10分钟搞懂分层实验原理

摘要： 想要同一时间做N个实验？想要同一份流量不同实验之间不干扰？想要每个实验都能得到100%流量? 那么你就需要分层实验。

1. 背景

• 想要同一时间做N个实验？

• 想要同一份流量不同实验之间不干扰？

• 想要每个实验都能得到100%流量?

那么你就需要分层实验。

1.1 什么是分层实验

 

分层实验概念：每个独立实验为一层，层与层之间流量是正交的。
简单来讲，就是一份流量穿越每层实验时，都会再次随机打散，且随机效果离散。

所有分层实验的奠基石--Goolge论文

《Overlapping Experiment Infrastructure More, Better, Faster Experimentation》

下面将以一个简单例子来解释分层实验核心原理，如果要了解全貌，可以看一下上面论文
首先来看一下MD5的作为hash的特点,本文以最简单得MD5算法来介绍分层实验。(但一定要知道，实际应用场景复杂，需要我们设计更复杂的hash算法)

1.2 MD5 特点

• 压缩性：任意长度的数据，算出的MD5值长度都是固定的。

• 容易计算：从原数据计算出MD5值很容易。

• 抗修改性：对原数据进行任何改动，哪怕只修改1个字节，所得到的MD5值都有很大区别。(重要理论依据!)

• 弱抗碰撞：已知原数据和其MD5值，想找到一个具有相同MD5值的数据（即伪造数据）是非常困难的。

• 强抗碰撞：想找到两个不同的数据，使它们具有相同的MD5值，是非常困难的。

正是由于上面的特性，MD5也经常作为文件是否被篡改的校验方式。
所以，
理论上，如果我们采用MD5计算hash值，对每个cookie 加上某固定字符串（离散因子），求余的结果，就会与不加产生很大区别。加上离散因子后，当数据样本够大的时候，基于概率来看，所有cookie的分桶就会被再次随机化。
下面我们将通过实际程序来验证。

2. 实战讲解

2.1 我们的程序介绍

• 使用java SecureRandom模拟cookie的获取（随机化cookie，模拟真实场景）

• hash算法选用上文介绍的MD5。实验分两种：对cookie不做任何处理；对cookie采用增加离散因子离散化

• 一共三层实验（也就是3个实验），我们会观察第一层2号桶流量在第2层的分配，以及第2层2号桶流量在第3层的分配

• 如果cookie加入离散因子后，一份流量经过三个实验，按照如下图比例每层平均打散，则证明实验流量正交

从上图可以看出，即使第1层的2号桶的实验结果比其他几个桶效果好很多，由于流量被离散化，这些效果被均匀分配到第2层。（第3层及后面层类同），这样虽然实验效果被带到了下一层，但是每个桶都得到了相同的影响，对于层内的桶与桶的对比来说，是没有影响的。而我们分析实验数据，恰恰只会针对同一实验内部的基准桶和实验桶。

=>与原来实验方式区别？

• 传统方式，我们采用将100%流量分成不同的桶，假设有A,B两个人做实验，为了让他们互不影响，只能约定0-3号桶给A做实验，4-10号桶给B做实验的方式，这样做实验，每个人拿到的只是总流量的一部分。

• 上面基于MD5分层的例子告诉我们，分层实验可以实现实验与实验之间“互不影响”，这样我们就可以把100%流量给A做实验，同时这100%流量也给B做实验。(这里的A,B举例来说，一个请求，页面做了改版（实验A）、处理逻辑中调用了算法，而算法也做了调整（实验B）)，如果采用不采用分层方式，强行将100%流量穿过A,B，那么最终看实验报表时，我们无法区分，是由于改版导致转化率提高，还是算法调整的好，导致转化率提高。

• package com.yiche.library;
  
  import java.security.MessageDigest;
  import java.security.NoSuchAlgorithmException;
  import java.security.SecureRandom;
  import java.util.ArrayList;
  import java.util.List;
  
  /**
   * @author shihongxing
   * @since 2018-09-04 17:25
   */
  public class MultiLayerExperiment {
      private static String byteArrayToHex(byte[] byteArray) {
          char[] hexDigits = {'0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'a', 'b', 'c', 'd', 'e', 'f'};
          char[] resultCharArray = new char[byteArray.length * 2];
          int index = 0;
          for (byte b : byteArray) {
              resultCharArray[index++] = hexDigits[b >>> 4 & 0xf];
              resultCharArray[index++] = hexDigits[b & 0xf];
          }
          return new String(resultCharArray);
      }
  
      private static long splitBucket(MessageDigest md5, long val, String shuffle) {
          String key = String.valueOf(val) + ((shuffle == null) ? "" : shuffle);
          byte[] ret = md5.digest(key.getBytes());
          String s = byteArrayToHex(ret);
          long hash = Long.parseUnsignedLong(s.substring(s.length() - 16, s.length() - 1), 16);
          if (hash < 0) {
              hash = hash * (-1);
          }
          return hash;
      }
  
      private static void exp(SecureRandom sr, MessageDigest md5,
                              final int LevelOneBucketNumm,/*第一层实验桶数*/
                              final int LevelTwoBucketNumm,/*第二层实验桶数*/
                              final int LevelThreeBucketNumm,/*第三层实验桶数*/
                              final int AllFlows,/*所有流量数*/
                              String shuffleLevel1,/*第一层实验离散因子*/
                              String shuffleLevel2,/*第二层实验离散因子*/
                              String shuffleLevel3/*第三层实验离散因子*/
      ) {
  
