Datenanalyse-DAG in Google Cloud mit Daten aus AWS ausführen

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Dieses Tutorial ist eine Modifikation von Datenanalyse-DAG in Google Cloud ausführen wie Sie Ihre Cloud Composer-Umgebung mit Amazon verbinden können. Webdienste zur Nutzung der dort gespeicherten Daten. Darin wird gezeigt, wie Sie mit Cloud Composer einen Apache Airflow-DAG erstellen. Die DAG verknüpft Daten aus einem öffentlichen BigQuery-Dataset mit einer gespeicherten CSV-Datei in einem Amazon Web Services (AWS)-S3-Bucket und führt dann einen Dataproc Serverless-Batchjob aus, um die verknüpften Daten.

Das öffentliche BigQuery-Dataset in dieser Anleitung ist ghcn_d, einer integrierten Datenbank mit Klimazusammenfassungen auf der ganzen Welt. Die CSV-Datei enthält Informationen zu den Daten und Namen von US-Feiertagen von 1997 bis 2021.

Mit dem DAG möchten wir die Frage beantworten: „Wie warm war es in Chicago an Thanksgiving in den letzten 25 Jahren?“

Lernziele

• Cloud Composer-Umgebung in der Standardkonfiguration erstellen
• Bucket in AWS S3 erstellen
• Leeres BigQuery-Dataset erstellen
• Neuen Cloud Storage-Bucket erstellen
• Erstellen und führen Sie einen DAG mit den folgenden Aufgaben aus:
  • Externes Dataset aus S3 in Cloud Storage laden
  • Externes Dataset aus Cloud Storage in BigQuery laden
  • Zwei Datasets in BigQuery verknüpfen
  • PySpark-Job zur Datenanalyse ausführen

Hinweise

Berechtigungen in AWS verwalten

1. Erstellen Sie ein AWS-Konto.

2. Folgen Sie dem Abschnitt „Richtlinien mit dem visuellen Editor erstellen“ der Anleitung zum Erstellen von IAM-Richtlinien in AWS, um eine benutzerdefinierte IAM-Richtlinie für AWS S3 mit der folgenden Konfiguration zu erstellen:

   • Dienst: S3
   • ListAllMyBuckets (s3:ListAllMyBuckets), zum Aufrufen des S3-Buckets
   • CreateBucket (s3:CreateBucket) zum Erstellen eines Buckets
   • PutBucketOwnershipControls (s3:PutBucketOwnershipControls) zum Erstellen eines Buckets
   • ListBucket (s3:ListBucket): Gewährt die Berechtigung zum Auflisten von Objekten in einem S3-Bucket.
   • PutObject (s3:PutObject) zum Hochladen von Dateien in einen Bucket
   • GetBucketVersioning (s3:GetBucketVersioning) zum Löschen eines Objekts in einem Bucket
   • DeleteObject (s3:DeleteObject): zum Löschen eines Objekts in einem Bucket
   • ListBucketVersions (s3:ListBucketVersions) zum Löschen eines Buckets
   • DeleteBucket (s3:DeleteBucket) zum Löschen eines Buckets
   • Ressourcen: Wählen Sie neben „Bucket“ und „Objekt“ die Option „Beliebig“ aus, um allen Ressourcen dieses Typs Berechtigungen zu gewähren.
   • Tag: Keines
   • Name:TutorialPolicy

   Weitere Informationen zu den einzelnen Konfigurationen oben finden Sie in der Liste der in Amazon S3 unterstützten Aktionen.

3. Fügen Sie Ihrer Identität die IAM-Richtlinie TutorialPolicy hinzu.

Achtung: Wenn Sie für „Bucket“ und „Object“ die Option „Any“ auswählen, erhalten alle Ressourcen in S3 die Berechtigung. Sie können den Umfang dieser Richtlinie eingrenzen, indem Sie die Berechtigungen auf einen bestimmten Bucket und ein bestimmtes Objekt beschränken, nachdem Sie sie später in der Anleitung erstellt haben.

APIs aktivieren

Aktivieren Sie folgende APIs:

Console

Enable the Dataproc, Cloud Composer, BigQuery, Cloud Storage APIs.

Enable the APIs

gcloud

Enable the Dataproc, Cloud Composer, BigQuery, Cloud Storage APIs:

gcloud services enable dataproc.googleapis.com  composer.googleapis.com  bigquery.googleapis.com  storage.googleapis.com

Berechtigungen erteilen

Gewähren Sie Ihrem Nutzerkonto die folgenden Rollen und Berechtigungen:

• Gewähren Sie Rollen zum Verwalten von Cloud Composer-Umgebungen und Umgebungs-Buckets.

