騰訊云基礎(chǔ)產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)：繼承騰訊內(nèi)部沉淀十多年的虛擬化、計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等基礎(chǔ)能力，深度開發(fā)KVM和SDN網(wǎng)絡(luò)虛擬化等底層技術(shù)，開發(fā)高可用塊存儲和容器服務(wù)，為業(yè)界打造一系列高可用高性能的彈性云產(chǎn)品，以及覆蓋互聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)行業(yè)的綜合解決方案。
內(nèi)容目錄
1、消息隊(duì)列的使用場景、價值
2、CMQ底層架構(gòu)剖析
3、CMQ對比開源rabbitMQ壓測
4、CMQ案例最佳實(shí)踐
01|消息隊(duì)列的使用場景
- 消息的收發(fā)解耦：發(fā)送方和接收方不需要了解彼此，甚至不需要知道對方的存在；
- 屏蔽不同平臺之間的差異：不同平臺之間通過消息來實(shí)現(xiàn)交互，僅僅關(guān)心消息的發(fā)送和讀取；
- 削峰填谷，提高系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)能力：發(fā)送消息端永遠(yuǎn)不會堵塞，突發(fā)消息緩存在CMQ SERVER端，消費(fèi)者按照實(shí)際能力讀取消息；
- 一次生產(chǎn)多次消費(fèi)：一條消息可以被多鐘類型消費(fèi)者訂閱，生產(chǎn)著僅需生產(chǎn)一次即可；
- 跨IDC/WAN傳輸：CMQ支持消息在不同IDC、城市進(jìn)行生產(chǎn)、消費(fèi)，自動就近接入，對業(yè)務(wù)透明；
02|CMQ底層架構(gòu)剖析
在分布式大行其道的今天，我們在系統(tǒng)內(nèi)部、平臺之間廣泛運(yùn)用消息中間件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及解耦。CMQ是騰訊云內(nèi)部自研基于的高可靠、強(qiáng)一致、可擴(kuò)展分布式消息隊(duì)列，在騰訊內(nèi)部包括微信手機(jī)QQ業(yè)務(wù)紅包、騰訊話費(fèi)充值、廣告訂單等都有廣泛使用。目前已上線騰訊云對外開放，本文對CMQ核心技術(shù)原理進(jìn)行分享介紹。
按照使用場景可以將消息中間件粗略分為：高可靠和高性能兩大類。CMQ主要適用于金融、交易、訂單等對可靠性、可用性有較高要求的業(yè)務(wù)場景。
如圖1以騰訊充值系統(tǒng)為例，該充值系統(tǒng)通過CMQ 對交易模塊、發(fā)貨部分、結(jié)算系統(tǒng)進(jìn)行異步解耦、削峰填谷，一方面大大降低了模塊間耦合度，另一方面減輕了大量突發(fā)請求對后端系統(tǒng)的沖擊。在月初充值該系統(tǒng)一天經(jīng)過CMQ轉(zhuǎn)發(fā)的消息超過十億條，每秒峰值超過10w，最高時有數(shù)億條消息通過CMQ的堆積能力緩沖了對后端消費(fèi)模塊的壓力。
圖1 某充值系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
CMQ整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，本文重點(diǎn)介紹后端broker set實(shí)現(xiàn)原理。通常情況下一個set由3個節(jié)點(diǎn)組成，通過多副本保證消息的可靠性、多節(jié)點(diǎn)提高系統(tǒng)可用性。當(dāng)然，可以根據(jù)業(yè)務(wù)的實(shí)際需求通過增加set內(nèi)節(jié)點(diǎn)個數(shù)來進(jìn)一步提高可靠性和可用性，CMQ set內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖2 CMQ整體架構(gòu)圖
