作者｜vivo 互聯(lián)網(wǎng)中間件團(tuán)隊(duì)- Liu Runyun

大量業(yè)務(wù)使用消息中間件進(jìn)行系統(tǒng)間的解耦、異步化、削峰填谷設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。公司內(nèi)部前期基于RabbitMQ實(shí)現(xiàn)了一套高可用的消息中間件平臺(tái)。隨著業(yè)務(wù)的持續(xù)增長(zhǎng)，消息體量隨之增大，對(duì)消息中間件平臺(tái)提出了更高的要求，此外在運(yùn)維過(guò)程中也遇到了高可用難以保障，功能特性不足等諸多問(wèn)題?；谟龅降倪@些問(wèn)題，決定引入RocketMQ進(jìn)行替換。本文將介紹基于RocketMQ建設(shè)消息中間件平臺(tái)并實(shí)現(xiàn)在線業(yè)務(wù)無(wú)感知的平滑遷移。

一、背景說(shuō)明

vivo互聯(lián)網(wǎng)中間件團(tuán)隊(duì)于2016年開(kāi)始基于開(kāi)源RabbitMQ向業(yè)務(wù)提供高可用消息中間件平臺(tái)服務(wù)。

為解決好業(yè)務(wù)流量快速增長(zhǎng)的問(wèn)題，我們通過(guò)合理的業(yè)務(wù)集群拆分和動(dòng)態(tài)調(diào)整，較好的交付了業(yè)務(wù)對(duì)消息中間件平臺(tái)的平臺(tái)能力需求。

但是隨著業(yè)務(wù)長(zhǎng)周期的迅猛發(fā)展，消息體量也越來(lái)越大，在高并發(fā)、大流量場(chǎng)景下RabbitMQ的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)存在著一定的限制，主要有以下問(wèn)題：

1.1 高可用能力不足

架構(gòu)設(shè)計(jì)存在腦裂風(fēng)險(xiǎn)，并且默認(rèn)腦裂后無(wú)法自動(dòng)恢復(fù)，人工介入恢復(fù)存在數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。

為解決腦裂問(wèn)題，可以選擇將網(wǎng)絡(luò)異常后的處理調(diào)整為pause_minority模式，但是也帶來(lái)了可能微小的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致集群故障無(wú)法恢復(fù)的問(wèn)題。

1.2. 性能不足

業(yè)務(wù)消息發(fā)送后通過(guò)exchange路由到對(duì)應(yīng)的queue中，每一個(gè)queue由集群中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)際承載流量，高流量下集群中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)成為瓶頸。

queue由某個(gè)節(jié)點(diǎn)承載流量后無(wú)法快速遷移，強(qiáng)制遷移到其它低負(fù)載節(jié)點(diǎn)可能會(huì)導(dǎo)致queue不可用，這也導(dǎo)致了向集群中添加節(jié)點(diǎn)并無(wú)法快速提升集群的流量承載能力。

集群性能較低，經(jīng)測(cè)試使用三臺(tái)機(jī)器組成集群，可承載大概數(shù)萬(wàn)tps左右，并且由于queue是由集群中某個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)際承載的，也無(wú)法繼續(xù)提升某個(gè)queue的性能，這樣就無(wú)法支撐大流量業(yè)務(wù)。

消息堆積到千萬(wàn)或更多后會(huì)導(dǎo)致集群性能下降，甚至海量堆積后如果消費(fèi)請(qǐng)求tps特別高，可能會(huì)因?yàn)榇疟P(pán)的性能損耗導(dǎo)致發(fā)送性能下降，并且在消息堆積太多時(shí)恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)甚至無(wú)法恢復(fù)。

1.3 功能特性不足

RabbitMQ 默認(rèn)情況下消費(fèi)異常會(huì)執(zhí)行立即重新投遞，少量的異常消息也可能導(dǎo)致業(yè)務(wù)無(wú)法消費(fèi)后續(xù)消息。

