DRC实践

DRC简介

DRC(Data Replication Center)是我在阿里听过的一个概念，它的业务域是支持异构数据库实时同步，数据记录变更订阅服务。为跨域实时同步、实时增量分发、异地双活、分库分表等场景提供产品级的解决方案。支持异地多活、大数据实时抽取、搜索实时更新数据、数据表结构重构、多视图数据存储、大屏实时刷新等。DRC在阿里服务了数万个实时通道，已经成为阿里的基础设施，重要性不言而喻。
DRC需要保障数据库的事务一致性，包括DDL（表结构变更）也可以进行同步或过滤。而DBA天生就在这个坑里，绝对不能让主备不一致、或事务不完整，哪怕只是一条数据。而且DBA迫切希望以后不用通知下游了，让DRC自动适配主备切换或拆库。
DRC必须具备的三大特性：1)稳定性，所有环节必须支持HA； 2)实时性（<1S） 3)一致性，数据同步前后必须保证数据的一致性。

我们公司对DRC的需求场景：

MySQL原生复制
大数据实时抽取
搜索实时数据
数据表结构重构（拆表、合表等）
多视图数据存储
大屏实时刷新
缓存更新
支持Oracle、mysql两种数据源数据相互转换

技术选型预研

数据同步中间件开源的主要有canal、databus、kettle、otter四种，下面进行简单的对比说明。
canal：canal是阿里巴巴旗下的一款开源项目，纯Java开发。基于数据库增量日志解析，提供增量数据订阅&消费，目前主要支持了MySQL。
databus：2011年在LinkedIn正式进入生产系统，2013年开源，Java开发。databus是一个实时的、可靠的、支持事务的、保持一致性的数据变更抓取系统，同canal也是监听mysql的binlog。 Databus通过挖掘数据库日志的方式，将数据库变更实时、可靠的从数据库拉取出来，业务可以通过定制化client实时获取变更。
kettle： kettle可以实现从不同数据源（excel、数据库、文本文件等）获取数据，然后将数据进行整合、转换处理，可以再将数据输出到指定的位置（excel、数据库、文本文件）等；是B/S架构，多用于数仓作业。
otter：阿里巴巴旗下的另一款开源项目，始于中美数据同步需求，纯Java开发。可以理解为canal+ETL，对数据抽取进行了扩展，加入自由门、反查等功能，拓展了已经无法从binlog获取的数据来源。同时提供页面的ETL编辑配置功能，方便快速实现带逻辑的业务数据同步。

Otter的功能更加强大，满足DRC所有特性需求。在otter上进行二次开发成本是最低的。所以我们公司选择基于otter进行二次开发，打造内部的DRC系统。

DRC架构

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数据同步过程可以分为Select-->Extract、Transform-->Load四个过程，也就是上图中的S、E、T、L，通过将这4个步骤进行服务拆分，每个服务都具有自己的线程池。通过S、L过程的串型，保证数据的一致性，E、T过程的并行提升系统处理的性能。

滑动窗口

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说明：

otter通过select模块串行获取canal的批数据，注意是串行获取，每批次获取到的数据，就会有一个全局标识，otter里称之为processId.
select模块获取到数据后，将其传递给后续的ETL模型. 这里E和T模块会是一个并行处理
将数据最后传递到Load时，会根据每批数据对应的processId，按照顺序进行串行加载。 ( 比如有一个processId=2的数据先到了Load模块，但会阻塞等processId=1的数据Load完成后才会被执行)

简单一点说，Select/Load模块会是一个串行机制来保证binlog处理的顺序性，Extract/Transform会是一个并行，加速传输效率。

并行度
类似于tcp滑动窗口大小，比如整个滑动窗口设置了并行度为5时，只有等第一个processId Load完成后，第6个Select才会去获取数据。

Otter源码解读

otter核心model关系图

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Pipeline：从源端到目标端的整个过程描述，主要由一些同步映射过程组成。可以对应为一个数据库（当然也可以一个实例上的多个库配同一个pipeline）。
Channel：同步通道，单向同步中一个Pipeline组成，在双向同步中由两个Pipeline组成。一个数据库实例一个Channel，一个channel对应一个canal。
DataMediaPair：根据业务表定义映射关系，比如源表和目标表，字段映射，字段组等。
DataMedia : 抽象的数据介质概念，可以理解为数据表/mq队列定义
DataMediaSource : 抽象的数据介质源信息，补充描述DataMedia
ColumnPair : 定义字段映射关系

