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使用 Amazon Q Developer CLI 快速搭建各种场景的 Flink 数据同步管道
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在 AI 和大数据时代,企业通常需要构建各种数据同步管道。例如,实时数仓实现从数据库到数据仓库或者数据湖的实时复制,为业务部门和决策团队分析提供数据结果和见解;再比如,NoSQL 游戏玩家数据,需要转换为 SQL 数据库以供运营团队分析。那么,到底如何构造稳定而快速的数据 ETL 管道,并且可以进行数据合并或转换?
Amazon 提供了几种数据同步方法:
- Amazon Zero-ETL
借助 Zero ETL ,数据库本身集成 ETL 到数据仓库的功能,减少了在不同服务间手动迁移或转换数据的工作。目前 Zero ETL 支持的源和目标有如下几种,都是托管的数据库或者数据分析服务。
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- AWS Database Migration Service(DMS)
DMS 可以迁移关系数据库、数据仓库、NoSQL 数据库及其他类型的数据存储,支持同构或者异构数据库和数据仓库的数据转换。DMS 运行于单个节点,即使有高可用设计,仍然只有单节点实际工作。在高并发写入的情况下,转换效率受到影响。DMS 支持的源和目标仍然有限,一些开源数据库或者上下游组件支持不足。
- Apache Flink
Apache Flink 作为开源实时计算引擎,支持包括各种关系数据库、NoSQL 数据库和数据仓库的多种数据源和下游连接。数据转换流程也可以加入 Kafka 消息管道作为上下游解耦,满足高性能和高可用数据同步复制需求。亚马逊云科技提供 Amazon EMR Flink 组件和全托管 Amazon Managed Service for Apache Flink 两种服务。EMR 更适合于包括 Flink 在内的开源生态的各种组件,而托管 Flink 只提供单个服务。
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几种方案的对比请参考:合纵连横 – 以 Amazon Flink 和 Amazon MSK 构建 Amazon DocumentDB 之间的实时数据同步。
Flink 方案适用于以下场景:
- 各种数据库到数据仓库的实时 ETL
- 开源 NoSQL 到 DynamoDB 转换
- DynamoDB 表合并
- S3 离线数据快速写入 DynamoDB
- 中国和海外数据库稳定数据复制
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Flink 方案优势在于:
- 托管服务,稳定运行。EMR 主节点可以设置高可用,计算节点以 resource manager 和 yarn 框架实现节点和任务的高可用管理以及任务调度。Flink Checkpoint 机制定期创建检查点,恢复失败任务。
- 高性能。EMR 可以设置多个计算节点,以及并行度,充分利用多节点计算能力,并发处理。实际测试复制写入速度可达几 GB/s,适合需要短时间内迁移数据。
- 一致性,避免数据重复写入。
- 开发灵活,可以根据需求进行表合并或者字段转换。
- 批流一体,支持全量和增量复制,几乎适用于任何数据复制场景。
- 开源生态丰富,支持多种数据源和目标。
以下对于细分场景单独以示例说明。
场景 1:实时数据聚合计算
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多个业务表需要实时 Join 查询,把结果写入目标表。例如电商业务,对订单数据进行统计分析,进行关联形成订单的大宽表,业务方使用业务表查询。
源端 Flink 创建 Mysql CDC 多表实时 Join,打入 Kafka。目标端 Flink 消费 Kafka 实时数据,同步到目标数据库。
环境设置
- 源数据库:RDS Mysql 8.0
创建数据库 mydb
以及表 products
,并写入数据。
- 目标数据库:RDS Postgresql 14,创建与 MySQL 相同结构的表,可参考上述链接。
- MSK Kafka,禁用密码验证。
- EMR 6.10.0:Flink 1.16.0、ZooKeeper 3.5.10,1 个 primary 节点 + 3 个 core 节点,通过 SSH 登录主节点。