• Weisen Sie die Rolle BigQuery-Dateninhaber (roles/bigquery.dataOwner) zu, um ein BigQuery-Dataset zu erstellen.

• Gewähren Sie die Rolle Storage-Administrator (roles/storage.admin), um einen Cloud Storage-Bucket zu erstellen.

Cloud Composer-Umgebung erstellen und vorbereiten

1. Erstellen Sie eine Cloud Composer-Umgebung mit Standardeinstellung. Parameter:

   • Wählen Sie eine Region in den USA aus.
   • Wählen Sie die neueste Cloud Composer-Version aus.
   Hinweis: Der BigQuery-Teil dieser Anleitung muss in der US-Multiregion ausgeführt werden. Wir empfehlen, eine Region in den USA für Ihre Cloud Composer-Umgebung auszuwählen, um Kosten und Latenz zu reduzieren. Das Tutorial kann aber auch ausgeführt werden, wenn sich Ihre Cloud Composer-Umgebung in einer anderen Region befindet.

2. Weisen Sie dem Dienstkonto, das in Ihrer Cloud Composer-Umgebung verwendet wird, die folgenden Rollen zu, damit die Airflow-Worker DAG-Aufgaben erfolgreich ausführen können:

   • BigQuery-Nutzer (roles/bigquery.user)
   • BigQuery-Dateninhaber (roles/bigquery.dataOwner)
   • Dienstkontonutzer (roles/iam.serviceAccountUser)
   • Dataproc-Bearbeiter (roles/dataproc.editor)
   • Dataproc-Worker (roles/dataproc.worker)

Zugehörige Ressourcen in Google Cloud erstellen und ändern

1. Installieren Sie das apache-airflow-providers-amazon PyPI-Paket in Ihrer Cloud Composer-Umgebung.

2. Leeres BigQuery-Dataset erstellen mit den folgenden Parametern:

   • Name: holiday_weather
   • Region: US

3. Erstellen Sie einen neuen Cloud Storage-Bucket in der Multi-Region US.

4. Führen Sie den folgenden Befehl aus, um privaten Google-Zugriff im Standardsubnetz in der Region zu aktivieren, in der Sie Dataproc Serverless ausführen möchten, um die Netzwerkanforderungen zu erfüllen. Wir empfehlen, dieselbe Region wie für Ihre Cloud Composer-Umgebung zu verwenden.

   gcloud compute networks subnets update default \
       --region DATAPROC_SERVERLESS_REGION \
       --enable-private-ip-google-access
   

Achtung: Das leere BigQuery-Dataset muss sich in der Region „USA“ befinden, um die Anforderungen an die Co-Lokalisierung für die Übertragung des öffentlichen BigQuery-Datasets ghcn_d zu erfüllen.

Zugehörige Ressourcen in AWS erstellen

Erstellen Sie einen S3-Bucket mit den Standardeinstellungen in Ihrer bevorzugten Region.

Verbindung von Cloud Composer zu AWS herstellen

Hinweis: Wir empfehlen, alle Anmeldedaten für Verbindungen in Secret Manager zu speichern. Wenn Sie diese Anleitung für Produktionszwecke verwenden möchten, sollten Sie Secret Manager für Ihre Umgebung konfigurieren. Weitere Informationen finden Sie unter Secret Manager für Ihre Umgebung konfigurieren.

1. AWS-Zugriffsschlüssel-ID und geheimen Zugriffsschlüssel abrufen

2. Fügen Sie Ihre AWS S3-Verbindung über die Airflow-Benutzeroberfläche hinzu:

   1. Gehen Sie zu Verwaltung > Verbindungen.

   2. Erstellen Sie eine neue Verbindung mit der folgenden Konfiguration:

      • Verbindungs-ID: aws_s3_connection
      • Verbindungstyp: Amazon S3
      • Extras: {"aws_access_key_id":"your_aws_access_key_id", "aws_secret_access_key": "your_aws_secret_access_key"}

Datenverarbeitung mit Dataproc Serverless

Beispiel für einen PySpark-Job

Der folgende Code ist ein Beispiel für einen PySpark-Job, mit dem Temperaturen von Zehntelgraden Celsius in Grad Celsius umgewandelt werden. Dieser Job erzielt eine Conversion Temperaturdaten aus dem Dataset in ein anderes Format konvertieren.