otter工程结构如下

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包含三部分：Share | Node | Manager。其中Share是Node和Manager共享工程，并不是独立部署的节点。Node和Manager是独立部署的。
Node：独立部署的节点，执行SETL过程的服务节点，拥有独立的JVM，数据同步的过程实际上都发生在Node之间。
Manager：管理的节点，逻辑上只有一个（一个Manager管理多个Node节点），如果不考虑HA的话。负责管理同步的数据定义，包括数据源、Channel、PipeLine、数据映射等，各个Node节点从Manager处获取并执行这些信息。另外还有监控等信息。

Share各个子系统的说明：

Common: 公共内容定义
Arbitrate: 用于Manager与Node之间、Node与Node之间的调度、S.E.T.L几个过程的调度等；
Communication: 数据传输的底层，上层的Pipe、一些调度等都是依赖于Communication的，简单点说它负责点对点的Event发送和接收，封装了dubbo、rmi两种方式的调用
Etl:实际上并不负责ETL的具体实现，只是一些接口&数据结构的定义而已，包括开放给用户自定义Extract阶段处理逻辑的接口，具体的实现在Node里面。

Node各个子系统的说明：

Common：公共内容定义
Canal: Canal的封装，Otter采用的是Embed的方式引入Canal（Canal有Embed和独立运行两种模式）
Deployer：内置Jetty的启动
Etl: S.E.T.L 调度、处理的实现，是Otter最复杂、也是最核心的部分。

Manager各个子系统的说明：

Biz：管理页面对应的业务逻辑实现，包含我们公司web工程规范中的manager、dal两个工程的内容。
Web：页面请求入口，执行controller逻辑。otter采用的是阿里内部的webx框架。
Deployer：内置Jetty的启动，同时包含页面的template等

核心类设计

Communication的设计

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比较关键的部分图中已经使用注释的方式进行了说明。理解Communication的关键在于Event的模式+EndPoint方式进行远程调用。

Node-common关于Node节点管理的机制

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节点是在Manager上面管理的，但是Node节点实际上是需要与其他的Node节点及manager通讯的，因此NodeList（Group内的其他节点）的信息在Node节点是需要相互知道的。 Otter采用的是类似于Lazy+cache的模式管理的。即：
1）真正使用到的时候再考虑去Manager节点取过来；
2）取过来以后暂存到本地内存，但是伴随着一个失效机制（失效机制的检查是不单独占用线程的，这个同学们可以注意一下，设计框架的时候需要尽可能做到这一点）

PipeLine设计

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PipeLine主要的操作就是Put/Get，对于S-->E、T-->L，还有节点内部的处理，可以使用基于Memory的PipeLine，对于远程的节点数据传输（比如E-->T的跨节点传输），使用的是RPC或者Http，这里面需要注意的几个事项，图中已经做了说明：

数据传输实际上是Pull的模式，并不是Push的模式，即数据准备好以后等待另外一端需要的时候再传输；
数据的序列化采用的是ProtoBuf(https://code.google.com/p/protobuf/），也可以做加密传输，但是使用的Key是Path，一般性的安全需求可以满足，但是如果传输的数据是非常敏感的，还是用专线的好；
压缩也是在Pipe这一层做掉的，具体就不展开了。

SETL中的Select过程

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每个SETL过程的设计基本上都是由xxxTask + OtterXXXFactroy + OtterXXX的设计方式，但是细节上差别比较大。
Select过程是需要串行的（需要保证顺序性），但是为了尽可能提高效率，将Get和ACK（Canal的滑动窗口）分在两个线程里面去做，依据的假定就是绝大多数数据是不需要回滚的，但是一旦回滚了，代价就比较大（Otter的官方文档有相关的说明）。Otter采用的是at last once策略，不丢失一条消息，但是异常场景下可能存在消息重发，因为有数据库有主键限制，对数据库同步没影响，业务使用方需要自己保证幂等。

