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alex3ai/spark-streaming-gcp-terraform

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⚡ GCP Real-Time Sentiment Pipeline

Google Cloud Terraform Apache Spark Apache Kafka Python Status

Pipeline de streaming em tempo real com análise de sentimento híbrida: desenvolvimento local com Kafka + produção cloud-native na GCP.

Arquitetura que se adapta automaticamente entre Kafka (local) e Pub/Sub (GCP), processando dados com Spark Structured Streaming, NLTK VADER para análise de sentimento, e entregando insights no BigQuery com visualização em tempo real via Looker Studio.


📑 Índice


🏛 Arquitetura

🔄 Arquitetura Híbrida: Local vs Cloud

Este projeto implementa detecção automática de ambiente com suporte nativo para desenvolvimento local e produção na GCP:

Componente Local (Docker) GCP (Dataproc)
Mensageria Kafka 3.7.0 (KRaft Mode) Google Pub/Sub Standard
Compute Spark Standalone Spark on YARN
Storage Docker Volumes Cloud Storage (GCS)
Checkpoint /data/checkpoints gs://bucket/checkpoints
Custo $0 (localhost) ~$9/mês (auto-delete)

Detecção Automática de Ambiente:

# app/config.py detecta automaticamente onde está rodando
IS_DATAPROC = os.path.exists("/usr/local/share/google/dataproc")
USE_PUBSUB = IS_DATAPROC  # True no GCP, False localmente

# Configuração adaptativa de mensageria
if settings.IS_DATAPROC:
    # MODO NUVEM (Pub/Sub Standard)
    df_stream = spark.readStream \
        .format("pubsub") \
        .option("subscription", subscription_id) \
        .load()
else:
    # MODO LOCAL (Kafka)
    df_stream = spark.readStream \
        .format("kafka") \
        .option("kafka.bootstrap.servers", "kafka:9092") \
        .load()

Diagrama de Componentes - Produção (GCP)

graph TB
    subgraph "☁️ Google Cloud Platform - us-central1"
        
        subgraph "🔒 VPC Custom Network (10.0.0.0/16)"
            PROD[("📱 Producer<br/>Python + Faker<br/>Pub/Sub Client")]
            
            subgraph "🐘 Dataproc Cluster"
                PUBSUB[("📨 Pub/Sub Topic<br/>sentiment-topic<br/>Managed Service")]
                SPARK[("⚡ Spark Streaming<br/>PySpark 3.3<br/>e2-standard-4")]
            end
        end
        
        GCS[("📦 GCS Bucket<br/>Checkpoints<br/>Lifecycle: 7d")]
        BQ[("🔍 BigQuery<br/>Partitioned Table<br/>Date + Hour")]
        LOOKER[("📊 Looker Studio<br/>Real-time Dashboard")]
        
        PROD -->|"JSON Stream<br/>~1k msg/s"| PUBSUB
        PUBSUB -->|"Micro-batch<br/>10s interval"| SPARK
        SPARK -->|"State Checkpoint<br/>Fault Tolerance"| GCS
        SPARK -->|"Direct Write<br/>Batch Insert"| BQ
        BQ -->|"SQL Query<br/>< 2s latency"| LOOKER
    end
    
    TF[("🤖 Terraform<br/>IaC")] -.->|"Provision<br/>~5 min"| GCS
    TF -.->|"Configure"| DATAPROC["Dataproc"]
    TF -.->|"Create"| BQ
Loading

Fluxo de Processamento

┌─────────────┐    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐
│  Ingestion  │───▶│ Processing  │───▶│ Persistence │───▶│   Serving   │
└─────────────┘    └─────────────┘    └─────────────┘    └─────────────┘
     │                    │                   │                   │
  Python              PySpark            BigQuery          Looker Studio
  Faker               NLTK VADER        Connector         Real-time SQL
  Kafka/Pub/Sub       JSON Parse        Partitioning      Auto-refresh

Detalhes Técnicos:

  1. Ingestão: Gerador sintético (Faker) → Kafka Topic (local) ou Pub/Sub Topic (GCP)
  2. Processamento: Spark Structured Streaming com watermarking (10s) e análise VADER
  3. Persistência: BigQuery write com particionamento por timestamp (DAY) e clustering
  4. Visualização: Dashboard Looker com refresh automático a cada 30s
  5. Checkpoint Strategy:
    • Local: /data/checkpoints/sentiment_job_v1 (Docker volume)
    • GCP: gs://BUCKET_NAME/checkpoints/sentiment_job_v1 (Cloud Storage)
    • Garante exactly-once semantics e recuperação automática de falhas

