閆二輝，騰訊云資深存儲(chǔ)架構(gòu)師，在大規(guī)模存儲(chǔ)、PaaS、虛擬化領(lǐng)域有長(zhǎng)期深厚積累。目前主要從事互聯(lián)網(wǎng)中間件的設(shè)計(jì)研發(fā)相關(guān)工作。

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(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǎng)景、價(jià)值

2. CMQ底層架構(gòu)剖析

3. CMQ對(duì)比開源rabbitMQ壓測(cè)

4. CMQ案例***實(shí)踐

01|消息隊(duì)列的使用場(chǎng)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(duì)方的存在；

• 屏蔽不同平臺(tái)之間的差異：不同平臺(tái)之間通過(guò)消息來(lái)實(shí)現(xiàn)交互，僅僅關(guān)心消息的發(fā)送和讀??；

• 削峰填谷，提高系統(tǒng)應(yīng)對(duì)突發(fā)能力：發(fā)送消息端永遠(yuǎn)不會(huì)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(dòng)就近接入，對(duì)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?cè)谙到y(tǒng)內(nèi)部、平臺(tái)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(duì)外開放，本文對(duì)CMQ 核心技術(shù)原理進(jìn)行分享介紹。

按照使用場(chǎng)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(duì)可靠性、可用性有較高要求的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

如圖1以騰訊充值系統(tǒng)為例，該充值系統(tǒng)通過(guò)CMQ 對(duì)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(qǐng)求對(duì)后端系統(tǒng)的沖擊。在月初充值該系統(tǒng)一天經(jīng)過(guò)CMQ轉(zhuǎn)發(fā)的消息超過(guò)十億條，每秒峰值超過(guò)10w，***時(shí)有數(shù)億條消息通過(guò)CMQ的堆積能力緩沖了對(duì)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(gè)set由3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)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(guò)增加set內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)來(lái)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(chǔ)（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(guò)半數(shù)的broker 刷盤成功后會(huì)返回確認(rèn)消息告知生產(chǎn)消息成功。如果在一定時(shí)間之內(nèi)客戶端沒(méi)有收到確認(rèn)信息需要重試來(lái)確保消息發(fā)送成功。

可靠生產(chǎn)帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)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(chǔ)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(lái)保證。

• 存儲(chǔ)可靠

CMQSET中一個(gè)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(guò)raft 一致性模塊將請(qǐng)求順序?qū)憆aft log 并同步刷盤，同時(shí)將構(gòu)造好的raft log 按順序通過(guò)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(guò)半數(shù)的節(jié)點(diǎn)同步成功信息后將此條請(qǐng)求提交到mq 處理狀態(tài)機(jī)，由mq 狀態(tài)機(jī)將請(qǐng)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(chǔ)原理示意圖

由此可見，對(duì)于返回客戶端成功的消息至少是分別在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)磁盤上存儲(chǔ)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(chǔ)時(shí)會(huì)將檢驗(yàn)結(jié)果一同記下來(lái)，消費(fèi)者在消費(fèi)數(shù)據(jù)之前CMQ broker 會(huì)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(shí)會(huì)指定當(dāng)前消息的隱藏時(shí)間，在隱藏時(shí)間內(nèi)消費(fèi)者比較顯式的對(duì)消息進(jìn)行確認(rèn)刪除，如果超過(guò)隱藏時(shí)間沒(méi)有主動(dòng)刪除，此條消息將重新對(duì)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(guò)程中異常而導(dǎo)致的消息丟失。

對(duì)于消息的確認(rèn)信息 CMQ broker的處理邏輯和生產(chǎn)消息過(guò)程類似，也是一個(gè)寫入的過(guò)程，不同的是此時(shí)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(gè)set中有3個(gè)節(jié)點(diǎn)(A, B, C),A為leader，B  C 是follower。如上圖所示，對(duì)于返回客戶端成功的請(qǐng)求數(shù)據(jù)在CMQ 中至少在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上存在,假設(shè)為A B，此時(shí)如果leader A故障，B C 兩個(gè)follower 會(huì)自動(dòng)選舉出一個(gè)新leader，CMQ 使用的raft 算法可以保證這個(gè)leader 一定是擁有最全量log 信息中的一個(gè)，在此必定是B。此時(shí)B繼續(xù)對(duì)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(duì)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(guò)半節(jié)點(diǎn)的回復(fù)所以不能處理請(qǐng)求，B C在選舉超時(shí)后會(huì)選舉出一個(gè)新的leader ，CMQ的接入層會(huì)自動(dòng)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(duì)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(shí)SET中其他follower節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)選舉出一個(gè)新leader，客戶端請(qǐng)求會(huì)自動(dòng)重定向到leader節(jié)點(diǎn)，RTO和配置的選舉超時(shí)時(shí)間有關(guān)，目前是在5s左右。大致過(guò)程如上圖6所示，具體選舉算法請(qǐng)參考raft 論文。 

