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RocketMQ的架构升级与兼容性考虑

2021-10-033.6k 阅读

RocketMQ架构基础回顾

在深入探讨RocketMQ的架构升级与兼容性之前，我们先来回顾一下其基础架构。RocketMQ主要由NameServer、Broker、Producer和Consumer组成。

NameServer

NameServer是一个轻量级的元数据管理中心，它的主要职责是为Broker提供注册服务，并为Producer和Consumer提供路由信息。NameServer之间相互独立，不进行数据同步，这样的设计使得NameServer的扩展性非常好。当Broker启动时，会向所有的NameServer注册自己的地址和Topic配置信息。Producer和Consumer在启动时，会定时从NameServer拉取最新的路由信息。例如，一个简单的NameServer启动配置如下：

<server>
    <nameServer>
        <listenPort>9876</listenPort>
        <clusterName>DefaultCluster</clusterName>
    </nameServer>
</server>

这里配置了NameServer监听的端口为9876，所属的集群名称为DefaultCluster。

Broker

Broker是RocketMQ的核心组件，负责消息的存储、转发和高可用保障。Broker分为Master和Slave两种角色，Master负责处理读写请求，Slave则用于数据备份和在Master故障时进行切换。Broker会将消息存储在CommitLog文件中，同时为了提高消息的查询效率，还会生成ConsumeQueue和IndexFile等索引文件。以下是一个Broker的配置示例：

<broker>
    <brokerName>broker-a</brokerName>
    <brokerId>0</brokerId>
    <deleteWhen>04</deleteWhen>
    <fileReservedTime>48</fileReservedTime>
    <brokerRole>ASYNC_MASTER</brokerRole>
    <flushDiskType>ASYNC_FLUSH</flushDiskType>
</broker>

在这个配置中，brokerName指定了Broker的名称为broker-a，brokerId为0表示这是Master节点，deleteWhen表示在每天4点删除过期文件，fileReservedTime表示文件保留48小时，brokerRole为异步Master角色，flushDiskType为异步刷盘。

Producer

Producer即消息生产者，负责将业务系统中的消息发送到RocketMQ的Broker。Producer在发送消息时，会根据从NameServer获取的路由信息，选择合适的Broker进行消息投递。Producer支持多种发送模式，如同步发送、异步发送和单向发送。例如，同步发送消息的Java代码示例如下：

import org.apache.rocketmq.client.producer.DefaultMQProducer;
import org.apache.rocketmq.client.producer.SendResult;
import org.apache.rocketmq.common.message.Message;

public class Producer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建Producer实例
        DefaultMQProducer producer = new DefaultMQProducer("producer-group");
        // 设置NameServer地址
        producer.setNamesrvAddr("localhost:9876");
        // 启动Producer
        producer.start();

        // 创建消息
        Message message = new Message("TopicTest", "TagA", "Hello RocketMQ".getBytes("UTF-8"));
        // 同步发送消息
        SendResult sendResult = producer.send(message);
        System.out.println(sendResult);

        // 关闭Producer
        producer.shutdown();
    }
}

在这段代码中，首先创建了一个DefaultMQProducer实例，并设置其所属的生产者组为producer-group，NameServer地址为localhost:9876。然后启动Producer，创建一条消息并进行同步发送，最后关闭Producer。

Consumer

Consumer是消息消费者，负责从Broker中拉取消息并进行业务处理。Consumer有两种消费模式：Push模式和Pull模式。Push模式下，Consumer注册一个监听器，当有新消息到达时，Broker会主动推送消息给Consumer；Pull模式则由Consumer主动从Broker拉取消息。以下是一个简单的Push模式消费者代码示例：

import org.apache.rocketmq.client.consumer.DefaultMQPushConsumer;
import org.apache.rocketmq.client.consumer.listener.ConsumeConcurrentlyContext;
import org.apache.rocketmq.client.consumer.listener.ConsumeConcurrentlyStatus;
import org.apache.rocketmq.client.consumer.listener.MessageListenerConcurrently;
import org.apache.rocketmq.common.message.MessageExt;

import java.util.List;

public class Consumer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建Consumer实例
        DefaultMQPushConsumer consumer = new DefaultMQPushConsumer("consumer-group");
        // 设置NameServer地址
        consumer.setNamesrvAddr("localhost:9876");
        // 订阅Topic
        consumer.subscribe("TopicTest", "*");

        // 注册消息监听器
        consumer.registerMessageListener(new MessageListenerConcurrently() {
            @Override
            public ConsumeConcurrentlyStatus consumeMessage(List<MessageExt> msgs, ConsumeConcurrentlyContext context) {
                for (MessageExt msg : msgs) {
                    System.out.println(new String(msg.getBody()));
                }
                return ConsumeConcurrentlyStatus.CONSUME_SUCCESS;
            }
        });