import sys


from py4j.protocol import Py4JJavaError
from pyspark.sql import SparkSession
from pyspark.sql.functions import col


if __name__ == "__main__":
    BUCKET_NAME = sys.argv[1]
    READ_TABLE = sys.argv[2]
    WRITE_TABLE = sys.argv[3]

    # Create a SparkSession, viewable via the Spark UI
    spark = SparkSession.builder.appName("data_processing").getOrCreate()

    # Load data into dataframe if READ_TABLE exists
    try:
        df = spark.read.format("bigquery").load(READ_TABLE)
    except Py4JJavaError as e:
        raise Exception(f"Error reading {READ_TABLE}") from e

    # Convert temperature from tenths of a degree in celsius to degrees celsius
    df = df.withColumn("value", col("value") / 10)
    # Display sample of rows
    df.show(n=20)

    # Write results to GCS
    if "--dry-run" in sys.argv:
        print("Data will not be uploaded to BigQuery")
    else:
        # Set GCS temp location
        temp_path = BUCKET_NAME

        # Saving the data to BigQuery using the "indirect path" method and the spark-bigquery connector
        # Uses the "overwrite" SaveMode to ensure DAG doesn't fail when being re-run
        # See https://spark.apache.org/docs/latest/sql-data-sources-load-save-functions.html#save-modes
        # for other save mode options
        df.write.format("bigquery").option("temporaryGcsBucket", temp_path).mode(
            "overwrite"
        ).save(WRITE_TABLE)
        print("Data written to BigQuery")

PySpark-Datei in Cloud Storage hochladen

So laden Sie die PySpark-Datei in Cloud Storage hoch:

1. Speichern data_analytics_process.py auf Ihren lokalen Computer übertragen.

2. Rufen Sie in der Google Cloud Console die Seite Cloud Storage-Browser auf:

   Zum Cloud Storage Browser

3. Klicken Sie auf den Namen des Buckets, den Sie zuvor erstellt haben.

4. Klicken Sie auf dem Tab Objekte für den Bucket auf die Schaltfläche Dateien hochladen, wählen Sie im angezeigten Dialogfeld data_analytics_process.py aus und klicken Sie auf Öffnen.

CSV-Datei in AWS S3 hochladen

So laden Sie die Datei holidays.csv hoch:

1. Speichern Sie holidays.csv auf Ihrem lokalen Computer.
2. Folgen Sie der AWS-Anleitung, um die Datei in Ihren Bucket hochzuladen.

Datenanalyse-DAG

Beispiel-DAG ansehen

Der DAG verwendet mehrere Operatoren, um die Daten zu transformieren und zu vereinheitlichen:

• Die S3ToGCSOperator überträgt die Datei holidays.csv aus Ihrem AWS S3-Bucket zu Ihrem Cloud Storage-Bucket hinzufügen.

• Die GCSToBigQueryOperator die Datei holidays.csv aus Cloud Storage in eine neue Tabelle in BigQuery holidays_weather-Dataset, das Sie zuvor erstellt haben.

• Mit DataprocCreateBatchOperator wird ein PySpark-Batchjob mit Dataproc Serverless erstellt und ausgeführt.

• Die BigQueryInsertJobOperator werden die Daten aus holidays.csv „Datum“ Spalte mit Wetterdaten aus dem öffentlichen BigQuery-Dataset ghcn_d verwendet. Die BigQueryInsertJobOperator-Aufgaben werden dynamisch mit einer For-Schleife generiert und befinden sich in einem TaskGroup, um die Lesbarkeit in der Grafikansicht der Airflow-Benutzeroberfläche zu verbessern.

Wichtig: Die DataprocCreateBatchOperator ist in den Paketversionen 6.2.0 und höher von apache-airflow-providers-google verfügbar. Die erforderlichen Versionen dieses Pakets sind ab Cloud Composer-Version 1.17.10 und 2.0.3 in Ihrer Umgebung vorinstalliert.

import datetime

from airflow import models
from airflow.providers.google.cloud.operators import dataproc
from airflow.providers.google.cloud.operators.bigquery import BigQueryInsertJobOperator
from airflow.providers.google.cloud.transfers.gcs_to_bigquery import (
    GCSToBigQueryOperator,
)
from airflow.providers.google.cloud.transfers.s3_to_gcs import S3ToGCSOperator
from airflow.utils.task_group import TaskGroup

PROJECT_NAME = "{{var.value.gcp_project}}"
REGION = "{{var.value.gce_region}}"