💰 Estimativa de Custos

Premissa: Uso sob demanda com auto-delete (8h/dia, 22 dias/mês)

Componente Especificação Custo Mensal (USD)
Dataproc e2-standard-4 (auto-delete 30min) ~$5
Cloud Storage 10 GB (Checkpoints) <$1
BigQuery 10 GB storage + 100 GB query ~$3
Pub/Sub 100 GB mensagens <$1
Total Estimado Uso sob demanda ~$9/mês

Otimizações Aplicadas:

  • ✅ Single-node cluster com e2-standard-4 (60% mais barato que n1-standard-4)
  • ✅ Auto-delete após 30 min idle (idle_delete_ttl = "1800s")
  • ✅ Lifecycle policy no GCS (7 dias retenção de checkpoints)
  • ✅ Pub/Sub Standard tier (sem reservas)
  • ✅ BigQuery on-demand pricing (sem slots reservados)

Comparação com Arquitetura Tradicional:

Cenário Custo/Mês Economia
Cluster 3 nodes 24/7 ~$350 -
Cluster 1 node 24/7 ~$120 65%
Auto-delete (implementado) ~$9 97%

Documentação Oficial:


🎯 SLOs e Métricas

Service Level Objectives

Métrica SLO Monitoramento
Latência E2E p95 < 30s Cloud Monitoring + Spark UI
Disponibilidade 99.5% uptime YARN ResourceManager
Throughput 1000 msg/s Kafka Consumer Lag / Pub/Sub Metrics
Data Freshness < 60s lag BQ table metadata timestamp
Checkpoint Recovery < 120s GCS checkpoint validation

Performance Observada (Ambiente GCP)

┌─────────────────────────────────────────┐
│ Benchmark Results (1M mensagens)        │
├─────────────────────────────────────────┤
│ Avg Processing Time:  18.5s             │
│ Peak Throughput:      1,247 msg/s       │
│ Memory Usage:         3.2 GB / 16 GB    │
│ CPU Usage:            65% avg            │
│ Checkpoint Time:      ~2.3s             │
│ BigQuery Write Batch: 1000 rows         │
└─────────────────────────────────────────┘

📂 Estrutura do Projeto

.
├── app/
│   ├── config.py                 # Configuração centralizada com detecção de ambiente
│   ├── jobs/
│   │   └── sentiment.py          # PySpark job principal (Kafka/Pub-Sub adaptativo)
│   ├── producers/
│   │   └── kafka_producer.py     # Gerador de dados sintéticos
│   └── schemas/
│       ├── input_schema.py       # Schema mensagem Kafka/Pub-Sub
│       └── bigquery_schema.json  # Schema tabela BigQuery
├── scripts/
│   ├── deploy.sh                 # Orquestrador de deploy completo
│   ├── submit_job.sh             # Submissão job Dataproc
│   ├── cleanup.sh                # Destruição de recursos GCP
│   └── bootstrap/
│       ├── install_kafka.sh      # Setup Kafka no cluster (local)
│       └── install_nltk.sh       # Download NLTK VADER data
├── terraform/
│   ├── environments/
│   │   └── dev/
│   │       ├── main.tf           # Root module
│   │       ├── variables.tf      # Input variables
│   │       ├── outputs.tf        # Output values
│   │       └── terraform.tfvars  # Environment config (e2-standard-4)
│   └── modules/
│       ├── dataproc/             # Cluster + IAM + auto-delete
│       ├── network/              # VPC + Firewall
│       ├── storage/              # GCS buckets (checkpoints)
│       └── bigquery/             # Dataset + Tables (partitioned)
├── docs/
│   ├── architecture.md           # ADRs (Architecture Decision Records)
│   ├── runbook.md                # Procedimentos operacionais
│   └── img/                      # Screenshots e diagramas
├── tests/
│   ├── unit/                     # Testes unitários (pytest)
│   └── integration/              # Testes E2E
├── .gitignore
├── requirements.txt              # Dependências Python
└── README.md