圖3 broker set內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
下面分別中數(shù)據(jù)高可靠、強(qiáng)一致，系統(tǒng)可用性，可擴(kuò)展、消息全路徑追蹤方面分別介紹。
高可靠保證
可靠性保證方面主要包括以下三方面：生產(chǎn)可靠、存儲（堆積）可靠、消費(fèi)可靠：
- 生產(chǎn)可靠
如上圖3所示，客戶端生產(chǎn)的消息在set 中超過半數(shù)的broker 刷盤成功后會返回確認(rèn)消息告知生產(chǎn)消息成功。如果在一定時間之內(nèi)客戶端沒有收到確認(rèn)信息需要重試來確保消息發(fā)送成功。
可靠生產(chǎn)帶來的一個問題就是消息的重復(fù)，在網(wǎng)絡(luò)異常等情況下很可能CMQ broker已經(jīng)存儲消息成功只是確認(rèn)包在網(wǎng)絡(luò)上丟失了，這樣客戶端重試生產(chǎn)后，在broker上存在兩條重復(fù)的消息�？紤]到消息去重開銷較大，目前消息的冪等性需要業(yè)務(wù)邏輯來保證。
- 存儲可靠
CMQSET中一個節(jié)點(diǎn)為leader其他節(jié)點(diǎn)為follower，leader負(fù)責(zé)所有消息的生產(chǎn)消費(fèi)。當(dāng)生產(chǎn)消息到達(dá)leader節(jié)點(diǎn)后，通過raft一致性模塊將請求順序?qū)憆aft log并同步刷盤，同時將構(gòu)造好的raft log按順序通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到其他follower節(jié)點(diǎn)，follower節(jié)點(diǎn)同步刷盤并返回成功。當(dāng)leader收到過半數(shù)的節(jié)點(diǎn)同步成功信息后將此條請求提交到mq 處理狀態(tài)機(jī)，由mq狀態(tài)機(jī)將請求應(yīng)用到相應(yīng)queue。大致邏輯圖4所示。
圖4 數(shù)據(jù)存儲原理示意圖
由此可見，對于返回客戶端成功的消息至少是分別在兩個節(jié)點(diǎn)磁盤上存儲成功的，這就將磁盤故障引起的數(shù)據(jù)丟失大大降低。另外數(shù)據(jù)在磁盤上存儲時會將檢驗(yàn)結(jié)果一同記下來，消費(fèi)者在消費(fèi)數(shù)據(jù)之前CMQ broker會進(jìn)行比較，確保消息是完整有效的。
- 消費(fèi)可靠
消費(fèi)者拉取消息時會指定當(dāng)前消息的隱藏時間，在隱藏時間內(nèi)消費(fèi)者比較顯式的對消息進(jìn)行確認(rèn)刪除，如果超過隱藏時間沒有主動刪除，此條消息將重新對外可見，可以繼續(xù)消費(fèi)。
顯式確認(rèn)刪除消息是為了防止消息在投遞、處理過程中異常而導(dǎo)致的消息丟失。
對于消息的確認(rèn)信息 CMQ broker的處理邏輯和生產(chǎn)消息過程類似，也是一個寫入的過程，不同的是此時寫入的數(shù)據(jù)的內(nèi)容是msgid 和消息狀態(tài)。
- 強(qiáng)一致實(shí)現(xiàn)
假如一個set中有3個節(jié)點(diǎn)(A，B，C)，A為leader，B C是follower。如上圖所示，對于返回客戶端成功的請求數(shù)據(jù)在CMQ 中至少在兩個節(jié)點(diǎn)上存在，假設(shè)為A B，此時如果leader A故障，B C兩個follower會自動選舉出一個新leader，CMQ使用的raft算法可以保證這個leader一定是擁有最全量log信息中的一個，在此必定是B。此時B繼續(xù)對外服務(wù)，B和A擁有相同的已經(jīng)返回確認(rèn)給用戶的全量數(shù)據(jù)視圖，數(shù)據(jù)是強(qiáng)一致的。
