深度剖析RabbitMQ可靠性消息投递以及实践方案

2020-05-26 16:01:25 浏览数 (1)

作者 | 阿飞的博客

来源 | 阿飞的博客

一般而言，如果你选择RabbitMQ，那肯定就是把可靠性放在第一位。毕竟，RabbitMQ可是金融行业消息队列的标配。如果把性能放在第一位，那毫无疑问，必须是Kafka。但是，可靠性毕竟是相对的，就拿大火的阿里云，AWS云，或者传统的IBM小型机，Oracle数据库，没有谁敢说自己可靠性100%，都是说几个9。所以，本文的目的很明确，就是尽可能的提高我们RabbitMQ的可靠性，从发送、存储、消费、集群、监控、告警等多个维度给出可行性方案，指导开发者以及运维人员获取更加可靠的消息投递，保障我们的业务系统安全、可靠、稳定的运行。

数据可靠性是和RabbitMQ节点、生产者、消费者以及服务器等息息相关的。本文比较长，大概分为如下几个段落：

  1. 确认机制
  2. 生产者
  3. 消费者
  4. 队列镜像
  5. 告警
  6. 监控和Metrics
  7. 健康检查

如下是一张RabbitMQ架构图，本文对可靠性的分析，会涉及到架构图中的方方面面：

1. 确认机制

当连接出现问题的时候，在客户端和服务端之间的消息可能正在投递中，还没有被Broker接收，它们可能正在被编码或者解码，或者一些其他的情况。在这种场景下，消息并没有被投递，那么它们是需要被重新投递以保障业务稳定性。确认机制让服务端和客户端知道什么时候需要做这些事情，它对于生产者和消费者保障数据安全是非常重要的。

确认机制能被用在两个方向：允许消费者告诉服务器（Broker）它已经收到了消息，也允许服务器告诉生产者它接收到了消息。前者就是我们常说的消费者Ack，后者就是我们常说的生产者Confirm。

1.1 生产者/消费者确认

生产者确认以及消费者确认接下来会单独的段落进行详细的介绍，并且有示例代码，这里就不过多的讲解了。

1.2 确认机制总结

确认机制的使用，能够保证最少一次（at least once）投递。如果没有确认机制，消息就非常可能会丢失，这时候只能保证最多一次（at most once ）。至于恰好一次投递，目前还没有哪个中间件可以保证，毕竟分布式系统非常复杂，尤其是网络的不可控，不确定的因素太多太多。

2. 生产者

当使用确认机制的时候，生产者从连接或者channel故障中恢复过来时，会重发没有被Broker确认签收的消息。如此一来，消息就可能被重复发送，因为可能是由于网络故障等原因，Broker发送了确认，但是生产者没有收到而已。亦或者，消息压根就没有发送到Broker那里去。正因为生产者为了可靠性可能会重发消息，所以在消费者消费消息处理业务时，还需要去重，或者对接受到的消息做幂等处理（推荐幂等处理）。

生产者增加确认机制非常简单，channel开启confirm模式，然后增加监听即可：

代码语言：javascript复制
// 选择确认机制
channel.confirmSelect();
// 确认消息监听
channel.addConfirmListener(new ConfirmListener() {
    @Override
    public void handleAck(long deliveryTag, boolean multiple) throws IOException {
        System.out.println("消息已经ack，tag: "   deliveryTag);
    }

    @Override
    public void handleNack(long deliveryTag, boolean multiple) throws IOException {
	    // 对于消费者没有ack的消息，可以做一些特殊处理
        System.out.println("消息被拒签，tag: "   deliveryTag);
    }
});

说明：RabbitMQ还有事务机制（txSelect、txCommit、txRollback），也能保障消息的发送。不过事务机制是「同步阻塞」的，所以不推荐使用。而confirm模式是「异步」机制。如下图所示（图片摘自《Rabbit实战指南》，皮皮厮的书籍，非常值得一看），是事务机制以及confirm方式TPS性能对比，我们可以很明显的看到，事务机制是性能最差的：

在一些很重要的业务场景，我们还需要确保消息被正确路由到了队列。为了确保消息被正确路由到一个已知的队列，我们需要确保消息被正确的从交换器传递到了队列中，并且还需要确保目标队列至少有一个消费者。我们试想，如果一个队列都没有任何消费者，那发送的消息相当于石沉大海了。