SETL中的Extract过程

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这里的OtterExtractorFactory与OtterExtractor并不是选择一个合适的Extractor处理，而是搭建成一个职责链（但设计上并不完全是，个人觉得设计成职责链更合适一些），每个Extractor顺序处理。

SETL中的Transform过程

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Transform实际上解决的就是异构数据的映射，在Transform这个节点做相应的转换。

SETL中的Load过程

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1）Load过程是并发执行的，但是受Weight的控制（并非全局的）；
2）在Load过程中包含了打标记的过程（与Select过程是呼应的，即Load打的标记会被Select过程所识别，然后不会同步回去了，这一点官方文档有相关说明

SETL时序

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我们做的大改造

模型扩展

在支撑业务重构的数据表重构时，业务方的需求可以归为下面4类：

多表中的多条记录合成一个表中的一条记录(N:1)
一个表中的一条记录拆成多表中的多条记录(1:N)
单表中的多个字段合成一个字段(n:1)
单表中的1个字段拆成多个字段(1:n)
上面分别从“表”、“列”两个维度进行“拆”和“合”，数据重构其实还有一个维度，就是“行”，一行记录拆分成多行、多行记录合成一行。
由于“行”维度的拆分需求比较少，这一次没有对这种需求进行支持。但是可以部分参考“表”、“列”的拆合，已经在一定层度上支持了。其中一行记录拆分成多行需要放弃原来的行主键（同时update、delete需要在Extract阶段进行主键修复），像
“一个表中的一条记录拆成多表中的多条记录”，只不过这个“多表”映射为“同一个表”；其中多行记录合成一行可以参考“多表中的多条记录合成一个表中的一条记录”思想去做，Extract阶段的反查对象变成自己。

原生的otter设计是为了一个表到另一个表的同步，支持对数据的修改，支持简单的列名的转化（支持字段的删减）。没有考虑一个表到多个表的同步，以及字段的新增。

一个表到多个表的同步支持
otter设计是为了一个表到另一个表的同步，始终是一条binlog记录。而一个表到多个表的同步，需要将一条binlog记录在某个阶段进行copy分发，我们将这个阶段选为Transform阶段。在E阶段，各个目标表根据自己对数据的要求进行加工处理，E阶段取的是各个目标表处理结果的并集。在Transform阶段根据每个目标表的字段需求，各取所需，生成多条记录。Transform的拆分逻辑如下：

    for (EventData eventData : rowBatch.getDatas()) {// 处理eventDataLong tableId = eventData.getTableId();Pipeline pipeline = configClientService.findPipeline(identity.getPipelineId());List<DataMediaPair> dataMediaPairs = ConfigHelper.findDataMediaPairByMediaId(pipeline, tableId);List<Object> itemList = new ArrayList<Object>();Object item = null;for (DataMediaPair pair : dataMediaPairs) {//每个目标库数据源过滤不属于自己该处理的数据if (!pair.getSource().getId().equals(tableId)) { // 过滤tableID不为源的同步continue;}。。。。。。//每个目标库只处理路由到自己的数据boolean isSelfNameSpace = false;for(String value:ConfigHelper.parseMode(pair.getTarget().getNamespace()).getMultiValue()){if(value.equalsIgnoreCase(slotNode.getDataSourceName())){isSelfNameSpace = true;}}if(isSelfNameSpace==false){continue;}OtterTransformer translate = lookup(pair.getSource(), pair.getTarget());// 进行转化item = translate.transform(eventData, new OtterTransformerContext(identity, pair, pipeline),slotNode);}else{OtterTransformer translate = lookup(pair.getSource(), pair.getTarget());// 进行转化item = translate.transform(eventData, new OtterTransformerContext(identity, pair, pipeline));}if(item != null){itemList.add(item);}}if (itemList.size() == 0) {continue;}// 合并结果merge(identity, result, itemList);}

