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learn.lianglianglee.com/专栏/分布式技术原理与实战45讲-完/34 高可用：如何实现消息队列的 HA？.md.html
周伟 0f006e4e9b add
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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>34 高可用：如何实现消息队列的 HA？</h1>
<p>管理学上有一个木桶理论，一只水桶能装多少水取决于它最短的那块木板，这个理论推广到分布式系统的可用性上，就是系统整体的可用性取决于系统中最容易出现故障，或者性能最低的组件。系统中的各个组件都要进行高可用设计，防止单点故障，消息队列也不例外，这一课时一起来看一下消息中间件的高可用设计。</p>
<h3>消息队列高可用手段</h3>
<p>一般来说，分布式系统的高可用依赖副本技术，副本的引入，使得分布式系统可以更好地进行扩展，当出现某个节点宕机时，由于副本的存在，也能够快速地进行替换，提升系统整体可靠性，防止数据丢失。</p>
<p>消息队列如何实现高可用的问题，如果出现在面试中，一般是作为一个相对开放的话题，你可以根据自己对分布式系统的了解，围绕副本、集群、一致性等和面试官展开讨论。消息队列在系统中承担了数据存储和数据传输的两种功能，所以消息队列的高可用设计，也比数据库、文件索引等持久性存储要复杂。</p>
<p>下面的内容，我以 Apache Kafka 为例，简单介绍一下消息队列的高可用设计。</p>
<h3>Kafka 的副本机制</h3>
<p>Kafka 的高可用实现主要依赖副本机制，我把 Kakfa 的高可用，拆分成几个小问题来讲解，一来是为了更好地理解，二来很多细节问题也可能出现在面试中，方便你更好地掌握。</p>
<h4>Broker 和 Partition 的关系</h4>
<p>在分析副本机制之前，先来看一下 Broker 和 Partition 之间的关系。Broker 在英文中是代理、经纪人的意思，对应到 Kafka 集群中，是一个 Kafka 服务器节点，Kafka 集群由多个 Broker 组成，也就是对应多个 Kafka 节点。</p>
<p><img src="assets/CgqCHl8QFfaAcKqMAAB47dp3EG8537.png" alt="image" /></p>
<p>Kafka 是典型的发布订阅模式，存在 Topic 的概念，一个 Broker 可以容纳多个 Topic，也就是一台服务器可以传输多个 Topic 数据。</p>
<p>不过 Topic 是一个逻辑概念，和物理上如何存储无关，Kafka 为了实现可扩展性，将一个 Topic 分散到多个 Partition 中，这里的 Partition 就是一个物理概念，对应的是具体某个 Broker 上的磁盘文件。</p>
<p>从 Partition 的角度，Kafka 保证消息在 Partition 内部有序，所以 Partition 是一段连续的存储，不能跨多个 Broker 存在，如果是在同一个 Broker 上，也不能挂载到多个磁盘。从 Broker 的角度，一个 Broker 可以有多个 Topic，对应多个 Partition。</p>
<p>除此之外，Partition 还可以细分为一个或者多个 Segment，也就是数据块，每个 Segment 都对应一个 index 索引文件，以及一个 log 数据文件。对 Partition 的进一步拆分，使得 Kafka 对 分区的管理更加灵活。</p>
<h4>Replication 之间如何同步数据</h4>
<p>基于 Kafka 的系统设计，你可以思考一下，如果没有副本，那么当某个 Kafka Broker 挂掉，或者某台服务器宕机（可能部署了多个 Broker），存储在其上的消息就不能被正常消费，导致系统可用性降低，或者出现数据丢失，这不符合分布式高可用的要求，出现单点故障，也不满足 Kafka 数据传输持久性和投递语义的设计目标。</p>
<p>Kafka 中有一个配置参数 replication-factor（副本因子），可以调整对应分区下副本的数量，注意副本因子数包含原来的 Partition，如果需要有 2 个副本，则要配置为 3。</p>
<p>假设现在有一个订单的 Topic，配置分区数为 3，如果配置 replication-factor 为 3，那么对应的有三个分区，每个分区都有 3 个副本，在有多个副本的情况下，不同副本之间如何分工呢？</p>
<p>每个分区下配置多个副本，多个副本之间为了协调，就必须有一定的同步机制。Kafka 中同一个分区下的不同副本，有不同的角色关系，分为 Leader Replication 和 Follower Replication。Leader 负责处理所有 Producer、Consumer 的请求，进行读写处理，Follower 作为数据备份，不处理来自客户端的请求。</p>