功能特性上未支持事務(wù)消息、順序消息功能。

雖可自行實(shí)現(xiàn)消息軌跡邏輯，但是會(huì)對(duì)集群產(chǎn)生非常大的性能損耗，在正式環(huán)境中實(shí)際無(wú)法基于RabbitMQ原生的能力實(shí)現(xiàn)消息軌跡功能。

二、消息中間件平臺(tái)的項(xiàng)目目標(biāo)

基于以上問(wèn)題，中間件團(tuán)隊(duì)于2020年Q4開(kāi)始進(jìn)行了下一代消息中間件平臺(tái)方案的調(diào)研，為保證下一代消息中間件平臺(tái)符合業(yè)務(wù)新的需求，我們首先明確了消息中間件平臺(tái)的建設(shè)目標(biāo)，主要包含兩部分：

• 業(yè)務(wù)需求
• 平臺(tái)需求

2.1 業(yè)務(wù)需求分析

• 高性能：可支撐極高的tps，并且支持水平擴(kuò)展，可快速滿足業(yè)務(wù)的流量增長(zhǎng)需求，消息中間件不應(yīng)成為業(yè)務(wù)請(qǐng)求鏈路性能提升的瓶頸點(diǎn)。
• 高可用：極高的平臺(tái)可用性(>99.99%)，極高的數(shù)據(jù)可靠性(>99.99999999%)。
• 豐富的功能特性：支持集群、廣播消費(fèi)；支持事務(wù)消息、順序消息、延時(shí)消息、死信消息；支持消息軌跡。

2.2 平臺(tái)運(yùn)維需求分析

• 可運(yùn)維：業(yè)務(wù)使用權(quán)限校驗(yàn)；業(yè)務(wù)生產(chǎn)消費(fèi)流量限制；業(yè)務(wù)流量隔離與快速遷移能力。
• 可觀測(cè)：豐富的性能指標(biāo)觀察集群的運(yùn)行情況。
• 可掌握：可基于開(kāi)源組件快速進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，豐富平臺(tái)功能特性和進(jìn)行相關(guān)問(wèn)題修復(fù)。
• 云原生：后續(xù)可基于容器化提供云原生消息中間件，提供更高的彈性和可伸縮能力。
• 總結(jié)：需要建設(shè)高性能、高可靠的下一代消息中間件，具備極高的數(shù)據(jù)可靠性，豐富的功能特性，并且需要完美兼容當(dāng)前的RabbitMQ平臺(tái)，幫助業(yè)務(wù)快速遷移到新消息中間件平臺(tái)，減少業(yè)務(wù)遷移成本。

三、開(kāi)源組件選型調(diào)研

基于當(dāng)前RabbitMQ平臺(tái)的問(wèn)題和對(duì)下一代消息中間件平臺(tái)的項(xiàng)目需求，我們開(kāi)展了針對(duì)當(dāng)前較流行的兩款消息中間件：RocketMQ、Pulsar的調(diào)研。

調(diào)研過(guò)程中主要針對(duì)以下兩方面進(jìn)行對(duì)比：

3.1 高可用能力分析對(duì)比

3.1.1 高可用架構(gòu)與負(fù)載均衡能力對(duì)比

 Pulsar部署架構(gòu)（來(lái)源：Pulsar社區(qū)）

RocketMQ部署架構(gòu)（來(lái)源：RocketMQ社區(qū)）

Pulsar：

• 采用計(jì)算與存儲(chǔ)分離架構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并且支持冷熱數(shù)據(jù)分離存儲(chǔ)。
• 基于ZK和Manager節(jié)點(diǎn)控制Broker的故障切換以實(shí)現(xiàn)高可用。
• BooKeeper采用分層分片存儲(chǔ)設(shè)計(jì)，天然支持負(fù)載均衡。

RocketMQ：

• 采用存算一體架構(gòu)設(shè)計(jì)，主從模式部署，master節(jié)點(diǎn)異常不影響消息讀取，Topic采用分片設(shè)計(jì)。
• 需要二次開(kāi)發(fā)支持主從切換實(shí)現(xiàn)高可用。
• 未實(shí)現(xiàn)Broker的自動(dòng)負(fù)載均衡，可以將top n流量Topic分布到不同的Broker中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的負(fù)載均衡。

