使用 Amazon CDK 部署基于 Amazon Fargate 的高可用、易扩展的 Airflow 集群

2022 年 1 月 14 日
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前言

Apache Airflow(以下简称为 Airflow) 是一项由 Airbnb 在 2014 年推出的开源项目，其目的是为了管理日益复杂的数据管理工具、脚本和分析工具，提供一个构建批处理工作流的方案。Airflow 是一种可扩展的分布式工作流调度系统，允许将工作流建模为有向无环图（DAGs），通过这种方式简化数据管道中各个处理步骤的创建、编排和监控。Airflow 被广泛应用于机器学习、数据分析/处理以及各类需要流程化的场景。

在 2020 年初的时候，有一篇 blog 剖析了 Airflow 架构，并给出了在亚马逊云科技上部署 Airflow 的建议。也正因为 Airflow 在机器学习，数据分析等领域用户众多，为了满足这部分用户的需要，亚马逊云科技在 2020 年 11 底推出了托管的 Apache Airflow 服务 Amazon Managed Workflows for Apache airflow (以下简称为 Amazon MWAA)。

https://aws.amazon.com/cn/blogs/china/deploy-apache-airflow-to-the-cloud/

目前 Amazon MWAA 已经在亚马逊云科技全球大部分区域可用，如果要在尚未发布的区域使用 Airflow，或者有定制化部署 Airflow 的需求，可以使用自建部署的方式。然而，部署 Airflow 并不是一件简单的事情，如何做好高可用，易扩展，如何保障安全，以及减少运维难度等有很多细节。本文以在亚马逊云科技中国区部署自建 Airflow 为例，提出了一个参考架构，并提供了一套 Amazon CDK 的参考实现，让使用 Amazon CDK 的用户通过数行代码就可以将整套方案部署到云上。

架构考量

Airflow 体系架构概述

如下图所示，Airflow 主要组成部分为：

Webserver：为用户提供界面用来管理，调度编排任务；
Scheduler：处理触发预定的工作流，并将任务提交给执行器运行;
Worker：负责处理运行任务；
DAG Directory: 用来存放用户定义的 DAG 文件；
Metadata Database: 用来存储集群的元数据；

用户将 DAG 文件上传到 DAG Directory，登陆到 Webserver，可以管理，调度编排任务。用户的操作被写入 Metadata Database，Metadata Database 记录着 DAG 中的任务以及后台对应的状态，Scheduler 从 Metadata Database 读取数据，检查每个任务的状态，并将任务调度给 Worker，Worker 执行任务，更新 Metadata Database 中的状态信息。

Airflow On Amazon Web Services 架构概述

Airflow 在亚马逊云科技上进行部署时：

Webserver/Scheduler/Worker 三个组件，可以部署到 Amazon Fargate 上，充分利用无服务器架构的优势，减少维护工作量；
DAT Directory 使用 Amazon S3，用户将 DAG 文件上传到 Amazon S3，webserver/scheduler 将 DAG 文件同步到集群；
Metadata Database 使用托管的数据库服务 Amazon RDS，提高可用率，减少维护工作量。

整体架构图如下所示:

如下为详细的设计考量：

网络层

使用三层经典架构；
Airflow Fargate 集群位于 Private subnet，Airflow 访问 Amazon Public ECR Repository 通过 Amazon NAT Gateway–> Amazon Internet Gateway 访问，访问 Amazon ECS Control Plane，Amazon CloudWatch，Amazon SecretsManager 则通过 Amazon Interface Endpoint 走内网，访问 Amazon S3 通过 Amazon Gateway Endpoint 走内网；
Amazon ElasticCache 和 Amazon RDS 位于 Private Subnet，通过 Amazon Security Group 的限制，只对 Amazon Fargate 集群开放。

存储层

数据库选择使用 Amazon RDS for Postressql，保证服务高可用，降低运维工作量；
内存数据库选择使用 Amazon Elastic for Redis，作为缓存；
DAG Directory 使用 Amazon S3，利用 Amazon S3 的持久性和便利性，用户将 DAG 文件上传到 Amazon S3，Amazon Fargate 定时同步 DAG 文件。

计算层

计算层选择 Amazon ECS on Fargate，您无需预置和管理服务器，而且可以为 Airflow 的 Webserve/Scheduler/Worker 指定独立的资源，并通过设计隔离应用程序来提高安全性。Amazon Fargate 分配了适当的计算量，从而无需选择实例和扩展集群容量。

