分布式微服务系统架构第172集：Kafka、MongoDB、Redis、MySQL

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物联网（IoT，Internet of Things）产品的实现原理，其核心是**"感知 → 传输 → 处理 → 应用"**四个环节。可以分解为以下几个层次：

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1. 感知层（设备端）

• 作用：让物理世界中的设备"能感知"。

• 技术原理：

• • 传感器：采集环境数据（温度、湿度、位置、加速度、图像、声音等）。

  • 执行器：接收控制指令并作用于物理世界（开关电机、点亮灯光、调节阀门）。

  • 嵌入式系统：通常用单片机、ARM 芯片或模组（如 ESP32、STM32、瑞芯微、展锐等）运行轻量化固件，负责数据采集与初步处理。

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2. 网络层（通信传输）

• 作用：让设备"能联网"。

• 通信方式：

• • 短距离：Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee、LoRa、NFC。

  • 广域网：4G/5G、NB-IoT、LTE-M、卫星通信。

  • 协议栈：MQTT、CoAP、HTTP/HTTPS、Modbus 等。

• 网关角色：部分 IoT 产品使用网关（例如智能家居网关）来统一接入不同协议的设备，并转发到云端。

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3. 平台层（云端/边缘端处理）

• 作用：让数据"能计算"。

• 实现原理：

• • 数据接入：IoT 平台（阿里云 IoT、华为 IoT Core、自建 MQTT Broker）接收设备上报的数据。

  • 数据处理：通过流处理、大数据分析、规则引擎进行实时计算。

  • 存储：使用时序数据库（如 InfluxDB、TimescaleDB）、大数据平台（HDFS、ClickHouse）存储历史数据。

  • 边缘计算：在靠近设备的边缘服务器预处理数据，降低延迟与流量压力。

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4. 应用层（用户与业务）

• 作用：让数据"能服务"。

• 表现形式：

• • 可视化：通过 App、小程序、Web 平台展示设备状态、历史趋势、告警。

  • 控制：远程下发指令（如开关空调、调整灯光、远程升级固件 OTA）。

  • 智能化：结合 AI/大数据进行预测与自动化控制（如电动车电池换电调度、智慧城市红绿灯控制）。

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5. 安全与运维（横向支撑）

• 安全机制：

• • 数据加密（TLS/DTLS、AES）、身份认证（JWT、证书）、访问控制。

• 设备运维：

• • OTA 升级（远程固件更新）、日志监控、异常检测、自动恢复。

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✅ 一句话总结 ：

物联网产品通过 传感器采集数据 → 网络上传输 → 平台处理分析 → 应用层呈现与控制，实现了"物理世界数字化 + 数字世界反向控制物理世界"的闭环。

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一、拓扑与主机规格（按环境分层）

环境	Kafka	MongoDB	Redis	MySQL	建议主机
Dev/测试	1 节点（KRaft 单点）	单机（非副本集）	单机	单机	1 台 8C/16G/200G SSD
Staging	3 Broker（KRaft）	3 节点副本集（PSA）	3 主 + 3 从（Sentinel 3）	主从 1+1（或 MGR 3）	5--7 台 8--16C/32G/本地 SSD
Prod	3--5 Broker（KRaft）	3 节点副本集（PSA）	3 主 + 3 从（Sentinel 3）或 Redis Cluster 6 节点	MySQL 主从 1+1 或 MGR 3--5	各集群独立；Kafka/Mongo 强烈建议用本地 NVMe SSD；万兆网

磁盘：Kafka/Mongo/MySQL 一律 NVMe SSD、本地盘 ；Redis 优先内存，但 AOF/RDB 在本地 SSD。

网络：万兆（或 ≥5 Gbps）+ 独立业务网段；Broker/DB 间低延迟尤为关键。

容器化：生产建议 Kubernetes ；最简先上 docker-compose 验证。

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二、Linux 通用与 I/O 调优（所有节点）

内核 & ulimit（/etc/security/limits.d/99-sys.conf）：

* soft nofile 1048576
* hard nofile 1048576
* soft nproc  1048576
* hard nproc  1048576
root soft core unlimited

sysctl（/etc/sysctl.d/99-sys.conf）：

vm.swappiness=1
vm.max_map_count=262144
vm.dirty_ratio=10
vm.dirty_background_ratio=5
fs.file-max=2097152
net.core.somaxconn=65535
net.ipv4.tcp_tw_reuse=1
net.ipv4.tcp_fin_timeout=15
net.ipv4.ip_local_port_range=1024 65000

生效：sysctl --system

THP & NUMA（Mongo/Redis 节点强烈建议）：

echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/enabled
echo never > /sys/kernel/mm/transparent_hugepage/defrag

