模块 3 作业 3

前言本文是公司游戏业务线自研消息队列中间件的详细架构设计文档，包括总体架构设计，详细设计，质量设计和演进规划几个模块，用于指导消息队列后续的开发、测试和运维工作

词汇表

Reactor: 网络编程模式

Netty: 开源的网络编程框架

1. 业务背景

随着当前公司游戏业务的不断发展，业务上拆分的子系统越来越多，目前系统间的调用都是同步调用，由此带来几个明显的系统问题：

1).性能问题：当 VIP 用户购买游戏充值币时，VIP 子系统需要同步调用通知福利子系统进行奖品发放，要通知客服子系统安排专属服务人员，要通知商品子系统进行商品打折处理……性能很低。等级子系统的开发人员也是不胜其烦。。

2).耦合问题：当新增一个子系统时，例如如果要增加“广告子系统”，那么广告子系统需要开发新的接口给游戏发布子系统调用。且不能对广告子系统进行单独的修改或升级；

3).效率问题：每个子系统提供的接口参数和实现都有一些细微的差别，导致每次都需要重新设计接口和联调接口，开发团队和测试团队花费了许多重复工作量。当有新版本需要发布时，需要多个部门的配合，效率很低：

a. 游戏厂家更新游戏版本后，运营人员获取最新的游戏包，更新版本信息，然后上传包到包管理系统打测试包，运营人员进行基本测试。运营子系统通知论坛有新的包将要发布，进行预热。

b. 测试完成后，运营管理子系统要通知包管理系统进行打包

c. 游戏准点正式发布的时候，运营子系统要通知 App、Web 站点等即时更新到新版本

基于以上背景，我们需要引入消息队列，将目前的同步调用改为异步通知，一方面解决子系统间同步调用时等待时间长的问题；另一方面，进行系统解耦，各子系统可以独立的开发和升级；且各系统可以统一消息格式来互相访问。

使用系统边界黑盒图来描述系统与外界的边界和交互关系

2. 约束和限制

1).须在 2021.10.30 完成

2).成本不能超过 200 万

3).数据库采用 Mysql

3.总体架构

3.1 架构分析

架构复杂度的分析

a.业务优先考虑可用性；

对于游戏 VIP 子系统来说，如果用户充值的消息丢了，导致用户充值后，没有进行相应游戏币或福利的发放；或角色道具的配置，会是非常严重的事情，用户会马上进行投诉的；

对于等级子系统来说，如果用户达到相应等级后，系统没有给他奖品和专属服务，则 VIP 用户会很不满意，导致用户流失从而损失收入，虽然也比较关键，但没有审核子系统丢消息那么严重。

综合来看，消息队列需要高可用性，包括消息写入、消息存储、消息读取都需要保证高可用性。

b.可维护性

各种维护操作要方便，例如收发消息情况、丢消息的数量、权限控制、上下线等

c.成本

因为是自研项目，相比购买阿里云提供的服务，成本不能太高；同时，开发时间也不能太长。

3.2 总体架构总体架构设计：

1）采用数据分散集群的架构，集群中的服务器进行分组，每个分组存储一部分消息数据。

2）每个分组包含一台主 MySQL 和一台备 MySQL，分组内主备数据复制，分组间数据不同步。

3）正常情况下，分组内的主服务器对外提供消息写入和消息读取服务，备服务器不对外提供服务；

4）主服务器宕机的情况下，备服务器对外提供消息读取的服务。

5）客户端采取轮询的策略写入和读取消息。

系统架构图：

Role&Relation 关系：

【客户端 Role 设计】

1. 客户端采用 Java 语言开发，基于 Netty 实现与服务端交互【服务器 Role 设计】

2. 服务器基于 Netty 开发，采用 Reactor 网络模型

3. 两台服务器组成一个 sharding，整个系统可以多个 sharding，每个 sharding 包含一主一从两台服务器（可以对比 MongoDB shard）

