RocketMQ的基本概念与系统架构

news2024/12/23 12:24:48

RocketMQ安装与启动

  • 基础概念
    • 消息(Message)
    • 主题(Topic)
    • 标签(Tag)
    • 队列(Queue)
    • 消息标识(MessageId/Key)
  • 系统架构
    • 生产者 Producer
    • 消费者 Consumer
    • 名字服务器 NameServer
      • 功能介绍
      • 路由注册
      • 路由剔除
      • 路由发现
      • 客户端NameServer选择策略
    • 代理服务器 Broker
      • 功能介绍
      • 模块构成
      • 集群部署
    • 工作流程
      • 具体流程
      • Topic的创建模式
      • 读/写队列

基础概念

消息(Message)

消息是指,消息系统所传输信息的物理载体,生产和消费数据的最小单位,每条消息必须属于一个主题。

主题(Topic)

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Topic表示一类消息的集合,每个主题包含若干条消息,每条消息只能属于一个主题,是RocketMQ进行消息订阅的基本单位。 topic:message 1:n message:topic 1:1

一个生产者可以同时发送多种Topic的消息。producer:topic 1:n;而一个消费者只对某种特定的Topic感兴趣consumer:topic 1:1,即只可以订阅和消费一种Topic的消息

标签(Tag)

为消息设置的标签,用于同一主题下区分不同类型的消息。来自同一业务单元的消息,可以根据不同业务 目的在同一主题下设置不同标签。标签能够有效地保持代码的清晰度和连贯性,并优化RocketMQ提供的查询系统。消费者可以根据Tag实现对不同子主题的不同消费逻辑,实现更好的扩展性。

队列(Queue)

存储消息的物理实体。一个Topic中可以包含多个Queue,每个Queue中存放的就是该Topic的消息。一个 Topic的Que也被称为一个Topic中消息的分区。

一个Topic的Queue中的消息只能被一个消费者组中的一个消费者消费。一个Queue中的消息不允许同一个消费者组中的多个消费者同时消费。
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在学习参考其它相关资料时,还会看到一个概念:分片(Sharding)。分片不同于分区。在RocketMQ中,分片指的是存放相应Topic的Broker的数量。每个片中会创建出相应数量的分区,即Queue,每个Queue的大小都是相同的。
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消息标识(MessageId/Key)

RocketMQ中每个消息拥有唯一的Messageld,且可以携带具有业务标识的Key,以方便对消息的查询。不 过需要注意的是,Messageld有两个:在生产者sendo消息时会自动生成一个Messageld(msgld),当消息 到达Broker后,Broker也会自动生成一个MessageId(offsetMsgld)msgId、offsetMsgldkey都称为消息 标识。

  • msgld:由producer端生成,其生成规则为:
    producerIp+进程pid+MessageclientIDSetter类的classLoader的hashcode+当 前时间+AutomicInteger自增计数器
  • offsetMsgld:由broker端生成,其生成规则为:brokerIp +物理分区的offset
  • key:由用户指定的业务相关的唯一标识

系统架构

RocketMQ架构上主要分为四部分构成:
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生产者 Producer

消息生产者,负责生产消息。Producer通过MQ的负载均衡模块选择相应的Broker集群队列进行消息投 递,投递的过程支持快速失败并且低延迟。

例如,业务系统产生的日志写入到MQ的过程,就是消息生产的过程
再如,电商平台中用户提交的秒杀请求写入到MQ的过程,就是消息生产的过程

RocketMQ中的消息生产者都是以生产者组(Producer Group)的形式出现的。生产者组是同一类生产者 的集合,这类Producer发送相同Topic类型的消息。一个生产者组可以同时发送多个主题的消息。

消费者 Consumer

消息消费者,负责消费消息。一个消息消费者会从Broker服务器中获取到消息,并对消息进行相关业务处 理。

例如,QoS系统从MQ中读取日
志,并对日志进行解析处理的过程就是消息消费的过程。
再如,电商平台的业务系统从MQ中读取到秒杀请求,并对请求进行处理的过程就是消息消费的过 程。