挂载建议：

• 数据盘 ext4/xfs，挂载时加 noatime,nodiratime。

• 独立分区：/var/lib/kafka、/var/lib/mongo、/var/lib/mysql、/var/lib/redis。

时钟与时区：

timedatectl set-ntp true
timedatectl set-timezone Asia/Singapore

安全与网络：

• 最小化安全组端口：

• • Kafka：外部客户端 9092（或你的外部端口），控制器内部 9093（内网）。

  • Mongo：27017 内网放行。

  • Redis：6379 内网放行；Sentinel 26379 内网放行。

  • MySQL：3306 内网放行。

• 必开 TLS/密码；生产禁公网直连数据库与 Redis。

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三、各中间件要点配置

1) Kafka（KRaft 模式，建议 3--5 Broker）

目录：/etc/kafka/，数据：/var/lib/kafka

server.properties（每个 broker 都要，ID/监听地址不同）：

process.roles=broker,controller
node.id=1
controller.quorum.voters=1@kafka-1:9093,2@kafka-2:9093,3@kafka-3:9093

listeners=PLAINTEXT://0.0.0.0:9092,CONTROLLER://0.0.0.0:9093
advertised.listeners=PLAINTEXT://<broker内网IP或域名>:9092
inter.broker.listener.name=PLAINTEXT
controller.listener.names=CONTROLLER

log.dirs=/var/lib/kafka/logs
num.network.threads=8
num.io.threads=16
socket.send.buffer.bytes=1048576
socket.receive.buffer.bytes=1048576
socket.request.max.bytes=104857600

# 生产建议
num.partitions=6
default.replication.factor=3
min.insync.replicas=2
unclean.leader.election.enable=false
log.retention.hours=168
log.segment.bytes=1073741824
log.cleanup.policy=delete

首次格式化 KRaft 元数据（仅一次）：

KAFKA_CLUSTER_ID=$(kafka-storage.sh random-uuid)
kafka-storage.sh format -t $KAFKA_CLUSTER_ID -c /etc/kafka/server.properties

随后 systemd 或容器启动每个 broker 即可。

生产补充：

• 建专用 内网域名 做 advertised.listeners；避免客户端连公网。

• 跨机房/多集群用 MirrorMaker2 做容灾同步。

• 监控：kafka_exporter + Prometheus + Grafana。

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2) MongoDB（3 节点副本集）

目录：/etc/mongod.conf，数据：/var/lib/mongo

mongod.conf（每节点相同，只是 bindIP/hostname 不同）：

storage:
  dbPath: /var/lib/mongo
  wiredTiger:
    engineConfig:
      cacheSizeGB: 8           # 约为内存的 30--50%
systemLog:
  destination: file
  path: /var/log/mongodb/mongod.log
  logAppend: true
net:
  port: 27017
  bindIp: 0.0.0.0
replication:
  replSetName: rs0
security:
  authorization: enabled
processManagement:
  fork: false

初始化副本集（在任一节点 mongo shell 执行）：

rs.initiate({
  _id: "rs0",
  members: [
    { _id: 0, host: "mongo-1:27017", priority: 2 },
    { _id: 1, host: "mongo-2:27017", priority: 1 },
    { _id: 2, host: "mongo-3:27017", priority: 0, arbiterOnly: false }
  ]
})

生产补充：

• 关闭 THP、设置 vm.swappiness=1。

• 独立磁盘，预留充足 IOPS。

• 备份：mongodump 或 快照 ；重要业务建议用 物理快照 + Oplog。

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3) Redis（Sentinel 或 Cluster）

方案 A：Sentinel（3 个 Sentinel，主从 1+1 起步）

redis.conf（master/slave 类似）：

port 6379
bind 0.0.0.0
protected-mode yes
requirepass <STRONG_PASSWORD>
masterauth <STRONG_PASSWORD>
appendonly yes
appendfsync everysec
save 900 1
save 300 10
save 60 10000
maxmemory <按节点内存设置，如 24gb>
maxmemory-policy volatile-lru

sentinel.conf（3 台各一份）：

port 26379
bind 0.0.0.0
sentinel monitor mymaster <master-host> 6379 2
sentinel auth-pass mymaster <STRONG_PASSWORD>
sentinel down-after-milliseconds mymaster 5000
sentinel failover-timeout mymaster 60000

方案 B：Redis Cluster（3 主 3 从，适合大容量/横向扩展）

• 用 redis-cli --cluster create ... 初始化；

• 注意 持久化 + 自动故障切换 配合业务一致性。

生产补充：

• 尽量 不 公网暴露；只对内网放行。

• 监控：redis_exporter。

• 大 key、热 key、慢查询追踪要开启。

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4) MySQL（8.0+，主从或 MGR）

目录：/etc/my.cnf，数据：/var/lib/mysql

my.cnf（生产最小集）：

[mysqld]
user=mysql
bind-address=0.0.0.0
server_id=1                 # 每节点唯一
gtid_mode=ON
enforce_gtid_consistency=ON
log_bin=/var/lib/mysql/mysql-bin
binlog_format=ROW
binlog_expire_logs_seconds=604800

