MQ系列4：NameServer 原理解析 Hello

MQ系列1：消息中间件执行原理
MQ系列2：消息中间件的技术选型
MQ系列3：RocketMQ 架构分析

1 关于NameServer

上一节的 MQ系列3：RocketMQ 架构分析，我们大致介绍了 RocketMQ的基本组件构成，包括 NameServer、Broker、Producer以及Consumer四部分。
NameServer，指的是服务可以根据给定的名字来进行资源或对象的地址定位，并获取有关的属性信息。在Rocket中也一样，NameServer是 RocketMQ 的服务注册中心（类似于 Kafka 集群 后面的 Zookeeper 集群一样， 对集群元数据进行管理），根据元数据（ip、port和router信息）来唯一定位服务。RocketMQ 需要先启动 NameServer ，再启动 Rocket 中的 Broker。

2 NameServer运行流程

2.1 注册

注册发生在Broker启动之后，启动后快速与NameServer建立长连接，并每30s对NameService发送一次心跳包，Broker会将自己的IP Address、Port、Router 等信息随着心跳一并注册到 NameServer中。

这里的RouterInfo 主要指Broker下包含哪些Topic信息，这种映射关系方便后面消息的生产和消费的时候进行寻址。

注册使用到的核心数据结构如下：
HashMap<String BrokerName, BrokerData> brokerAddrTable

• HashMap 的 Key 是 Broker 的名称，存储了一个Broker服务所对应的属性信息。
• Value 是个对象，数据结构如下：

字段	类型	说明
cluster	String	所属的集群名称
broker	String	broker的名称
brokerAddress	HashMap	Broker的IP地址列表，包含一个Master IP地址列表 和 多个Slave IP地址列表

" Broker-A":{
	"cluster":"Broker-Cluster",
	"brokerName":"Broker-A",
	"cluster":{  // 1主2从
	   "0":"192.168.0.1:1234",
	   "1":"192.168.0.2:1234"，
	   "2":"192.168.0.3:1234"
	}
}

2.2 注册信息更新

当你对你的Broker中的Topic信息进行更新了（增、删、改）怎么办，你才需要重新将信息注册到NameServer中。

• 如果你创建了新的 Topic，Broker会向 NameServer 发送注册信息，接收到信息后会对每个Master 角色的Broker ，创建一个新的QueueData对象。
• 如果你修改了Topic，则NameServer 会先把旧的 QueueData 删除，在加一个新的 QueueData。
• 如果你删除了Topic，则NameServer 会将对应的 QueueData 删除。

使用到的核心数据结构如下：
HashMap<String topic, List<QueueData>> topicQueueTable

• HashMap 的 Key 是 Topic 的名称，里面存储了Topic的所有属性信息。
• Value 是个列表，列表的数据类型是 QueueData，列表的length就是Topic中的 Master角色的 Broker 个数。
• QueueData的结构如下

字段	类型	说明
brokerName	String	broker名称
readQueueNums	Long	读Queue的数量
writeQueueNums	Long	写Queue的数量
perm	Integer	权限 PRIORITY = 3， READ = 2， WRITE = 1 ， INHERIT = 0
topicSyncFlag	Long	同步的位置标识

{
  "topic-test":[ // topic名称，注意下面会用到
   { 
    "brokerName":"Broker-A",
	"readQueueNums":37,
	"writeQueueNums":37,
	"perm":6,  // 读写权限
	"topicSynFlag":12
   },
   { 
    "brokerName":"Broker-B",
	"readQueueNums":37,
	"writeQueueNums":37,
	"perm":6,  // 读写权限
	"topicSynFlag":12
   } 
 ]
}

参考RocketMQ源码如下，这边加了注释，方便理解：

    /**
     * 创建或者更新 MessageQueue 的数据
     * @param brokerName
     * @param topicConfig
     */
    private void createAndUpdateQueueData(final String brokerName, final TopicConfig topicConfig) {
        QueueData queueData = new QueueData();
        queueData.setBrokerName(brokerName); // broker 名称
        queueData.setWriteQueueNums(topicConfig.getWriteQueueNums());   // 读Queue的数量
        queueData.setReadQueueNums(topicConfig.getReadQueueNums());  // 写Queue的数量
        queueData.setPerm(topicConfig.getPerm());  // 权限： PRIORITY = 3， READ = 2， WRITE = 1 ， INHERIT = 0
        queueData.setTopicSynFlag(topicConfig.getTopicSysFlag());