          System.out.println("==第1层实验 start!==");
          int[] bucketlevel1 = new int[LevelOneBucketNumm];
          for (int i = 0; i < LevelOneBucketNumm; i++) {
              bucketlevel1[i] = 0;
          }
          List<Integer> level1bucket2 = new ArrayList<Integer>();
          for (int i = 0; i < AllFlows; i++) {
              int cookie = sr.nextInt();
              long hashValue = splitBucket(md5, cookie, shuffleLevel1);
              int bucket = (int) (hashValue % LevelOneBucketNumm);
              if (bucket == 2) {
                  /*将2号桶的流量记录下来*/
                  level1bucket2.add(cookie);
              }
              bucketlevel1[bucket]++;
          }
          for (int i = 0; i < LevelOneBucketNumm; i++) {
              System.out.println("1层" + i + "桶:" + bucketlevel1[i]);
          }
          System.out.println("==第1层实验 end!==");
  
          System.out.println("==第1层2号桶流量到达第2层实验 start!==");
          int[] bucketlevel2 = new int[LevelTwoBucketNumm];
          for (int i = 0; i < LevelTwoBucketNumm; ++i) {
              bucketlevel2[i] = 0;
          }
          List<Integer> level2bucket2 = new ArrayList<Integer>();
          for (int cookie : level1bucket2) {
              long hashValue = splitBucket(md5, cookie, shuffleLevel2);
              int bucket = (int) (hashValue % LevelTwoBucketNumm);
              if (bucket == 2) {
                  /*将第2层2号桶的流量记录下来*/
                  level2bucket2.add(cookie);
              }
              bucketlevel2[bucket]++;
          }
          for (int i = 0; i < LevelTwoBucketNumm; i++) {
              System.out.println("2层" + i + "桶:" + bucketlevel2[i]);
          }
          System.out.println("==第1层2号桶流量到达第2层实验 end!==");
  
          System.out.println("==第2层2号桶流量到达第3层实验 start!==");
          int[] bucketlevel3 = new int[LevelThreeBucketNumm];
          for (int i = 0; i < LevelThreeBucketNumm; ++i) {
              bucketlevel3[i] = 0;
          }
          for (int cookie : level2bucket2) {
              long hashValue = splitBucket(md5, cookie, shuffleLevel3);
              int bucket = (int) (hashValue % LevelThreeBucketNumm);
  
              bucketlevel3[bucket]++;
          }
          for (int i = 0; i < LevelThreeBucketNumm; i++) {
              System.out.println("3层" + i + "桶:" + bucketlevel3[i]);
          }
          System.out.println("==第2层2号桶流量到达第3层实验 end!==");
  
      }
  
      public static void main(String[] args) throws NoSuchAlgorithmException {
          SecureRandom sr = SecureRandom.getInstance("SHA1PRNG");/*用来生成随机数*/
          MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");/*用来生成MD5值*/
          /*1. 不对cookie做处理，一个cookie在每层实验分到的桶是一致的*/
          exp(sr, md5, 5, 5, 5, 1000000, null, null, null);
          System.out.println("=======================");
          /*2. 每层加一个离散因子，这里只是简单的a,b,c,就可以将多层了流量打散*/
          exp(sr, md5, 5, 5, 5, 1000000, "a", "b", "c");
      }
  }

  2.3 结果分析（重点）

  2.3.1 不对cookie处理，每层实验的分桶号一样

  因为hash%5中的hash保持不变，无论哪层，所以流量一直处于2号桶。

• ==第1层实验 start!==
  
  1层0桶:199698
  
  1层1桶:199874
  
  1层2桶:199989
  
  1层3桶:200711
  
  1层4桶:199728
  
  ==第1层实验 end!==
  
  ==第1层2号桶流量到达第2层实验 start!==
  
  2层0桶:0
  
  2层1桶:0
  
  2层2桶:199989
  
  2层3桶:0
  
  2层4桶:0
  
  ===第1层2号桶流量到达第2层实验 end!==
  
  ===第2层2号桶流量到达第3层实验 start!==
  
  3层0桶:0
  
  3层1桶:0
  
  3层2桶:199989
  
  3层3桶:0
  
  3层4桶:0
  
  ===第2层2号桶流量到达第3层实验 end!==

  2.3.2. 对cookie做离散处理后，每层流量均匀分配

  如下所示，

  • 流量到达第一层时，流量被均匀分配

  • 第2层实验的2号桶流量到达第3层时，流量均匀分配到第2层的5个桶。

  • 第2层实验的2号桶流量到达第3层时，流量均匀分配到第3层的5个桶。

  • ==第1层实验 start!==
    
    1层0桶:199951
    
    1层1桶:199536
    
    1层2桶:200127
    
    1层3桶:200938
    
    1层4桶:199448
    
    ==第1层实验 end!==
    
    ==第1层2号桶流量到达第2层实验 start!==
    
    2层0桶:40122
    
    2层1桶:40080
    
    2层2桶:39881
    
    2层3桶:40096
    
    2层4桶:39948
    
    ===第1层2号桶流量到达第2层实验 end!==
    
    ===第2层2号桶流量到达第3层实验 start!==
    
    3层0桶:8043
    
    3层1桶:7971
    
    3层2桶:7823
    
    3层3桶:7956
    
    3层4桶:8088
    
    ===第2层2号桶流量到达第3层实验 end!==

    2.4 结论

    我们观测的第2层和第3层流量均来源于第一层的2号桶。
    所以得出结论，第一层的流量在第2层、第3层均得到重新的离散分配。

    3. 总结

    • 随着个性化和算法不断引入我们的应用，同一时间做多个实验需求越来越多，更多人开始使用分层实验。

    • 实际使用中，业务场景复杂，我们会面临需要设计更复杂的hash算法的情况，MD5是一种相对容易，效果也不错的方式。有兴趣可以关注大质数素数hash算法等更加精密优良的算法。同时，分层实验中，为了防止流量影响，还会有“流量隔离”等更复杂的概念。