        // 启动Consumer
        consumer.start();
        System.out.println("Consumer Started.");
    }
}

在这个示例中，创建了一个DefaultMQPushConsumer实例，设置所属消费者组为consumer-group，NameServer地址为localhost:9876，订阅了TopicTest主题下的所有消息。然后注册了一个消息监听器，在监听器中打印接收到的消息内容，并返回消费成功状态。最后启动Consumer。

RocketMQ架构升级

随着业务的发展和数据量的增长，RocketMQ原有的架构在性能、扩展性和可用性等方面面临着一些挑战，因此需要进行架构升级。

存储架构升级

在传统的RocketMQ存储架构中，消息存储在CommitLog文件中，这种设计虽然保证了消息的顺序写入，但是在消息查询时，由于需要通过ConsumeQueue等索引文件进行定位，性能会受到一定影响。为了提升存储性能和查询效率，RocketMQ进行了存储架构的升级。

新的存储架构引入了基于Segment的存储方式。每个Segment包含一定数量的消息，并且Segment之间是独立的。这样在进行消息查询时，可以直接定位到具体的Segment，大大减少了查询范围。同时，为了保证数据的可靠性，Segment数据会定期进行刷盘操作。以下是一个简化的Segment存储结构示意图：

Segment File
|-- Header
|   |-- Segment ID
|   |-- Start Offset
|   |-- End Offset
|-- Message 1
|-- Message 2
|--...
|-- Message N

在这个结构中，Header部分记录了Segment的ID、起始偏移量和结束偏移量等元数据信息。每个消息按照顺序存储在Segment中。

为了实现基于Segment的存储，RocketMQ对存储模块的代码进行了大量重构。例如，在消息写入时，不再是直接写入CommitLog，而是先写入到对应的Segment中。以下是一个简化的消息写入Segment的Java代码示例：

import org.apache.rocketmq.store.Segment;
import org.apache.rocketmq.store.MessageExtBrokerInner;

public class SegmentWriter {
    private Segment segment;

    public SegmentWriter(Segment segment) {
        this.segment = segment;
    }

    public void writeMessage(MessageExtBrokerInner message) {
        // 获取Segment的写入位置
        long writePosition = segment.getWritePosition();
        // 写入消息头
        byte[] header = message.getHeader().getBytes();
        segment.write(header, writePosition);
        writePosition += header.length;
        // 写入消息体
        byte[] body = message.getBody();
        segment.write(body, writePosition);
        // 更新Segment的写入位置
        segment.setWritePosition(writePosition + body.length);
    }
}

在这段代码中，SegmentWriter类负责将消息写入到指定的Segment中。首先获取Segment的当前写入位置，然后依次写入消息头和消息体，最后更新Segment的写入位置。

高可用架构升级

RocketMQ原有的高可用架构主要依赖于Master - Slave模式，在Master故障时，需要手动或者通过一些脚本进行切换。为了进一步提升高可用性，RocketMQ引入了Dledger技术。

Dledger是一种分布式一致性协议，它基于Raft协议进行了优化，适用于RocketMQ这种对性能和一致性要求都较高的场景。在基于Dledger的高可用架构中，每个Broker节点都有一个DledgerGroup，组内包含多个节点，通过选举产生Leader节点，负责处理读写请求。当Leader节点故障时，Dledger会自动选举新的Leader节点，从而保证服务的可用性。

以下是一个简单的Dledger配置示例：

<broker>
    <brokerName>broker-a</brokerName>
    <brokerId>0</brokerId>
    <dledger>
        <enableDledger true</enableDledger>
        <dledgerGroup group1</dledgerGroup>
        <dledgerPeers n0@192.168.1.100:40911;n1@192.168.1.101:40911;n2@192.168.1.102:40911</dledgerPeers>
        <dledgerSelfId n0</dledgerSelfId>
    </dledger>
</broker>

在这个配置中，启用了Dledger，指定了Dledger组为group1，组内的节点地址为192.168.1.100:40911、192.168.1.101:40911和192.168.1.102:40911，当前节点的ID为n0。

为了实现Dledger协议，RocketMQ在Broker节点中增加了Dledger模块。该模块负责处理节点间的通信、选举等逻辑。以下是一个简化的Dledger选举逻辑的Java代码示例：

import io.openmessaging.storage.dledger.DledgerConfig;
import io.openmessaging.storage.dledger.DledgerServer;
import io.openmessaging.storage.dledger.State;
import io.openmessaging.storage.dledger.Vote;

public class DledgerElection {
    private DledgerServer dledgerServer;

    public DledgerElection(DledgerConfig config) {
        this.dledgerServer = new DledgerServer(config);
    }

    public void startElection() {
        // 发起选举请求
        Vote vote = dledgerServer.requestVote();
        if (vote.isVoteGranted()) {
            // 成为Leader
            dledgerServer.setState(State.LEADER);
            System.out.println("Become Leader");
        } else {
            // 成为Follower
            dledgerServer.setState(State.FOLLOWER);
            System.out.println("Become Follower");
        }
    }
}

