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Spark大数据分析实验（三）——Spark网络日志分析

[实验目的]

  • 熟悉Apache Web服务器的日志文件格式；
  • 熟悉在Spark中分析Web服务器日志。

[实验原理]

服务器日志分析是Spark一个理想的应用场景。日志文件通常很大，Spark能够以低成本存储这些日志，同时提供简单而高效的方式进行分析。日志分析对于改善商业运营、建立推荐系统和欺诈检测都十分有用。

1. 常见日志格式

Apache Web服务器日志的每一行格式与下面的例子类似。

127.0.0.1 - - [01/Aug/1995:00:00:01 -0400] "GET /images/launch-logo.gif HTTP/1.0" 200 1839

其中各部分的定义描述如下。

  • 127.0.0.1，请求服务的客户端IP地址；
  • -，远程机器的用户身份，“-”表示信息无法获取；
  • -，本地登录的用户身份，“-”表示信息无法获取；
  • [01/Aug/1995:00:00:01 -0400]，服务器处理完请求的时间，其格式为“[日/月/年:时:分:秒 时区]”；
  • "GET /images/launch-logo.gif HTTP/1.0"，请求字符串的第一行，包含了请求方法（Get、Post等等）、资源标识符和客户端协议版本；
  • 200， 服务器发送给客户端的状态代码，包括响应成功（代码以2开头）、跳转（代码以3开头）、客户端错误（代码以4开头）或服务器错误（代码以5开头）；
  • 1839，返回客户端的内容大小。

2. 所涉及变换函数和动作函数

本实验涉及到的几个新的动作函数有以下这些。

  • 函数min()，返回RDD中的最小元素；
  • 函数max()，返回RDD中的最大元素。

3. 实验数据

本实验使用的数据集是美国国家航天局（NASA）位于美国佛罗里达数据中心的Web服务器日志，截取了大约100万条记录。数据集已经存放在HDFS上，路径为“/data/12/3/”。

[实验步骤]

1. 定义函数解析日志行

首先载入所需的类库。再定义一个月份名称与数字的字典以及日志行的正则表达式。然后定义函数 parse_apache_time() ，将日志行中的日期字符串转换为Python的 datetime 对象。最后定义函数 parseApacheLogLine() ，调用正则表达式匹配函数 search() 解析出日志行的9个字段，如果日志行能够成功匹配正则表达式则返回包含 Row 对象和1的二元列表，否则则返回包含原始日志行字符串和0的二元列表。所有的“-”都会被替换成0。

>>> import re
>>> import datetime
>>> 
>>> from pyspark.sql import Row
>>> 
>>> month_map = {'Jan': 1, 'Feb': 2, 'Mar':3, 'Apr':4, 'May':5, 'Jun':6, 'Jul':7,
...     'Aug':8,  'Sep': 9, 'Oct':10, 'Nov': 11, 'Dec': 12}
>>>
>>> APACHE_ACCESS_LOG_PATTERN = '^(\S+) (\S+) (\S+) \[([\w:/]+\s[+\-]\d{4})\] "(\S+) (\S+)\s*(\S*)\s*" (\d{3}) (\S+)'
>>>
>>> def parse_apache_time(s):
...     return datetime.datetime(int(s[7:11]),
...                              month_map[s[3:6]],
...                              int(s[0:2]),
...                              int(s[12:14]),
...                              int(s[15:17]),
...                              int(s[18:20]))
... 
>>> 
>>> def parseApacheLogLine(logline):
...     match = re.search(APACHE_ACCESS_LOG_PATTERN, logline)
...     if match is None:
...         return (logline, 0)
...     size_field = match.group(9)
...     if size_field == '-':
...         size = long(0)
...     else:
...         size = long(match.group(9))
...     return (Row(
...         host          = match.group(1),
...         client_identd = match.group(2),
...         user_id       = match.group(3),
...         date_time     = parse_apache_time(match.group(4)),
...         method        = match.group(5),
...         endpoint      = match.group(6),
...         protocol      = match.group(7),
...         response_code = int(match.group(8)),
...         content_size  = size
...     ), 1)
...

2. 创建初始日志RDD

日志文件已经存放在HDFS上，路径为 “/data/12/3/apache.access.log.PROJECT” 。我们将整个创建RDD的过程封装在了函数 parseLogs() 中。首先调用函数 sc.textfile(logFile) 将文件的每一行转换为RDD中的一个元素，紧接着调用函数 map(parseApacheLogLine) 将解析函数应用于RDD中的每一个元素（即每一行日志），将其转换为包含 Row 对象的二元列表，并将该RDD缓存在内存中。最后分别生成解析成功和失败的记录，并输出其个数。最终输出的结果中，可以看出所有的日志行都已被成功解析。