新增字段的支持
原先的otter支持原表到目标表映射过程中的字段删减和字段内容修改（在Extract阶段可以通过嵌入脚本进行字段内容修改），对字段的新增没有支持。
我们通过对字段映射页面进行扩展，支持手动新增字段，然后在Extract阶段对新增字段进行内容填充，完成对新增字段的支持。

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通过在原表增加目标表不存在的字段，完成“虚拟”字段填入，在后续步骤完成“虚拟”字段到实字段的映射配置。在Extract阶段对“虚拟”增字段进行内容填充，将“虚拟”变成实字段。

分库分表支持

原生的otter是不支持分库分表的，分库分表已经不属于Otter数据同步的业务域，但是分库分表的支持又是大公司数据同步过程中不可避免。也可能是otter开源版本把分库分表的支持给阉割了。
我们公司业务在改造过程中,涉及单库单表到分库分表的数据同步需求。
1）我们对DataMediaPair进行了扩展，支持简单分库分表配置。

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2）我们在transform阶段进行了逻辑扩展。当表的转换映射中目标表是需要分库分表时，这时会加载目标表的分库分表路由器（分库分表的库表是通过解析pipeline下面所有目标表配置而来，分表算法由用户的配置而来）。

    for (EventData eventData : rowBatch.getDatas()) {// 处理eventDataLong tableId = eventData.getTableId();Pipeline pipeline = configClientService.findPipeline(identity.getPipelineId());List<DataMediaPair> dataMediaPairs = ConfigHelper.findDataMediaPairByMediaId(pipeline, tableId);List<Object> itemList = new ArrayList<Object>();Object item = null;for (DataMediaPair pair : dataMediaPairs) {//每个目标库数据源过滤不属于自己该处理的数据if (!pair.getSource().getId().equals(tableId)) { // 过滤tableID不为源的同步continue;}//如果映射的目标表是分库分表if(true == pair.getIsTargetSharingJDBC()){//根据管道信息获取路由器SlotRouter<String> slotRouter = configClientService.findSlotRouterByPipelineId(identity.getPipelineId(), pair.getId());//获取分表键的值List<EventColumn> allColumns = new ArrayList<EventColumn>();allColumns.addAll(eventData.getKeys());allColumns.addAll(eventData.getColumns());String shardValue = null;int shardValueType = 0;//获取分库分表路由字段的值for(EventColumn eventColumn : allColumns){if(eventColumn.getColumnName().equalsIgnoreCase(pair.getSharingColumn())){shardValue = eventColumn.getColumnValue();shardValueType = eventColumn.getColumnType();break;}}//如果分库分表字段为nullif(shardValue == null){throw new RuntimeException("分表字段:{"+pair.getSharingColumn()+"}为null，eventData:{"+eventData+"}");}SlotNode slotNode = slotRouter.slotRouter(shardValue,shardValueType);//每个目标库只处理路由到自己的数据boolean isSelfNameSpace = false;for(String value:ConfigHelper.parseMode(pair.getTarget().getNamespace()).getMultiValue()){if(value.equalsIgnoreCase(slotNode.getDataSourceName())){isSelfNameSpace = true;}}if(isSelfNameSpace==false){continue;}OtterTransformer translate = lookup(pair.getSource(), pair.getTarget());// 进行转化item = translate.transform(eventData, new OtterTransformerContext(identity, pair, pipeline),slotNode);}else{OtterTransformer translate = lookup(pair.getSource(), pair.getTarget());// 进行转化item = translate.transform(eventData, new OtterTransformerContext(identity, pair, pipeline));}if(item != null){itemList.add(item);}}if (itemList.size() == 0) {continue;}// 合并结果merge(identity, result, itemList);}

