Alligator 系列：RocketMQ 基础知识及部署

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1. 概述

1.1 概念模型

RocketMQ 是阿里推出的一款消息系统，用来取代 Kafka 及 RabbitMQ. 在 Alligator 中支持使用 RocketMQ, 其概念模型如下所示：

rocketmq-conceptual-model

在上图中有几个关键的概念，Producer 是消息的发布者，Consumer 是消息的接收者，负责消费消息，ConsumerGroup 是同一类 Consumer 的集合，Topic 是消息的集合体，而 messageQueue 则是对 Topic 进行分区，来提高消息处理的并行度，从而提高系统的吞吐量。topic 中的 MessageQueue 由 ConsumerGroup 下的 Consumer 负责消费，根据不同的消费模式，保证消息都能被 consumer 进行消费。

1.2 实现架构

RocketMQ 实现架构如下图所示：
rocketmq_architecture
RocketMQ架构上主要分为四部分：

  • Producer：消息发布者；
  • Consumer：消息消费者，支持 push 和 pull 两种消费方式。；
  • NameServer：注册中心，主要包括两个功能：1)Broker管理，实现 Broker 的注册及动态发现；2）路由信息管理，保存集群的整个路由信息。
  • BrokerServer：负责消息的存储、投递和查询以及服务高可用保证。
说明:
NameServer 是无状态的，彼此之间互不通信，BrokerServer 要向所有的 NameServer 上报状态，而不是其中一台（NameServer 之间没有数据同步）。

RocketMQ 相关概念，来自官方网站：

  1. 消息模型（Message Model）
    RocketMQ主要由 Producer、Broker、Consumer 三部分组成，其中Producer 负责生产消息，Consumer 负责消费消息，Broker 负责存储消息。Broker 在实际部署过程中对应一台服务器，每个 Broker 可以存储多个Topic的消息，每个Topic的消息也可以分片存储于不同的 Broker。Message Queue 用于存储消息的物理地址，每个Topic中的消息地址存储于多个 Message Queue 中。ConsumerGroup 由多个Consumer 实例构成。
  2. 消息生产者（Producer）
    负责生产消息，一般由业务系统负责生产消息。一个消息生产者会把业务应用系统里产生的消息发送到broker服务器。RocketMQ提供多种发送方式，同步发送、异步发送、顺序发送、单向发送。同步和异步方式均需要Broker返回确认信息，单向发送不需要。
  3. 消息消费者（Consumer）
    负责消费消息，一般是后台系统负责异步消费。一个消息消费者会从Broker服务器拉取消息、并将其提供给应用程序。从用户应用的角度而言提供了两种消费形式：拉取式消费、推动式消费。
  4. 主题（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。
  5. 代理服务器（Broker Server）
    消息中转角色，负责存储消息、转发消息。代理服务器在RocketMQ系统中负责接收从生产者发送来的消息并存储、同时为消费者的拉取请求作准备。代理服务器也存储消息相关的元数据，包括消费者组、消费进度偏移和主题和队列消息等。
  6. 名字服务（Name Server）
    名称服务充当路由消息的提供者。生产者或消费者能够通过名字服务查找各主题相应的Broker IP列表。多个Namesrv实例组成集群，但相互独立，没有信息交换。
  7. 拉取式消费（Pull Consumer）
    Consumer消费的一种类型，应用通常主动调用Consumer的拉消息方法从Broker服务器拉消息、主动权由应用控制。一旦获取了批量消息，应用就会启动消费过程。
  8. 推动式消费（Push Consumer）
    Consumer消费的一种类型，该模式下Broker收到数据后会主动推送给消费端，该消费模式一般实时性较高。
  9. 生产者组（Producer Group）
    同一类Producer的集合，这类Producer发送同一类消息且发送逻辑一致。如果发送的是事务消息且原始生产者在发送之后崩溃，则Broker服务器会联系同一生产者组的其他生产者实例以提交或回溯消费。
  10. 消费者组（Consumer Group）
    同一类Consumer的集合，这类Consumer通常消费同一类消息且消费逻辑一致。消费者组使得在消息消费方面，实现负载均衡和容错的目标变得非常容易。要注意的是，消费者组的消费者实例必须订阅完全相同的Topic。RocketMQ 支持两种消息模式：集群消费（Clustering）和广播消费（Broadcasting）。
  11. 集群消费（Clustering）
    集群消费模式下,相同Consumer Group的每个Consumer实例平均分摊消息。
  12. 广播消费（Broadcasting）
    广播消费模式下，相同Consumer Group的每个Consumer实例都接收全量的消息。
  13. 普通顺序消息（Normal Ordered Message）
    普通顺序消费模式下，消费者通过同一个消息队列（ Topic 分区，称作 Message Queue） 收到的消息是有顺序的，不同消息队列收到的消息则可能是无顺序的。
  14. 严格顺序消息（Strictly Ordered Message）
    严格顺序消息模式下，消费者收到的所有消息均是有顺序的。
  15. 消息（Message）
    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。RocketMQ中每个消息拥有唯一的Message ID，且可以携带具有业务标识的Key。系统提供了通过Message ID和Key查询消息的功能。
  16. 标签（Tag）
    为消息设置的标志，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。