前者，我们可以通过给交换器绑定一个备份交换器解决这个问题。比如一个direct类型的交换器，如果发送消息时路由KEY不匹配，那么这条消息就会进入备份交换器中，而不会被丢失：

代码语言：javascript复制
Map<String, Object> argsMap = new HashMap<>();
argsMap.put("alternate-exchange", ALTER_EXCHANGE_NAME);
// map参数中alternate-exchange的值，就是申明绑定的备份交换器名称
channel.exchangeDeclare(EXCHANGE_NAME, BuiltinExchangeType.DIRECT, true, false, argsMap);

❝RabbitMQ支持的4种交换器类型中，只有fanout是不存在路由不到队列的情况，因为它会自动路由到所有队列中，跟绑定KEY没有任何关系。所以，在满足你业务的前提下，笔者建议，尽可能使用fanout类型交换器。 ❞

后者，我们可以通过死信交换器（DLX，也被称为私信队列）来解决这个问题，假设一些消息没有被消费，那么它就会被转移到绑定的死信交换器上，对于这类消息，我们消费并处理死信队列即可：

代码语言：javascript复制
Map<String, Object> argsMap = new HashMap<>();
// 死信交换器/死信队列
argsMap.put("x-dead-letter-exchange", DLX_EXCHANGE_NAME);
// 设置队列过期时间（第一次设置一个值后，以后不能设置一个更大的值）
argsMap.put("x-message-ttl", 60000);

channel.exchangeDeclare(EXCHANGE_NAME, BuiltinExchangeType.DIRECT, true);
// 死信的关系一定要在queue申明时指定，而不能在exchange申明时指定
channel.queueDeclare(QUEUE_NAME, true, false, false, argsMap);

3. 消费者

只有消费者确认的消息，RabbitMQ才会删除它，不确认就不会被删除。所以，在消费端，建议关闭自动确认机制。应该在收到消息处理完业务以后，手动确认消息。消费者手动确认实现代码如下：

代码语言：javascript复制
DefaultConsumer consumer = new DefaultConsumer(channel) {
    @Override
    public void handleDelivery(String consumerTag, Envelope envelope,
                               AMQP.BasicProperties props, byte[] body){
        System.out.println("死信队列接受到的消息："   new String(body));
        // 手动确认消息接受成功
        channel.basicAck(envelope.getDeliveryTag(), false);
        // channel.basicNack(envelope.getDeliveryTag(), false, false);
    }

};
// 推模式，并且关闭自动确认机制，即autoAck=false
channel.basicConsume(QUEUE_NAME, false, consumer);

注意上面的basicAck方法：void basicAck(long deliveryTag, boolean multiple) 第二个参数multiple。要说明这个参数的含义，首先需要讲清楚一个概念「deliveryTag」，即投递消息唯一标识符，它是一个「单调递增」的Long类型正整数。假设此次basicAck的tag为123130，如果multiple=false，那么表示只确认签收这一条消息。如果multiple=true，那么表示确认签收tag小于或等于123130的所有消息。

❝「最大Tag值」：Delivery tag是一个64位长整型值，也就是说它的最大值是9223372036854775807（2^64-1），不过这个tag值是按channel划分的。也就是说，理论上每一个channel都可以发送2^64-1条消息。因此，我们认为在实际情况中，tag基本上不可能达到它的上限值。 ❞

前面提到，由于网络等一些原因引起了故障，就会导致消息被重发。因此，消费端一定要做好处理重复消息的准备，强烈建议在消费端实现「幂等」的业务逻辑。比如以支付送积分为例，那么，消息体中肯定有订单号这个业务属性唯一的ID。那么在消费这个消息送积分的业务代码中，需要根据这个订单号做幂等处理，即「同一个订单号只能送一次积分」。

在消费端还有一种情况，就是当前消费者认为它不能处理当前消息。因此，它就拒绝签收（basic.reject或者basic.nack）这个消息。那么生产者也需要监听这些消息并做特殊的业务处理。

RabbitMQ中消费者有3种签收消息方式：1、channel.basicAck(long deliveryTag, boolean multiple)：确认签收消息；2、channel.basicNack(long deliveryTag, boolean multiple, boolean requeue)：不确认签收消息，并设置是否重入队列中，并且可以批量不确定签收tag之前的所有还未ack的消息；3、channel.basicReject(long deliveryTag, boolean requeue)：直接拒绝签收这一条消息，并设置是否重入队列中。