下载与 Flink1.16 兼容的相关 Flink jar 软件包,包括 Flink CDC、Kafka、JDBC Connector,目标 PostgreSQL 还需要 JDBC 驱动:
https://jdbc.postgresql.org/download/postgresql-42.7.5.jar
把下载的 jar 包复制到 Flink lib 目录,并修改权限,例如:
重启 Flink 服务使 jar 包加载成功:
创建 Kafka topic,修改 –bootstrap-server 为创建的 MSK 地址:
以 yarn 启动 Flink 应用:
查看 Flink 启动应用:
此时也可以通过 SSH Tunnel,查看 Flink Web UI 界面,显示任务运行状况:
https://docs.aws.amazon.com/emr/latest/ManagementGuide/emr-ssh-tunnel-local.html
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下面开始 Flink 流程。启动 Flink SQL 客户端:
1. 设置 Flink checkpoint,间隔 3 秒
2. 创建 Flink 表,连接 Mysql 源数据
表结构和 Mysql 相同,使用 mysql-cdc connector 作为连接 Mysql 和 Flink 的组件,获取数据变化。
3. 创建 Kafka 表
根据最终需求而设计的业务表,包含各个表和字段 Join 查询后的结果。指定 Kafka connector,格式为’debezium-json’,记录前后变化。
4. 源 Mysql 数据写入 Kafka 表
多表 Join 结果写入大宽表,进入 Kafka 消息队列。
查看 Kafka 消费程序,可以看到类似以下信息。Mysql 的数据以 debzium json 方式写入 Kafka,以 before & after 记录数据前后变化状况。以下是 INSERT 信息:
5. 消费 Kafka 实时数据,写入最终目标端业务数据库
创建目标表:
6. 读取 Kafka 数据,写入目标数据库
7. 在源数据库 Insert/Update/Delete,检查 Kafka 和目标数据库,变化几乎实时同步到目标数据库
源 Mysql:
至此,实时查询的需求已经实现。但生产环境需要可靠的方案,高可用和性能也是重要的考虑因素。因此接下来进行测试。
高可用测试:
EMR 可以实现主节点和计算节点高可用,出现节点故障时可以自动替换,并重新调度任务。模拟节点故障,重启 core node。Flink checkpoint 机制生成周期性数据快照用于恢复。
启用 Flink checkpoint:
Checkpoint 有重试机制,直到超过最大重试次数。
如果禁用 Flink checkpoint ,任务失败不重启,导致中断。但是,默认情况下,即使设置 checkpoint,无论位于本地还是 S3,重启 core 节点也会导致任务中断。
解决办法:EMR Configuration 加入 Flink 高可用配置 zookeeper
结论:EMR 配置 Flink 高可用,即使出现节点故障,仍然可以保持任务继续运行,适合长期运行 CDC 任务的场景。
性能测试
运行 EMR Flink CDC 和 MSK 实时数据同步源 Mysql 到目标 PostgreSQL。运行测试程序,源 Mysql 持续快速批量插入数据,同时 4 个测试进程同时运行 20 分钟,Mysql 写入数据,打入 Kafka 并消费写入目标 PostgreSQL。性能指标显示:
RDS Mysql:CPU 26%, 写 IOPS 1400/s, 写入速度 23000/s
RDS PostgreSQL:DML(Insert) 23000/s
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观察测试结果,以及源和目标数据对比,源 Mysql 经过 EMR Flink + MSK 到目标 PostgreSQL,即使写压力高的情况下,复制延迟保持在秒级。
此数据流转过程中加入了 MSK Kafka 解耦上下游数据,即使在目标端处理能力不足,或者网络延迟较大时,仍然可以保证整个数据管道正常运行。
场景 2:实时同步数据库到数据仓库
Flink 作为数据库到数据湖/仓库的 ETL 管道,实现在线和离线数据的统一处理。
以下示例说明从 Spark Streaming 从 Kafka 中消费 Flink CDC 数据,多库多表实时同步到 Redshift 数据仓库。