        List<QueueData> queueDataList = this.topicQueueTable.get(topicConfig.getTopicName());
        if (null == queueDataList) {  // 新增
            queueDataList = new LinkedList<QueueData>();
            queueDataList.add(queueData);
            this.topicQueueTable.put(topicConfig.getTopicName(), queueDataList);
            log.info("new topic registerd, {} {}", topicConfig.getTopicName(), queueData);
        } else {   // 更新
            boolean addNewOne = true;   
            Iterator<QueueData> it = queueDataList.iterator();
            while (it.hasNext()) {
                QueueData qd = it.next();
                if (qd.getBrokerName().equals(brokerName)) {
                    if (qd.equals(queueData)) {
                        addNewOne = false;
                    } else {
                        log.info("topic changed, {} OLD: {} NEW: {}", topicConfig.getTopicName(), qd,
                                queueData);
                        it.remove();   // 先删除
                    }
                }
            }
            if (addNewOne) {
                queueDataList.add(queueData);   // 再添加
            }
        }
    }

2.3 异常清理

如果Broker挂掉，那么再被消息的生产者和消费者使用就会有问题了。这时候需要对已经宕掉的Broker进行清理，确保NamServer中注册的Broker服务信息都是Alive的。它的做法是这样的：

• 前面我们说了，Broker每30s对NameService发送一次心跳包给NameServer
• NameServer接收到心跳包的时候，会将当前时间戳更新到 brokerLiveTable 表的 lastUpdateTimestamp 字段中。
• NameServer中会启动一个定时任务
• 每10s（记住这边扫描是10s间隔，与上面心跳包区分开）扫描 一下 brokerLiveTable 表
• 检查lastUpdateTimestamp字段，如果时间戳与当前时间相隔超过 120s（即两分钟），则认为 Broker 已经宕了，并会将broker清除出NameServer的注册表。
  

使用到的核心数据结构如下：
HashMap<String BrokerAddr, BrokerLiveInfo> brokerLiveTable

• HashMap 的 Key 是 Broker服务器的地址信息（IP+Port），里面存储了该Broker服务器的基本信息。
• Value 是个对象，结构如下：

字段	类型	说明
lastUpdateTimestamp	Long	最后一次收到心跳包的时间戳
dataVersion	DataVersion	数据版本号对象
channel	Channel	netty的Channel，IO数据交互媒介
haServerAddr	String	master地址，初次请求的时候值为空，slave向NameServer注册之后返回

2.4 消息生产和消费

上面的步骤都完成之后，NameServer这个 "中央大脑" 正式开始投入使用。这时候 ，消息的生产和消费具体是怎么做的呢？

• Producer 或者 Consumer 启动之后会和 NameServer 建立长连接
• 定时（默认为每30s）从 NameServer 获取Routers信息，并将路由信息保存至Producer或者Consumer的本地。
• Producer发送一条消息 hello-brand 到 topic （topic-test） 中
• 因为名称为 topic-test 的 topic 存在于多个 broker中，所以需要如下几个步骤，才能找到具体的地址：
  • 先 根据 topic 名称 topic-test 查询 topicQueueTable , 选择一个并获取它的broker信息（包含brokerName）
  • 再根据已经获取到的brokerName 查询 brokerAddressTable 获取具体的Broker IP地址（一般包含1个Master和n个Slave的IP地址）
  • 拿到IP地址之后，生产者与broker建立连接，并发送消息
  • 消费者同理
    

3 总结

上述的流程图比较清晰的描述如下运转流程：

• NameServer 作为整个 RocketMQ 的“中央大脑” ，负责对集群元数据进行管理，所以 RocketMQ 需要先启动 NameServer 再启动 Rocket 中的 Broker。
• Broker 启动后，与 NameServer 保持长连接，每 30s 发送一次发送心跳包，来确保Broker是否存活。并将 Broker 信息 ( IP+、端口等信息）以及Broker中存储的Topic信息上报。注册成功后，NameServer 集群中就有 Topic 跟 Broker 的映射关系。
• NameServer有个定时任务，每10s扫描下brokerLiveTable表 , 如果检测到某个Broker 宕机（因为使用心跳机制， 如果检测超120s（两分钟）无上报心跳），则从路由注册表中将其移除。
• 生产者在发送某个主题的消息之前先从 NamerServer 获取 Broker 服务器地址列表（通过topic名称查询topicQueueTable获得broker名称，通过broker名称查询brokerAddressTable获取具体的Broker IP地址），然后根据负载均衡算法从列表中选择1台Broker ，建立连接通道，进行消息发送。
• 消费者在订阅某个topic的消息之前从 NamerServer 获取 Broker 服务器地址列表（同上），包括关联的全部Topic队列信息。进而获取当前订阅 Topic 存在哪些 Broker 上，然后直接跟 Broker 建立连接通道，开始消费数据。
• 生产者和消费者默认每30s 从 NamerServer 获取 Broker 服务器地址列表，以及关联的所有Topic队列信息，更新到Client本地。

参考：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/388807516