4. 队列镜像

为了防止在Broker中丢失消息，交换器、队列和消息都应该设置为持久化。除此以外，队列和消息还应该被复制，为了应对操作系统未及时fsync刷盘、Broker重启、Broker服务器硬件故障、或者Broker crash故障等问题。

集群节点提供了冗余能力，能容忍单节点故障。在RabbitMQ集群中，所有的定义都可以被复制，例如交换器、绑定关系、用户等。但是队列有所不同，默认只存在一个节点上（这一点和kafka很不一样，kafka的Topic可以设置多个副本）。不过，可以通过配置把队列「镜像」到多个节点上，从而让队列不会有单点故障的问题：

当节点发生故障时，如果这时候有镜像队列，还会自动发生新的选举，就能选举出新的Master。从而不会因为某个节点故障而导致队列不可用，而且整个过程对业务完全无感知。

不过需要注意的是，镜像并不能保证所有队列的高可用，「排他性队列」（Exclusive Queues）就不行。因为排他性队列生命周期与它的连接绑定在一起，当Broker节点发生故障重启后，排他性队列是会自动删除的，因此不能被镜像（Mirrored）！

5. 告警

这里我们主要说一下磁盘告警以及内存告警。因为出现下面两种情况时，RabbitMQ会停止从客户端网络socket中读数据: 1、内存使用达到配置上限；2、磁盘使用达到配置上限；

内存使用上限有3种设置方式：

代码语言：javascript复制
## 设置节点可使用RAM百分比，超过这个百分比就会告警
vm_memory_high_watermark.relative = 0.4
## 设置节点可使用RAM的上限，单位为byte即字节
vm_memory_high_watermark.absolute = 1073741824
## RabbitMQ 3.6.0 ，设置节点可使用RAM的绝对大小，它的优先级低于relative
vm_memory_high_watermark.absolute = 2GB

磁盘使用上限也有3种设置方式：

代码语言：javascript复制
## 设置磁盘剩余空间阈值，当可用空间低于这个值就会触发告警
disk_free_limit.absolute = 51200

## with RabbitMQ 3.6.0 .
disk_free_limit.absolute = 500KB
disk_free_limit.absolute = 50MB
disk_free_limit.absolute = 5GB

## 设置磁盘剩余空间为有效RAM的多少倍，比如当前可用RAM为2G，且设定这个参数为2。那么当磁盘可用空间低于2*2=4G时就会触发告警
disk_free_limit.relative = 2.0

❝由上可知：开启磁盘告警以及内存告警非常简单，需要说明的是，设置绝对值大小时，MB和M是不一样的，M即MiB表示 mebibytes (2^20 ，1,048,576 bytes)，而MB表示 megabytes (10^6 ，1,000,000 bytes)。 ❞

只要满足这两种情况其中的一种情况，服务器就会临时阻塞连接，并且连接心跳也会断开。这时候我们通过rabbitmqctl或者RabbitMQ管理后台查看，所有网络连接都是「blocking」。如果我们是RabbitMQ集群，那么内存和磁盘告警就会影响整个集群。只要其中一个节点内存或者磁盘达到上限，整个集群的所有节点都会阻塞连接。

一些客户端包是支持连接阻塞提醒的，如果你使用的客户端包恰好也支持，建议基于此增加监控告警。此外，运维需要针对RabbitMQ集群服务器增加内存和磁盘使用率告警。假设RabbitMQ磁盘告警是只剩10%，那么运维设置的告警应该要大于10%，比如15%，从而能够提前发现隐患，提前介入处理问题，避免磁盘使用达到上限而引起线上问题，背个P0故障可不好看。

6. 监控和Metrics

生产环境我们应该有完善且合理的监控机制，从而做到防患于未然。监控能在问题还未暴露出来时，就能提前发现问题。监控最重要的事情就是对Metrics的采集和分析。我们把Metrics分为两大类：「RabbitMQ的Metrics」和「基础设施的Metrics」。

6.1 基础设施的Metrics

这块的监控，我们需要收集运行RabbitMQ节点的所有服务器，以及应用的一些metrics，包括但不限于：

  1. CPU统计情况；
  2. 内存使用率；
  3. 虚拟内存统计；
  4. RabbitMQ节点数据目录下磁盘剩余可用空间；
  5. 磁盘IO情况；
  6. 网络吞吐量（接收量、发送量、最大网络吞吐量等）；
  7. 网络延迟情况（RabbitMQ集群所有节点以及客户端之间的网络延迟）；
  8. 文件描述符；