RocketMQ中的消息消费者都是以消费者组(Consumer Group)的形式出现的。消费者组是同一类消费者 的集合,这类Consumer消费的是同一个Topic类型的消息。消费者组使得在消息消费方面,实现负载均衡 (将一个Topic中的不同的Queue平均分配给同一个Consumer Group的不同的Consumer,注意,并不是 将消息负载均衡)和容错(一个Consmer挂了,该Consumer Group中的其它Consumer可以接着消费原 Consumer消费的Queue)的目标变得非常容易。
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消费者组中Consumer的数量应该小于等于订阅Topic的Queue数量。如果超出Queue数量,则多出的Consumer将不能消费消息。
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一个Topic类型的消息可以被多个消费者组同时消费。

注意,1)一个消费者组中的消费者必须订阅完全相同的Topic
2)消费者组只能消费一个Topic的消息,不能同时消费多个Topic消息

名字服务器 NameServer

功能介绍

NameServer是一个Broker与Topic路由的注册中心,支持Broker的动态注册与发现。

RocketMQ的R想来自于Kafka,而Kafka是依赖了Zookeeper的。所以,在RocketMQ的早期版本,即在 MetaQv1.0与v2.0版本中,也是依赖于Zookeeper的。从MetaQ v3.0,即RocketMQ开始去掉了Zookeeper 依赖,使用了自己的NameServer。

主要包括两个功能:

  • Broker管理:
    接受Broker集群的注册信息并且保存下来作为路由信息的基本数据;提供心跳检测机 制,检查Broker是否还存活。
  • 路由信息管理:
    每个NameServer中都保存着Broker集群的整个路由信息和用于客户端查询的队列信 息。Producer和Conumser通过NameServer可以获取整个Broker集群的路由信息,从而进行消息的 投递和消费。

路由注册

NameServer通常也是以集群的方式部署,不过,NameServer是无状态的,即NameServer集群中的各个 节点间是无差异的,各节点间相互不进行信息通讯。那各节点中的数据是如何进行数据同步的呢?在 Broker节点启动时,轮训NameServer列表,与每个NameServer节点建立长连接,发起注册请求。在 NameServer内部维护着一个Broker列表,用来动态存储Broker的信息。

Broker节点为了证明自己是活着的,为了维护与NameServer间的长连接,会将最新的信息以心跳包的方 式上报给NameServer,每30秒发送一次心跳。心跳包中包含Brokerld、Broker地址、Broker名称、 Broker所属集群名称等等。NameServer在接收到心跳包后,会更新心跳时间戳,记录这个Broker的最新 存活时间。

注意,这是与其它像k、Eureka、Nacos等注册中心不同的地方。
这种NameServer的无状态方式,有什么优缺点:
优点:NameServer集群搭建简单,缩容简单。
缺点:对于Broker,必须明确指出所有NameServer地址。否则未指出的将不会去注册。也正因为 如此,NameServer并不能随便扩容。因为,若Broker不重新配置,新增的NameServer对于Broker来 说是不可见的,其不会向这个NameServer进行注册。

Broker节点为了证明自己是活着的,为了维护与NameServer间的长连接,会将最新的信息以心跳包的方 式上报给NameServer,每30秒发送一次心跳。心跳包中包含Brokerld、Broker地址(IP+Port)、Broker名 称、Broker所属集群名称等等。NameServer在接收到心跳包后会更新心跳时间戳,记录这个Broker的 最新存活时间。

路由剔除

由于Broker关机、宕机或网络抖动等原因,NameServer没有收到Broker的心跳,NameServer可能会将其 从Broker列表中剔除。
NameServer中有一个定时任务,每隔10秒就会扫描一次Broker表,查看每一个Broker的最新心跳时间戳 距离当前时间是否超过120秒,如果超过,则会判定Broker失效,然后将其从Broker列表中剔除。