# InnoDB
innodb_buffer_pool_size=24G # 约内存60--70%
innodb_log_file_size=2G
innodb_flush_log_at_trx_commit=1
innodb_flush_method=O_DIRECT
innodb_io_capacity=2000

# 连接
max_connections=2000
table_open_cache=4000
open_files_limit=1000000

# 字符集
character-set-server=utf8mb4
collation-server=utf8mb4_general_ci

# 其他
sql_mode=STRICT_ALL_TABLES,ERROR_FOR_DIVISION_BY_ZERO,NO_ENGINE_SUBSTITUTION

主从快速搭建（概要）：

1. 主库创建复制账号：

   CREATE USER 'repl'@'%' IDENTIFIED BY 'REPL_P@ss!';
   GRANT REPLICATION SLAVE ON *.* TO 'repl'@'%';
   FLUSH PRIVILEGES;

2. 从库执行：

   CHANGE REPLICATION SOURCE TO
     SOURCE_HOST='mysql-master', SOURCE_PORT=3306,
     SOURCE_USER='repl', SOURCE_PASSWORD='REPL_P@ss!',
     SOURCE_AUTO_POSITION=1;
   START REPLICA;
   SHOW REPLICA STATUS\G

生产补充：

• 强烈建议 MGR（Group Replication） 做多主/单主高可用。

• 备份：xtrabackup（热备）+ binlog；做 定期恢复演练。

• 监控：mysqld_exporter + 慢日志 + Performance Schema。

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四、容器化快速起步（单机 docker-compose 验证）

适合在一台 8C/16G/200G SSD 机器验证联通性，生产再上 K8s。

version: "3.8"
services:
# Kafka (KRaft 单机，仅供联调)
  kafka:
    image: bitnami/kafka:latest
    ports: ["9092:9092"]
    environment:
      - KAFKA_CFG_PROCESS_ROLES=broker,controller
      - KAFKA_CFG_NODE_ID=1
      - KAFKA_CFG_CONTROLLER_QUORUM_VOTERS=1@kafka:9093
      - KAFKA_CFG_LISTENERS=PLAINTEXT://:9092,CONTROLLER://:9093
      - KAFKA_CFG_ADVERTISED_LISTENERS=PLAINTEXT://localhost:9092
      - KAFKA_CFG_CONTROLLER_LISTENER_NAMES=CONTROLLER
      - KAFKA_CFG_INTER_BROKER_LISTENER_NAME=PLAINTEXT
      - ALLOW_PLAINTEXT_LISTENER=yes
    volumes:
      - ./data/kafka:/bitnami/kafka
    restart: unless-stopped

  mongo:
    image: mongo:7
    command: ["--bind_ip_all"]
    ports: ["27017:27017"]
    volumes:
      - ./data/mongo:/data/db
    restart: unless-stopped

  redis:
    image: redis:7
    command: ["redis-server","--appendonly","yes","--requirepass","redisP@ss!"]
    ports: ["6379:6379"]
    volumes:
      - ./data/redis:/data
    restart: unless-stopped

  mysql:
    image: mysql:8
    environment:
      - MYSQL_ROOT_PASSWORD=RootP@ss!
      - MYSQL_DATABASE=appdb
    command: ["mysqld","--default-authentication-plugin=mysql_native_password"]
    ports: ["3306:3306"]
    volumes:
      - ./data/mysql:/var/lib/mysql
    restart: unless-stopped

备注：仅用于联调 。生产务必启用 TLS、内网域名、密码保管（KMS/Secrets） ，并将 Kafka 拆成 3+ 节点，Mongo 副本集，Redis Sentinel/Cluster，MySQL 主从/MGR。

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五、备份与巡检

• Kafka ：以主题/分区为维度做保留策略（log.retention.hours），跨集群用 MirrorMaker2 做异地复制。

• MongoDB ：mongodump + 定期快照（或卷快照）；保留 oplog 满足增量恢复。

• Redis：AOF+RDB 均启用，AOF 重写窗口在业务低峰；主从切换演练。

• MySQL ：xtrabackup 热备 + binlog 增量；周度 恢复演练。

• 监控：Prometheus + Grafana + Exporters（kafka/mongo/redis/mysql/node）+ 告警通道。

• 日志：集中化（Loki/ELK），至少保 7--14 天。

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六、你可以立刻执行的小清单

1. 先在一台测试机用上面的 docker-compose 验证四件套连通。

2. 按"二、Linux 调优"在目标节点批量设置 limits 与 sysctl。

3. 生产环境：按"三"用 3 台 Kafka、3 台 Mongo、6 台 Redis（3+3）、2--3 台 MySQL 起集群。

4. 上 Prometheus + Grafana，接入各 exporters。

5. 配置 自动备份 与 恢复演练（脚本 + 日历排期）。

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