<p>Follower 不接受读写请求，那么数据来自哪里呢？它会通过 Fetch Request 方式，拉取 Leader 副本的数据进行同步。</p>
<p><img src="assets/CgqCHl8QFgCAR8LmAAA-7McXNfg343.png" alt="image" /></p>
<p>Fetch 这个词一般用于批量拉取场景，比如使用 Git 进行版本管理的 fetch 命令，在 Kafka 中，会为数据同步开辟一个单独的线程，称为 ReplicaFetcherThread，该线程会主动从 Leader 批量拉取数据，这样可以高性能的实现数据同步。</p>
<h4>Replication 分配有哪些约定</h4>
<p>Kafka 中分区副本数的配置，既要考虑提高系统可用性，又要尽量减少机器资源浪费。</p>
<p>一方面，为了更好地做负载均衡，Kafka 会将所有的 Partition 均匀地分配到整个集群上；另一方面，为了提高 Kafka 的系统容错能力，一个 Partition 的副本，也要分散到不同的 Broker 上，否则就去了副本的意义。</p>
<p>一般来说，为了尽可能地提升服务的可用性和容错率，Kafka 的分区和副本分配遵循如下的原则：</p>
<blockquote>
<p>一个 Topic 的 Partition 数量大于 Broker 的数量，使 Partition 尽量均匀分配到整个集群上；
同一个分区，所有的副本要尽量均匀分配到集群中的多台 Broker 上，尽可能保证同一个 分区下的主从副本，分配到不同的 Broker 上。</p>
</blockquote>
<h4>Leader Replication 如何选举</h4>
<p>一旦牵扯到数据同步，就必然会有 Leader 节点宕机以后重新选择的问题。引入 Replication 机制之后，同一个 Partition 可能会有多个副本，如果Leader挂掉，需要在这些副本之间选出一个 新的Leader。</p>
<p>Kafka 数据同步中有一个 ISR（In-Sync Replicas，副本同步队列）的概念，Leader 节点在返回 ACK 响应时，会关注 ISR 中节点的同步状态，所以这个队列里的所有副本，都和 Leader 保持一致。</p>
<p>Kafka 的 ISR 依赖 ZooKeeper 进行管理，ISR 副本同步队列中的节点，拥有优先选举的权利，因为 ISR 里的节点和 Leader 保持一致，如果必须满足一致性，只有 ISR 里的成员才能被选为 Leader。</p>
<p>如果某个 Broker 挂掉，Kafka 会从 ISR 列表中选择一个分区作为新的 Leader 副本。如果 ISR 列表是空的，这时候有两个策略，一个是直接抛出 NoReplicaOnlineException 异常，保证一致性；另外一个是从其他副本中选择一个作为 Leader，则可能会丢失数据，具体需要根据业务场景进行配置。</p>
<h4>所有的副本都挂了怎么办</h4>
<p>现在考虑一个极端情况，如果一个分区下的所有副本都挂掉了，那如何处理呢？在这种情况下，Kafka 需要等待某个副本恢复服务，具体可以有两种方案：</p>
<ul>
<li>等待 ISR 中的某个副本恢复正常，作为新的 Leader；</li>
<li>等待任一个 副本恢复正常，作为新的 Leader。</li>
</ul>
<p>在第二种方案下，由于选择的 Leader 节点可能不是来自 ISR，所以可能会存在数据丢失，不能保证已经包含全部 Commit 的信息；如果选择第一种方案，会保证数据不丢失，但是如果全部的 ISR 节点都彻底宕机，系统就无法对外提供服务了，对应的分区会彻底不可用。</p>
<p>方案一优先保证数据一致性，方案二优先保证服务可用性，在实际配置中，可以根据不同的业务场景选择不同的方案。</p>
<h3>总结</h3>
<p>这一课时分享了消息队列高可用相关的知识，并且针对 Kafka 的高可用实现，进行了简单的分析。</p>
<p>实际上，Kafka 添加副本机制之后，需要解决的细节问题有很多。举个例子，我们在第 29 课时讲过消息投递的不同语义，比如 At Most Once、At Least Once 等，当添加了 Partition 之后，Kafka 需要保持投递语义的完整，那么在生产者进行投递时，因为要考虑不同副本的状态，Leader 节点如何进行 ACK 呢？很明显，如果 Leader 节点等待所有的 Follower 节点同步后才返回 ACK，系统整体的性能和吞吐量会大幅降低，这也是 Kafka 引入 ISR 副本分层管理的原因之一。</p>
<p>除了 Kafka 以外，RocketMQ、RabbitMQ 等消息队列又是怎么实现高可用的呢？感兴趣的同学可以了解一下，欢迎留言分享。</p>
</div>
</div>
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