服务层

Airflow 的 Scheduler 和 Worker 的运行依赖于 Webserver，选择使用 Amazon CloudMap 来做服务注册和服务发现，维护不断变化的资源的更新位置，提高应用程序的可用性。

Airflow On Amazon Web Services 部署概述

基于如上方案，将 Airflow 部署到云上，大致需要如下步骤:

1. 创建 Amazon S3 Bucket，用于存放用户上传的 DAG 文件；

2. 创建 Amazon VPC，并确保：

Amazon VPC 跨最少两个可用区；
Amazon VPC 打开 enableDNSHostNames 功能；
Amazon VPC 打开 enableDNSSupport 功能；

3. 创建 Amazon Security Group，具体包括:

Amazon VPC Endpoint Security Group
Amazon Airflow ECS Service Security Group
Amazon Database Security Group
Amazon Redis Security Group
Amazon ELB Security Group

4. 创建 Amazon VPC Endpoint，具体包括：

Amazon S3 Gateway Endpoint
Amazon ECS/ECR/CloudWatch/SecretsManager Interface Endpoint

5. 创建 Amazon RDS 数据库

6. 在 Amazon Secrets Manager 中生成 Amazon Database Credentials，并应用于 Amazon RDS 数据库；

7. 创建 Amazon Redis 集群；

8. 创建 Amazon CloudWatch LogGroup；

9. 创建 Amazon ECS 集群；

10. 创建并配置 Amazon Cloud Map；

11. 创建 Amazon Cloud MapLoad Balancer, Amazon Cloud Map TargetGroup, Amazon Airflow Webserver ECS Task Definition, Amazon Airflow Webserver ECS Service;

12. 创建 Amazon Airflow Scheduler ECS Task Definition, Amazon Airflow Scheduler ECS Service;

13. 创建 Amazon Airflow Worker ECS Task Definition, Amazon Airflow Worker ECS Service;

可以看出，在云上部署高可用，易扩展的 Aiflow 集群并不是一简单的事情。

因此，这里利用 Amazon CDK，将上述工作封装成了一 L2 的 Construct Library，用户使用 Amazon CDK 只需要简单的数行代码即可在云上完成上述工作。

Amazon Construct Library

https://github.com/readybuilderone/serverless-airflow

基于 Amazon CDK 部署 Airflow

Amazon CDK 开发环境搭建

开发 Amazon 需要先安装 Amazon CDK CLI，利用 Amazon CDK CLI 可以生成对应的 Amazon CDK 的 Project。

Amazon CDK CLI 的安装依赖于 node.js,所以在您的开发环境需要先安装 node.js。node.js 的安装可参看官方教程: https://nodejs.org/en/download/package-manager/。

安装好 node.js 之后，可以直接使用如下命令安装 Amazon CDK CLI：

npm install -g aws-cdk #安装 cdk cli
cdk –version #查看版本

使用 Amazon CDK 创建 Apache Airflow

安装 Amazon CDK CLI 后，在您的环境中通过命令 Amazon configure 命令配置好对应的权限之后，就可以使用 Amazon CDK 来进行开发了。

Amazon CDK 支持 JavaScript、TypeScript、Python、Java、C# 和 Go 等开发语言，这里以 TypeScript 为例。

在命令行中运行如下命令，创建 Amazon CDK Project:

mkdir apache-airflow-cdk && cd apache-airflow-cdk
cdk init sample-app –language=typescript

在 IDE（这里以 VSCode 为例）打开文件夹，如下图所示：

在 lib 文件夹下的 apache-airflow-cdk-stack.ts 定义了 Amazon CloudFormation 对应的结构，可以看出，默认的 Sample 中创建了一个 Amazon SQS 的 Queue，和一个 SNS 的 Topic。

删除掉 Sample 代码，修改代码为如下，创建 Airflow 集群:

import * as cdk from '@aws-cdk/core';import * as airflow from 'cdk-serverless-airflow';
export class ApacheAirflowCdkStack extends cdk.Stack {  constructor(scope: cdk.App, id: string, props?: cdk.StackProps) {    super(scope, id, props);
    new airflow.Airflow(this, 'Airflow');
  }}

复制代码