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详情参考:多库多表场景下使用 Amazon EMR CDC 实时入湖最佳实践
场景 3:SQL 数据库(Mysql、PostgreSQL)在线迁移到 NoSQL(DocumentDB、DynamoDB)
传统 SQL 关系型数据库在现代化应用的高并发场景下不一定完全适用。由于索引多层效率问题,在数据库表特别大的时候,加上大量并发读写,可能导致数据库性能下降。分库分表可以解决扩展问题,但是也带来中间件 proxy 管理问题和性能损失,更难以解决的是,sharding key 以外的查询需要从所有分片获取数据,效率极低。
NoSQL 数据库是解决大表大并发的很好方法。简单的 Key Value 或者文档存储,不需要复杂的 Join 查询,可以利用 NoSQL 数据库的海量存储和远高于 SQL 数据库的高并发和低延迟。Amazon DynamoDB Key Value 数据库,更可以无需扩容升级运维等升级工作,支持几乎无上限的的数据容量,轻松扩展到百万 QPS。
要实现从 SQL 到 NoSQL 的转换,从应用程序到数据库都需要改造。在迁移数据库时,为尽量降低对业务的影响,在线迁移成为大多数客户的选择。Amazon DMS 工具是一个选择,但是对于源和目标,会有些限制。例如,DMS 对于 DynamoDB 复合主键支持不足,不允许更新主键。源和目标对于一些数据库并不支持,合并或者转换数据比较困难。
而Flink 开发灵活,广泛的 connector 支持多种数据库,可以解决这些问题。
以下是方案示例:
此方案中,源数据为 RDS Mysql,通过 Flink CDC Connector,数据以 EMR Flink 处理,打入到 Kafka 消息队列,再以 Flink 消费数据,最终写入下游的目标数据库,包括 DynamoDB、DocumentDB 等。
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环境:
- 源数据库 RDS Mysql 8.0
- 目标数据库:DynamoDB
- MSK Kafka 2.8.1
- EMR 6.10.0: Flink 1.16.0, Flink SQL Connector MySQL CDC 2.3.0
下载相应 jar 包到 Flink lib目录 /usr/lib/flink,修改相关文件的权限和所有者:
重启 Flink 以让 jar 成功加载:
创建 Flink 应用:
查看 Flink 应用情况:
打开 Flink SQL 客户端:
启用 checkpoint:
创建 Flink 表,关联 Mysql 表:
创建 Flink Kafka 表,并把 Mysql 数据写入 Kafka。扫描数据从最早开始,’scan.startup.mode’ = ‘earliest-offset’
创建 Flink DynamoDB 表,并把 Kafka 队列里的数据写入 DynamoDB。Flink DynamoDB Connector 需要设置 PARTITIONED BY ( ),以和 DynamoDB 主键一致。
最终可以看到,源端 Mysql 全量和增量变化数据,都写入到目标端 DynamoDB。
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以下是 Kafka Debezium JSON 格式,包含数据前后变化:
除了数据库之外,应用程序也需要从访问 Mysql 改为 DynamoDB,相应的数据库接口和读写语句也完全不一样。对于那些 DynamoDB 不是非常熟悉的开发者,如何更丝滑转换现有代码呢?Amazon Q Developer CLI AI 助手可以帮助我们大大降低转换代码的工作量。通过提示词,描述现有的项目情况,指定转换目标,实现业务需求。Amazon Q Developer CLI 会分析现有代码,根据需求和自己的理解,生成与原来业务实现一样的代码。整个过程无需过多干预,即使遇到错误,Amazon Q Developer CLI 也会自己排查然后解决,最终生成新的项目。
下面演示从 Mysql 到 DynamoDB 数据库代码改造的过程。项目使用 Python,Mysql 数据库作为聊天消息存储。
打开 Amazon Q Developer CLI,输入提示词:
提示定义了 Mysql 聊天消息表结构,按照 snowflake 算法生成 id,查询实现两种业务,某个时间段的聊天会话,以及发送者或者接受者最近消息。在此基础上继续转换代码为 DynamoDB。
