Статьи

Распределенный анализ данных с помощью Docker Swarm

Ноябрь 21, 2018

Цель этого поста — показать, насколько мощным и гибким может быть Docker Swarm в сочетании со стандартными инструментами UNIX для распределенного анализа данных. Для этого напишем простую реализацию MapReduce в bash/sh которая использует Docker Swarm для планирования заданий Map на узлах в кластере.

MapReduce обычно реализуется, когда для обработки требуется большой набор данных. Для простоты и воспроизводимости читателем мы используем очень маленький набор данных, состоящий из нескольких мегабайт текстовых файлов.

Этот пост не о том, как написать программу MapReduce. Это также не значит, что MapReduce лучше всего делать таким образом. Вместо этого эта статья рассказывает о том, что простые старые инструменты UNIX, такие как sort , awk , netcat , pv , uniq , xargs , pipe , join , time и cat могут быть полезны для распределенной обработки данных при запуске поверх Докер Рой кластер.

Поскольку это только пример, предстоит проделать большую работу, чтобы добиться отказоустойчивости, устойчивости и избыточности. Такое решение, как предложенное здесь, может быть полезно, если у вас есть случай одноразового использования, и вы не хотите тратить время на что-то более сложное, например Hadoop . Если у вас есть частые случаи использования, я рекомендую вам использовать Hadoop.

Требования к нашей реализации MapReduce с Docker Swarm

Чтобы воспроизвести примеры в этом посте, вам понадобится несколько вещей:

  • Docker установлен на вашем локальном компьютере
  • Работающий кластер Swarm (если у вас его нет, не волнуйтесь. Я объясню, как получить его для этой цели быстро и легко)
  • Docker Machine установлен на вашем локальном компьютере (для настройки кластера Swarm, если у вас его еще нет)

MapReduce — это парадигма программирования с целью распределенной обработки больших наборов данных в кластере (в нашем случае кластер Swarm). Как следует из названия, MapReduce состоит из двух основных этапов:

  • Карта: мастер-узел берет большой набор данных и распределяет его для вычисления узлов для выполнения анализа. Каждый узел возвращает результат.
  • Сократить: собрать результаты каждой карты и объединить их, чтобы получить окончательный ответ.

Настройка кластера Swarm

Если у вас уже есть кластер Swarm, вы можете пропустить этот раздел. Просто убедитесь, что вы подключаетесь к кластеру Swarm при использовании клиента Docker. Для этого вы можете проверить переменную окружения DOCKER_HOST .

Я написал скрипт установки, чтобы мы могли легко создать кластер Swarm на DigitalOcean. Чтобы использовать его, вам нужна учетная запись DigitalOcean и ключ API, чтобы позволить Docker Machine управлять вашими экземплярами. Вы можете получить ключ API здесь .

Когда вы закончите с ключом API, экспортируйте его, чтобы его можно было использовать в скрипте установки:

1
export DO_ACCESS_TOKEN=aa9399a2175a93b17b1c86c807e08d3fc4b79876545432a629602f61cf6ccd6b

Теперь мы готовы написать скрипт create-cluster.sh :

01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
#!/bin/bash
 
# configuration
agents="agent1 agent2"
 
token=$(docker run --rm swarm create)
 
# Swarm manager machine
echo "Create swarm manager"
docker-machine create \
    -d digitalocean \
    --digitalocean-access-token=$DO_ACCESS_TOKEN \
    --swarm --swarm-master \
    --swarm-discovery token://$token \
    manager
 
# Swarm agents
for agent in $agents; do
    (
    echo "Creating ${agent}"
 
    docker-machine create \
        -d digitalocean \
        --digitalocean-access-token=$DO_ACCESS_TOKEN \
        --swarm \
        --swarm-discovery token://$token \
        $agent
    ) &
done
wait
 
# Information
echo ""
echo "CLUSTER INFORMATION"
echo "discovery token: ${token}"
echo "Environment variables to connect trough docker cli"
docker-machine env --swarm manager

Как вы можете заметить, этот скрипт состоит из трех частей:

  • конфигурация: здесь у вас есть две переменные, используемые для настройки всего кластера. Переменная agents определяет, сколько агентов Swarm нужно поместить в кластер, когда переменная token заполняется командой swarm create которая генерирует токен Docker Hub, используемый вашим кластером для обнаружения службы. Если вам не нравится использование токенов, вы можете использовать свой собственный сервис обнаружения, такой как Consul, ZooKeeper или Etcd .
  • Создание главной машины Swarm: эта машина будет предоставлять удаленный API Docker через tcp.
  • Создание машин-агентов Swarm. В соответствии с конфигурацией, в DigitalOcean для каждого указанного имени agent1 agent2 будет создан agent1 agent2 настроенный для присоединения к кластеру ранее созданного менеджера Swarm.
  • Распечатать информацию о сгенерированном кластере: когда машины работают, скрипт просто печатает информацию о сгенерированном кластере и о том, как подключиться к нему с помощью Docker-клиента.