在这段代码中，DledgerElection类负责启动Dledger的选举过程。通过requestVote方法发起选举请求，如果获得投票，则将自身状态设置为LEADER，否则设置为FOLLOWER。

网络架构升级

随着集群规模的扩大和消息流量的增加，RocketMQ原有的网络架构在处理高并发连接和大规模数据传输时面临挑战。为了提升网络性能和扩展性，RocketMQ对网络架构进行了升级。

升级后的网络架构采用了Netty作为底层网络通信框架，并对其进行了定制化优化。Netty提供了高性能的异步I/O能力，能够有效地处理大量的并发连接。RocketMQ在Netty的基础上，实现了自己的协议栈，用于处理Broker与Producer、Consumer之间的通信。

以下是一个基于Netty的简单消息接收处理示例：

import io.netty.bootstrap.ServerBootstrap;
import io.netty.channel.*;
import io.netty.channel.nio.NioEventLoopGroup;
import io.netty.channel.socket.SocketChannel;
import io.netty.channel.socket.nio.NioServerSocketChannel;
import io.netty.handler.codec.LengthFieldBasedFrameDecoder;
import io.netty.handler.codec.LengthFieldPrepender;
import io.netty.handler.codec.string.StringDecoder;
import io.netty.handler.codec.string.StringEncoder;

public class NettyServer {
    private static final int PORT = 8888;

    public static void main(String[] args) {
        EventLoopGroup bossGroup = new NioEventLoopGroup(1);
        EventLoopGroup workerGroup = new NioEventLoopGroup();
        try {
            ServerBootstrap b = new ServerBootstrap();
            b.group(bossGroup, workerGroup)
              .channel(NioServerSocketChannel.class)
              .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
                    @Override
                    protected void initChannel(SocketChannel ch) throws Exception {
                        ChannelPipeline p = ch.pipeline();
                        p.addLast(new LengthFieldBasedFrameDecoder(1024, 0, 4, 0, 4));
                        p.addLast(new LengthFieldPrepender(4));
                        p.addLast(new StringDecoder());
                        p.addLast(new StringEncoder());
                        p.addLast(new NettyServerHandler());
                    }
                })
              .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 128)
              .childOption(ChannelOption.SO_KEEPALIVE, true);

            ChannelFuture f = b.bind(PORT).sync();
            System.out.println("Server started, listening on port " + PORT);
            f.channel().closeFuture().sync();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            workerGroup.shutdownGracefully();
            bossGroup.shutdownGracefully();
        }
    }

    static class NettyServerHandler extends ChannelInboundHandlerAdapter {
        @Override
        public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception {
            System.out.println("Received message: " + msg);
            ctx.writeAndFlush("Message received");
        }

        @Override
        public void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception {
            cause.printStackTrace();
            ctx.close();
        }
    }
}

在这个示例中，通过Netty创建了一个简单的服务器，监听端口8888。在ChannelInitializer中，添加了长度字段解码器、长度字段前置器、字符串解码器和编码器，以及自定义的NettyServerHandler用于处理接收到的消息。当接收到消息时，打印消息内容并回复“Message received”。

兼容性考虑

在进行架构升级时，RocketMQ必须充分考虑兼容性问题，以确保现有业务系统能够平滑过渡到新的架构。

Producer兼容性

对于Producer来说，架构升级后，其基本的发送逻辑和接口保持不变。原有的同步发送、异步发送和单向发送模式依然可用。但是，在一些高级特性上可能会有细微变化。例如，在新的存储架构下，消息的存储位置和索引方式发生了改变，这可能会影响到消息的查询和重试机制。

为了保证Producer的兼容性，RocketMQ在升级过程中，对Producer的API进行了严格的兼容性测试。同时，提供了详细的迁移文档，指导用户如何在新架构下进行消息发送配置。例如，如果用户在旧架构下使用了特定的消息过滤策略，在新架构下可能需要根据新的存储结构进行适当调整。以下是一个在新架构下调整消息过滤策略的示例：

import org.apache.rocketmq.client.producer.DefaultMQProducer;
import org.apache.rocketmq.client.producer.SendResult;
import org.apache.rocketmq.common.message.Message;
import org.apache.rocketmq.common.message.MessageConst;

public class ProducerWithFilter {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DefaultMQProducer producer = new DefaultMQProducer("producer-group");
        producer.setNamesrvAddr("localhost:9876");
        producer.start();