Amazon Q Developer CLI 进行以下工作:
1. 构建 Mysql 代码,创建表,写入数据,并构造聊天消息的业务查询。
2. 创建 DynamoDB 表,按照 Mysql 业务逻辑构建,并创建相应索引。
3. 写入测试数据,并从 Mysql 迁移数据到 DynamoDB,然后运行业务查询测试。
Amazon Q Developer CLI 还总结了此方案的特点,包括:
- 高效 DynamoDB 查询
- 消息按照 DynamoDB 时间戳排序
- 使用 snowflake 雪花算法生成按时间排序的唯一消息 id
- 高扩展性
查看项目,Mysql 查询代码,改造为 DynamoDB:
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DynamoDB 数据示例:
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下面查看 Mysql 与 DynamoDB 的代码对比。
Mysql:实现按照时间查询会话,以及按照发送者查询消息。
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同样的业务逻辑,在 DynamoDB 实现时,原 Mysql SQL 语句为:
修改为 DynamoDB 查询后:
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从以上示例可以看出,Amazon Q Developer CLI 可以加速 SQL 到更高效 NoSQL 的数据库代码改造。当然,我们可以给出更精确的要求,例如列出现有需求、合并或者转换数据等,都可以让 Amazon Q Developer CLI 帮助生成和转换代码。
Amazon Q Developer CLI 还生成了输出对比效果,转换前后结果一致。此过程中,无需编写任何一行代码,即可实现数据库代码的转换,业务功能没有变化,使用更为灵活的 NoSQL 数据库提高性能和扩展性。如果需要发挥 DynamoDB 更多性能优势,可以在提示词让 Amazon Q Developer CLI 遵循最佳实践来设计数据库,也可以按照业务需求做表合并等修改。
参考:https://github.com/milan9527/mysql2nosql
场景 4:开源 NoSQL 数据库在线迁移到 Amazon SQL/NoSQL
NoSQL 数据库已经在很多行业广泛使用。例如,游戏中使用 MongoDB 作为战斗服玩家数据更新,Cassandra/CouchDB/Couchbase 等开源数据库也有应用。如果想要更多云原生 NoSQL 数据库的优势,无需自己维护分片和升级,或者更高弹性满足业务,Amazon DynamoDB/DocumentDB 更为适合。但是,不同数据库访问接口不一样,如何从开源 NoSQL 数据库平滑迁移到 DynamoDB?对于没有接触过 DynamoDB 的客户,需要一定的学习,而迁移工具也是影响落地的重要因素。Flink 支持多种开源 NoSQL Connector,也支持定制开发,在迁移过程中合并或者转换数据。
方案架构:
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与场景 3 类似,只是源数据库从 SQL 变成 NoSQL 数据库,目标端可以是 NoSQL 或者 SQL 数据库,源数据库和 Flink 使用相应的 Connector 即可。
以下示例用 Amazon Q Developer CLI 生成 Flink 项目,从 Couchbase 迁移数据到 DynamoDB。此简易示例中没有使用 Kafka,而是直接以 Flink 连接源和目标,实现全量和增量数据复制。当然,Kafka 也支持一些 Connector,以此接入消息队列。
步骤:
安装 Couchbase,生成测试数据。
Amazon Q Developer CLI 提示词:
Amazon Q Developer CLI 生成 Flink Java 代码,运行出错:
自动排错:
Flink batch 模式错误,继续修复:
出现查询表错误,源表不存在,继续修复:
至此,已经成功把数据从 Couchbase 通过 Flink 写入 DynamoDB。
下面继续优化,使用高可用设置,提高性能。自动修改代码,加入 Flink checkpoint 和重试机制,使用 batch 批量写入 DynamoDB,调整 Flink 并行度。
最后在项目中生成 Readme 文件,总结架构、使用方法、配置文件。