🚀 Quick Start

Pré-requisitos

# Ferramentas necessárias
- gcloud CLI (>= 400.0.0)
- Terraform (>= 1.6.0)
- Python (>= 3.10)
- Docker + Docker Compose (para ambiente local)

# Permissões GCP necessárias
- roles/editor (ou granular: dataproc.admin, storage.admin, bigquery.admin, pubsub.admin)

Setup Inicial do Projeto GCP

IMPORTANTE: Execute estes passos ANTES do deploy automatizado:

# 1. Criar projeto no GCP
gcloud projects create spark-streaming-gcp-terraform --name="Sentiment Pipeline"
gcloud config set project spark-streaming-gcp-terraform

# 2. Habilitar faturamento (obrigatório para Dataproc)
# Acesse: https://console.cloud.google.com/billing/linkedaccount?project=spark-streaming-gcp-terraform

# 3. Habilitar APIs necessárias
gcloud services enable \
  dataproc.googleapis.com \
  storage.googleapis.com \
  bigquery.googleapis.com \
  pubsub.googleapis.com \
  compute.googleapis.com

# 4. Exportar variáveis de ambiente
export GCP_PROJECT_ID="spark-streaming-gcp-terraform"
export GCP_REGION="us-central1"
export TF_VAR_project_id=$GCP_PROJECT_ID
export TF_VAR_region=$GCP_REGION

Deploy em 5 Passos

# 1. Clone o repositório
git clone https://github.com/seu-usuario/spark-streaming-gcp-terraform.git
cd spark-streaming-gcp-terraform

# 2. Autentique no GCP
gcloud auth application-default login

# 3. Inicialize o Terraform
cd terraform/environments/dev
terraform init

# 4. Execute o deploy automatizado
cd ../../..
chmod +x scripts/deploy.sh
./scripts/deploy.sh

# 5. Verifique o status do cluster
gcloud dataproc clusters describe spark-sentiment-dev \
  --region=$GCP_REGION \
  --format="value(status.state,config.masterConfig.machineTypeUri)"

Tempo estimado: 6-8 minutos

Resultado esperado:

✓ Cluster Dataproc criado (e2-standard-4)
✓ Pub/Sub topic e subscription configurados
✓ BigQuery dataset e tabela particionada criados
✓ GCS bucket para checkpoints provisionado
✓ Job Spark submetido e em execução

🔧 Configuração Detalhada

1. Submissão do Job Spark

# Método 1: Script automatizado (recomendado)
./scripts/submit_job.sh

# Método 2: Comando direto com configurações otimizadas
gcloud dataproc jobs submit pyspark \
  gs://spark-sentiment-dev-code/jobs/sentiment.py \
  --cluster=spark-sentiment-dev \
  --region=us-central1 \
  --properties=spark.executor.memory=4g,spark.executor.cores=2,spark.sql.adaptive.enabled=true \
  --jars=gs://spark-lib/bigquery/spark-bigquery-with-dependencies_2.12-0.32.2.jar \
  --files=gs://spark-sentiment-dev-code/config/nltk_data.zip

2. Configuração do Producer (Pub/Sub)

# app/config.py - Configuração adaptativa
if IS_DATAPROC:
    # Modo GCP (Pub/Sub)
    PUBSUB_TOPIC = f"projects/{GCP_PROJECT_ID}/topics/sentiment-topic"
    PUBSUB_SUBSCRIPTION = f"projects/{GCP_PROJECT_ID}/subscriptions/sentiment-sub"
else:
    # Modo Local (Kafka)
    KAFKA_CONFIG = {
        'bootstrap_servers': 'kafka:9092',
        'topic': 'sentiment_analysis',
        'batch_size': 100,
        'linger_ms': 10,
        'compression_type': 'gzip'
    }

3. Monitoramento em Tempo Real

# Logs do Spark Streaming
gcloud dataproc jobs list \
  --cluster=spark-sentiment-dev \
  --region=us-central1 \
  --state-filter=ACTIVE

# Métricas do Pub/Sub
gcloud pubsub subscriptions describe sentiment-sub \
  --format="value(pushConfig.pushEndpoint,ackDeadlineSeconds)"

