什么是Data Pipeline?
今天我主要跟大家聊聊Data Pipeline在數(shù)據(jù)工作中的實際應用。在我們的日常工作中，無論是機器學習的建模，還是數(shù)據(jù)產(chǎn)品開發(fā)，Data Pipeline實際上都是一個不可或缺的部分。特別是隨著數(shù)據(jù)來源更加多樣化、復雜化以及數(shù)據(jù)量的飛速增長，搭建一個高效的Data Pipeline，不僅能使你的工作事半功倍，更是很多復雜問題得以解決的關鍵所在。
我們先來看Data Pipeline的概念。從英文字面上看，Pipeline翻譯成中文，其實有兩層意思，它可以是管道、也可以是管道運輸?shù)囊馑肌Ｍㄋc兒來講，Data Pipeline可以理解為是一個貫穿了整個數(shù)據(jù)產(chǎn)品或者數(shù)據(jù)系統(tǒng)的一個管道，而數(shù)據(jù)就是這個管道所承載的主要對象。Data Pipeline連接了不同的數(shù)據(jù)處理分析的各個環(huán)節(jié)，將整個龐雜的系統(tǒng)變得井然有序，便于管理和擴展。從而讓使用者能夠集中精力從數(shù)據(jù)中獲取所需要的信息，而不是把精力花費在管理日常數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)庫方面。
(圖片說明：Data Pipeline溝通了數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)應用的目標，包含了一家公司內部的數(shù)據(jù)流動全過程)
在如今的實際數(shù)據(jù)工作中，我們需要處理的數(shù)據(jù)常常是多種多樣的。比如說設想這樣一個場景：如果我們需要對某一個產(chǎn)品進行一些分析，數(shù)據(jù)的來源可能是來自于社交媒體的用戶評論、點擊率，也有可能是從銷售渠道獲取的交易數(shù)據(jù)、或者歷史數(shù)據(jù)，或者是從商品網(wǎng)站所抓取的產(chǎn)品信息。面對這么多不同的數(shù)據(jù)來源，你所要處理的數(shù)據(jù)可能包含CSV文件、也可能會有JSON文件、Excel等各種形式，可能是圖片文字，也可能是存儲在數(shù)據(jù)庫的表格，還有可能是來自網(wǎng)站、APP的實時數(shù)據(jù)。
在這種場景下，我們就迫切需要設計一套Data Pipeline來幫助我們對不同類型的數(shù)據(jù)進行自動化整合、轉換和管理，并在這個基礎上幫我們延展出更多的功能，比如可以自動生成報表，自動去進行客戶行為預測，甚至做一些更復雜的分析等。
(圖片說明：從數(shù)據(jù)源到數(shù)據(jù)處理，再到實現(xiàn)數(shù)據(jù)目標的過程)
對于Data Pipeline，很多人習慣于將它和傳統(tǒng)的ETL(Extract-Transform-Load，指的是將數(shù)據(jù)從來源端經(jīng)過抽取、轉換、加載至目的端的過程)來對比。相對于傳統(tǒng)的ETL，Data Pipeline的出現(xiàn)和廣泛使用，主要是應對目前復雜的數(shù)據(jù)來源和應用需求，是跟“大數(shù)據(jù)”的需求密不可分的。
在實際應用中，目前Data Pipeline在機器學習、任務分析、網(wǎng)絡管理、產(chǎn)品研發(fā)方面都是被廣泛采用的。像是Facebook、Google或是國內的百度、騰訊這樣的數(shù)據(jù)驅動型的科技巨頭，它們的任何一個產(chǎn)品的開發(fā)，都有一支龐大的數(shù)據(jù)工程師隊伍在后臺對整個產(chǎn)品的Data Pipeline進行設計開發(fā)和維護。
很多時候，我們甚至可以說，Data Pipeline的成敗是整個產(chǎn)品成敗的關鍵。
Data Pipeline在機器學習中的應用案例
Data Pipeline的應用有很多，我主要介紹一下其在機器學習中的應用。盡管在機器學習領域的應用只是Data Pipeline的一個小應用，但卻是非常成功的。
對于機器學習來說，Data Pipeline的主要任務就是讓機器對已有數(shù)據(jù)進行分析，從而能使機器對新的數(shù)據(jù)進行合理地判斷。
我想很多人都對Kaggle有所耳聞，可能也有一些人參與過Kaggle的項目。Kaggle是一個數(shù)據(jù)分析的平臺，企業(yè)或者研究者可以描述數(shù)據(jù)方面的問題，把對模型的期望發(fā)布到kaggle上面，以競賽的形式向廣大的數(shù)據(jù)科學愛好者征集更有效的解決方案。
上面這張圖，是我從一位經(jīng)常參與Kaggle項目的達人的博客中拿到的。在和很多Kaggle達人的接觸中，其實我們可以發(fā)現(xiàn)，他們大多數(shù)都會將Data Pipeline整合到自己的機器學習建模的流程中。
這張流程圖基本涵蓋了絕大多數(shù)機器學習要做的事情。如果你有一套合理的Data Pipeline來幫助你自動進行機器學習，那么其實可以省去大量的瑣碎的環(huán)節(jié)，從而把精力集中在具體模型的分析上。
下面我們通過一個簡單的機器學習案例來看一下Data Pipeline是怎樣用于實際問題的。在這個案例中，我們用到的數(shù)據(jù)是來源于亞馬遜的產(chǎn)品分類信息，其中包含了產(chǎn)品介紹、用戶對產(chǎn)品的評分、評論，以及實時的數(shù)據(jù)。這個項目的主要目的是希望可以用這些實時獲取的數(shù)據(jù)構建模型，從而對新的產(chǎn)品進行打分。
在這個項目中，其實涉及了兩個Data Pipeline。第一個Data Pipeline是用于構建基本的模型。如下面這個流程圖。就是在機器學習過程中最基本的流程，包括了讀取數(shù)據(jù)、探索分析、模型選擇以及評估等。有了Data Pipeline，大大提升了運行效率。
這樣一個類似模塊化設計的Data Pipeline，其應用到的很多組件在之前的代碼中就已經(jīng)設定好。如果我們在后續(xù)需要對Data Pipeline進行修改，只需要去修改最初的某個定義就可以。對于廣大碼農(nóng)來說，這可以說是節(jié)省了很多重復性的工作，而且使得代碼更加簡潔，查錯也更加方便。
有了最基本的模型，下一步就是構建第二個Data Pipeline，使其服務于實時預測。因為目前，數(shù)據(jù)是每分每秒都在更新，為了追求預測的準確性和時效性，大多數(shù)的公司都會對數(shù)據(jù)進行實時或是準實時的分析，從而就有了Data Pipeline的需求。
在第二個Data Pipeline中，最重要的兩個環(huán)節(jié)就是上圖中的read query stream(讀取實時數(shù)據(jù))、query the stream(實時計算數(shù)據(jù))這兩個環(huán)節(jié)，它主要起到了實時去讀取數(shù)據(jù)、然后再對數(shù)據(jù)進行實時計算，給用戶一個實時的反饋的作用。這樣的話，數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)更大的價值。
第二個案例，則是一個更加具體的案例。很多朋友喜歡從Netflix上看美劇。作為一家成立于1997年，最初以出租DVD為主營業(yè)務，現(xiàn)在發(fā)展成為美國首屈一指的互聯(lián)網(wǎng)流媒體服務商，Netflix目前很大一部分業(yè)務其實都是基于數(shù)據(jù)處理和分析來完成的。
如果你通過APP或者是手機去使用Netflix服務，你很可能會遇到下面這樣的界面：
Netflix會根據(jù)你的瀏覽記錄來推斷你的喜好，從而給你進行個性化的推薦。憑借著這種實時而準確的用戶數(shù)據(jù)來推薦影片，Netflix吸引著更多的用戶去成為它的訂閱者。而事實上，它這種以數(shù)據(jù)為核心的商業(yè)模式，和它的規(guī)模也有很大關系。根據(jù)最新的統(tǒng)計結果，Netflix的用戶遍及了全球190個國家，每個月用戶的總活躍時間達到了30億個小時
(圖片說明：Netflix的用戶規(guī)模和數(shù)據(jù)規(guī)模等)
有了這么豐富的數(shù)據(jù)，是非常適合使用Data Pipeline的。Data Pipeline在Netflix的推薦系統(tǒng)中起到的作用是將來自全球的用戶數(shù)據(jù)進行整合分類，導入不同的時間、不同類型的模型中，從而對用戶的行為進行一個實時的預測。
Netflix的Data Pipeline系統(tǒng)可以分成三個部分：實時計算、準實時計算、離線部分。
實時計算部分，主要是用于對實時事件的響應和與用戶的互動，它必須在極短的時間里對用戶的請求作出響應，因此它比較適用于小量數(shù)據(jù)的簡單運算。而至于離線計算，它則不會受到這些因素的干擾，比較適用于大量數(shù)據(jù)的批處理運算。
準實時運算，則是介于實時和離線之間。它可以處理實時運算，但是又不要求很快給出結果。比如當用戶看過某部電影之后再給出推薦，就是準實時運算，可以用來對推薦系統(tǒng)進行更新，從而避免對用戶的重復推薦。
當然，Netflix要搭建Data Pipeline這樣的系統(tǒng)，也有一定的技術和硬件要求。
比如，在下圖中你可以看到左邊列出了很多硬件上的要求。很多是在云端的服務，比如亞馬遜云服務(AWS)。在在線的運算系統(tǒng)中，如果對速度的要求很快，可能會用到Cassandra、EVCache。而對于離線的推薦和運算來說，我們需要的是對大數(shù)據(jù)的存儲，而不會太在乎它的速度快慢，所以這時候HIVE ON S3會是一個比較好的選擇。
搭建Data Pipeline的常見工具有哪些?
搭建Data Pipeline是一個復雜的數(shù)據(jù)工程，它牽扯很多因素，比如軟硬件協(xié)調，資金方面的投入等。這里我不再詳細說明。
下面，我想介紹一些常用的Data Pipeline相關工具。
首先是存儲方面，這個也是大家最容易接觸到的。首先，你需要知道你的數(shù)據(jù)從哪里來，它的速度、它的數(shù)據(jù)量是多少。然后你要知道當你的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理之后，Data Pipeline需要把數(shù)據(jù)以什么樣的格式、存儲在怎樣一個數(shù)據(jù)環(huán)境里。
根據(jù)數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)數(shù)量的不同，你需要根據(jù)你的目的選擇合適的數(shù)據(jù)存儲方式。如果你的數(shù)據(jù)量特別大，你很有可能需要使用像是Hive這樣的基于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲工具。
其次，你需要考慮到你要對數(shù)據(jù)進行怎樣的處理。比如，如果你需要做批量處理、實時分析等，這些問題都可能需要你使用能處理大量數(shù)據(jù)的工具。像是Spark就是比較流行的的處理方案，因為它包含了很多接口，基本上可以處理Data Pipeline中所需要面臨的絕大多數(shù)問題。
Data Pipeline相關的復雜工具有很多，你需要去認真選擇最適合的工具。
這里我想分享一個搭建Data Pipeline可能會用到的小管理工具。它是由Airbnb開發(fā)的一款叫做Airflow的小軟件。這個軟件是用Data Pipeline來寫的，對于Python的腳本有良好的支持。它的主要作用是對數(shù)據(jù)工作的調度提供可靠的流程，而且它還自帶UI，方便使用者監(jiān)督程序進程，進行實時的管理。
在Airflow這個軟件中，最重要的一個概念叫做DAG(有向無環(huán)圖)。關于DAG，前面提到的機器學習案例中其實已經(jīng)有了應用。在Airflow中，你可以將DAG看成是一個小的流程，這個小流程是由一個個有向的子任務組成，按照事先規(guī)定好的順序來一次順序執(zhí)行，最終達到Data Pipeline所要實現(xiàn)的目的。
由于時間關系，這里不再具體展開。簡而言之，我想說的是，在數(shù)據(jù)處理的過程中，Data Pipeline是一個很重要的系統(tǒng)，而在搭建這樣的系統(tǒng)中，可以適當通過一些軟件來管理，從而獲得最好的效果。
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