>>> import sys
>>> import os
>>>
>>> baseDir = os.path.join('/data')
>>> inputPath = os.path.join('12', '3', 'apache.access.log.PROJECT')
>>> logFile = os.path.join(baseDir, inputPath)
>>>
>>> def parseLogs():
...     parsed_logs = (sc
...                    .textFile(logFile)
...                    .map(parseApacheLogLine)
...                    .cache())
...     access_logs = (parsed_logs
...                    .filter(lambda s: s[1] == 1)
...                    .map(lambda s: s[0])
...                    .cache())
...     failed_logs = (parsed_logs
...                    .filter(lambda s: s[1] == 0)
...                    .map(lambda s: s[0]))
...     failed_logs_count = failed_logs.count()
...     if failed_logs_count > 0:
...         print 'Number of invalid logline: %d' % failed_logs.count()
...         for line in failed_logs.take(20):
...             print 'Invalid logline: %s' % line
...     print 'Read %d lines, successfully parsed %d lines, failed to parse %d lines' % (parsed_logs.count(), access_logs.count(), failed_logs.count())
...     return parsed_logs, access_logs, failed_logs
... 
>>> parsed_logs, access_logs, failed_logs = parseLogs()

输出结果：
输出结果

3. 统计内容大小

统计Web服务器返回的内容大小，即字段 content_size ，包括其平均值、最小值和最大值。首先调用变换函数 map() 并传入一个只取出字段 content_size 的匿名函数创建一个新的RDD。再调用动作函数 reduce() 和 count() 求出内容大小的总和以及个数，其比值即内容大小的平均值。最后调用动作函数 min() 和 max() 得到内容大小的最小值和最大值。

>>> content_sizes = access_logs.map(lambda log: log.content_size).cache()
>>> print 'Content Size Avg: %i, Min: %i, Max: %s' % (
...     content_sizes.reduce(lambda a, b : a + b) / content_sizes.count(),
...     content_sizes.min(),
...     content_sizes.max())

输出结果：
输出结果

4. 统计状态代码

统计不同的状态代码出现的次数。与上一步类似，首先调用变换函数 map() 取出字段 response_code ，不同的是，这里取出的是一个二元列表，即字段 response_code 和1，使得之后能够计数。再调用变换函数 reduceByKey() 按照不同的状态代码统计出现次数，并调用函数 cache() 在内存中缓存。最后调用动作函数 take() 输出成列表。

>>> responseCodeToCount = (access_logs
...                        .map(lambda log: (log.response_code, 1))
...                        .reduceByKey(lambda a, b : a + b)
...                        .cache())
>>> responseCodeToCountList = responseCodeToCount.take(100)
>>>> print responseCodeToCountList

输出结果：
输出图片

5. 查看频繁访问的客户端主机

这一步需要查看频繁访问（大于10次）的客户端主机。与上一步类似，首先调用变换函数 map() 取出包含字段 host 和1的二元列表。再调用变换函数 reduceByKey() 按照不同的主机地址统计出现次数。然后调用变换函数 filter() 取出出现次数大于10的主机地址。最后调用动作函数 take() 输出成列表。

>>> hostCountPairTuple = access_logs.map(lambda log: (log.host, 1))
>>> hostSum = hostCountPairTuple.reduceByKey(lambda a, b : a + b)
>>> hostMoreThan10 = hostSum.filter(lambda s: s[1] > 10)
>>> hostsPick20 = (hostMoreThan10
...                .map(lambda s: s[0])
...                .take(20))
>>> print 'Any 20 hosts that have accessed more then 10 times: %s' % hostsPick20

输出结果：
输出结果

6. 查看被访问最多的资源标识符

查看被访问最多的资源标识符。与上一步类似，首先调用变换函数 map() 取出包含字段 endpoint 和1的二元组。再调用变换函数 reduceByKey() 按照不同的资源标识符统计出现次数。最后调用动作函数 takeOrdered() 取出前10被访问最多的资源标识符。

>>> endpointCounts = (access_logs
...                   .map(lambda log: (log.endpoint, 1))
...                   .reduceByKey(lambda a, b : a + b))
>>> topEndpoints = endpointCounts.takeOrdered(10, lambda s: -1 * s[1])
>>> print 'Top Ten Endpoints: %s' % topEndpoints

输出结果：
输出结果

7. （练习）查看出现错误最多的资源标识符

查看前10个出现错误（即状态代码不是 200 ）最多的资源标识符（即字段 endpoint ），最终的返回结果是按访问次数倒序排列的前10个标识符及其相应的访问次数。

>>>errorEndpointCounts = (access_logs
...                  .map(lambda log: (log.endpoint, 1))
...                  .reduceByKey(lambda a, b : a + b)
...                  .filter(lambda x:x[0]!='200'))
>>>topErrorEndpoints = errorEndpointCounts.takeOrdered(10, lambda s: -1 * s[1])
>>>print topErrorEndpoints