# BigQuery configs
BQ_DESTINATION_DATASET_NAME = "holiday_weather"
BQ_DESTINATION_TABLE_NAME = "holidays_weather_joined"
BQ_NORMALIZED_TABLE_NAME = "holidays_weather_normalized"

# Dataproc configs
BUCKET_NAME = "{{var.value.gcs_bucket}}"
PYSPARK_JAR = "gs://spark-lib/bigquery/spark-bigquery-latest_2.12.jar"
PROCESSING_PYTHON_FILE = f"gs://{BUCKET_NAME}/data_analytics_process.py"

# S3 configs
S3_BUCKET_NAME = "{{var.value.s3_bucket}}"

BATCH_ID = "data-processing-{{ ts_nodash | lower}}"  # Dataproc serverless only allows lowercase characters
BATCH_CONFIG = {
    "pyspark_batch": {
        "jar_file_uris": [PYSPARK_JAR],
        "main_python_file_uri": PROCESSING_PYTHON_FILE,
        "args": [
            BUCKET_NAME,
            f"{BQ_DESTINATION_DATASET_NAME}.{BQ_DESTINATION_TABLE_NAME}",
            f"{BQ_DESTINATION_DATASET_NAME}.{BQ_NORMALIZED_TABLE_NAME}",
        ],
    },
    "environment_config": {
        "execution_config": {
            "service_account": "{{var.value.dataproc_service_account}}"
        }
    },
}

yesterday = datetime.datetime.combine(
    datetime.datetime.today() - datetime.timedelta(1), datetime.datetime.min.time()
)

default_dag_args = {
    # Setting start date as yesterday starts the DAG immediately when it is
    # detected in the Cloud Storage bucket.
    "start_date": yesterday,
    # To email on failure or retry set 'email' arg to your email and enable
    # emailing here.
    "email_on_failure": False,
    "email_on_retry": False,
}

with models.DAG(
    "s3_to_gcs_dag",
    # Continue to run DAG once per day
    schedule_interval=datetime.timedelta(days=1),
    default_args=default_dag_args,
) as dag:
    s3_to_gcs_op = S3ToGCSOperator(
        task_id="s3_to_gcs",
        bucket=S3_BUCKET_NAME,
        gcp_conn_id="google_cloud_default",
        aws_conn_id="aws_s3_connection",
        dest_gcs=f"gs://{BUCKET_NAME}",
    )

    create_batch = dataproc.DataprocCreateBatchOperator(
        task_id="create_batch",
        project_id=PROJECT_NAME,
        region=REGION,
        batch=BATCH_CONFIG,
        batch_id=BATCH_ID,
    )

    load_external_dataset = GCSToBigQueryOperator(
        task_id="run_bq_external_ingestion",
        bucket=BUCKET_NAME,
        source_objects=["holidays.csv"],
        destination_project_dataset_table=f"{BQ_DESTINATION_DATASET_NAME}.holidays",
        source_format="CSV",
        schema_fields=[
            {"name": "Date", "type": "DATE"},
            {"name": "Holiday", "type": "STRING"},
        ],
        skip_leading_rows=1,
        write_disposition="WRITE_TRUNCATE",
    )

    with TaskGroup("join_bq_datasets") as bq_join_group:
        for year in range(1997, 2022):
            BQ_DATASET_NAME = f"bigquery-public-data.ghcn_d.ghcnd_{str(year)}"
            BQ_DESTINATION_TABLE_NAME = "holidays_weather_joined"
            # Specifically query a Chicago weather station
            WEATHER_HOLIDAYS_JOIN_QUERY = f"""
            SELECT Holidays.Date, Holiday, id, element, value
            FROM `{PROJECT_NAME}.holiday_weather.holidays` AS Holidays
            JOIN (SELECT id, date, element, value FROM {BQ_DATASET_NAME} AS Table
            WHERE Table.element="TMAX" AND Table.id="USW00094846") AS Weather
            ON Holidays.Date = Weather.Date;
            """

