MQ - 闲聊MQ一二事儿 Kafka、RocketMQ 、Pulsar

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MQ的发展史

如上图我们可以把消息队列的发展切分成了三个大的阶段

阶段一：追求解耦

1. 2003-2010年,计算机软件行业兴起。
2. 系统间强耦合是程序设计的难题。
3. ActiveMQ和RabbitMQ等消息队列出现。
4. 消息队列致力于解决系统间耦合和异步化操作问题。
5. 系统间解耦和异步化是消息队列最主要的功能和使用场景。

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阶段二：追求吞吐量与一致性

1. 10 -12 年期间，大数据时代实时计算需求增长,数据规模扩大,Kafka应运而生满足消息队列高吞吐量和并发需求。
2. 随着阿里电商业务发展,Kafka在可靠性、一致性、顺序消息等方面无法满足需求。
3. RocketMQ诞生,吸收Kafka设计理念之余,解决其痛点。
4. RocketMQ不依赖Zookeeper,增强可靠性、一致性、顺序消息能力。
5. 阿里将RocketMQ开源,最终成为Apache项目,满足大数据 messaging 需求。

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阶段三：追求平台化

1. 平台化的产品会取代非平台化的产品,这是行业发展趋势。
2. 2012年后,云计算、容器化兴起,公司开始把基础技术能力平台化。
3. 阿里云、腾讯云等云服务的出现证明了这一趋势。
4. Pulsar诞生于此背景下,目的是解决雅虎内部重复建设、消息队列隔离不好、数据迁移难等问题。
5. Pulsar通过提供平台化的消息队列服务来解决这些问题。
6. 平台化是Pulsar产生的核心原因,也是解决上述问题的关键所在。

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MQ的通用架构

主题topic、生产者producer、消费者consumer

用吃饭的场景生动地诠释了消息队列的几个关键概念:

1. 饭堂的不同档口(米饭、面、麻辣香锅)对应消息队列的主题(topic)概念。
2. 用户选择某个档口排队取餐,这个过程相当于生产者生产了一条消息到该主题的消息队列中。
3. 档口将餐食提供给用户,则相当于消费者从消息队列中消费了一条消息。
4. 用户排队等待相当于消息在队列中的存储等待被消费的过程。
5. 取餐按排队顺序进行,消费也是按顺序进行的。

通过日常生活的吃饭场景,形象地解释了消息队列的工作原理,包括消息主题、生产者、消费者、消息存储和消费等核心概念。这些概念抽象起来可能较难理解,但结合具象的例子就很容易理解了

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分区partition

1. 分区是消息队列的一种架构方式,类似于食堂的多个档口。
2. 当消息数量增长时,可以通过增加分区数进行扩容,如食堂增加档口数。
3. 增加分区可以扩大消息队列的并行处理能力,提高吞吐量,就像增加档口可以减少等待时间。
4. 生产者可以根据分区规则,将消息发到不同分区,就像食客可以选择人少的档口。
5. 消费者可以从多个分区并行消费消息,提高效率。
6. Kafka之所以能达到高吞吐量,是因为它是通过分区实现消息队列并行化和横向扩展的。

总结为:分区实现了消息队列的并行化,是提升吞吐量和实现横向扩展的关键手段。

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MQ 存储

特性和性能是存储结构的外在表现，其实质是存储设计。我们需要了解每种消息传递协议的特性，以便更好地理解它们的架构设计。

我们将首先介绍 Kafka、RocketMQ 和 Pulsar 的架构特点，然后比较它们在架构上的不同之处，以及这些不同之处如何影响它们的功能特性。

Kafka

1. Kafka 架构中，服务节点没有主从之分，主从概念是针对某个 topic 下的分区。
2. 存储单位为分区，通过不同方式分散在各个节点，形成各种架构图。
3. 生产者数量为 1，消费者数量为 1，分区数为 2，副本数为 3，服务节点数为 3。
4. 图中有两块绿色图案，分别为 topic1-partition1 分区和 topic1-partition2 分区，浅绿色方块为它们的副本。
5. 对于服务节点 1，topic1-partition1 是主节点；对于服务节点 2，topic1-partition2 是主节点。

消息队列的大致工作流程如下：

1. 生产者、消费者与元数据中心建立连接，并保持心跳，获取服务的实况和路由信息。
2. 生产者将消息发送到 topic 下的任一分区中，通过算法保证每个 topic 下的分区尽可能均匀。
3. 信息需要落盘才可以给上游返回 ack，以保证宕机后的信息的完整性。
4. 在信息写成功主分区后，系统会根据策略选择同步复制还是异步复制，以保证单节点故障时的信息完整性。
5. 消费者开始工作，拉取响应的信息，并返回 ack。
6. 消费者在获取消息时，会根据偏移量 (offset) 进行拉取，每次拉取后偏移量加 1。