3.1.2 擴(kuò)縮容與故障恢復(fù)對(duì)比

Pulsar

• Broker與BooKeeper獨(dú)立擴(kuò)縮容，并且擴(kuò)縮容后會(huì)完成自動(dòng)負(fù)載均衡。
• Broker節(jié)點(diǎn)無(wú)狀態(tài)，故障后承載Topic會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到其它Broker節(jié)點(diǎn)，完成故障秒級(jí)恢復(fù)。
• BooKeeper由自動(dòng)恢復(fù)服務(wù)進(jìn)行l(wèi)edger數(shù)據(jù)對(duì)齊，并恢復(fù)到設(shè)置的QW份。
• 故障期間已a(bǔ)ck消息不會(huì)丟失，未ack消息需要客戶端重發(fā)。

RocketMQ

• Broker擴(kuò)縮容后需要人工介入完成Topic流量均衡，可開(kāi)發(fā)自動(dòng)負(fù)載均衡組件結(jié)合Topic的讀寫(xiě)權(quán)限控制自動(dòng)化完成擴(kuò)縮容后的負(fù)載均衡。
• 基于主從切換實(shí)現(xiàn)高可用，由于客戶端定期30秒從NameSrv更新路由，因此故障恢復(fù)時(shí)間在30~60秒，可以結(jié)合客戶端降級(jí)策略讓客戶端主動(dòng)剔除異常Broker節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更快故障恢復(fù)。
• 采用同步復(fù)制異步刷盤(pán)部署架構(gòu)，在極端情況下會(huì)造成少量消息丟失，采用同步復(fù)制同步刷盤(pán)，已寫(xiě)入消息不會(huì)丟失。

 3.1.3 性能對(duì)比

Pulsar

• 可支撐百萬(wàn)Topic數(shù)量，實(shí)際受到ZK存儲(chǔ)元數(shù)據(jù)限制。
• 根據(jù)內(nèi)部壓測(cè)1KB消息可支撐TPS達(dá)數(shù)十萬(wàn)。

RocketMQ

• 邏輯上可支撐百萬(wàn)Topic，實(shí)際在達(dá)到數(shù)萬(wàn)時(shí)Broker與NameSrv傳輸心跳包可能超時(shí)，建議單集群不超過(guò)5萬(wàn)。
• 根據(jù)壓測(cè)可支撐1KB消息體TPS達(dá)10萬(wàn)+。

3.2 功能特性對(duì)比

3.3  總結(jié)

從高可用架構(gòu)分析，Pulsar基于Bookeeper組件實(shí)現(xiàn)了架構(gòu)的計(jì)算與存儲(chǔ)分離，可以實(shí)現(xiàn)故障的快速恢復(fù)；RocketMQ采用了主從復(fù)制的架構(gòu)，故障恢復(fù)依賴(lài)主從切換。

從功能特性分析，Pulsar支持了豐富的過(guò)期策略，支持了消息去重，可以支持實(shí)時(shí)計(jì)算中消息只消費(fèi)一次的語(yǔ)義；RocketMQ在事務(wù)消息、消息軌跡、消費(fèi)模式等特性對(duì)在線業(yè)務(wù)有更好的支持。

從這兩方面對(duì)比，最終選擇了RocketMQ構(gòu)建我們下一代的消息中間件平臺(tái)。

四、平滑遷移建設(shè)

通過(guò)技術(shù)調(diào)研，確定了基于RocketMQ建設(shè)下一代消息中間件平臺(tái)。

為了實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)從RabbitMQ平滑遷移到RocketMQ，就需要建設(shè)消息網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)消息從AMQP協(xié)議轉(zhuǎn)換到RocketMQ；RabbitMQ與RocketMQ的元數(shù)據(jù)語(yǔ)義與存儲(chǔ)存在差異，需要實(shí)現(xiàn)元數(shù)據(jù)語(yǔ)義的映射與元數(shù)據(jù)的獨(dú)立存儲(chǔ)。

主要有以下四個(gè)事項(xiàng)需要完成：

4.1 消息網(wǎng)關(guān)獨(dú)立部署與嵌入式部署差異對(duì)比

4.2 元數(shù)據(jù)定義映射與維護(hù)