對于A和B C所在的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生分區(qū)的情況（如圖5），由于leader A得不到set中過半節(jié)點(diǎn)的回復(fù)所以不能處理請求，B C在選舉超時后會選舉出一個新的leader，CMQ的接入層會自動進(jìn)行切換。Raft算法保證新leader同樣具有完成的數(shù)據(jù)視圖。
圖5-1網(wǎng)絡(luò)分區(qū)前圖5-2發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分區(qū)圖5-3新leader對外服務(wù)
- 可用性保證
圖6 leader選舉流程
如上文所述，master負(fù)責(zé)所有消息的生產(chǎn)消費(fèi)，當(dāng)master故障時SET中其他follower節(jié)點(diǎn)會自動選舉出一個新leader，客戶端請求會自動重定向到leader節(jié)點(diǎn)，RTO和配置的選舉超時時間有關(guān)，目前是在5s左右。大致過程如上圖6所示，具體選舉算法請參考raft論文。
CMQ單個set在CAP理論中優(yōu)先保證了CP，當(dāng)SET中過半數(shù)節(jié)點(diǎn)都正常工作時，才能進(jìn)行消息的生產(chǎn)消費(fèi)。對于SET多個節(jié)點(diǎn)同時故障的不可用情況，CMQ強(qiáng)大的監(jiān)控調(diào)度能力能夠快速對queue進(jìn)行調(diào)度遷移恢復(fù)服務(wù)，將不可用時間降到最低。
- 橫向擴(kuò)展，無限堆積
圖7 橫向擴(kuò)展
上文中SET的概念對用戶來說是透明無感知的，CMQ controller server根據(jù)set的負(fù)載情況實(shí)時對queue進(jìn)行調(diào)度搬遷。如果某個queue的請求量超過當(dāng)前set的服務(wù)閾值，controller server可以將queue路由分布到多個set上來提高并發(fā)量，對于需要海量堆積的服務(wù)來說可以通過路由調(diào)度來提升堆積上限，理論上可以達(dá)到無限堆積。
目前CMQ只能保證特定情況下消息的嚴(yán)格有序，例如需要保證單個生產(chǎn)進(jìn)程、單個消費(fèi)進(jìn)程，或者queue的消費(fèi)窗口設(shè)定為1等條件。
- 全路徑消息trace
CMQ系統(tǒng)中，一條消息的完整路徑包含生產(chǎn)者、broker、消費(fèi)者三個角色，每個角色處理消息的過程中都會在trace路徑中增加相關(guān)的信息，將這些信息匯聚即可獲取任意一條消息的狀態(tài)和當(dāng)前經(jīng)過的完整路徑，從而為生產(chǎn)環(huán)境中的問題排查提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支持。大大降低了業(yè)務(wù)定位問題的難度。
- 小結(jié)
CMQ是基于raft算法來保證數(shù)據(jù)高可靠、強(qiáng)一致的分布式消息隊(duì)列，主要服務(wù)于訂單、交易類業(yè)務(wù)場景。消息的冪等性需業(yè)務(wù)側(cè)來保證，在特定情況下可以保證消息嚴(yán)格有序。
對于更側(cè)重高性能、高吞吐量業(yè)務(wù)需求，騰訊云由另外一個消息引擎來提供服務(wù)，在協(xié)議上同時兼容kafka，很好的滿足了大數(shù)據(jù)場景，具體原理請留意后續(xù)文章介紹。