2. 基础

2.1 消息存储

消息存储是 RocketMQ 中最为复杂和最为重要的一部分，我们主要是从概念上对其理解，其实现不作过多分析，其存储整体结构如下所示：
rocketmq_message_storage

消息存储架构图中主要有下面三个跟消息存储相关的文件构成。

  1. CommitLog：存储消息及元数据信息，由 Producer 写入, 消息内容不是定长的。单个文件大小默认 1G, 文件名长度为 20 位，左边补零，剩余为起始偏移量，比如 00000000000000000000 代表了第一个文件，起始偏移量为 0，文件大小为 1G=1073741824；当第一个文件写满了，第二个文件为 00000000001073741824 ，起始偏移量为 1073741824 ，以此类推。消息主要是顺序写入日志文件，当文件满了，写入下一个文件；

  2. ConsumeQueue：消息消费队列，等同于概念模型中的 MessageQueue，Consumer 根据 ConsumeQueue 来查找待消费的消息。其中，ConsumeQueue（逻辑消费队列）作为消费消息的索引，保存了指定 Topic 下的队列消息在 CommitLog 中的起始物理偏移量 offset，消息大小 size 和消息Tag 的 HashCode 值。consumequeue 文件可以看成是基于 topic 的 commitlog 索引文件，故 consumequeue 文件夹的组织方式如下：topic/queue/file 三层组织结构，具体存储路径为：$HOME/store/consumequeue/{topic}/{queueId}/{fileName}。同样 consumequeue 文件采取定长设计，每一个条目共 20 个字节，分别为 8 字节的 commitlog 物理偏移量、4 字节的消息长度、8 字节 tag hashcode，单个文件由 30W 个条目组成，可以像数组一样随机访问每一个条目，每个 ConsumeQueue 文件大小约 5.72M；

  3. IndexFile：IndexFile（索引文件）提供了一种可以通过 key 或时间区间来查询消息的方法。Index 文件的存储位置是：$HOME \store\index${fileName}，文件名 fileName 是以创建时的时间戳命名的，固定的单个IndexFile 文件大小约为 400M，一个 IndexFile 可以保存 2000W 个索引，IndexFile 的底层存储设计为在文件系统中实现 HashMap 结构，故 RocketMQ 的索引文件其底层实现为 hash 索引。

从 RocketMQ 的消息存储整体架构图中可以看出，RocketMQ 采用的是混合型的存储结构，即为 Broker 单个实例下所有的队列共用一个日志数据文件（即为CommitLog）来存储。多个Topic的消息实体内容都存储于一个CommitLog中，Producer 发送消息到 Broker 端，然后 Broker 端使用同步或者异步的方式对消息刷盘持久化，保存至 CommitLog 中。只要消息被刷盘持久化至磁盘文件 CommitLog 中，那 么Producer 发送的消息就不会丢失。