Good Design —> 磁盘顺序写盘

Kafka 在底层设计上强依赖于文件系统（一个分区对应一个文件系统），本质上是基于磁盘存储的消息队列，在我们固有印象中磁盘的读写速度是非常慢的，慢的原因是因为在读写的过程中所有的进程都在抢占“磁头”这把锁，磁头在读写之前需要将其移动到合适的位置，这个“移动”极其耗费时间，这也就是磁盘慢的原因，但是如何不用移动磁头呢，顺序写盘就诞生了。

Kafka 消息存储在分区中，每个分区对应一组连续的物理空间。新消息追加到磁盘文件末尾。消费者按顺序拉取分区数据消费。Kafka 的读写是顺序的，可以高效地利用 PageCache，解决磁盘读写的性能问题。

这一特性非常重要，很多组件的底层存储设计都会用到这点，理解好这点对理解消息队列尤为重要。

The Pathologies of Big Data

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Poor Impact—> topic 数量不能过大

kafka 的整体性能收到了 topic 数量的限制，这和底层的存储有密不可分的关系，我们上面讲过，当消息来的时候，底层数据使用追加写入的方式，顺序写盘，使得整体的写性能大大提高，但这并不能代表所有情况，当我们 topic 数量从几个变成上千个的时候，情况就有所不同了

• 左图代表了，队列中从头到尾的信息为：topic1、topic1、topic1、topic2，在这种情况下，很好地运用了顺序写盘的特性，磁头不用去移动
• 右边图的情况，队列中从头到尾的信息为：topic1、topic2、topic3、topic4，当队列中的信息变的很分散的时候，这个时候我们会发现，似乎没有办法利用磁盘的顺序写盘的特性，因为每次写完一种信息，磁头都需要进行移动

就很好理解，为什么当 topic 数量很大时，kafka 的性能会急剧下降了。

当然没有其他办法了吗，当然有。我们可以把存储换成速度更快 ssd 或者针对每一个分区都搞一块磁盘，当然这都是钱！ 这也是架构设计中的一种 trade off

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RocketMQ

对比 kafka，rocketmq 有两点很大的不同：

• 元数据管理系统，从 zookeeper 变成了轻量级的独立服务集群。
• 服务节点变为 多主多从架构

zookeeper vs namesrv

ookeeper 是 cp 强一致架构的一种，其内部使用 zab 算法，进行信息同步和容灾，在信息量较小的情况下，性能较好，当信息交互变多，因为同步带来的性能损耗加大，性能和吞吐量降低。如果 zookeeper 宕机，会导致整个集群的不可用，对于一些交易场景，这是不可接受的

• 相比 Zookeeper，RocketMQ 选择了轻量级的独立服务器 NameSRV。
• NameSRV 使用简单的 K/V 结构保存信息。
• NameSRV 支持集群模式，每个 NameSRV 相互独立，不进行任何通信。
• Data 都保存在内存当中，Broker 的注册过程通过循环遍历所有 NameSRV 进行注册。

局部顺序写（kafka） 与 完全顺序写（rocketmq）

• Kafka 将不同分区写入对应的文件系统中，保证了优秀的水平扩容能力。
• RocketMQ 追求极致的消息写，将所有 topic 消息存储在同一个文件中，确保消息发送时按顺序写文件，提高可用性和吞吐量。
• RocketMQ 的设计使得其不支持删除指定 topic 功能，因为 topic 信息在磁盘上是一段非连续的区域，不像 Kafka 一个 topic 是一段连续的区域。

Rocketmq 存储结构

RocketMQ 的存储结构设计是为了追求极致的消息写性能，它采用了混合存储的方式，将多个 Topic 的消息实体内容都存储于一个 CommitLog 中。在 RocketMQ 的存储架构中，有三个重要的存储文件，分别是 CommitLog、ConsumeQueue 和 IndexFile。

1. CommitLog
   CommitLog 是存储消息的主体。Producer 发送的消息都会顺序写入 commitLog 文件，所以随着写入的消息增多，文件也会随之变大。单个文件大小默认 1G，文件名长度为 20 位，左边补零，剩余为起始偏移量。例如，00000000000000000000 代表了第一个文件，起始偏移量为 0，文件大小为 1G。当第一个文件写满了，第二个文件为 00000000001073741824，起始偏移量为 1073741824，以此类推。存储路径为 HOME/store/commitLog。