对基础设施以及系统内核Metrics的监控工具非常多，而且都很成熟。比如：Prometheus、Datadog、Zabbix等。它们都能很好的收集Metrics信息，然后存储并可视化展示，并且可以自定义告警规则。

6.2 RabbitMQ的Metrics

接下来我们说一下对RabbitMQ集群本身的监控。RabbitMQ的管理后台UI暴露了节点很多metrcis信息，并且RabbitMQ还通过HTTP API把这些信息暴露出来方便我们二次开发，自定义监控系统就非常依赖它的HTTP API。HTTP API访问参考：curl -i -u root:root123 'http://localhost:15672/api/overview'。

我们先说RabbitMQ管理后台，这个后台做的还是很不错的。但是如果用于监控的话，就显得有些不足了：

  1. 强依赖被监控的系统（应该要解耦被监控的系统和监控系统）；
  2. 只存储最近一天的数据（超过一天的数据就没有了）；
  3. 用户接口不够强大；
  4. 它的权限系统是依赖RabbitMQ权限系统的；

可喜的是，RabbitMQ从3.8版本开始，已经支持Prometheus和Grafana了，也推荐应用在生产环境上。接下来说一下RabbitMQ监控系统需要关注RabbitMQ的哪些metrics。

6.2.1 集群Metrics

我们可以通过 'http://localhost:15672/api/overview' 得到RabbitMQ集群相关信息，。结果（部分字段）如下：

代码语言：javascript复制
{
	... ...
	"message_stats": {
		"ack": 212,
		"ack_details": {
			"rate": 0.0
		},
		"confirm": 143,
		"confirm_details": {
			"rate": 0.0
		},
		"publish": 323,
		... ...
	},
	"queue_totals": {
		"messages": 197,
		"messages_details": {
			"rate": 0.0
		},
		...
	},
	"object_totals": {
		"channels": 2,
		"connections": 2,
		"consumers": 1,
		"exchanges": 24,
		"queues": 10
	},
	... ...
}

这里我们需要关注的一些主要指标有：

  • message_stats.ack：消费者确认接受消息的数量；
  • message_stats.confirm：生产者得到Broker已经确认的消息（ConfirmListener中的handleAck）；
  • message_stats.publish：最近发布的消息总量（它只有最近的数据，没有RabbitMQ集群整个生命周期的数据。前面两个指标ack和confirm一样，也都是最近的数据。如果RabbitMQ闲置一段时间，这几个值都会归零）；
  • object_totals.channels：channel数量，等价于RabbitMQ管理后台「Channels」页面中交换器数量；
  • object_totals.connections：连接数量，等价于RabbitMQ管理后台「Connections」页面中交换器数量；
  • object_totals.consumers：消费者数量；
  • object_totals.exchanges：交换器数量，等价于RabbitMQ管理后台「Exchanges」页面中交换器数量；
  • object_totals.queues：队列数量，等价于RabbitMQ管理后台「Queues」页面中队列数量；

说明：object_totals这个节点下几个字段的值，我们也可以在RabbitMQ管理后台「Overview」页面的「Global counts」中得到，如下图所示：

6.2.2. 节点Metrics

首先，我们通过 'http://localhost:15672/api/nodes/' 可以获取到RabbitMQ集群中所有节点的详细信息，它返回的是一个JSON数组。也可以通过 'http://localhost:15672/api/nodes/{nodeName}' 获取某个节点信息（这里的nodeName就是第一个URL结果中字段name的值，例如："name": "rabbit@afeideMacBook-Pro"），所以这个URL返回的是一个JSON对象。结果（部分字段）如下：

代码语言：javascript复制
{
	"partitions": [],
	"os_pid": "36637",
	"fd_total": 4864,
	"sockets_total": 4285,
	"mem_limit": 3435973836,
	"mem_alarm": false,
	"disk_free_limit": 50000000,
	"disk_free_alarm": false,
	"proc_total": 1048576,
	"rates_mode": "basic",
	"uptime": 115368753,
	"run_queue": 1,
	"processors": 4,
	... ...
}