CMQ單個(gè)set 在CAP理論中優(yōu)先保證了CP，當(dāng)SET中過(guò)半數(shù)節(jié)點(diǎn)都正常工作時(shí)，才能進(jìn)行消息的生產(chǎn)消費(fèi)。對(duì)于SET多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)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(duì)queue進(jìn)行調(diào)度遷移恢復(fù)服務(wù)，將不可用時(shí)間降到***。

橫向擴(kuò)展，***堆積

圖7橫向擴(kuò)展

上文中SET的概念對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是透明無(wú)感知的，CMQ controller server 根據(jù)set的負(fù)載情況實(shí)時(shí)對(duì)queue進(jìn)行調(diào)度搬遷。如果某個(gè)queue的請(qǐng)求量超過(guò)當(dāng)前set的服務(wù)閾值，controller server 可以將queue 路由分布到多個(gè)set 上來(lái)提高并發(fā)量，對(duì)于需要海量堆積的服務(wù)來(lái)說(shuō)可以通過(guò)路由調(diào)度來(lái)提升堆積上限，理論上可以達(dá)到***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(gè)生產(chǎn)進(jìn)程、單個(gè)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(gè)角色，每個(gè)角色處理消息的過(guò)程中都會(huì)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(guò)的完整路徑，從而為生產(chǎn)環(huán)境中的問(wèn)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(wèn)題的難度。

小結(jié)

CMQ是基于raft 算法來(lái)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(chǎng)景。消息的冪等性需業(yè)務(wù)側(cè)來(lái)保證，在特定情況下可以保證消息嚴(yán)格有序。

對(duì)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(gè)消息引擎來(lái)提供服務(wù)，在協(xié)議上同時(shí)兼容kafka，很好的滿足了大數(shù)據(jù)場(chǎng)景，具體原理請(qǐng)留意后續(xù)文章介紹。

03|CMQ對(duì)比開源rabbitMQ壓測(cè)

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(duì)數(shù)據(jù)一致性、穩(wěn)定性和可靠性要求較高的場(chǎng)景中。

CMQ也是強(qiáng)調(diào)高可靠的消息傳遞，那騰訊云的CMQ，對(duì)比rabbitMQ有哪些優(yōu)勢(shì)？

•  功能升級(jí)

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(shí)間段內(nèi)某一時(shí)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(shí)，以時(shí)間為起點(diǎn)的消息重放功能對(duì)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(chǎng)景中，CMQ具有更少的請(qǐng)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€(gè)文件，并周期落盤存儲(chǔ)，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，***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(tái)機(jī)器進(jìn)行熱備，提高可用性。CMQ基于Raft算法實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)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(qǐng)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(gè)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(qǐng)求時(shí)，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(shí)間。

• 壓測(cè)結(jié)果

經(jīng)內(nèi)部嚴(yán)格壓測(cè)，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

春晚紅包活動(dòng)涉及四個(gè)大型系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，包括微信、微信支付、紅包系統(tǒng)和財(cái)付通系統(tǒng)。以下簡(jiǎn)單介紹各個(gè)系統(tǒng)：

紅包系統(tǒng)：個(gè)人紅包的發(fā)、搶、拆和列表查看；

財(cái)付通系統(tǒng)：包括支付訂單、異步入賬流水的高性能存儲(chǔ)，用戶余額和賬單的實(shí)時(shí)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(gè)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(hào)中把余額讀出來(lái)

2. 對(duì)A帳號(hào)做減法操作（減10元）

3. 把結(jié)果寫回A帳號(hào)中（一次確認(rèn)）

4. 從B帳號(hào)中把余額讀出來(lái)

5. 拆開A發(fā)送給B的紅包，讀出數(shù)值

6. 對(duì)B帳號(hào)做加法操作（加10元）

7. 把結(jié)果寫到B帳號(hào)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(gè)操作的過(guò)程中，對(duì)A、B帳號(hào)還需引入分布式鎖機(jī)制來(lái)避免臟數(shù)據(jù)的問(wèn)題。在微信紅包這個(gè)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(duì)系統(tǒng)的開銷。同樣A用戶給B用戶發(fā)10元紅包的場(chǎng)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***的入賬操作時(shí)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(qǐng)求，全部轉(zhuǎn)入CMQ。當(dāng)B用戶更新賬戶余額失敗時(shí)，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(dòng)作，轉(zhuǎn)化為了十億級(jí)別的海量請(qǐng)求。若使用傳統(tǒng)的事務(wù)方式，會(huì)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(chǔ)、傳遞，實(shí)時(shí)寫三份保證數(shù)據(jù)不丟。資金入賬失敗時(shí)，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(kù)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(duì)于創(chuàng)業(yè)企業(yè)來(lái)說(shuō)，選擇云服務(wù)商提供的消息隊(duì)列無(wú)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(zhǎng)的存活時(shí)間，從發(fā)送到該隊(duì)列開始經(jīng)過(guò)此參數(shù)指定的時(shí)間后，不論消息是否被取出過(guò)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(shì)？

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(qǐng)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(huì)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(duì)于queue來(lái)說(shuō)沒(méi)有pubsub功能，topic有pubsub的能力也能把topic和queue串聯(lián)起來(lái)使用，queue可以作為topic其中的一個(gè)sub方。