03|CMQ對比開源rabbitMQ壓測
RabbitMQ 是具有代表性的開源消息中間件，當(dāng)前較多地應(yīng)用于企業(yè)系統(tǒng)內(nèi)，用于對數(shù)據(jù)一致性、穩(wěn)定性和可靠性要求較高的場景中。
CMQ也是強(qiáng)調(diào)高可靠的消息傳遞，那騰訊云的CMQ，對比rabbitMQ有哪些優(yōu)勢？
- 功能升級
除了生產(chǎn)、消費(fèi)確認(rèn)機(jī)制，CMQ還提供了消費(fèi)回溯功能。
用戶指定CMQ保存生產(chǎn)消息一定天數(shù)，隨后將消費(fèi)回溯到該時間段內(nèi)某一時間點(diǎn)，從該點(diǎn)開始重新消費(fèi)。在用戶業(yè)務(wù)邏輯異常時，以時間為起點(diǎn)的消息重放功能對業(yè)務(wù)恢復(fù)非常有幫助。
- 性能優(yōu)化
網(wǎng)絡(luò)IO：CMQ能夠批量生產(chǎn)/消費(fèi)消息，RabbitMQ則不支持批量生產(chǎn)。在大量小消息場景中，CMQ具有更少的請求數(shù)和更低的平均延遲。
文件IO：CMQ生產(chǎn)/消費(fèi)消息是順序?qū)憜蝹�文件，并周期落盤存儲，充分利用文件系統(tǒng)緩存。RabbitMQ持久化消息先入內(nèi)存隊(duì)列進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，然后寫日志緩存，最后寫消息文件和索引文件（索引文件為順序?qū)�、消息文件為隨機(jī)寫），涉及三次IO操作，性能較差。
CPU：RabbitMQ的日志緩存和狀態(tài)轉(zhuǎn)換運(yùn)算較復(fù)雜，大量耗用CPU。
- 可用性提升
CMQ和RabbitMQ都能夠使用多臺機(jī)器進(jìn)行熱備，提高可用性。CMQ基于Raft算法實(shí)現(xiàn)，簡單易維護(hù)。RabbitMQ使用自創(chuàng)的GM算法（Guaranteed Multicast），學(xué)習(xí)難度高。
圖1 Raft日志復(fù)制
Raft協(xié)議中，Log復(fù)制只要大多數(shù)節(jié)點(diǎn)向Leader返回成功，Leader就可以應(yīng)用該請求，向客戶端返回成功。
圖2 GM環(huán)狀可靠多播
GM可靠多播將集群中所有節(jié)點(diǎn)組成一個環(huán)。Log復(fù)制依次從Leader向后繼節(jié)點(diǎn)傳播，當(dāng)Leader再次收到該請求時，發(fā)出確認(rèn)消息在環(huán)中傳播，直至Leader再次收到該確認(rèn)消息，表明Log在環(huán)中所有節(jié)點(diǎn)同步完成。
GM算法要求Log在集群所有節(jié)點(diǎn)同步之后才能向客戶端返回成功；Raft算法則只要求大多數(shù)節(jié)點(diǎn)同步完成。Raft算法在同步路徑上比GM算法減少了一半的等待時間。
- 壓測結(jié)果
經(jīng)內(nèi)部嚴(yán)格壓測，在同等網(wǎng)絡(luò)、CPU內(nèi)存環(huán)境下，CMQ在保證可靠傳遞的前提下，QPS表現(xiàn)是rabbitMQ的4倍以上。
04|CMQ15年微信春晚紅包案例
CMQ15年微信春晚紅包案例
春晚紅包活動涉及四個大型系統(tǒng)的聯(lián)動，包括微信、微信支付、紅包系統(tǒng)和財付通系統(tǒng)。以下簡單介紹各個系統(tǒng)：
紅包系統(tǒng)：個人紅包的發(fā)、搶、拆和列表查看；
財付通系統(tǒng)：包括支付訂單、異步入賬流水的高性能存儲，用戶余額和賬單的實(shí)時展示；
微信接入：確保微信用戶公網(wǎng)接入的質(zhì)量；