        //构建每个映射的路由算法缓存slotRouterCache = new RefreshMemoryMirror<String, SlotRouter>(DEFAULT_PERIOD, new ComputeFunction<String, SlotRouter>() {public SlotRouter apply(String key, SlotRouter oldValue) {if(StringUtils.isBlank(key) || key.split(Pipeline_Pair_Connector).length != 2){return null;}Long pipelineId = Long.parseLong(key.split(Pipeline_Pair_Connector)[0]);Long pairId = Long.parseLong(key.split(Pipeline_Pair_Connector)[1]);Pipeline pipeline = findPipeline(pipelineId);if(pipeline == null){return null;}DataMediaPair dataMediaPair = null;for(DataMediaPair pair :pipeline.getPairs()){if(pair.getId().equals(pairId)){dataMediaPair = pair;}}if(dataMediaPair == null){return null;}//为pipeline下该pair对应目标库表构建路由器Set<SlotNode> slotSet = new TreeSet<SlotNode>();String namespace = dataMediaPair.getTarget().getNamespace();String tableName = dataMediaPair.getTarget().getName();String nameSpacePrefix = ConfigHelper.getPrefix(namespace);String tableNamePrefix = ConfigHelper.getPrefix(tableName);if(nameSpacePrefix == null || tableNamePrefix == null){return null;}for(DataMediaPair pair : pipeline.getPairs()){String namespaceTemp = pair.getTarget().getNamespace();String tableNameTemp = pair.getTarget().getName();String nameSpaceTempPrefix = ConfigHelper.getPrefix(namespaceTemp);String tableNameTempPrefix = ConfigHelper.getPrefix(tableNameTemp);if(nameSpacePrefix.equals(nameSpaceTempPrefix) && tableNamePrefix.equals(tableNameTempPrefix)){ModeValue dataSourceNames = ConfigHelper.parseMode(namespaceTemp);ModeValue tableNames = ConfigHelper.parseMode(tableNameTemp);if(dataSourceNames == null || tableNames == null){continue;}DbMediaSource dbMediaSource = (DbMediaSource) pair.getTarget().getSource(); for(String dataSourceNameInPair : dataSourceNames.getMultiValue()){for(String tableNameInPair : tableNames.getMultiValue()){SlotNode slotNode = new SlotNode(dataSourceNameInPair,tableNameInPair);slotNode.setUrl(dbMediaSource.getUrl());slotNode.setDriver(dbMediaSource.getDriver());slotNode.setEncode(dbMediaSource.getEncode());slotNode.setGmtCreate(dbMediaSource.getGmtCreate());slotNode.setGmtModified(dbMediaSource.getGmtModified());slotNode.setId(dbMediaSource.getId());slotNode.setName(dbMediaSource.getName());slotNode.setPassword(dbMediaSource.getPassword());slotNode.setProperties(dbMediaSource.getProperties());slotNode.setType(dbMediaSource.getType());slotNode.setUsername(dbMediaSource.getUsername());slotSet.add(slotNode);}}}}SlotRouter slotRouter = null; //获取路由算法的参数，生成具体的路由算法Integer slotAlgorithm = dataMediaPair.getSlotAlgorithm();Long tableBalanceSize = dataMediaPair.getTableBalanceSize();if(null== slotAlgorithm || SlotAlgorithmEnum.MODULO_BALANCE.getValue() == slotAlgorithm){slotRouter = new ModuloBalanceSlotRouterBuilder(slotSet).build();}else if(SlotAlgorithmEnum.QUOTIENT_BALANCE.getValue()==slotAlgorithm &&  tableBalanceSize != null){slotRouter = new QuotientBalanceSlotRouterBuilder(slotSet,tableBalanceSize).build();}else{throw new RuntimeException("目前暂不支持该算法或者算法参数异常");}return slotRouter;}});

自由门集中控制

数据库的binlog也有删除策略，不可能永久保存所有的binlog。如何迁移binlog已经不存在的存量数据？
otter针对这种场景需求设计了自由门模块。详见otter中的自由门说明。
自由门的原理如下：
a. 基于otter系统表retl_buffer，插入特定的数据，包含需要同步的表名，pk信息。
b. otter系统感知后会根据表名和pk提取对应的数据(整行记录)，和正常的增量同步一起同步到目标库。
原先需要在每一个迁移的库所在实例建立retl.retl_buffer库表（存量数据迁移控制表）。当迁移的库比较多时，在多个实例上面分别建立retl库，不利于统一控制，同时给库表元数据管理带来一定的难度。为了后续DRC的统一快捷运维和减少运维成本，我们对自由门进行集中控制（不同实例上的数据迁移由同一个retl.retl_buffer库表控制）。通过在retl_buffer表上增加channel、pipeline两个字段，区分retl.retl_buffer库表中的数据属于不同的库表。然后在SelectTask阶段对数据进行分批整理，每批的管道改成同步管道信息。（统一控制相对单独控制存在一个风险点：如果同步的这批存量数据在Extract阶段后和Load阶段前存在源库数据对应记录的修改，同时修改的增量binlog又比存量同步的数据同步更快，存在数据老数据覆盖新数据的风险，不过这种场景概率极小）