4.3 互不干擾的高性能消息推送

RabbitMQ采用推模式進(jìn)行消息消費(fèi)，雖然RocketMQ也支持消息推送消費(fèi)，但是因?yàn)锳MQP協(xié)議中通過(guò)prefetch參數(shù)限制了客戶端緩存消息數(shù)量以保證不會(huì)因緩存太多消息導(dǎo)致客戶端內(nèi)存異常，因此在消息網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)消息推送時(shí)也需要滿足AMQP協(xié)議的語(yǔ)義。

同時(shí)每個(gè)消息網(wǎng)關(guān)都需要數(shù)千甚至數(shù)萬(wàn)的queue的消息推送，每個(gè)queue消息消費(fèi)速率存在差異，并且每個(gè)隊(duì)列可能隨時(shí)有消息需要推送到客戶端進(jìn)行消費(fèi)，要保證不同queue之間的推送互不干擾且及時(shí)。

為了實(shí)現(xiàn)高效的、互不干擾的消息推送，有以下策略：

1. 每個(gè)queue采用獨(dú)立的線程，保證互不干擾和時(shí)效性，缺點(diǎn)是無(wú)法支撐海量queue的消息推送。
2. 基于信號(hào)量、阻塞隊(duì)列等，在感知到有可推送消息和可消費(fèi)服務(wù)端時(shí)按需進(jìn)行消息的推送，這樣可使用少量的線程即可完成高效的消息推送。

最終選擇了第2種方案，數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)圖如下圖所示：

一個(gè)消息消費(fèi)過(guò)程：客戶端在啟動(dòng)連接到消息網(wǎng)關(guān)后，在消息網(wǎng)關(guān)中會(huì)構(gòu)建RocketMQ推送消費(fèi)客戶端實(shí)例，并且注入自定義的ConsumeMessageService實(shí)例，同時(shí)使用一個(gè)信號(hào)量保存客戶端允許推送的消息數(shù)量。

當(dāng)消息從集群側(cè)推送到消息網(wǎng)關(guān)時(shí)，將消息按照推送的批次封裝為一個(gè)任務(wù)保存在ConsumeMessageService實(shí)例的BlockingQueue中，同時(shí)推送線程會(huì)輪詢所有的ConsumeMessageService實(shí)例，如果發(fā)現(xiàn)本地緩存有待消費(fèi)的消息并且有可消費(fèi)消息的業(yè)務(wù)客戶端，將任務(wù)提交到線程池中完成消息的推送。

為了保證不會(huì)因?yàn)樯倭肯M(fèi)速率特別高的queue導(dǎo)致其它queue的消息推送時(shí)效性降低，會(huì)限制每一個(gè)ConsumeMessageService只允許推送一定數(shù)量的消息即轉(zhuǎn)到推送其它queue的消息，以此即可保證所有queue的消息推送的互不干擾和時(shí)效性。

在客戶端消費(fèi)ack/uack后再次通過(guò)信號(hào)量通知下一次推送，這樣也保證了使用少量的線程資源即可完成海量消息的推送需求。

4.4 消費(fèi)啟停與消費(fèi)限流能力實(shí)現(xiàn)

基于消息網(wǎng)關(guān)，可以在消息推送邏輯中增加消費(fèi)啟停和消費(fèi)限流邏輯。

消費(fèi)啟?？梢詭椭鷺I(yè)務(wù)快速實(shí)現(xiàn)消費(fèi)的暫停或是部分異常節(jié)點(diǎn)停止消息消費(fèi)。

消費(fèi)限流可以幫助業(yè)務(wù)控制消息消費(fèi)速率，避免對(duì)底層依賴(lài)產(chǎn)生太大壓力。

4.5 平臺(tái)架構(gòu)