扩展:对于RocketMQ日常运维工作,例如Broker升级,需要停掉Broker的工作。OP需要怎么做?
OP需要将Broker的读写权限禁掉。一旦client(Consumer或Producer)向broker发送请求,都会收到 broker的NO PERMISSION响应,然后client会进行对其它Broker的重试。
当OP观察到这个Broker没有流量后,再关闭它,实现Broker从NameServer的移除。
OP:运维工程师
SRE: Site Reliability Engineer(现场可靠性工程师)

路由发现

RocketMO的路由发现采用的是Pull模型。当Topic路由信息出现变化时,NameServer不会主动推送给客 户端,而是客户端定时拉取主题最新的路由。默认客户端每30秒会拉取一次最新的路由。

扩展:
1)Push模型:推送模型。其实时性较好,是一个“发布-订阅”模型,需要维护一个长连接。而长 连接的维护是需要资源成本的。该模型适合于的场景:
·实时性要求较高
•Client数量不多,Server数据变化较频繁
2)Pull模型:拉取模型。存在的问题是,实时性较差。
3) Long Polling模型:长轮询模型。其是对Push与Pull模型的整合,充分利用了这两种模型的优 势,屏蔽了它们的劣势。

客户端NameServer选择策略

客户端在配置时必须要写上NameServer集群的地址,那么客户端到底连接的是哪个NameServer节点呢? 客户端首先会首先一个随机数,然后再与NameServer节点数量取模,此时得到的就是所要连接的节点索 引,然后就会进行连接。如果连接失败,则会采用round-robin策略,逐个尝试着去连接其它节点。

首先采用的是随机策略进行的选择,失败后采用的是轮询策略

扩展:Zookeeper Client是如何选择Zookeeper Server的?
简单来说就是,经过两次Shuffle(打散),然后选择第一台Zookeeper Server。
详细说就是,将配置文件中的Zookeeper server地址进行第一次Shuffle,然后随机选择一个。这个选择出的一般都是一个hostname。然后获取到该hostname对应的所有ip,再对这些ip进行第二次Shuffle,从Shuffle过的结果中取第一个server地址进行连接。

代理服务器 Broker

功能介绍

Broker充当着消息中转角色,负责存储消息、转发消息。Broker在RocketMQ系统中负责接收并存储从生产者发送来的消息,同时为消费者的拉取请求作准备。Broker同时也存储着消息相关的元数据,包括消费者组消费进度偏移offset、主题、队列等。

Kafka 0.8版本之后,offset是存放在Broker中的,之前版本是存放在Zookeeper中的。

模块构成

下图为Broker Server的功能模块示意图。
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Remoting Module:整个Broker的实体,负责处理来自clients端的请求。而这个Broker实体则由以下模块构成。
Client Manager:客户端管理器。负责接收、解析客户端(Producer/Consumer)请求,管理客户端。例如,维护Consumer的Topic订阅信息
Store Service:存储服务。提供方便简单的API接口,处理消息存储到物理硬盘和消息查询功能。
HA Service:高可用服务,提供Master Broker 和 Slave Broker之间的数据同步功能。
Index Service:索引服务。根据特定的Message key,对投递到Broker的消息进行索引服务,同时也提供根据Message Key对消息进行快速查询的功能。

集群部署

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为了增强Broker性能与吞吐量,Broker一般都是以集群形式出现的。各集群节点中可能存放着相同Topic的不同Queue。不过,这里有个问题,如果某Broker节点宕机,如何保证数据不丢失呢?其解决方案是,将每个Broker集群节点进行横向扩展,即将Broker节点再建为一个HA集群,解决单点问题。

Broker节点集群是一个主从集群,即集群中具有Master与Slave两种角色。Master负责处理读写操作请求,Slave负责对Master中的数据进行备份。当Master挂掉了,Slave则会自动切换为Master去工作。所以这个Broker集群是主备集群。一个Master可以包含多个Slave,但一个Slave只能隶属于一个Master。Master与Slave 的对应关系是通过指定相同的BrokerName、不同的BrokerId 来确定的。BrokerId为 0 表示Master,非 0 表示Slave。每个Broker与NameServer集群中的所有节点建立长连接,定时注册Topic信息到所有NameServer。

