDL解析功能。
Web界面
- 发布与完善：发布并持续完善，支持不同数据库的数据查询和同步任务配置。
社区参与
- 加入社区：通过官方微信公众号或加入中文用户群获取更多支持。
- 在线资源：通过项目的issue系统、Slack频道或官网获取资源和支持。
- 贡献与沟通：下载试用、报告bug、查看新手任务，或通过邮件列表和Slack进行沟通。
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