输出结果

8. （练习）统计独立主机数

统计独立主机地址（字段 host ）数。

>>>IndependentHostCounts = (access_logs
...                  .map(lambda log: (log.host, 1))
...                  .reduceByKey(lambda a, b : a + b)
...                  .count())
>>>print IndependentHostCounts

输出结果

[附录：输入代码清单]

1. 定义函数解析日志行

import re
import datetime

from pyspark.sql import Row

month_map = {'Jan': 1, 'Feb': 2, 'Mar':3, 'Apr':4, 'May':5, 'Jun':6, 'Jul':7,
    'Aug':8,  'Sep': 9, 'Oct':10, 'Nov': 11, 'Dec': 12}
APACHE_ACCESS_LOG_PATTERN = '^(\S+) (\S+) (\S+) \[([\w:/]+\s[+\-]\d{4})\] "(\S+) (\S+)\s*(\S*)\s*" (\d{3}) (\S+)'

def parse_apache_time(s):
    return datetime.datetime(int(s[7:11]),
                             month_map[s[3:6]],
                             int(s[0:2]),
                             int(s[12:14]),
                             int(s[15:17]),
                             int(s[18:20]))


def parseApacheLogLine(logline):
    match = re.search(APACHE_ACCESS_LOG_PATTERN, logline)
    if match is None:
        return (logline, 0)
    size_field = match.group(9)
    if size_field == '-':
        size = long(0)
    else:
        size = long(match.group(9))
    return (Row(
        host          = match.group(1),
        client_identd = match.group(2),
        user_id       = match.group(3),
        date_time     = parse_apache_time(match.group(4)),
        method        = match.group(5),
        endpoint      = match.group(6),
        protocol      = match.group(7),
        response_code = int(match.group(8)),
        content_size  = size
    ), 1)

2. 创建初始日志RDD

import sys
import os

baseDir = os.path.join('/data')
inputPath = os.path.join('12', '3', 'apache.access.log.PROJECT')
logFile = os.path.join(baseDir, inputPath)

def parseLogs():
    parsed_logs = (sc
                   .textFile(logFile)
                   .map(parseApacheLogLine)
                   .cache())
    access_logs = (parsed_logs
                   .filter(lambda s: s[1] == 1)
                   .map(lambda s: s[0])
                   .cache())
    failed_logs = (parsed_logs
                   .filter(lambda s: s[1] == 0)
                   .map(lambda s: s[0]))
    failed_logs_count = failed_logs.count()
    if failed_logs_count > 0:
        print 'Number of invalid logline: %d' % failed_logs.count()
        for line in failed_logs.take(20):
            print 'Invalid logline: %s' % line
    print 'Read %d lines, successfully parsed %d lines, failed to parse %d lines' % (parsed_logs.count(), access_logs.count(), failed_logs.count())
    return parsed_logs, access_logs, failed_logs

parsed_logs, access_logs, failed_logs = parseLogs()

3. 统计内容大小

content_sizes = access_logs.map(lambda log: log.content_size).cache()
print 'Content Size Avg: %i, Min: %i, Max: %s' % (
    content_sizes.reduce(lambda a, b : a + b) / content_sizes.count(),
    content_sizes.min(),
    content_sizes.max())

4. 统计状态代码

responseCodeToCount = (access_logs
                       .map(lambda log: (log.response_code, 1))
                       .reduceByKey(lambda a, b : a + b)
                       .cache())
responseCodeToCountList = responseCodeToCount.take(100)
# 省略部分输出
print responseCodeToCountList

5. 查看频繁访问的客户端主机

hostCountPairTuple = access_logs.map(lambda log: (log.host, 1))
hostSum = hostCountPairTuple.reduceByKey(lambda a, b : a + b)
hostMoreThan10 = hostSum.filter(lambda s: s[1] > 10)
hostsPick20 = (hostMoreThan10
               .map(lambda s: s[0])
               .take(20))
# 省略部分输出
print 'Any 20 hosts that have accessed more then 10 times: %s' % hostsPick20

6. 查看被访问最多的资源标识符

endpointCounts = (access_logs
                  .map(lambda log: (log.endpoint, 1))
                  .reduceByKey(lambda a, b : a + b))
topEndpoints = endpointCounts.takeOrdered(10, lambda s: -1 * s[1])
# 省略部分输出
print 'Top Ten Endpoints: %s' % topEndpoints

7. （练习）查看出现错误最多的资源标识符

errorEndpointCounts = (access_logs
                  .map(lambda log: (log.endpoint, 1))
                  .reduceByKey(lambda a, b : a + b)
                  .filter(lambda x:x[0]!='200'))
topErrorEndpoints = errorEndpointCounts.takeOrdered(10, lambda s: -1 * s[1])
print topErrorEndpoints

8. （练习）统计独立主机数

IndependentHostCounts = (access_logs
                  .map(lambda log: (log.host, 1))
                  .reduceByKey(lambda a, b : a + b)
                  .count())
print IndependentHostCounts

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道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

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