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데이타 스트리밍 분석 플랫폼 Dataflow 개념 잡기 #1/2


조대협 (http://bcho.tistory.com)


실시간 데이타 처리에서는 들어오는 데이타를 바로 읽어서 처리 하는 스트리밍 프레임웍이 대세인데, 대표적인 프레임웍으로는 Aapche Spark등을 들 수 있다. 구글의 DataFlow는 구글 내부의 스트리밍 프레임웍을 Apache Beam이라는 형태의 오픈소스로 공개하고 이를 실행하기 위한 런타임을 구글 클라우드의 DataFlow라는 이름으로 제공하고 있는 서비스이다.


스트리밍 프레임웍 중에서 Apache Spark 보다 한 단계 앞선 개념을 가지고 있는 다음 세대의 스트리밍 프레임웍으로 생각할 수 있다. Apache Flink 역시 유사한 개념을 가지면서 Apache Spark의 다음 세대로 소개 되는데, 이번글에서는 이 DataFlow에 대한 전체적인 개념과 프로그래밍 모델등에 대해서 설명하고자 한다. 스트리밍 데이타 처리에 대한 개념은 http://bcho.tistory.com/1119 글을 참고하기 바란다.

개념 소개

dataflow에 대해서 이해하기 위해서 프로그래밍 모델을 먼저 이해해야 하는데, dataflow의 프로그래밍 모델은 얼마전에 Apache에 Beam이라는 오픈 소스 프로젝트로 기증 되었다. Apache Spark이나, Apache Flink와 유사한 스트리밍 처리 프레임웍이라고 생각하면 된다. dataflow는 이 Apache beam의 프로그래밍 모델을 실행할 수 있는 런타임 엔진이라고 생각하면 된다. 예를 들어 Apache beam으로 짠 코드를 Servlet이나 Spring 코드라고 생각하면, dataflow는 이를 실행하기 위한 Tomcat,Jetty,JBoss와 같은 런타임의 개념이다.


먼저 dataflow의 개념을 이해해보도록 하자. 아래 그림은 dataflow에 대한 컨셉이다.


데이타가 들어오면, Pipeline IO에서 데이타를 읽어드린다. 읽어드린 데이타는 PCollection이라는 데이타 형으로 생성이 되고, 이 PCollection 데이타는 여러개의 중첩된 PTransform을 통해서 변환 및 가공이 된다. 가공이 끝난 결과는 마지막으로 Pipeline IO의 Output을 통해서 데이타 저장소 (빅쿼리나 파일등)에 저장이 된다.  이 Pipeline IO에서 부터 PTransform을 걸친 일련의 프로세싱 과정을 Pipeline이라고 한다.


예를 들어 설명해보자, 문자열을 입력 받은 후에, 문자열에서 단어를 추출하여, 각 단어의 개수를 세어 주는 파이프라인이 있다고 하자.


첫번째 실행에서 “Hello my daddy”라는 문자열이 입력되었다. 첫번째 Transform인 Extract words Transform을 거치면서, “Hello my daddy” 라는 문자열은 “Hello”, “my”, “daddy” 라는 각각의 단어로 쪼게진다. 다음으로 Count Element 라는 Transform에 의해서, 각 단어의 수를 세어서 저장한다. “Hello”는 1번, “my”는 1번, “daddy”는 1번 의 값이 저장된다.


두번째 실행에서 “Hello my bro” 라는 문자열이 들어오면, Extract words 에 의해서 “Hello”, “my”, “bro”라는 각각의 단어로 쪼게지고, Count Element Transform에서 이전에 세어놓은 단어의 수와 합산하여 계산이 된 결과가 저장이 된다. “Hello”는 이전에 한번 카운트가 되었고 이번에도 들어왔기 때문에, 2가 되고, 같은 원리로 “my”라는 단어의 카운트도 2가된다. “bro” 라는 단어는 이번에 처음 들어왔기 때문에 새 값으로 1로 저장된다.




세번째 “Hello my mom” 이라는 문자열이 들어오면 앞의 두개의 문자열과 마찬가지로 간 단어로 쪼게진 다음 Count Element에 의해서 각 단어의 수가 카운트되어 기존의 값과 누적 합산된다. 모든 데이타를 다 읽어서 처리가 끝나면, 저장된 결과를 Pipeline IO를 통해서 파일에 그 결과를 쓰게 된다.

배치와 스트리밍 처리

dataflow는 위에서 설명한 파이프라인의 개념을 배치와 스트리밍 처리 두가지 개념 모두로 지원해서 처리가 가능하다. 데이타가 파일과 같이 이미 쓰여지고 더 이상 증가나 수정이 되지 않은 데이타에 대해서는 일괄로 데이타를 읽어서 결과를 내는 배치 처리가 가능하고, 계속해서 들어오고 있는 데이타 (트위터 피드, 로그 데이타)는 스트리밍으로 처리가 가능하다.

윈도우의 개념

배치 처리야, 데이타 처리가 모두 끝난 후에 결과를 내보낸다고 하지만, 그렇다면 스트리밍 데이타는 계속해서 데이타가 들어오고 있는데, 언제 결과를 내보내야 할까?

개별 데이타를 변환해서 저장하는 경우에야, 개별 데이타 처리가 끝난후에 각각 하나씩 저장한다고 하지만, 위와 같이 들어오는 데이타에서 특정데이타 들에 대한 합이나 평균과 같은 처리를 하는 경우 어느 기간 단위로 해야 할까? 스트리밍 처리에서는 이러한 개념을 다루기 위해서 윈도우라는 개념을 사용한다.