2. ConsumeQueue
   ConsumeQueue(逻辑消费队列) 可以看成基于 topic 的 commitLog 的索引文件。因为 CommitLog 是按照顺序写入的，不同的 topic 消息都会混淆在一起，而 Consumer 又是按照 topic 来消费消息的，这样的话势必会去遍历 commitLog 文件来过滤 topic，这样性能肯定会非常差，所以 rocketMq 采用 ConsumeQueue 来提高消费性能。即每个 Topic 下的每个 queueId 对应一个 Consumequeue，其中存储了单条消息对应在 commitLog 文件中的物理偏移量 offset，消息大小 size，消息 Tag 的 hash 值。存储路径为 HOME/store/consumequeue/topic/queueId/fileName。

3. IndexFile
   IndexFile 提供了一种可以通过 key(topicmsgId) 或时间区间来查询消息的方法。他的存在主要是针对在客户端 (生产者和消费者) 和控制台接口提供了根据 key 查询消息的实现。为了方便用户查询具体某条消息。IndexFile 的存储结构可以认为是一个 hashmap。存储路径为 HOME/store/index/. HOME/store/index/fileName 文件名 fileName 是以创建时的时间戳命名的。

我们在想想 kafka 是怎么做的，对的，kafka 并没有类似的烦恼，因为所有信息都是连续的

总结起来，RocketMQ 的存储结构设计非常复杂，但它通过合理的设计实现了高效的消息写入和读取性能。同时，RocketMQ 也支持多种存储方式，如本地存储、分布式存储和云存储等，可以满足不同场景下的需求。

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Pulsar

架构图（分层 分片）

pulsar 相比与 kafka 与 rocketmq 最大的特点则是使用了分层和分片的架构，回想一下 kafka 与 rocketmq，一个服务节点即是计算节点也是服务节点，节点有状态使得平台化、容器化困难、数据迁移、数据扩缩容等运维工作都变的复杂且困难。

• 分层：Pulsar 分离出了 Broker（服务层）和 Bookie（存储层）架构，Broker 为无状态服务，用于发布和消费消息，而 BookKeeper 专注于存储。

• 分片 : 这种将存储从消息服务中抽离出来，使用更细粒度的分片（Segment）替代粗粒度的分区（Partition），为 Pulsar 提供了更高的可用性，更灵活的扩展能力

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服务层设计

Broker 集群在 Pulsar 中形成无状态服务层。服务层是“无状态的”，所有的数据信息都存储在了 BookKeeper 上，所有的元信息都存储在了 zookeeper 上，这样使得一个 broker 节点没有任何的负担，这里的负担有几层含义：

• 容器化没负担，broker 节点不用考虑任何数据状态带来的麻烦。
• 扩容、缩容没负担，当请求量级突增或者降低的同时，可以随时的添加节点或者减少节点以动态的调整资源，使得整体在一种“合适”的状态。
• 故障转移没负担，当一个节点宕机、服务不可用时，可以通快速地转移所负责的 topic 信息到别的基节点上，可以很好做到故障对外无感知。
  

存储层设计

pulsar 使用了类似于 raft 的存储方案，数据会并发的写入多个存储节点上，下图为四存储节点、三副本架构。

broker2 节点当前需要写入 segment1 到 segment4 数据，流程为： segment1 并发写入 b1、b2、b3 数据节点、segment2 并发写入 b2、b3、b4 数据节点、segment3 并发写入 b3、b4、b1 数据节点、segment4 并发写入 b1、b2、b4 数据节点。这种写入方式称为条带化的写入方式。

这种方式潜在的决定了数据的分布方式、通过路由算法，可以很快的找到对应数据的位置信息，在数据迁移与恢复中起到重要的作用。

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扩容

当存储节点资源不足的时候，常规的运维操作就是动态扩容，相比 kafka 与 rocketmq、pulsar 不用考虑原数据的"人为"搬移工作，而是动态新增一个或者多个节点，broker 在写入数据时通过路有算法优先写入资源充足的节点，使得整体的资源利用力达到一个平衡的状态，如图所示。

以下是一张 kafka 分区和 pulsar 分片的一张对比图，左图是 kafka 的数据存储特点，因为数据和分区的强绑定，导致了第三艘小船没有任何的数据，而相比 pulsar，数据不和任何存储节点绑定，而是实时的动态写入，从数据分布和资源利用来说，要做的更好。

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容灾

当 bookie4 存储节点宕机不可用时，如何恢复节点数据？这里只需要增加新的存储节点，并且拷贝 bookie2 与 bookie3 上的数据即可，这个过程对外是无感知的，实现了平滑切换，如图所示

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小结

每种设计都有其特定的优势和局限，适应不同场景和需求。因此，在选用产品时，需要根据实际业务场景和需求，权衡各种设计的优缺点，作出最合适的选择。这种选择过程正是体现了设计与需求之间的平衡。所以，针对不同场景选择合适的产品是非常关键的。

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