# Query BigQuery para verificar dados recentes
bq query --use_legacy_sql=false \
  'SELECT 
    COUNT(*) as total_records,
    COUNTIF(sentiment_score > 0) as positive,
    COUNTIF(sentiment_score < 0) as negative,
    MAX(processed_at) as last_processed
   FROM `'"$GCP_PROJECT_ID"'.sentiment_analysis.tweets`
   WHERE DATE(timestamp) = CURRENT_DATE()'

# Verificar lag de processamento
bq query --use_legacy_sql=false \
  'SELECT 
    TIMESTAMP_DIFF(processed_at, timestamp, SECOND) as lag_seconds
   FROM `'"$GCP_PROJECT_ID"'.sentiment_analysis.tweets`
   ORDER BY processed_at DESC
   LIMIT 10'

📊 Schemas de Dados

Input Schema (Kafka/Pub-Sub Message)

{
  "id": "a7523001-1079-403e-8de8-9b9...",
  "timestamp": "1765116479000",
  "user": "robert58",
  "text": "I love Spark Streaming on Dataproc! It is amazing and fast.",
  "platform": "Twitter"
}

Output Schema (BigQuery Table)

CREATE TABLE `project.sentiment_analysis.tweets` (
  id STRING NOT NULL,
  user STRING NOT NULL,
  text STRING NOT NULL,
  platform STRING,
  timestamp TIMESTAMP NOT NULL,
  sentiment_score FLOAT64 NOT NULL,  -- VADER compound score [-1, 1]
  processed_at TIMESTAMP NOT NULL
)
PARTITION BY DATE(timestamp)
CLUSTER BY platform, user
OPTIONS(
  description="Real-time sentiment analysis results",
  partition_expiration_days=90
);

Particionamento e Clustering:

  • PARTITION BY DATE(timestamp): Otimiza queries por intervalo de tempo
  • CLUSTER BY platform, user: Melhora performance de agregações
  • Custo de Query: ~$0.005 por GB processado (on-demand)

Documentação: BigQuery Schema Best Practices


🛠 Stack Tecnológica

Core Components

Layer Technology Version Purpose
IaC Terraform 1.6.x Infrastructure as Code
Compute Dataproc 2.1-debian11 Managed Spark on GCP
Messaging (Local) Kafka 3.7.0 (KRaft) Event streaming (dev)
Messaging (GCP) Pub/Sub Standard Managed messaging (prod)
Processing PySpark 3.5.0 Distributed stream processing
ML/NLP NLTK 3.8.x VADER sentiment analysis
Storage GCS - Object storage (checkpoints)
Warehouse BigQuery - Columnar OLAP database
Viz Looker Studio - Real-time dashboards

Python Dependencies

# requirements.txt
pyspark==3.5.0
kafka-python==2.0.2         # Apenas ambiente local
google-cloud-pubsub==2.18.4  # Apenas GCP
nltk==3.8.1
vaderSentiment==3.3.2
google-cloud-bigquery==3.11.0
google-cloud-storage==2.10.0
faker==20.1.0
pytest==7.4.3

Detecção Automática de Dependências

# app/config.py
IS_DATAPROC = os.path.exists("/usr/local/share/google/dataproc")

# Importações condicionais
if IS_DATAPROC:
    from google.cloud import pubsub_v1
    from google.cloud import bigquery
else:
    from kafka import KafkaProducer, KafkaConsumer

📸 Demonstração

Logs de Processamento

Spark Logs

Logs do Spark Structured Streaming processando batches com latência < 20s e checkpoint automático.

Dados no BigQuery

BigQuery Table

Tabela tweets particionada por data, mostrando análise de sentimento em tempo real com VADER scores.

Dashboard Looker Studio

Looker Dashboard

Dashboard com métricas em tempo real: total de tweets (8.8k), distribuição de sentimentos e termômetro de polaridade.


🐛 Troubleshooting

Problema: Cluster não inicia

# Diagnóstico
gcloud dataproc clusters describe spark-sentiment-dev \
  --region=us-central1 \
  --format="value(status.state,status.stateStartTime)"

# Verificar logs de inicialização
gcloud logging read "resource.type=cloud_dataproc_cluster AND resource.labels.cluster_name=spark-sentiment-dev" \
  --limit=50 \
  --format=json \
  --freshness=1h

Soluções comuns:

  • ✓ Verificar quotas de CPU/disco: gcloud compute project-info describe --project=$GCP_PROJECT_ID
  • ✓ Confirmar Service Account permissions: IAM roles dataproc.worker, storage.objectAdmin
  • ✓ Checar firewall rules na VPC: Porta 9092 (Kafka) ou Pub/Sub endpoints
  • ✓ Validar API habilitada: gcloud services list --enabled | grep dataproc

Problema: Job Spark falha com erro de checkpoint

# Obter logs detalhados do job
gcloud dataproc jobs describe <JOB_ID> \
  --region=us-central1 \
  --format="value(status.state,driverOutputResourceUri)"

# Verificar checkpoint no GCS
gsutil ls -lh gs://spark-sentiment-dev-checkpoints/sentiment_job_v1/

# Limpar checkpoint corrompido (CUIDADO: perde estado)
gsutil -m rm -r gs://spark-sentiment-dev-checkpoints/sentiment_job_v1/

Erro comum: org.apache.spark.sql.streaming.StreamingQueryException: Checkpoint location does not exist

Solução:

# Recriar bucket com lifecycle
gsutil mb -p $GCP_PROJECT_ID -l $GCP_REGION gs://spark-sentiment-dev-checkpoints
gsutil lifecycle set terraform/modules/storage/lifecycle.json gs://spark-sentiment-dev-checkpoints

Problema: Pub/Sub subscription com mensagens não consumidas

# Verificar lag de mensagens
gcloud pubsub subscriptions describe sentiment-sub \
  --format="value(name,numUndeliveredMessages,oldestUnackedMessageAge)"

# Purgar mensagens antigas (reset)
gcloud pubsub subscriptions seek sentiment-sub --time=$(date -u +%Y-%m-%dT%H:%M:%SZ)

Documentação Oficial:


📈 Roadmap

✅ Implementado (v1.0)

  • Infraestrutura IaC com Terraform
  • Pipeline streaming end-to-end híbrido (Kafka + Pub/Sub)
  • Análise de sentimento com NLTK VADER
  • Dashboard Looker Studio com métricas em tempo real
  • Otimizações FinOps (auto-delete, e2-standard-4)
  • Detecção automática de ambiente (local vs GCP)

🚧 Em Progresso (v1.1)

  • CI/CD com GitHub Actions (Terraform plan/apply automático)
  • Testes de integração automatizados (pytest + Docker Compose)
  • Alertas no Cloud Monitoring (SLO violations)
  • Schema validation com Protobuf (Pub/Sub)

🔮 Planejado (v2.0)

  • Migração para Dataflow (streaming nativo serverless)
  • MLOps: retreinamento automático de modelos NLP
  • Multi-region deployment com failover
  • Data quality checks (Great Expectations + dbt)
  • Feature store para ML (Feast ou Vertex AI)
  • Monitoramento de drift de sentimento

🤝 Contribuindo

Contribuições são bem-vindas! Por favor:

  1. Fork o repositório
  2. Crie uma branch (git checkout -b feature/nova-funcionalidade)
  3. Commit suas mudanças seguindo Conventional Commits:
    git commit -m 'feat: adiciona suporte a Apache Flink'
    git commit -m 'fix: corrige checkpoint recovery no GCS'
    git commit -m 'docs: atualiza README com custos 2025'
  4. Push para a branch (git push origin feature/nova-funcionalidade)
  5. Abra um Pull Request com descrição detalhada

Convenção de Commits: Seguimos Conventional Commits

Tipos de commit:

  • feat: Nova funcionalidade
  • fix: Correção de bug
  • docs: Documentação
  • refactor: Refatoração de código
  • test: Testes
  • chore: Configurações e build

📄 Licença

Este projeto está sob a licença MIT. Veja o arquivo LICENSE para mais detalhes.


📞 Contato

Alex Oliveira Mendes
Machine Learning Engineer & SRE Specialist

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🙏 Agradecimentos

  • Google Cloud Platform pela infraestrutura serverless robusta
  • Comunidade Apache Spark pelos recursos de streaming
  • Projeto NLTK pela biblioteca VADER de análise de sentimento
  • HashiCorp Terraform pela excelente ferramenta de IaC

⭐ Se este projeto foi útil, considere dar uma estrela no repositório!

💡 Dúvidas ou sugestões? Abra uma issue ou entre em contato.

About

☁️ Cloud-Native Data Pipeline on Google Cloud provisioned via Terraform with Spark, Kafka & BigQuery.

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