整个过程中无需手动编写代码,即可丝滑生成迁移项目。对于不熟悉 Flink 的开发者,也能实现迁移功能,建议 review 生成的代码功能,先在测试环境验证。
生成项目如下:https://github.com/milan9527/simple-flink-migration/tree/main/simple-flink-migration
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场景 5:DynamoDB 多表合并
游戏场景中经常有合服操作,多个游戏服务合成一个,相应的组件也需要合并。这里演示 DynamoDB 多表合并,此过程中还需要把数据结构稍微调整,并要求合并过程在线完成,不影响线上业务。
可以考虑的方案:
- S3 export/import:DynamoDB 支持 S3 导入导出,但是需要异步进行,在数据量大时时间过久,并且不支持增量复制,要求目标表为新表。这些限制使得快速在线迁移难以实现。
- DMS:DMS 源不支持 DynamoDB,复合主键有限制,此方案技术上不可行。
- Hive + DynamoDB Stream:Hive 支持 DynamoDB,以外表方式操作 DynamoDB 表,结合 DynamoDB Stream 可以自己编写 Lambda 处理增量变化数据。但是此方案对 map 字段支持有限,也排除考虑。
- Glue + DynamoDB Stream:Glue 以 Spark 程序访问 DynamoDB,也需要一些 Spark 开发经验,Glue 性能以 DPU 来控制,需要对此服务有所了解。
- Flink:流批一体,支持全量+增量复制,可以在线迁移。灵活的数据接口和开发支持合并和转换操作。Flink 方案最合适。
具体实现方式上,Flink SQL 虽然简单,以 SQL 方式操作数据表,但是只支持 DynamoDB Sink 不支持 Source。Flink DataStream API 可以支持 DynamoDB 作为源和目标,需要开发代码。并非所有开发人员都熟悉 Flink,但是 Amazon Q Developer CLI 可以帮助实现整个数据流程、编写代码、构建 jar 包,并提交任务到 EMR Flink 应用。原来即使熟悉 Flink,整个开发过程也需要几天时间,而现在可以让 Flink 帮助我们几个小时完成测试。
整个方案架构如下。创建 EMR Flink,编写 Flink 程序,使用 Datastream API 访问多个 DynamoDB 表,合并转换数据,写入目标 DynamoDB 表。此过程还需要获取 DynamoDB 变化并写入目标表,开启 DynamoDB Stream。
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以下演示Amazon Q Developer CLI 构建过程:
提示词:{JSON}部分是 DynamoDB 数据结构,提供合并转换前后的数据样例。
整个过程几乎无需过多干预,Amazon Q Developer CLI 自动调试运行,最终生成 Flink Java项目,并提交 EMR Flink 任务。
Flink UI 界面可以看到,全量 Full load 和增量 CDC 任务正常运行:
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项目结构如下:https://github.com/milan9527/dynamodbmerge
以下为合并处理逻辑,包含了处理删除操作,处理 Map 类型,写入 DynamoDB 数据:
最终,我们实现了业务需求,全量数据迅速加载,增量数据以 KCL 读取 DynamoDB Stream,增删改都可以快速复制,源表数据转换后按照预定格式复制到目标表。而且,Amazon Q Developer CLI 还提高了 Flink 运行效率和可靠性,以 checkpoint 实现 Exactly-once 只写一次,多表并行处理。
需要注意的是,Amazon Q Developer CLI 生成的代码仍然需要 review。测试中,Amazon Q Developer CLI 自由发挥,最开始的 stream pulling 时间稍长,在增量 CDC 部分使用 DynamoDB scan 到内存对比,虽然功能可以实现,但是效率低,成本高,后来改成更优的 DynamoDB Stream + KCL(Kinesis Client Library)方式。
场景 6:S3 离线数据快速写入数据库