4. 主服务器提供消息读写操作，从服务器只提供消息读取操作

5. 服务器基于 ZooKeeper 进行主从切换

【客户端和服务器的 Relation 设计】

1. 客户端与服务端采用 TCP 连接，采用 Json 传递数据

2. 为了兼容非 Java 系统，服务端同时提供 HTTP 接口【MySQL 的 Role 和 Relation 设计】

3. 采用 MySQL 主从同步

4. 每个消息队列对应一个表

5. 消息表最多存储 30 天内的消息，过期的自动清除

6. 直接用 MySQL 的主从复制来实现数据复制

4.详细设计

4.1 核心功能

4.1.1【消息发布】

1. 消息队列系统涉及到两个角色：生产者和消费者，每个角色都有唯一的名称。

2. 消息队列系统提供 SDK 供各业务系统调用，SDK 从配置中读取所有消息队列系统的服务器信息，SDK 采取轮询算法发起消息写入请求给主服务器。

3. 如果某个主服务器无响应或者返回错误，SDK 将发起请求发送到下一台主服务，相当于在客户端实现了分片的功能；

4.1.2【消息读取】

1. 消息队列系统提供 SDK 供各业务系统调用，SDK 从配置中读取所有消息队列系统的服务器信息，轮流向所有服务器发起消息读取请求。

2. 消息队列服务器需要记录每个消费者的消费状态，即当前消费者已经读取到了哪条消息，当收到消息读取请求时，返回下一条未被读取的消息给消费者。

3. 默认情况下主服务器提供读写服务，当主服务器挂掉后，从服务器提供读消息服务

4.1.3【服务器主从切换】

1. 同一组的主从服务器配置相同的 group 名称，在 ZooKeeper 建立对应的 PERSISENT 节点

2. 主从服务器启动后，在 ZooKeeper 对应的 group 节点下建立 EPHEMERAL 节点，名称分为为 master 和 slave

3. 从服务器 watch 主服务器的 master 节点状态，当 master 节点超时被删除后，从服务器接管读消息，收到客户端 SDK 的读消息请求后返回消息，收到客户端 SDK 的写请求直接拒绝 Todo。。。序列图

4.2 关键设计

1）消息发送可靠性业务服务器中嵌入消息队列系统提供的 SDK，SDK 支持轮询发送消息，当某个分组的主服务器无法发送消息时，SDK 挑选下一个分组主服务器重发消息，依次尝试所有主服务器直到发送成功；如果全部主服务器都无法发送，SDK 可以缓存消息，也可以直接丢弃消息，具体策略可以在启动 SDK 的时候通过配置指定。如果 SDK 缓存了一些消息未发送，此时恰好业务服务器又重启，则所有缓存的消息将永久丢失，这种情况 SDK 不做处理，业务方需要针对某些非常关键的消息自己实现永久存储的功能。2）消息存储可靠性消息存储在 MySQL 中，每个分组有一主一备两台 MySQL 服务器，MySQL 服务器之间复制消息以保证消息存储高可用。如果主备间出现复制延迟，恰好此时 MySQL 主服务器宕机导致数据无法恢复，则部分消息会永久丢失，这种情况不做针对性设计，DBA 需要对主备间的复制延迟进行监控，当复制延迟超过 30 秒的时候需要及时告警并进行处理。

3）消息如何存储每个消息队列对应一个 MySQL 表，消息队列名就是表名，表结构设计为

CREATE TABLE user_charging_queue (msg_id INT(11) UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT 'id',msg_time DATETIME NULL DEFAULT NULL COMMENT '发消息的时间',msg VARCHAR(512) NULL DEFAULT NULL COMMENT '消息 json 串',PRIMARY KEY (msg_id) USING BTREE)COMMENT='用户充值的消息表'COLLATE='utf8_general_ci'ENGINE=InnoDBAUTO_INCREMENT=569;]

4.3 设计规范

1）消息队列服务器使用 Spring Boot 2.x + Netty 开发

2）MySQL 5.7，使用 Innodb 存储引擎；

3）TCP 包的结构设计

5. 质量设计

5.1 消息队列管理后台支持消息队列的状态展示：

有多少个队列，每个队列里有多少条消息，

队列的消息发送速率，消费速率；

5.2 成本

集群涉及大约 12 台服务器，硬件成本为 10 万/年；

开发人工成本：开发人员 6 人 3 月 3 万=48 万测试

人工成本： 测试人员 2 人 2 月 3 万=12 万

6.演进规划

6.1 消息队列一期 截止到 2021 年 10 月搭建硬件环境；开发消息系统的最小功能应用，实现消息的分片保存和读取；

6.2 消息队列二期 2021 年 11 月-2022 年 5 月优化消息系统功能，实现消息的高吞吐量的存和读取；

实现异常情况的保护机制：SDK 缓存一些消息。如果缓存的消息未发送，此时恰好业务服务器又重启，则所有缓存的消息将永久丢失，这种情况 SDK 不做处理，业务方需要针对某些非常关键的消息自己实现永久存储的功能。

服务端主从复制异常的告警机制；