예를 들어, “1시~1시10분까지 들어온 문자열에 대해서 문자열에 들어 있는 각 단어의 수를 카운트해서 출력해주는 기능" 이나, 또는 “매 5분 단위로 현재 시간에서 10분전까지 들어온 문자열에 대해서 각 단어의 수를 카운트 해서 출력 해주는 기능" 과 같이 작은 시간 기간의 단위를 가지고 그 기간 단위로 계산 하는 방법이며, 이 시간 단위를 윈도우(Window)라고 한다.


Fixed Window (고정 크기 윈도우)

앞의 예에서 1시~1시10분, 1시10분~1시20분 과 같이 고정된 크기를 가지는 윈도우의 개념을 Fixed Window라고 한다.


Sliding Window (슬라이딩 윈도우)

앞의 예에서와 같이 윈도우가 상대적인 시간 (이전 10분까지)의 개념을 가지면서, 다른 윈도우와 중첩되는 윈도우를 슬라이딩 윈도우라고 한다.


그림과 같이 1시10분의 윈도우는 1시 10분의 10분전인 1시에서 부터, 현재 시간 까지인 1시10분까지 값을 읽어서 처리하고 윈도우가 끝나는 시점인 1:10분에 그 값을 저장한다. 윈도우의 간격은 5분 단위로, 1시 15분에는 1시 15분의 10분전인 1시05분 부터 현재 시간인 1시15분까지 들어온 데이타에 대해서 처리를 하고 그 결과 값을 1시15분에 저장한다.

Session window (세션 윈도우)

다음은 세션 윈도우라는 개념을 가지고 있는데, 이를 이해하기 위해서는 먼저 세션의 개념을 먼저 이해해야 한다.

세션이랑 사용자가 한번 시스템을 사용한 후, 사용이 끝날때 까지의 기간을 정의한다. 스트리밍 시스템에서는 사용자 로그인이나 로그 아웃을 별도의 이벤트로 잡는 것이 아니기 때문에, 데이타가 들어온 후에, 일정 시간 이후에 그 사용자에 대한 데이타가 들어오지 않으면, 세션이 종료 된것으로 판단한다.

일반 적인 웹 프로그램에서 HttpSession과 같은 원리인데, 웹 사이트에 접속한 후, Session time out 시간이 지날때 까지 사용자가 별도의 request를 보내지 않으면 세션을 끊는 것과 같은 원리이다.

아래 그림은 세션 윈도우의 개념을 설명하기 위한 윈도우인데, User A와 User B의 데이타가 들어오고 있다고 하자.


그리고 세션 타임 아웃이 10분으로 정의했다. 즉 같은 사용자에 대해서 데이타가 들어온 후, 10분 내에 추가 데이타가 들어오지 않으면 세션이 종료 된것으로 판단한다.


User A는 1:00 에 첫 데이타가 들어와서1:00~1:10 사이에 두번째 데이타가 들어왔고, 1:10~1:20 사이에 세번째 데이타가 들어온 후, 네번째 데이타는 10분이 지난 후에 들어왔다. 그래서 1:00~1:20 까지가 하나의 세션이 되고, 이것이 User A에 대한 1:00~1:20의 세션 윈도우가 된다. 네번째 데이타 부터는 새로운 윈도우로 처리가 되는데, 1:40~1:50 사이에 다섯번째 데이타가 도착한후, 그 이후로 도착하지 않았기 때문에 이게 두번째 윈도우가 되고, 1:30~1:50의 시간 간격을 가지는 User A의 두번째 윈도우가 된다.

각 윈도우의 값은 User A의 1:00~1:20 윈도우의 값은 (1+1+1)로 3이 되고, 두번째 윈도우인 1:30~1:50 윈도우는 (2.5+1)로 3.5가 된다.


User B는 1:10에 데이타가 들어오고, 10분 후인 1:20까지 데이타가 들어오지 않고 그 이후 1:30 분에 두번째 데이타가 들어왔기 때문에, 1:10~1:10 길이의 첫번째 세션 윈도우가 생성된다. 다음 으로 1:30분에 데이타가 들어왔기 때문에 두번째 세션 윈도우를 생성하고, 2:00까지 계속 데이타가 들어오다가 멈추고 2:10까지 새로운 데이타가 들어오지 않았기 때문에 1:30~2:00 까지 두번째 윈도우로 취급한다.


이 Session Window는 앞서 언급한 Fixed Window나, Sliding Window와는 다르게, User A, User B와 사용자 단위와 같이 어떤 키에 따라서 개별적으로 윈도우를 처리 한다.  즉 Session Window는 User A나 USer B처럼 특정 키에 종속된 윈도우만을 갖는다.


반대로 Fixed Window나 Sliding Window는 키단위의 윈도우가 아니라 그 시간 범위내에 들어 있는 모든 키에 대한 값을 처리한다..

Fixed Window의 경우에는 30분 사이즈를 갖는 윈도우라고 하면 아래 그림과 같이


1:00~1:30 윈도우는 User A의 값 = (1+1+1) 과 User B의 값 1을 합쳐서 총 4가 되고

1:30~2:00 윈도우는 User A값 = (2.5+1)과 User B의 값 = (2+2+2) 를 합쳐서 9.5가 된다.


Sliding Window의 경우에는 길이가 30분이고, 주기가 20분인 Sliding 윈도우라고 할때,


1:00~1:30, 1:20~1:50, 1:40~2:00 3개의 Sliding 윈도우가 생성된다.

1:00~1:30 윈도우는 User A의 값=(1+1+1)과 User B의 값 1을 합산하여 4가 되고

1:20~1:50 윈도우는 User A의 값 = (2.5+1)과 User B의 값 =(2+2)를 합산하여 7.5가 된다.

1:40~2:00 윈도우는 User A의 값 = (2.5+1)과 User B의 값 (2+2)를 합산하여 7.5가 된다.



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