工作流程

具体流程

  • 1 )启动NameServer,NameServer启动后开始监听端口,等待Broker、Producer、Consumer连接。

  • 2 )启动Broker时,Broker会与所有的NameServer建立并保持长连接,然后每 30 秒向NameServer定时发送心跳包。

  • 3 )发送消息前,可以先创建Topic,创建Topic时需要指定该Topic要存储在哪些Broker上,当然,在创建Topic时也会将Topic与Broker的关系写入到NameServer中。不过,这步是可选的,也可以在发送消息时自动创建Topic。

  • 4 )Producer发送消息,启动时先跟NameServer集群中的其中一台建立长连接,并从NameServer中获取路由信息,即当前发送的Topic消息的Queue与Broker的地址(IP+Port)的映射关系。然后根据算法策略从队选择一个Queue,与队列所在的Broker建立长连接从而向Broker发消息。当然,在获取到路由信息后,Producer会首先将路由信息缓存到本地,再每 30 秒从NameServer更新一次路由信息。

  • 5 )Consumer跟Producer类似,跟其中一台NameServer建立长连接,获取其所订阅Topic的路由信息,然后根据算法策略从路由信息中获取到其所要消费的Queue,然后直接跟Broker建立长连接,开始消费其中的消息。Consumer在获取到路由信息后,同样也会每 30 秒从NameServer更新一次路由信息。不过不同于Producer的是,Consumer还会向Broker发送心跳,以确保Broker的存活状态。

Topic的创建模式

手动创建Topic时,有两种模式:

  • 集群模式:该模式下创建的Topic在该集群中,所有Broker中的Queue数量是相同的
  • Broker模式:该模式下创建的Topic在该集群中,每个Broker中的Queue数量可以不同。
    自动创建Topic时,默认采用的是Broker模式,会为每个Broker默认创建 4 个Queue。

读/写队列

从物理上来讲,读/写队列是同一个队列。所以,不存在读/写队列数据同步问题。读/写队列是逻辑上进行区分的概念。一般情况下,读/写队列数量是相同的。

例如,创建Topic时设置的写队列数量为 8 ,读队列数量为 4 ,此时系统会创建 8 个Queue,分别是0 1 2 3 4 5 6 7。Producer会将消息写入到这 8 个队列,但Consumer只会消费0 1 2 3这 4 个队列中的消息,4 5 6 7 中的消息是不会被消费到的。

再如,创建Topic时设置的写队列数量为 4 ,读队列数量为 8 ,此时系统会创建 8 个Queue,分别是0 1 2 3 4 5 6 7。Producer会将消息写入到0 1 2 3 这 4 个队列,但Consumer只会消费0 1 2 3 4 5 6 7这 8 个队列中的消息,但是4 5 6 7中是没有消息的。此时假设Consumer Group中包含两个Consumer,Consumer1消费0 1 2 3,而Consumer2消费4 5 6 7。但实际情况是,Consumer2是没有消息可消费的。

也就是说,当读/写队列数量设置不同时,总是有问题的。那么,为什么要这样设计呢?

其这样设计的目的是为了,方便Topic的Queue的缩容。

例如,原来创建的Topic中包含 16 个Queue,如何能够使其Queue缩容为 8 个,还不会丢失消息?可以动态修改写队列数量为 8 ,读队列数量不变。此时新的消息只能写入到前 8 个队列,而消费都消费的却是16 个队列中的数据。当发现后 8 个Queue中的消息消费完毕后,就可以再将读队列数量动态设置为 8 。整个缩容过程,没有丢失任何消息。

perm用于设置对当前创建Topic的操作权限: 2 表示只写, 4 表示只读, 6 表示读写。

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