Теперь мы можем наконец выполнить скрипт create-cluster.sh :

1
2
chmod +x create_cluster.sh
./create_cluster.sh

Через несколько минут и несколько строк вывода, и если ничего не пошло не так, мы должны увидеть что-то вроде этого:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
CLUSTER INFORMATION
discovery token: 9effe6d53fdec36e6237459313bf2eaa
Environment variables to connect trough docker cli
export DOCKER_TLS_VERIFY="1"
export DOCKER_HOST="tcp://104.236.46.188:3376"
export DOCKER_CERT_PATH="/home/fntlnz/.docker/machine/machines/manager"
export DOCKER_MACHINE_NAME="manager"
# Run this command to configure your shell:
# eval $(docker-machine env --swarm manager)

Как и предполагалось, вам нужно выполнить команду для настройки вашей оболочки, чтобы подключиться к демону Docker кластера Swarm.

1
eval $(docker-machine env --swarm manager)

Чтобы убедиться, что кластер запущен и работает, вы можете использовать:

1
docker-machine ls

который должен напечатать:

1
2
3
4
NAME      ACTIVE      DRIVER         STATE     URL                         SWARM              DOCKER    ERRORS
agent1    -           digitalocean   Running   tcp://104.236.26.148:2376   manager            v1.10.3  
agent2    -           digitalocean   Running   tcp://104.236.21.118:2376   manager            v1.10.3  
manager   * (swarm)   digitalocean   Running   tcp://104.236.46.188:2376   manager (master)   v1.10.3

Обратите внимание, что в столбце ACTIVE есть только один ACTIVE master. Это потому, что вы выполнили эту команду eval для настройки вашей оболочки ранее.

Сбор данных для анализа

Анализ данных был бы ничем без данных для анализа. Мы собираемся использовать несколько стенограмм последних сезонов популярного британского научно-фантастического сериала « Доктор Кто» . Для этой цели я создал Gist, некоторые из которых взяты из The Doctor Who Transcripts .

На самом деле я добавил в «Гист» только самые последние эпизоды «Девятого доктора» (начиная с 2005 года). Вы можете получить стенограммы, клонируя мой Gist:

1
git clone https://gist.github.com/fa9ed1ad11ba09bd87b2d25a14f65636.git who-transcripts

После того, как вы клонировали Gist, у вас должна получиться папка who-transcripts содержащая 130 стенограмм.

Поскольку одним из наших требований для этого поста является то, что анализ данных должен выполняться с помощью инструментов UNIX, мы можем использовать AWK для программы карты.

Для того, чтобы быть полезным для шага сокращения, наша картографическая программа должна иметь возможность преобразовывать расшифровку следующим образом:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
[Albion hospital]
(The patients are almost within touching distance.)
DOCTOR: Go to your room.
(The patients in the ward and the child in the house stand still.)
DOCTOR: Go to your room. I mean it. I'm very, very angry with you. I am very, very cross. Go to your room!
(The child and the patients hang their heads in shame and shuffle away. The child leaves the Lloyd's house and the patients get back into bed.)
DOCTOR: I'm really glad that worked. Those would have been terrible last words.
 
[The Lloyd's dining room]

В ключе значение пары выглядит так:

1
2
3
4
5
6
7
8
DOCTOR go
DOCTOR to
DOCTOR your
DOCTOR room
DOCTOR Im
DOCTOR really
DOCTOR glad
...

Для этого Map должна пропустить строки, которые не в формате <speaker>: <phrase> , а затем для каждого слова она должна напечатать имя говорящего и само слово.

Для этого мы можем написать простую программу на AWK например map.awk :

01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
#!/usr/bin/awk -f
{
    if ($0 ~ /^(\w+)(.\[\w+\])?:/) {
        split ($0, line, ":");
        character=line[1];
        phrase=tolower(gensub(/[^a-zA-Z0-9 ]/, "", "g", line[2]));
        count=split(phrase, words, " ");
        for (i = 0; ++i <= count;) {
            print  character " " words[i]
        }
    }
}

На вашем локальном компьютере вы можете легко попробовать программу карты с:

1
cat who-transcripts/27-1.txt | ./map.awk

Планирование заданий на карте

Теперь, когда у нас есть программа Map, мы можем подумать о том, как начать планирование заданий карты в нашем кластере. Наш планировщик будет отвечать за:

  • Управление количеством заданий одновременно
  • Копирование картографической программы в исполнителей
  • Указание исполнителю запускать картографические программы
  • Копирование данных исполнителям
  • Запуск программы карты и объединение результатов каждого отдельного исполнителя с другими
  • Контейнеры для сбора мусора больше не нужны

Для этого мы можем написать сценарий bash, который читает все стенограммы из папки who-transcripts . Он также будет использовать Docker-клиент для подключения к Swarm-кластеру и делать всю магию!