//如果数据来自RETL库RETL_BUFFER表，将数据分批，每批的管道改成同步管道信息
if (StringUtils.equalsIgnoreCase(RETL_BUFFER, pipeline.getPairs().get(0).getSource().getName())&& StringUtils.equalsIgnoreCase(RETL, pipeline.getPairs().get(0).getSource().getNamespace())) {Long lastPipeLineId = null;Long lastChannelId = null;for (EventData data : eventData) {// 获取每一条数据对应的pipelineEventColumn pipelineColumn = getMatchColumn(data.getColumns(), PIPELINE_ID);// 获取每一条数据对应的channelIDEventColumn channelColumn = getMatchColumn(data.getColumns(), CHANNEL_ID);if(pipelineColumn == null || channelColumn == null){logger.warn("data from RETL.RETL_BUFFER has no PIPELINE_ID OR CHANNEL_ID,the getKeys are {}",new Object[]{data.getKeys().toArray()});continue;}Long pipeLineId = Long.valueOf(pipelineColumn.getColumnValue());Long channelId = Long.valueOf(channelColumn.getColumnValue());if (pipeLineId == null || channelId == null) {continue;}//第一条数据，不发送if (lastPipeLineId == null && lastChannelId == null) {lastPipeLineId = pipeLineId;lastChannelId = channelId;rowBatch.merge(data);continue;}//数据管道或通道有变化时，每个管道号数据作为一批发送if (pipeLineId != lastPipeLineId || channelId != lastChannelId) {// 构造唯一标识Identity identity = new Identity();identity.setChannelId(lastChannelId);identity.setPipelineId(lastPipeLineId);identity.setProcessId(etlEventData.getProcessId());rowBatch.setIdentity(identity);long nextNodeId = etlEventData.getNextNid();List<PipeKey> pipeKeys = rowDataPipeDelegate.put(new DbBatch(rowBatch),nextNodeId);etlEventData.setDesc(pipeKeys);etlEventData.setNumber((long) rowBatch.getDatas().size());etlEventData.setFirstTime(startTime); // 使用原始数据的第一条etlEventData.setBatchId(message.getId());if (profiling) {Long profilingEndTime = System.currentTimeMillis();stageAggregationCollector.push(pipelineId, StageType.SELECT,new AggregationItem(profilingStartTime, profilingEndTime));}arbitrateEventService.selectEvent().single(etlEventData);rowBatch = new RowBatch();}lastPipeLineId = pipeLineId;lastChannelId = channelId;rowBatch.merge(data);}if(rowBatch!=null && rowBatch.getDatas() != null && rowBatch.getDatas().size()>0){// 构造唯一标识Identity identity = new Identity();identity.setChannelId(lastChannelId);identity.setPipelineId(lastPipeLineId);identity.setProcessId(etlEventData.getProcessId());rowBatch.setIdentity(identity);long nextNodeId = etlEventData.getNextNid();List<PipeKey> pipeKeys = rowDataPipeDelegate.put(new DbBatch(rowBatch),nextNodeId);etlEventData.setDesc(pipeKeys);etlEventData.setNumber((long) rowBatch.getDatas().size());etlEventData.setFirstTime(startTime); // 使用原始数据的第一条etlEventData.setBatchId(message.getId());if (profiling) {Long profilingEndTime = System.currentTimeMillis();stageAggregationCollector.push(pipelineId, StageType.SELECT,new AggregationItem(profilingStartTime, profilingEndTime));}arbitrateEventService.selectEvent().single(etlEventData);}}

可以通过下面这个图来理解：