        Message message = new Message("TopicTest", "TagA", "Hello RocketMQ".getBytes("UTF-8"));
        // 设置消息属性用于过滤
        message.putUserProperty("key1", "value1");
        SendResult sendResult = producer.send(message);

        producer.shutdown();
    }
}

在这个示例中，通过设置消息的属性key1为value1，可以在新架构下根据这个属性进行消息过滤，而这种方式在旧架构和新架构下都能保持一定的兼容性。

Consumer兼容性

Consumer在架构升级后面临的兼容性问题相对复杂一些。一方面，消费模式（Push模式和Pull模式）依然可用，但是在新的高可用架构下，Consumer与Broker之间的连接管理和消息拉取机制发生了变化。例如，在基于Dledger的架构中，Consumer需要与新的Leader节点进行交互，而不是像以前那样固定与Master节点通信。

为了保证Consumer的兼容性，RocketMQ对Consumer的SDK进行了更新。新的SDK会自动感知Broker的高可用状态，动态调整与Broker的连接。同时，对于一些旧版本的Consumer，RocketMQ提供了兼容性支持，允许它们在一定时间内与新架构的Broker进行通信。以下是一个新架构下Consumer连接动态调整的代码示例：

import org.apache.rocketmq.client.consumer.DefaultMQPushConsumer;
import org.apache.rocketmq.client.consumer.listener.ConsumeConcurrentlyContext;
import org.apache.rocketmq.client.consumer.listener.ConsumeConcurrentlyStatus;
import org.apache.rocketmq.client.consumer.listener.MessageListenerConcurrently;
import org.apache.rocketmq.common.message.MessageExt;

import java.util.List;

public class CompatibilityConsumer {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DefaultMQPushConsumer consumer = new DefaultMQPushConsumer("consumer-group");
        consumer.setNamesrvAddr("localhost:9876");
        consumer.subscribe("TopicTest", "*");

        consumer.registerMessageListener(new MessageListenerConcurrently() {
            @Override
            public ConsumeConcurrentlyStatus consumeMessage(List<MessageExt> msgs, ConsumeConcurrentlyContext context) {
                // 这里可以处理消息，同时SDK会自动处理与Broker的连接动态调整
                for (MessageExt msg : msgs) {
                    System.out.println(new String(msg.getBody()));
                }
                return ConsumeConcurrentlyStatus.CONSUME_SUCCESS;
            }
        });

        consumer.start();
        System.out.println("Consumer Started.");
    }
}

在这个示例中，Consumer在启动后，SDK会自动处理与基于Dledger架构的Broker之间的连接动态调整，确保在Broker节点发生变化（如Leader切换）时，Consumer依然能够正常消费消息。

集群兼容性

在集群层面，RocketMQ需要保证新旧架构的Broker能够共存一段时间，以便进行平滑过渡。这就要求在架构升级过程中，要设计合理的集群管理策略，确保不同版本的Broker之间能够正常通信和协同工作。

为了实现集群兼容性，RocketMQ在NameServer中增加了版本管理机制。NameServer会记录每个Broker的版本信息，并根据版本信息进行路由和集群管理。例如，当一个新架构的Broker和一个旧架构的Broker同时向NameServer注册时，NameServer会根据它们的版本信息，为Producer和Consumer提供合适的路由策略。同时，在消息传输过程中，RocketMQ会对不同版本的Broker之间的消息格式进行转换，确保消息能够正确传递和处理。以下是一个简化的NameServer版本管理逻辑示例：

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class NameServerVersionManager {
    private static Map<String, String> brokerVersionMap = new HashMap<>();

    public static void registerBroker(String brokerName, String version) {
        brokerVersionMap.put(brokerName, version);
    }

    public static String getBrokerVersion(String brokerName) {
        return brokerVersionMap.get(brokerName);
    }

    // 根据Broker版本进行路由策略调整的示例方法
    public static String getRoute(String topic, String brokerName) {
        String version = getBrokerVersion(brokerName);
        if ("oldVersion".equals(version)) {
            // 针对旧版本Broker的路由策略
            return "routeToOldBroker";
        } else {
            // 针对新版本Broker的路由策略
            return "routeToNewBroker";
        }
    }
}

在这个示例中，NameServerVersionManager类负责管理Broker的版本信息。通过registerBroker方法注册Broker的版本，通过getBrokerVersion方法获取Broker的版本。getRoute方法根据Broker的版本返回不同的路由策略，以保证新旧版本Broker在集群中能够协同工作。

通过以上对Producer、Consumer和集群兼容性的考虑和处理，RocketMQ在架构升级过程中，最大程度地减少了对现有业务系统的影响，实现了平滑过渡。