ISRPO/Лекции/ETL/ETL.md

# ETL-системы

Что такое ETL?

ETL (Extract, Transform, Load) – это технология обработки данных, которая включает три ключевых этапа:

1. Extract (извлечение) – получение данных из различных источников: баз данных, файлов, облачных сервисов и т. д.
   
2. Transform (трансформация) – очистка, нормализация, агрегация, изменение формата данных для дальнейшего анализа.
   
3. Load (загрузка) – перенос обработанных данных в целевую систему: хранилище данных (Data Warehouse), BI-инструменты.
   

ETL-процессы автоматизируют обработку больших объемов данных, обеспечивая их целостность.

Зачем были созданы ETL?

ETL критически важны для аналитики и бизнеса. Ранее компании сталкивались с проблемами из-за хранения данных в разрозненных системах (базы данных, файлы и т. д.), и их обработку требовалось производить вручную. Разные форматы данных (JSON, CSV, XML, SQL) усложняли анализ. Все это приводило к тому, что подготовка бизнес-аналитики занимала недели.

При использовании ETL-системы:

• Автоматизируется обработка данных, что исключает ручной труд и ошибки;
  
• Объединяются данные из разных источников в едином хранилище;
  
• Они приводятся к единому формату, что упрощает анализ и позволяет оптимизировать бизнес-решения на основе свежих данных.
  

При настройке ETL-процессов задаются правила трансформации, а дальше система выполняет их автоматически при каждом запуске по расписанию или при появлении новых данных.

Пример ETL-системы – Apache Airflow

Apache Airflow – инструмент для создания и управления ETL-пайплайнами. Он написан на Python и имеет открытый исходный код. Позволяет писать процессы обработки данных с помощью Python-скриптов, используя концепцию DAG (направленные ациклические графы), где каждая задача связана с другими и выполняется в нужном порядке.

Плюсы:

• Хорошая поддержка распределенных вычислений и обработки больших данных.
• Глубокая интеграция с облачными сервисами (AWS, GCP, Azure).
  
• Графический интерфейс для мониторинга выполнения задач.
  
• Открытый исходный код и большое сообщество.
  

Минусы:

• Может требовать значительных ресурсов для крупных процессов.
  
• Требует понимания DevOps и работы с контейнерами (Docker, Kubernetes).
  

Базовый пример ETL-пайплайна в Apache Airflow

Допустим, у нас есть сырые данные о продажах, хранящиеся в CSV-файле. Нам нужно:

1. Очистить данные (убрать дубликаты, заполнить пропущенные значения).
   
2. Добавить новый столбец с налогом 20%.
   
3. Загрузить обработанные данные в базу PostgreSQL.
   

from airflow import DAG
from airflow.operators.python import PythonOperator
from datetime import datetime
import pandas as pd
import psycopg2

# Функция Extract – загружаем данные из CSV
def extract():
    df = pd.read_csv('/opt/airflow/data/sales_raw.csv')
    df.to_csv('/opt/airflow/data/sales_extracted.csv', index=False)

# Функция Transform – очищаем и обрабатываем данные
def transform():
    df = pd.read_csv('/opt/airflow/data/sales_extracted.csv')
    
    # Удаляем дубликаты
    df = df.drop_duplicates()

    # Заполняем пропущенные значения
    df.fillna({'price': df['price'].mean()}, inplace=True)

    # Добавляем столбец с налогом (20%)
    df['price_with_tax'] = df['price'] * 1.2

    df.to_csv('/opt/airflow/data/sales_transformed.csv', index=False)

# Функция Load – загружаем данные в PostgreSQL
def load():
    df = pd.read_csv('/opt/airflow/data/sales_transformed.csv')

    conn = psycopg2.connect(
        host="db",
        database="airflow",
        user="airflow",
        password="airflow"
    )
    cur = conn.cursor()

    for _, row in df.iterrows():
        cur.execute("""
            INSERT INTO sales (product, price, price_with_tax) 
            VALUES (%s, %s, %s)
        """, (row['product'], row['price'], row['price_with_tax']))

    conn.commit()
    cur.close()
    conn.close()

# Создаём DAG в Airflow
default_args = {
    'start_date': datetime(2024, 2, 20), # Указывает, с какого момента DAG начинает своё исполнение
    'catchup': False # Eсли DAG запускается позже этой даты, пропущенные задачи не будут выполняться задним числом
}

dag = DAG(
    'etl_sales_pipeline', # Имя DAG
    schedule_interval='@daily', # Указывает, что DAG будет запускаться раз в день
    default_args=default_args,
    catchup=False
)

extract_task = PythonOperator(
    task_id='extract', # Уникальный идентификатор задачи
    python_callable=extract, # Вызов функции extract()
    dag=dag # Задача привязывается к нашему DAG
)

transform_task = PythonOperator(
    task_id='transform',
    python_callable=transform,
    dag=dag
)

load_task = PythonOperator(
    task_id='load',
    python_callable=load,
    dag=dag
)

extract_task >> transform_task >> load_task  # Определяем порядок выполнения

Другие ETL-инструменты

Luigi (Python, open-source)

Luigi похож на Airflow, но с ориентацией на простоту и поддержание чистоты кода. Создан для обработки сложных процессов в виде цепочек задач и поддерживает параллельную обработку. Он использует Python-классы для создания задач, каждая из которых может быть связана с другими через зависимости. Luigi обрабатывает задачи последовательно или параллельно в зависимости от их зависимостей. Он подходит для построения процессов, где задачи могут быть разделены на более мелкие части, что позволяет эффективно работать с большими объемами данных.