这里我们需要关注的一些主要指标有：

  • mem_used：已经使用的内存；
  • mem_limit：限制最大允许使用的内存；
  • mem_alarm：bool类型值，是否开启了内存告警；
  • disk_free_limit：磁盘还剩下多少空间告警阈值，也就是说当磁盘可用空间小于这个值时就会告警；
  • disk_free_alarm：bool类型值，是否开启了磁盘告警；
  • fd_total：总计可用文件描述符数量；
  • fd_used：已经使用的文件描述符数量；
  • sockets_total：总计可用sockets数量；
  • sockets_used：已经使用sockets数量；

6.2.3 队列Metrics

队列的metrics都可以通过'http://localhost:15672/api/queues/afei/queue-normal-afei'获取。得到的json结果如下：

代码语言：javascript复制
{
	"consumer_details": [],
	"arguments": {
		"x-dead-letter-exchange": "exchange-dlx-afei",
		"x-message-ttl": 3000
	},
	"auto_delete": false,
	... ...
	"idle_since": "2020-05-05 7:45:58",
	"incoming": [],
	"memory": 19900,
	"message_bytes": 0,
	... ...
	"state": "running",
	"vhost": "/afei"
}

我们需要关注的一些主要指标有：

  • memory：使用的内存；
  • messages：未被确认的消息总数 准备投递的消息总数；
  • messages_ready：准备投递的消息总数；
  • messages_unacknowledged：未被确认的消息总数；
  • state：当前队列的状态，running状态表示正常；
  • idle_since：表示当前队列有多久没有被消费者消费了，如果这个时间相比当前时间是很久以前，很有可能说明当前队列没有生产者已经废弃。

6.2.4 应用Metrics

现在大部分系统都是分布式的，在这样的系统中，当某个组件出问题时，通常很难立即定位问题。所以，系统的每个部分，包括应用本身，都应该被监控起来。

一些基础设施级别和RabbitMQ的Metrics能看出系统当前有异常行为和问题，但是，还不能定位根据原因。例如，通过监控我们很容易知道某个节点磁盘空间不足，但是很难麻烦就知道为什么不足。所以，我们需要应用Metris信息来协助我们排查这样的问题：区分哪个消息生产者速度异常、哪个消息者出现重复性的失败、消费者速度赶不上消息产生的速度等。

应用程序跟踪的Metrics可能是特定系统的，但是也有一些Metrics与大多数系统都是有关联的，例如：Connection opening rate、Channel opening rate、Connection failure (recovery) rate、Publishing rate、Delivery rate、Positive delivery acknowledgement rate、Negative delivery acknowledgement rate、Mean/95th percentile delivery processing latency... ...

7. 健康检查

下面推荐一些RabbitMQ监控检查的命令：

  • rabbitmq-diagnostics -q ping：如果节点没有任何问题，那么返回Ping succeeded。
  • rabbitmq-diagnostics -q status：会显示当前RabbitMQ节点即broker的很多信息，例如内存信息、磁盘信息、虚拟内存信息、告警信息、文件描述符等。
  • rabbitmq-diagnostics -q alarms：该命令可以检查RabbitMQ本地以及集群节点是否有告警信息，如果没有，那么返回这样的信息：Node rabbit@afeideMacBook-Pro reported no alarms, local or clusterwide；

说明：「rabbitmq-diagnostics」这个命令还有很多其他的用法，我们可以通过rabbitmq-diagnostics --help查看它还能监控和检查哪些Metrics。

最后推荐一些第三方监控工具，如下表格所示，按照字母排序，排名不分先后。这些工具能力上各有千秋，不过一般都是既能收集基础设施级别的Metrics，也能收集RabbitMQ的Metrics。当然，笔者能力有限，可能还有其他一些好用的工具并没有列举出来：

名称

简介

地址

AppDynamics

RabbitMQ监控扩展，从RaabitMQ管理API上收集RabbitMQ的metrics并上传到AppDynamics Controller上

https://github.com/Appdynamics/rabbitmq-monitoring-extension

AWS CloudWatch

把RabbitMQ集群的Metrics信息推送到AWS CloudWatch上的RabbitMQ插件

https://github.com/noxdafox/rabbitmq-cloudwatch-exporter

DataDog

通过Datadog代理监控RabbitMQ

https://github.com/DataDog/integrations-core/tree/master/rabbitmq

Prometheus

通过Prometheus暴露RabbitMQ一些核心Metrics

https://github.com/rabbitmq/rabbitmq-prometheus

Zabbix

通过Zabbix监控RabbitMQ

https://git.zabbix.com/projects/ZBX/repos/zabbix/browse/templates/app/rabbitmq_http

rabbitmq

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