Сценарий, подобный приведенному ниже, может решить эту важную задачу:

01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
#!/bin/bash
 
function usage {
    echo "USAGE: "
    echo "    ./scheduler.sh <transcripts folder> <max concurrent jobs>"
}
 
# Argument checking
transcripts_folder=$1
 
if [ -z "$1" ]; then
    echo "Please provide a folder from which take transcripts"
    echo ""
    usage
    exit 1
fi
 
if [ ! -d "$transcripts_folder" ]; then
    echo "Please provide a valid folder from which take transcripts"
    echo ""
    usage
    exit 1
fi
maxprocs=$2
if [ -z "$2" ]; then
    maxprocs=5
fi
 
# Scheduling
proc=0
seed=`uuidgen`
 
# Cycle trough transcripts and start jobs
for transcript in $transcripts_folder/*; do
    (container=`docker run --name "${seed}.$proc" -d  alpine sh -c "while true; do sleep 5; done"` > /dev/null
    echo "[MAP] transcript: ${transcript} => container: ${container}"
    docker cp map.awk $container:/map
    cat $transcript | docker exec -i $container ./map >> result.txt
    docker rm -f $container > /dev/null) &
    (( proc++%maxprocs==0 )) && wait;
done
 
# Remove containers
docker ps -aq --filter "name=$1" | xargs docker rm -f

Сценарий состоит из трех важных частей:

  • Проверка аргументов . Единственная цель этой части — получить и проверить необходимые аргументы для выполнения заданий.
  • Выполнение заданий : эта часть состоит из цикла for который выполняет итерацию по всем текстовым файлам в предоставленной папке. На каждой итерации запускается контейнер, и сценарий map.awk копируется в него непосредственно перед выполнением. Выходные данные сопоставления перенаправляются в файл result.txt который собирает все выходные данные сопоставления. Цикл for управляется переменной maxprocs которая определяет максимальное количество одновременных заданий.
  • Удаление контейнеров : Использованные контейнеры должны быть удалены во время цикла for ; если этого не происходит, они удаляются после окончания цикла.

Сценарий планировщика можно упростить, запустив контейнер с параметром -rm , но для этого потребуется, чтобы скрипт map.awk уже находился внутри изображения перед запуском.

Поскольку планировщик способен передавать необходимые данные исполнителям, нам больше ничего не нужно, и мы можем запустить планировщик. Но перед запуском планировщика мы должны указать клиенту Docker подключиться к кластеру Swarm, а не к локальному движку.

1
eval $(docker-machine env --swarm manager)

Это запустит планировщик, используя папку who-transcripts с 40 как максимальное количество одновременных заданий.

1
./scheduler.sh who-transcripts 40

При выполнении планировщик должен вывести что-то похожее:

1
2
3
4
5
6
7
[MAP] transcript: who-transcripts/27-10.txt => container: f1b4bdf37b327d6d3c288cc1e6ce1b7f274b3712bc54e4315d24a9524801b230
[MAP] transcript: who-transcripts/27-12.txt => container: 03e18bf08f923c0b52121a61f1871761bf516fe5bc53140da7fa08a9bcb9294c
[MAP] transcript: who-transcripts/27-11.txt => container: dadfb0e2cccf737198e354d2468bdf3eb8419ec131ed8a3852eca53f1e57314b
[MAP] transcript: who-transcripts/27-2.txt => container: 69bb0eb07df7a356d10add9d466f7d6e2c8b7ed246ed9922dc938c0f7b4ee238
[MAP] transcript: who-transcripts/28-1.txt => container: 3f56522aac45fd76f88a190611fb6e3f96f4a65e79e8862f7817be104f648737
[MAP] transcript: who-transcripts/28-6.txt => container: 05048e807996b63231c59942a23f8504eab39ece32e616644ccef2de7cb01d5c
[MAP] transcript: who-transcripts/28-0.txt => container: a0199b5d64ca012e411da09d85081a604f87500f01e193395828e7911f045075

Когда планировщик завершит работу, мы можем проверить файл result.txt . Вот первые 20 строк:

01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
DOCTOR go
DOCTOR to
DOCTOR your
DOCTOR room
DOCTOR go
DOCTOR to
DOCTOR your
DOCTOR room
DOCTOR i
DOCTOR mean
MICKEY it
ROSE im
DOCTOR very
DOCTOR very
DOCTOR angry
DOCTOR with
MICKEY you
DOCTOR i
DOCTOR am
ROSE very

Большой! Это ключ, значение <name> <sentence> . Итак, давайте посмотрим, сможем ли мы уменьшить эти данные до чего-то полезного с этими данными с помощью команды UNIX:

1
cat result.txt | sort | uniq -c | sort -fr

Приведенная выше команда сокращения сортирует файл, фильтрует уникальные строки, а затем снова сортирует их в обратном порядке, так что наиболее распространенные слова по динамику отображаются первыми. Выходные данные первых 20 строк этой команды:

01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
9271 DOCTOR the
   7728 DOCTOR you
   5290 DOCTOR a
   5219 DOCTOR i
   4928 DOCTOR to
   3959 DOCTOR it
   3501 DOCTOR and
   3476 DOCTOR of
   2595 DOCTOR that
   2457 DOCTOR in
   2316 DOCTOR no
   2309 DOCTOR its
   2235 DOCTOR is
   2150 DOCTOR what
   2088 DOCTOR this
   2009 DOCTOR me
   1865 DOCTOR on
   1681 DOCTOR not
   1580 DOCTOR just
   1531 DOCTOR im

Это означает, что самое распространенное слово, сказанное Доктором, — the . Вот график распределения 50 наиболее часто используемых слов:

расстояние

Если вам интересно, я сгенерировал этот график, используя скрипт gnuplot:

01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
reset
set term png truecolor size 1000,700
set output "dist.png"
set xlabel "Speaker word"
set ylabel "count"
set grid
set boxwidth 0.95 relative
set style fill transparent solid 0.5 noborder
set xtics rotate by 45 right
set xtics font ", 10"
plot "result.txt" using 1:xticlabels(stringcolumn(2) . " - " . stringcolumn(3))

Давайте попробуем что-то более осмысленное — давайте посмотрим, как часто слово « tardis » было сказано:

1
cat result.txt | sort | uniq -c | sort -fr | grep 'tardis'

Как и ожидалось, это показывает, что Доктор — это тот, кто больше всего говорит о «ТАРДИС»:

01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
335 DOCTOR tardis
     43 CLARA tardis
     22 ROSE tardis
     22 AMY tardis
     18 RIVER tardis
     16 RORY tardis
     10 DOCTOR [OC] tardis
      9 MICKEY tardis
      8 MARTHA tardis
      6 IDRIS tardis
      6 DOCTOR tardises
      5 JACK tardis
      5 DONNA tardis
      4 MASTER tardis
      4 DALEK tardis
      3 TASHA tardis
      3 MARTHA [OC] tardis
      3 KATE tardis
      3 DOCTOR [memory] tardis
      2 RIVER [OC] tardis
      2 MOMENT tardis
      2 MISSY tardis
      2 DALEKS [OC] tardis
      1 YVONNE tardis
      1 WHITE tardis
      1 VICTORIA tardis
      1 VASTRA tardis
      1 UNCLE tardises
      1 SUSAN [OC] tardis
      1 SEC tardis
      1 SARAH tardis
      1 ROSITA tardis
      1 RORY [OC] tardis
      1 ROBIN tardis
      1 OSGOOD tardis
      1 MOTHER tardis
      1 MACE tardis
      1 LAKE tardis
      1 KATE tardisproofed
      1 K9 tardis
      1 JENNY tardis
      1 JACKIE tardis
      1 IDRIS tardises
      1 HOWIE tardis
      1 HOUSE [OC] tardises
      1 HOUSE [OC] tardis
      1 HANDLES tardis
      1 GREGOR tardis
      1 FABIAN tardis
      1 EDITOR tardis
      1 DOCTOR tardisll
      1 DAVROS tardis
      1 DANNY tardis
      1 DALEK [OC] tardis
      1 CRAIG tardis
      1 CLARK tardis
      1 CLARA [OC] tardis
      1 BORS tardis
      1 BOB [OC] tardis
      1 BLUE tardis
      1 AUNTIE tardis
      1 ASHILDR tardis

Вывод

Docker Swarm — очень гибкий инструмент, и философия UNIX как никогда актуальна при выполнении анализа данных. Здесь мы показали, как простая задача может быть распределена по кластеру путем смешивания Swarm с несколькими командами — возможное развитие этого подхода — использование более понятного подхода.

Несколько возможных улучшений могут быть:

  • Используйте настоящий язык программирования вместо скриптов AWK и Bash.
  • Создайте и вставьте образ Docker, показывающий все необходимые программы (вместо копирования их в Alpine при запуске Docker).
  • Поместите данные ближе к месту их обработки (в этом примере мы загрузили данные в кластер во время выполнения с помощью планировщика).
  • И последнее, но не менее важное: имейте в виду, что если у вас начнутся частые и более сложные случаи использования, Hadoop станет вашим другом.
Ссылка: Анализ распределенных данных с помощью Docker Swarm от нашего партнера по JCG Лоренцо Фонтана в блоге Codeship Blog .
52
Share: