Flink CEP 原理和案例详解

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1 概念

（1）定义
复合事件处理（Complex Event Processing，CEP）是一种基于动态环境中事件流的分析技术，事件在这里通常是有意义的状态变化，通过分析事件间的关系，利用过滤、关联、聚合等技术，根据事件间的时序关系和聚合关系制定检测规则，持续地从事件流中查询出符合要求的事件序列，最终分析得到更复杂的复合事件。
（2）特征
CEP的特征如下：
      目标：从有序的简单事件流中发现一些高阶特征；
      输入：一个或多个简单事件构成的事件流；
      处理：识别简单事件之间的内在联系，多个符合一定规则的简单事件构成复杂事件；
      输出：满足规则的复杂事件。

（3）功能
CEP用于分析低延迟、频繁产生的不同来源的事件流。CEP可以帮助在复杂的、不相关的时间流中找出有意义的模式和复杂的关系，以接近实时或准实时的获得通知或组织一些行为。
CEP支持在流上进行模式匹配，根据模式的条件不同，分为连续的条件或不连续的条件；模式的条件允许有时间的限制，当条件范围内没有达到满足的条件时，会导致模式匹配超时。
      看起来很简单，但是它有很多不同的功能：
      ① 输入的流数据，尽快产生结果；
      ② 在2个事件流上，基于时间进行聚合类的计算；
      ③ 提供实时/准实时的警告和通知；
      ④ 在多样的数据源中产生关联分析模式；
      ⑤ 高吞吐、低延迟的处理
      市场上有多种CEP的解决方案，例如Spark、Samza、Beam等，但他们都没有提供专门的库支持。然而，Flink提供了专门的CEP库。
（4）主要组件
      Flink为CEP提供了专门的Flink CEP library，它包含如下组件：Event Stream、Pattern定义、Pattern检测和生成Alert。
首先，开发人员要在DataStream流上定义出模式条件，之后Flink CEP引擎进行模式检测，必要时生成警告。

2 Pattern API

处理事件的规则，被叫作模式（Pattern）。
Flink CEP提供了Pattern API用于对输入流数据进行复杂事件规则定义，用来提取符合规则的事件序列。
模式大致分为三类：
 ① 个体模式（Individual Patterns）
组成复杂规则的每一个单独的模式定义，就是个体模式。

start.times(3).where(_.behavior.startsWith(‘fav’))

 ② 组合模式（Combining Patterns，也叫模式序列）
很多个体模式组合起来，就形成了整个的模式序列。
模式序列必须以一个初始模式开始：

val start = Pattern.begin(‘start’)

③ 模式组（Group of Pattern）

将一个模式序列作为条件嵌套在个体模式里，成为一组模式。

2.1个体模式

个体模式包括单例模式和循环模式。单例模式只接收一个事件，而循环模式可以接收多个事件。
（1）量词
可以在一个个体模式后追加量词，也就是指定循环次数

// 匹配出现4次
start.time(4)
// 匹配出现0次或4次
start.time(4).optional
// 匹配出现2、3或4次
start.time(2,4)
// 匹配出现2、3或4次，并且尽可能多地重复匹配
start.time(2,4).greedy
// 匹配出现1次或多次
start.oneOrMore
// 匹配出现0、2或多次，并且尽可能多地重复匹配
start.timesOrMore(2).optional.greedy

（2）条件

每个模式都需要指定触发条件，作为模式是否接受事件进入的判断依据。CEP中的个体模式主要通过调用.where()、.or()和.until()来指定条件。按不同的调用方式，可以分成以下几类：
      ① 简单条件
通过.where()方法对事件中的字段进行判断筛选，决定是否接收该事件

start.where(event=>event.getName.startsWith(“foo”))

      ② 组合条件
将简单的条件进行合并；or()方法表示或逻辑相连，where的直接组合就相当于与and。

Pattern.where(event => …/*some condition*/).or(event => /*or condition*/)

      ③ 终止条件
如果使用了oneOrMore或者oneOrMore.optional，建议使用.until()作为终止条件，以便清理状态。
      ④ 迭代条件
能够对模式之前所有接收的事件进行处理；调用.where((value,ctx) => {…})，可以调用ctx.getEventForPattern(“name”)

2.2 模式序列

      不同的近邻模式如下图：

（1）严格近邻
所有事件按照严格的顺序出现，中间没有任何不匹配的事件，由.next()指定。例如对于模式“a next b”，事件序列“a,c,b1,b2”没有匹配。
（2）宽松近邻
允许中间出现不匹配的事件，由.followedBy()指定。例如对于模式“a followedBy b”，事件序列“a,c,b1,b2”匹配为{a,b1}。
（3）非确定性宽松近邻
进一步放宽条件，之前已经匹配过的事件也可以再次使用，由.followedByAny()指定。例如对于模式“a followedByAny b”，事件序列“a,c,b1,b2”匹配为{ab1}，{a,b2}。
除了以上模式序列外，还可以定义“不希望出现某种近邻关系”：
      .notNext()：不想让某个事件严格紧邻前一个事件发生。
      .notFollowedBy()：不想让某个事件在两个事件之间发生。
需要注意：①所有模式序列必须以.begin()开始；②模式序列不能以.notFollowedBy()结束；③“not”类型的模式不能被optional所修饰；④可以为模式指定时间约束，用来要求在多长时间内匹配有效。

next.within(Time.seconds(10))

2.3 模式的检测

指定要查找的模式序列后，就可以将其应用于输入流以检测潜在匹配。调用CEP.pattern()，给定输入流和模式，就能得到一个PatternStream。

val input:DataStream[Event] = …
val pattern:Pattern[Event,_] = …
val patternStream:PatternStream[Event]=CEP.pattern(input,pattern)

2.4 匹配事件的提取

创建PatternStream之后，就可以应用select或者flatSelect方法，从检测到的事件序列中提取事件了。
select()方法需要输入一个select function作为参数，每个成功匹配的事件序列都会调用它。
select()以一个Map[String,Iterable[IN]]来接收匹配到的事件序列，其中key就是每个模式的名称，而value就是所有接收到的事件的Iterable类型。

def selectFn(pattern : Map[String,Iterable[IN]]):OUT={
  val startEvent = pattern.get(“start”).get.next
  val endEvent = pattern.get(“end”).get.next
  OUT(startEvent, endEvent)
}

flatSelect通过实现PatternFlatSelectFunction实现与select相似的功能。唯一的区别就是flatSelect方法可以返回多条记录，它通过一个Collector[OUT]类型的参数来将要输出的数据传递到下游。

2.5超时事件的提取

当一个模式通过within关键字定义了检测窗口时间时，部分事件序列可能因为超过窗口长度而被丢弃；为了能够处理这些超时的部分匹配，select和flatSelect API调用允许指定超时处理程序。

3 Flink CEP实战

为了使用Flink CEP，需要导入pom依赖。

<dependency>
<groupId>org.apache.flink</groupId>
<artifactId>flink-cep-scala_2.11</artifactId>
<version>1.7.0</version>
</dependency>

LoginLog.csv中的数据格式为：

5402,83.149.11.115,success,1558430815
23064,66.249.3.15,fail,1558430826
5692,80.149.25.29,fail,1558430833
7233,86.226.15.75,success,1558430832
5692,80.149.25.29,success,1558430840
29607,66.249.73.135,success,1558430841

需求：检测一个用户在3秒内连续登陆失败。

// 输入的登录事件样例类
case class LoginEvent( userId: Long, ip: String, eventType: String, eventTime: Long )
// 输出的异常报警信息样例类
case class Warning( userId: Long, firstFailTime: Long, lastFailTime: Long, warningMsg: String)

object LoginFailWithCep {
  def main(args: Array[String]): Unit = {
    val env = StreamExecutionEnvironment.getExecutionEnvironment
    env.setStreamTimeCharacteristic(TimeCharacteristic.EventTime)
    env.setParallelism(1)

    // 1. 读取事件数据，创建简单事件流
    val resource = getClass.getResource("/LoginLog.csv")
    val loginEventStream = env.readTextFile(resource.getPath)
      .map( data => {
        val dataArray = data.split(",")
        LoginEvent( dataArray(0).trim.toLong, dataArray(1).trim, dataArray(2).trim, dataArray(3).trim.toLong )
      } )
      .assignTimestampsAndWatermarks( new BoundedOutOfOrdernessTimestampExtractor[LoginEvent](Time.seconds(5)) {
        override def extractTimestamp(element: LoginEvent): Long = element.eventTime * 1000L
      } )
      .keyBy(_.userId)

    // 2. 定义匹配模式
    val loginFailPattern = Pattern.begin[LoginEvent]("begin").where(_.eventType == "fail")
      .next("next").where(_.eventType == "fail")
      .within(Time.seconds(3))

    // 3. 在事件流上应用模式，得到一个pattern stream
    val patternStream = CEP.pattern(loginEventStream, loginFailPattern)

    // 4. 从pattern stream上应用select function，检出匹配事件序列
    val loginFailDataStream = patternStream.select( new LoginFailMatch() )

    loginFailDataStream.print()

    env.execute("login fail with cep job")
  }
}

class LoginFailMatch() extends PatternSelectFunction[LoginEvent, Warning]{
  override def select(map: util.Map[String, util.List[LoginEvent]]): Warning = {
    // 从map中按照名称取出对应的事件
    //    val iter = map.get("begin").iterator()
    val firstFail = map.get("begin").iterator().next()
    val lastFail = map.get("next").iterator().next()
    Warning( firstFail.userId, firstFail.eventTime, lastFail.eventTime, "login fail!" )
  }
}

4 总结

本章主要围绕scala语言来讲解Flink CEP库。其实，Flink CEP也有SQL的实现。

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