• 最終形成了以上的平臺(tái)架構(gòu)。新建設(shè)了一個(gè)AMQP-proxy消息網(wǎng)關(guān)服務(wù)實(shí)現(xiàn)AMQP消息轉(zhuǎn)換到RocketMQ，支持業(yè)務(wù)的消息生產(chǎn)消費(fèi)。
• 建設(shè)了mq-meta服務(wù)維護(hù)集群的元數(shù)據(jù)信息。
• 通過(guò)mq-controller控制集群的主從切換，實(shí)現(xiàn)集群的高可用，同時(shí)增加了集群監(jiān)控，負(fù)載均衡模塊保障集群的高可用。

五、平臺(tái)建設(shè)進(jìn)展與遷移收益

5.1 業(yè)務(wù)使用收益

 5.1.1 更高、更穩(wěn)定的消息發(fā)送性能

原生RabbitMQ集群業(yè)務(wù)壓測(cè)性能

使用消息網(wǎng)關(guān)后業(yè)務(wù)壓測(cè)性能

 5.1.2 更豐富的功能特性

• 統(tǒng)一的消息過(guò)期時(shí)間
• 消費(fèi)異常消息將按照梯度延時(shí)重投遞
• 直接支持廣播消費(fèi)模式
• 全環(huán)境按需提供消息軌跡功能
• 支持消費(fèi)重置到以前的某個(gè)位點(diǎn)

 5.1.3 業(yè)務(wù)使用特性變化

• 消息將不再無(wú)限期保留，默認(rèn)保留3~7天（實(shí)際保留時(shí)間根據(jù)集群配置決定）
• 消費(fèi)異常將不再立即重投遞，將按照一定的梯度延時(shí)重投遞，多次異常后將變?yōu)樗佬畔?/li>
• 直接支持廣播消費(fèi)，注意廣播消費(fèi)模式消費(fèi)無(wú)異常重投遞，每個(gè)消息每個(gè)節(jié)點(diǎn)只消費(fèi)一次
• 業(yè)務(wù)生產(chǎn)消費(fèi)性能可支持水平擴(kuò)展
• 不支持消費(fèi)優(yōu)先級(jí)功能
• 默認(rèn)消費(fèi)超時(shí)時(shí)間15分鐘，消費(fèi)超時(shí)后消息重新投遞，消費(fèi)超時(shí)時(shí)間可按需調(diào)整
• 支持消費(fèi)啟停（全局或限制部分節(jié)點(diǎn)消費(fèi)）
• 支持全局消費(fèi)限流
• 限制消息體大小，當(dāng)前限制為256KB，超過(guò)將直接返回失敗，后續(xù)將進(jìn)行流量治理，限制發(fā)送大消息體業(yè)務(wù)流量

5.2 平臺(tái)運(yùn)維收益

業(yè)務(wù)從RabbitMQ遷移到RocketMQ后，可支撐業(yè)務(wù)流量從萬(wàn)TPS級(jí)別提升到十萬(wàn)TPS級(jí)別，可支撐業(yè)務(wù)容量從數(shù)億提升至百億級(jí)別。耗用機(jī)器資源下降50%以上，運(yùn)維難度和成本均大大降低，同時(shí)可以基于消息網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)更加豐富的功能特性。

六、未來(lái)展望

未來(lái)，中間件團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在三個(gè)方面對(duì)消息中間件進(jìn)行迭代演進(jìn)：

1. 基于消息網(wǎng)關(guān)能力豐富現(xiàn)有平臺(tái)功能特性，進(jìn)行業(yè)務(wù)消息治理。
2. 過(guò)去五年中間件團(tuán)隊(duì)基于開(kāi)源RabbitMQ進(jìn)行了RabbitMQ的高可用建設(shè)，發(fā)現(xiàn)直接讓業(yè)務(wù)方使用基于開(kāi)源組件的SDK接入會(huì)帶來(lái)SDK升級(jí)困難，與后端消息中間件類(lèi)型綁定的問(wèn)題，未來(lái)我們計(jì)劃基于GPRC和消息網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列引擎服務(wù)化，業(yè)務(wù)無(wú)需關(guān)心底層具體使用的開(kāi)源消息中間件選型。
3. 調(diào)研RocketMQ5.0計(jì)算與存儲(chǔ)分離構(gòu)架，進(jìn)行消息中間件架構(gòu)的再升級(jí)。

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