            # For demo purposes we are using WRITE_APPEND
            # but if you run the DAG repeatedly it will continue to append
            # Your use case may be different, see the Job docs
            # https://cloud.google.com/bigquery/docs/reference/rest/v2/Job
            # for alternative values for the writeDisposition
            # or consider using partitioned tables
            # https://cloud.google.com/bigquery/docs/partitioned-tables
            bq_join_holidays_weather_data = BigQueryInsertJobOperator(
                task_id=f"bq_join_holidays_weather_data_{str(year)}",
                configuration={
                    "query": {
                        "query": WEATHER_HOLIDAYS_JOIN_QUERY,
                        "useLegacySql": False,
                        "destinationTable": {
                            "projectId": PROJECT_NAME,
                            "datasetId": BQ_DESTINATION_DATASET_NAME,
                            "tableId": BQ_DESTINATION_TABLE_NAME,
                        },
                        "writeDisposition": "WRITE_APPEND",
                    }
                },
                location="US",
            )

        s3_to_gcs_op >> load_external_dataset >> bq_join_group >> create_batch

Variablen über die Airflow-UI hinzufügen

In Airflow variables sind eine universelle Möglichkeit, beliebige Einstellungen als einfachen Schlüssel/Wert-Speicher. In diesem DAG werden Airflow-Variablen verwendet, um gängige Werte zu speichern. So fügen Sie sie Ihrer Umgebung hinzu:

1. Über die Cloud Composer-Konsole auf die Airflow-Benutzeroberfläche zugreifen

2. Klicken Sie auf Verwaltung > Variablen.

3. Fügen Sie die folgenden Variablen hinzu:

   • s3_bucket: der Name des zuvor erstellten S3-Buckets.

   • gcp_project: Ihre Projekt-ID.

   • gcs_bucket: der Name des Buckets, den Sie zuvor erstellt haben (ohne das Präfix gs://).

   • gce_region: die Region, in der Sie Ihren Dataproc-Job ausführen möchten, der die Anforderungen an die Dataproc Serverless-Netzwerkkonfiguration erfüllt. Das ist die Region, in der Sie den privaten Google-Zugriff zuvor aktiviert haben.

   • dataproc_service_account: das Dienstkonto für Ihr Cloud Composer-Umgebung. Sie finden diesen Dienst auf dem Tab für die Umgebungskonfiguration Cloud Composer-Umgebung.

DAG in den Bucket Ihrer Umgebung hochladen

Cloud Composer plant DAGs, die sich im Ordner /dags des Buckets Ihrer Umgebung befinden. So laden Sie den DAG mit der Google Cloud Console hoch:

1. Speichern Sie auf Ihrem lokalen Computer s3togcsoperator_tutorial.py

2. Rufen Sie in der Google Cloud Console die Seite Umgebungen auf.

   Zur Seite Umgebungen

3. Klicken Sie in der Liste der Umgebungen in der Spalte DAG-Ordner auf den Link DAGs. Der DAGs-Ordner Ihrer Umgebung wird geöffnet.

4. Klicken Sie auf Dateien hochladen.

5. Wählen Sie s3togcsoperator_tutorial.py auf Ihrem lokalen Computer aus und klicken Sie auf Öffnen.

DAG auslösen

1. Klicken Sie in Ihrer Cloud Composer-Umgebung auf den Tab DAGs.

2. Klicken Sie auf die DAG-ID s3_to_gcs_dag.

3. Klicken Sie auf DAG auslösen.

4. Warten Sie etwa fünf bis zehn Minuten, bis Sie ein grünes Häkchen sehen. Aufgaben erfolgreich abgeschlossen wurden.

Erfolg des DAG validieren

1. Öffnen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery.

   BigQuery aufrufen

2. Klicken Sie im Explorer-Bereich auf den Namen Ihres Projekts.

3. Klicken Sie auf holidays_weather_joined.

4. Klicken Sie auf „Vorschau“, um die resultierende Tabelle zu sehen. Beachten Sie, dass die Zahlen in den Wertspalte in Zehntelgrad Celsius angegeben.

5. Klicken Sie auf holidays_weather_normalized.

6. Klicken Sie auf „Vorschau“, um die resultierende Tabelle aufzurufen. Beachten Sie, dass die Zahlen in den Wertspalte sind in Grad Celsius angegeben.

Bereinigen

Löschen Sie einzelne Ressourcen, die Sie für diese Anleitung erstellt haben:

• Löschen Sie die Datei holidays.csv. in Ihrem AWS S3-Bucket.

• Löschen Sie den von Ihnen erstellten AWS S3-Bucket.

• Löschen Sie den Cloud Storage-Bucket, den Sie die für diese Anleitung erstellt wurden.

• Löschen Sie das BigQuery-Dataset.

• Löschen Sie die Cloud Composer-Umgebung, einschließlich des manuellen Löschens des Buckets der Umgebung.

Nächste Schritte

• Datenanalyse-DAG in Google Cloud ausführen
• Data Analytics-DAG in Azure ausführen