Кроме того, Luigi предоставляет встроенный веб-интерфейс для мониторинга выполнения задач, что упрощает отслеживание состояния пайплайнов. Он поддерживает работу с различными системами хранения данных, включая локальные файлы, базы данных и облачные сервисы. Luigi также позволяет легко переиспользовать код, создавая модульные и масштабируемые ETL-пайплайны.

Плюсы:

• Прост в освоении и использовании.
• Возможность мониторинга и отладки с помощью встроенных инструментов.
• Хорошо подходит для сложных, многоступенчатых рабочих процессов.
• Гибкость в определении зависимостей между задачами.
• Поддержка различных источников данных и интеграция с файловыми системами, базами данных и облачными сервисами.

Минусы:

• Меньше возможностей для интеграции с BI-инструментами.
• Не такая мощная система планирования задач, как у Airflow.
• Встроенный веб-интерфейс менее функционален по сравнению с конкурентами.

Prefect (Python, open-source)

Prefect — более современный конкурент Airflow, созданный с упором на простоту, отказоустойчивость и гибкость. Основная концепция Prefect строится вокруг потоков и задач, где каждая задача представляет собой отдельный шаг обработки данных.

Одним из главных преимуществ Prefect является его способность автоматически обрабатывать ошибки, управлять зависимостями между задачами и повторять выполнение в случае сбоев. Это делает его надежным инструментом для работы с большими объемами данных.

В отличие от Airflow, Prefect не требует отдельного сервера для управления задачами, а его облачная версия (Prefect Cloud) предлагает удобные инструменты для мониторинга и управления потоками данных. Благодаря этому можно контролировать выполнение задач в реальном времени и оперативно реагировать на возможные сбои.

dbt (Python, open-source)

dbt (Data Build Tool) — это инструмент для трансформации данных внутри хранилищ. В отличие от классических ETL-инструментов, dbt выполняет только трансформацию, оставляя процесс извлечения и загрузки другим системам.

Главная особенность dbt заключается в том, что он позволяет аналитикам и инженерам данных работать с хранилищем данных так же, как разработчики работают с кодом. Он поддерживает контроль версий с помощью Git, обеспечивает модульность, что позволяет переиспользовать код, а также предоставляет инструменты для документирования и тестирования моделей. Это делает его удобным инструментом для построения надежных аналитических решений. Автоматизация выполнения моделей и управление зависимостями между ними позволяют пользователям сосредоточиться на аналитике, а не на технических аспектах трансформации данных.

Плюсы:

• Полноценный контроль версий с использованием Git.
• Поддержка модульности и переиспользования кода.

Минусы:

• Не поддерживает извлечение и загрузку данных.
• Ограниченные возможности для работы с потоковыми данными.
• Требует знания SQL.

Bonobo (Python, open-source)

Легковесный ETL-фреймворк на Python, предназначенный для потоковой обработки данных. В отличие от более тяжелых инструментов, таких как Apache Airflow или Prefect, Bonobo предлагает простую и интуитивно понятную архитектуру, в которой ETL-конвейеры строятся на основе обычных Python-функций. Это делает его удобным для быстрого прототипирования и выполнения небольших ETL-задач.

Одним из ключевых преимуществ Bonobo является минимальное количество шаблонного кода. Разработчик может описывать шаги обработки данных, используя простые функции, а сам фреймворк берет на себя управление потоком выполнения. Также он легко интегрируется с Pandas, что делает его привлекательным для аналитиков, которым нужно быстро преобразовывать данные без сложных инструментов.

Благодаря поддержке потоковой обработки данных Bonobo позволяет работать с данными в реальном времени, а его архитектура не требует развертывания отдельного сервера или сложной инфраструктуры. Это делает его удобным для задач, где важна легкость и скорость развертывания, а не сложные зависимости и оркестрация.

Однако он не подходит для масштабных и сложных ETL-процессов с множеством зависимостей, так как его возможности по управлению задачами ограничены. Масштабируемость также является его слабым местом, поскольку он ориентирован в первую очередь на небольшие и средние нагрузки.

Mara (Python, open-source)

Этот ETL-фреймворк по своему назначению похож на bonobo. Разработанный для удобной работы с SQL-запросами, он ориентирован на простоту и минимализм, предоставляя разработчикам удобные инструменты для организации ETL-скриптов без необходимости использования сложных оркестраторов. Основной упор сделан на работу с реляционными базами данных, особенно с PostgreSQL.

Одним из ключевых преимуществ Mara является встроенный веб-интерфейс, который позволяет мониторить выполнение ETL-пайплайнов, просматривать логи и анализировать возможные ошибки. Благодаря нативной поддержке SQL и возможности интеграции с различными источниками данных, Mara упрощает процесс написания и исполнения SQL-скриптов, снижая необходимость в сложных настройках.

Но в отличие от более масштабируемых решений, Mara не предназначена для сложных ETL-процессов с множеством зависимостей. Её архитектура больше подходит для небольших и средних проектов, где основная работа сосредоточена на SQL-преобразованиях. Кроме того, у Mara ограниченные возможности для работы с потоковыми данными, так как она ориентирована на пакетную обработку.