对于应用程序收集的打点数据,离线数据会存储在 S3 以降低成本,每隔一段时间写入 S3。业务上需要在数据库快速访问这些数据,如何快速把这些离线数据写入数据库,是个很大的挑战。
通常此类数据量很大,并且并发访问很高,可以考虑 DynamoDB 这类高性能 NoSQL 数据库。批量写入可以使用 Flink,源端支持 S3 文件系统方式接口,目标端支持 DynamoDB。Flink SQL 支持简单的查询插入。
让我们看看以下需求:
S3 离线数据存储在 6 个目录,压缩 1.8 TB,一共 130 亿行。每隔一段时间批量写入 DynamoDB,要求尽快写完,最好 1 小时内。此需求的挑战在于,时间很短,整个方案要求写入处理速度很高。
考虑方案:
- Dynamodb import from S3:导入为异步运行,导入时间过长,并且目标表必须为空。
- DMS:单实例处理性能不足,不支持 DynamoDB 复合主键。
- Hive MR/Tez:Hive 适合离线数据仓库,并非为高性能设计。MapReduce 引擎性能较低,即使使用 Tez,性能仍然成为瓶颈。
- Flink:高性能,多节点并发处理,DynamoDB 支持每秒几百万的写入,成为解决问题的关键。
Flink 方案架构如下:
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测试环境:
- DynamoDB:WCU 10M,RCU 1.5M,需要提前预热,表读写容量可以根据需求调整。
- EMR 6.10.0:Flink 1.16.0,1 个 primary 节点 + 32 个 core 节点,r8g.2xlarge,Flink 并行度 Parallelism=128,节点和并行度也可以调整。
Flink 运行过程参考之前场景 3。
创建 Flink S3 表:
创建 Flink DynamoDB 表:
S3 数据写入 DynamoDB:
从 EMR Flink UI 可以看到,6 个任务同时运行:
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DynamoDB 指标:WCU 10M,相当于每秒写入 1 千万条 1KB 数据,写延迟 6ms,性能相当优异。
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任务运行结果:
- S3 文件解压后 20TB,总处理写入时间 47 分钟,平均 7GB/s。
- 这是 32 个 EMR 节点以及 Flink 并行度 128 的表现,可以适当调整 EMR 节点和并行度,以及 DynamoDB WCU。
- Flink SQL 即可完成,无需编写代码。
此过程也可以用 Flink DataStream 开发,可考虑 Amazon Q Developer CLI AI 助手加速生成代码。
场景 7:中国和海外数据库数据复制
中国和海外区域隔离,服务不能互通,原生的跨区域数据复制功能不支持。对于需要国内外数据复制的场景,需要自行搭建复制工具。
参考:《合纵连横 – 以 Amazon Flink 和 Amazon MSK 构建 Amazon DocumentDB 之间的实时数据同步》。
Flink 作为 Zero ETL/DMS 的补充方案,在更多场景下可以发挥作用,也存在一些落地难度问题。Flink 提供多种使用方式,Flink SQL 更简单,用 SQL 即可完成表创建和上下游写入,但是部分源和目标可能不支持,并且合并转换不能用 SQL 完全实现。
相对而言,代码方式更加灵活。但是,并非所有运维人员都了解 Flink 开发,即使是开发人员,也不一定懂 Flink。Amazon Q Developer CLI AI 助手实现方案落地。我们只需要提需求,所有 Flink 开发工作交给大模型处理,包括下载 mvn 依赖,项目打包,创建 Flink 应用并提交任务,极大降低了 Flink 使用难度。
结论
Flink 可以构建灵活的数据库和数据仓库的数据管道,实现:
- 实时数据聚合计算
- 实时同步数据库到数据仓库
- SQL 数据库在线迁移到 NoSQL
- 开源 NoSQL 到 Amazon DynamoDB 转换
- DynamoDB 表合并
- S3 离线数据快速写入 DynamoDB
- 中国和海外数据库稳定数据复制
使用 Amazon Q Developer CLI 快速搭建 Flink 管道,只需要描述需求,即可构建代码和服务组件,进行部署和测试,完成整个部署流程,大量节省时间,即使不熟悉 Flink 开发也可以使用。
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