基于 MySQL 的消息队列系统架构设计文档

前言

本文是电商 SaaS 平台业务线消息队列中间件详细架构设计文档，用于指导消息队列后续的开发、测试和运维。

词汇表

Reactor: 网络编程模式

Netty: 开源的网络编程框架

Zookeeper：分布式主从服务器集群主从切换工具

Tomcat: 消息队列系统服务器

MySQL：消息队列消息的存取数据库

1. 业务背景

1.1 背景

电商系统 SaaS 平台的开发，业务上拆分的子系统比较多，系统间的同步调用带来几个明显的系统问题：

● 性能问题：当用户在商家店铺下订单后，订单记录会写入主库和从库，高并发的下单操作和访问订单操作，即使采用数据库读写分离并通过添加读节点的数量来提高并发能力，但这样做的成本较高，且订单数据的联表查询始终是低性能的。

● 耦合问题：业务子系统将商品数据、订单数据、售后数据等同步到 ES 搜索引擎时，采用同步调用的话，新增的子系统需要开发一个新接口让 ES 进行调用。

● 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。

基于以上背景，我们需要引入消息队列进行系统解耦，将目前的同步调用改为异步通知。

1.2 消息队列系统边界黑盒图：

2. 约束和限制

● 必须在 1 个月内完成。

● 成本不超过 1000 万。

● 数据库必须使用 MySQL。

● 需要具备高可用性。

3. 总体架构

消息队列系统边界白盒图：

消息队列系统架构图：

3.1 架构分析

3.1.1 高性能

需要高性能，商品、订单、售后单新建和变更的消息在高并发下会很多。

3.1.2 高可用

需要，商品信息、订单信息都是高优先级业务。

3.1.3 可扩展

不需要，消息队列的功能基本明确，无需扩展。

3.1.4 成本

开发投入人力和时间不能太长。

3.2 总体架构

3.2.1 客户端设计

1) 客户端采用 Java 语言开发，基于 Netty 实现与服务端交互。

3.2.2 服务端设计

1) 服务器基于 Netty 开发，采用 Reactor 网络模型。

2) 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）。

3) 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。

4) 服务器基于 ZooKeeper 进行主从切换。

3.2.3 客户端和服务端的关系

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。

3.2.4 服务端内部的关系

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，分组内主备数据进行复制，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) 分组内主服务器宕机的情况下，备服务器切换为主服务器并对外提供消息读取服务。

5) 客户端采取轮询的策略写入和读取消息。

6) 每个消息队列对应 MySQL 一个表。

7) 消息表最多存储 30 天内的消息，过期的自动清除。

4. 详细设计

4.1 核心功能

4.1.1 消息发布流程

1) 消息队列系统设计两个角色：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 消息读取流程

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。

4.2 关键设计

4.2.1 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。

4.2.2 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。

4.2.3 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：

4.3 设计规范

1) 消息队列服务器使用 Spring Boot + Netty 开发。

2) MySQL 使用 Innodb 存储引擎。

3) 客户端与消息队列服务器 TCP 包的结构设计：

消息发布者请求消息队列服务器 TCP 包的结构设计：

请求包：请求头+请求体

响应包：响应头+响应体

消息消费者请求消息队列服务器 TCP 包的结构设计：

请求包：请求头+请求体

响应包：响应头+响应体

5. 质量设计

5.1 可维护性

增加消息队列管理后台，提供消息队列服务器的权限管理、配置管理、监控、和维护功能。

业务架构图：

消息队列的最终业务架构图：

5.2 成本

1) 开发成本可控，团队对 Springboot、Netty、MySQL、ZooKeeper 开发技术的掌握很成熟，迭代开发可以按小版本顺序进行。

2) 硬件服务器成本可以根据线上运行情况扩容和缩容，将成本最小化。

3) 开发用到的软件系统为免费的开源产品。

5.3 可测试性

支持较好，由消息队列管理后台提供可测试性。

5.4 可观测性

可观测性由消息队列管理后台提供。

5.5 安全

由消息队列管理后台提供权限管理功能。

6. 演进规划

6.1 消息队列一期

消息队列系统服务端的实现。

6.2 消息队列二期

消息队列系统客户端 Sharding SDK 的实现，消息队列管理系统的实现。