Pulsar架构与设计
- 一、背景和起源
- 二、框架概述
- 三、架构图
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- 1.Broker
- [2.持久化存储（Persistent storage）](#2.持久化存储（Persistent storage）)
- [3.Pulsar元数据（Metadata store）](#3.Pulsar元数据（Metadata store）)
- 四、功能特性
- 五、设计原理
- 总结
- 参考链接
一、背景和起源
随着云原生的兴起，对消息中间件的伸缩性和多租户隔离有了更高的要求。现有的消息中间件不支持多租户的隔离，但是有一定伸缩性，需要一定的迁移工具支持和手工操作。
Pulsar是下一代云原生分布式消息平台，采用存储和计算分离架构设计，支持弹性伸缩，支持多租户、持久化存储、多机房跨区域数据复制。
二、框架概述
1.设计特点
- 下一代云原生分布式消息流平台
- 单实例支持多集群，支持跨机房在集群间消息复制
- 极低的发布延迟和端到端延迟
- 支持超过百万的消息主题。
- 支持多种消息订阅模式（独占、共享和故障转移）
- 由BookKeeper 提供的持久化消息存储机制保证消息传递
- 由轻量级的 serverless 计算框架 Pulsar Functions 实现流原生的数据处理。
- 基于 Pulsar Functions 的 Server less connector 框架 Pulsar IO 使得数据更易移入、移出
Apache Pulsar。 - 支持冷热数据分级存储
2.框架适用场景
- 适用于多租户、云服务场景
- 适用于业务波动比较大、需要弹性伸缩场景
三、架构图
一个Pulsar实例有多个Pulsar Cluster组成，Pulsar Cluster之间可以进行消息复制。
Pulsar Cluster整体架构和组成如下，其中Broker为无状态服务，用于发布和消费消息，BookKeeper用于存储。
- Broker集群：用于处理producer发出的消息；将消息存储到BookKeeper集群；将消息分配给consumer；处理集群协调任务。
- BookKeeper集群：用于消息持久化存储。
- Zookeeper集群：用于处理多个Pulsar集群之间的协调任务。
1.Broker
主要包含以下部分：
- HTTP服务器：主要是提供系统管理接口、topic查找接口
- Dispatcher：异步TCP服务器，用于数据传输
- Managed Ledger：用于缓存从BookKeeper读取的消息
Broker是无状态服务的计算节点；可以通过增加Broker来增加系统的吞吐量；某个Broker节点负载过高，可以将负载迁移到其他Broker节点。
2.持久化存储（Persistent storage）
Pulsar采用BookKeeper作为持久化存储组件。其中Bookie为数据的存储节点，采用分片机制。Bookie支持扩缩容，在扩容过程中不需要将已持久化数据迁移到新存储节点。
3.Pulsar元数据（Metadata store）
Pulsar元数据和BookKeeper元数据可以共享一个Zookeeper集群，也可以使用不同集群。Pulsar使用Zookeeper来进行元数据存储、集群配置和协调。
四、功能特性
1.消息顺序性
可以支持分区顺序性，生产者通过指定的key将消息发送到固定分区，消息订阅模式需要选择独享模式、灾备模式、key共享模式。
2.消息回溯
pulsar默认删除已经被所有Consumer确认消费完成消息，可以通过配置保留已经被消费完成的消息。
3.消息去重
通过服务器设置可以保证消息不会重复持久化存储，保证存储的幂等。
4.消息重投递
消息投递失败，会进行重新投递
5.消息重试
消息消费失败后消息会重新消费
6.消息TTL
支持消息生存期
7.延迟队列
支持任意时间延迟的消息
8.重试队列
重试队列是消费失败后，消息会重新投递到此队列，重试队列按照消费组进行设置的。
9.死信队列
重试次数达到一定次数后，会将消息投递此队列
10.消息语义
支持Exactly Once消息语义，消息确定被写入一次。producer保存发送失败消息再次发送，服务端保证重试多条消息只存储一次。
五、设计原理
1.消息去重
消息去重是指即使消息被Producer多次投递到Broker，也只会被持久化一次。Pulsar可以通过Broker配置开启消息去重功能，不需要应该代码去保证。
实现原理：
- Producer每个消息都有一个递增的唯一SequenceId
- Broker针对每个Producer保存已经接受到的最大SequenceId和已经持久化的最大SequenceId
- Broker接收的消息中SequenceId大于以上SequenceId，则正常处理；如果小于或者等于则为重复消息，直接返回Ack确认
2.消息重试
如果消费组中设置消息主题可以重试，则会（以主题和消费组为度）创建重试队列和死信队列；其中重试队列名称格式为--RETRY；死信队列名称格式为--DLQ；
整体流程为：
- 消费失败后，会将消息作为延迟消息重新投递到重试队列，利用延迟消息特性使Consumer延后一段时间重新消费
- 如果重新投递到重试队列超过一定次数，则会把消息投递到死信队列
3.延迟队列
Broker针对topic每个分区，按照subscription维度维护了DelayedDeliveryTracker优先级队列，队列中以消息的延迟投递时间进行升序排列。
- 延迟消息投递到Broker后，不用特殊处理直接持久化
- 消费时，优先检测DelayedDeliveryTracker是否有消息需要消费（延迟投递时间已到）；如有则消费；如果没有则消费正常队列消息
- 消费正常队列消息，如果消息为延迟消息，则需要把消息索引存入到DelayedDeliveryTracker优先级队列
注意：只有在共享模式和key共享模式才支持延迟队列
4.消费订阅模式
pulsar总共有四种消费订阅模式：独享模式、灾备模式、共享模式和Key共享模式；
4.1 独享模式
此模式下，一个topic的某个消费组中只有一个消费者；即使topic进行了分区，所有分区也是共享同一个消费者。
此模式可以保证全局消息顺序性。
4.2 灾备模式
此模式下，一个topic可以对应多个消费者，但是只有master consumer可以消费，当master出现异常会由其他消费者进行消费。如果topic进行了分区，则每个分区都会对应一个master消费者和多个备用消费者。
此模式可以保证分区消息顺序性。
此模式下分区topic和master消费者之间分配图：
4.3 共享模式
此模式一个分区对应多个消费者，每个消费者处理分区中的一部分数据，消费者数量可以大于分区数量。此模式下可以通过增加消费者来提高消费速度。
4.4 Key共享模式
此模式一个分区对应多个消费者，每个消费者处理分区中的一部分数据，具有相同Key的消息会分派给相同Consumer处理。此模式下可以通过增加消费者来提高消费速度。
5.生产访问模式
pulsar总共有四种生产访问模式：共享模式、独占模式、独占屏蔽模式、等待独占模式；
5.1 共享模式
一个Topic可以有多个生产者
5.2 独占模式
一个Topic只能有一个生产者，新生产者连接到topic会直接报错
5.3 独占屏蔽模式
一个Topic只能有一个生产者，新生产者连接Topic，原有的生产者会被断开连接
5.4 等待独占模式
一个Topic只能有一个生产者，新的生产者连接topic会被挂起，直到生产者获取独占访问权。
总结
作为下一代云原生消息队列，Pulsar采用存储和计算分离的架构设计，具有很好的弹性伸缩能力。Pulsar单个实例可以部署多个Pulsar集群，支持多租户、持久化存储、多机房跨区域数据复制。本文主要是介绍一下Pulsar的架构和特性，后续还会对Pulsar进行近一步研读。
参考链接
1.Pulsar简介
2.Pulsar架构