微信支付：在線交易的入口。
類似紅包系統(tǒng)的分布式事務(wù)是關(guān)注的熱點(diǎn)。舉一個典型的例子，“用戶A給用戶B發(fā)了10元的紅包”，有以下步驟：
1、從A帳號中把余額讀出來
2、對A帳號做減法操作（減10元）
3、把結(jié)果寫回A帳號中（一次確認(rèn)）
4、從B帳號中把余額讀出來
5、拆開A發(fā)送給B的紅包，讀出數(shù)值
6、對B帳號做加法操作（加10元）
7、把結(jié)果寫到B帳號中
為了保證數(shù)據(jù)的一致性，上述步驟只有兩種結(jié)果：都成功完成或者都不成功執(zhí)行回滾。而且這個操作的過程中，對A、B帳號還需引入分布式鎖機(jī)制來避免臟數(shù)據(jù)的問題。在微信紅包這個龐大的分布式集群內(nèi)，事情將變的異常復(fù)雜。
微信紅包系統(tǒng)引入了騰訊云CMQ以避免分布式事務(wù)增加對系統(tǒng)的開銷。同樣A用戶給B用戶發(fā)10元紅包的場景，下面介紹引入CMQ 后的新策略。
在上述案例中的第七步，B用戶拆開了紅包，紅包里有10塊錢。在做最后的入賬操作時由于當(dāng)天并發(fā)壓力大，常出現(xiàn)入賬失敗的情況。
紅包團(tuán)隊(duì)把入帳失敗的請求，全部轉(zhuǎn)入CMQ。當(dāng)B用戶更新賬戶余額失敗時，手機(jī)客戶端顯示等待狀態(tài)。隨后入賬系統(tǒng)將不斷從CMQ重新拉取重試此更新操作。CMQ保證了這10元的入賬消息永遠(yuǎn)不丟，直至它被取出。
在除夕當(dāng)天，用戶紅包的發(fā)、拆、入賬等動作，轉(zhuǎn)化為了十億級別的海量請求。若使用傳統(tǒng)的事務(wù)方式，會放大并發(fā)壓力使系統(tǒng)崩潰。
CMQ消息隊(duì)列保證了紅包消息的可靠存儲、傳遞，實(shí)時寫三份保證數(shù)據(jù)不丟。資金入賬失敗時，入賬系統(tǒng)可異步的多次重試，從CMQ拉數(shù)據(jù)，直到成功，起削峰填谷的作用。避免失敗回滾和頻繁輪詢數(shù)據(jù)庫等傳統(tǒng)方式的弊端。
Q&A
Q1：創(chuàng)業(yè)公司怎么選擇消息隊(duì)列？
A1：開源的消息隊(duì)列有很多，實(shí)現(xiàn)機(jī)制復(fù)雜，運(yùn)維成本也很高，對于創(chuàng)業(yè)企業(yè)來說，選擇云服務(wù)商提供的消息隊(duì)列無疑是最省事的，按需使用，成本非常低。
Q2：CMQ生產(chǎn)的消息，如果未被消費(fèi)保存多久？
A2：消息在隊(duì)列中最長的存活時間，從發(fā)送到該隊(duì)列開始經(jīng)過此參數(shù)指定的時間后，不論消息是否被取出過都將被刪除；單位為秒，有效值范圍60-1296000秒，也即1分鐘到15天。
Q3：相比kafka有什么優(yōu)勢？
A3：跟kafka相比，各有側(cè)重點(diǎn)，kafka更強(qiáng)調(diào)吞吐性能。CMQ強(qiáng)調(diào)是可靠傳遞，不丟。CMQ的Kafka版本也即將推出，敬請期待。
Q4：CMQ消費(fèi)方式是push還是pull？還是兩者結(jié)合？
A4：當(dāng)前queue的模式我們采取的是pull的方式。后續(xù)的topic的模式會有push，可以支持push到http端，短信，郵件，和queue。
Q5：哪些隊(duì)列支持pubsub？
A5：其實(shí)CMQ支持兩種產(chǎn)品形態(tài)：queue和topic，對于queue來說沒有pubsub功能，topic有pubsub的能力也能把topic和queue串聯(lián)起來使用，queue可以作為topic其中的一個sub方。
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