2.2 消息过滤

消息过滤是订阅/消费消息的时候处理的，Consumer 先从 ConsumeQueue 中拿到消息的索引，再去 CommitLog 中取到数据，过滤的操作就是根据索引来进行的，我们先看下 ConsumeQueue 中消息索引的格式：

rocketmq_message_index

可以看到其中有 8 个字节存储的 Message Tag 的哈希值，基于 Tag 的消息过滤正是基于这个字段值的。RocketMQ 支持两种过滤方式，1）Tag 过滤，Consumer 在订阅消息时除了指定 Topic 还可以指定 Tag，如果一个消息有多个 Tage ，可以用||分隔。从 ConsumeQueue 读取到记录后，会根据 tag hash 值去做过滤，由于使用 hashcode 进行判断，只能进行整体过滤，无法精确对 tag 原始字符串进行过滤，所以 Cousumer 接收到消息之后，还需要对消息的原始 tag 字符串进行比对，如果不同，则丢弃该消息，不进行消息消费。2） SQL92 过滤，使用 SQL 表达式进行过滤。

2.3 消息负载均衡

RocketMQ 中的负载均衡都在 Client 端完成，具体来说的话，主要可以分为 Producer 端发送消息时候的负载均衡和 Consumer 端订阅消息的负载均衡。

Producer 端负载均衡
Producer 端在发送消息的时候，会找到 Topic 相关的所有 MessageQueue 信息，根据一定的负载策略选择一个 MessageQueue 进行发送。

Consumer 端负载均衡
Consumer 端负载均衡的主要目的是将 Topic 下的 MessageQueue 分配给 CousumerGroup 中的 Consumer，并保证一个 MessageQueue 只能被一个 Consumer 消费（集群模式下）。

rocketmq_message_allocate

3. 部署

3.1 单机部署

由于只是用于实验目的，只需要部署单 Master 模式。

官方推荐配置

  1. 64bit OS, Linux/Unix/Mac is recommended;(Windows user see guide below)
  2. 64bit JDK 1.8+;
  3. Maven 3.2.x;
  4. Git;
  5. 4g+ free disk for Broker server

下载 RocketMQ V4.8.0，并解压到安装目录
https://www.apache.org/dyn/closer.cgi?path=rocketmq/4.8.0/rocketmq-all-4.8.0-source-release.zip

修改配置
1. 修改 rocketmq-4.8.0/conf/broker.conf
如果部署在公有云上，需要将 brokerIP 和 namesrvAddr 设置为公网 ip 地址和端口

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brokerClusterName = DefaultCluster
brokerName = broker-a
brokerId = 0
deleteWhen = 04
fileReservedTime = 48
brokerRole = ASYNC_MASTER
flushDiskType = ASYNC_FLUSH
## broker ip
brokerIP1=公网ip 

## na
namesrvAddr=公网ip:9876

2. 修改内存大小
RocketMQ 默认内存配置是 4G, 单机版本配置启动 1台 nameServer 及 1台 broker, 如果配置不够的话，需要修改 runbroker.sh 和 runserver.sh 脚本。

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JAVA_OPT="${JAVA_OPT} -server -Xms2g -Xmx2g -Xmn1g"

根据情况修改，这里修改为 2G.

3.2 命令

1. 启动 nameServer

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cd rocketmq-4.8.0/bin

nohup sh mqnamesrv -n 外网ip:9876 &

# -n: 指定nameserv ip 地址

2. 启动 broker

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cd rocketmq-4.8.0

nohup sh bin/mqbroker -n 外网ip:9876 -c conf/broker.conf &

# -n: 指定nameserv ip 地址
# -c: 指定配置文件

3. 关闭服务器

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# 关闭 broker
./mqshutdown broker

# 关闭 namesrv
./mqshutdown namesrv

4. Topic 命令

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# 创建 topic
sh mqadmin updateTopic -n 外网ip:9876 -c DefaultCluster -t <topic name>

# 查询 topic
sh mqadmin topicList –n 外网ip:9876

说明:
在 RocketMQ 中，Topic 须提前创建。


参考：

1. RocketMQ 基本概念

2. RocketMQ 架构设计

3. RocketMQ 设计(design)

4. 一文讲透Apache RocketMQ技术精华

5. RocketMQ Quick Start