作者：AI前线
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来源：掘金
1. 概述
本文整理自 Streamlio 核心创始人翟佳在 QCon2018 北京站的演讲，在本次演讲中，翟佳介绍了 Apache Pulsar 的架构、特性和其生态系统的组成，并展示了 Apache Pulsar 在消息、计算和存储三个方面进行的协调、抽象和统一。
- Messaging：Pulsar 对 pub/sub 和 queue 两种模式提供统一的支持，同时保证了一致性，高性能和易扩展性。
- Computing：Pulsar 内部的 Pulsar-Functions 提供了 Stream-native 的轻量级计算框架，保证了数据的即时流式处理。
- Storage：Pulsar 借助 Apache BookKeeper 提供了以 segment 为中心的存储架构，保证了存储的性能，持久性和弹性。
实时数据处理在刚刚兴起的时候，一般企业会采用λ架构，维护两套系统：一套用来处理实时的数据；另一套用 batch 的方式处理历史数据。两套系统带来了资源的冗余占用和维护的不便。
为了消除冗余，逐渐演化出κ架构，使用一套系统来满足实时数据处理和历史数据处理的需求。不管是λ架构还是κ架构，在实时处理的系统中，系统的核心由消息、计算和存储三个子系统组成。比如，
- 消息系统： Kafka、RabbitMQ、Flume 等
- 计算系统： Spark Streaming、Flink、Heron 等
- 存储系统：各种分布式的文件系统，DB、K/V store 等
由于三个部分中，每个部分都有相应的不同产品，三个部分之间也相互分隔和独立很少关联，这带来了一些问题，比如需要更多人力维护，部署复杂，调优难度大，监管难，数据丢失风险大等等。
2. 为什么要选择 Apache Pulsar？
面对消息，存储和计算三个部分分隔的现状，Apache Pulsar 在这三个方面进行了很好的协调、抽象和统一。 具体到 Apache Pulsar 内部，消息部分由 Pulsar Broker 来负责；存储部分使用了 Apache BookKeeper，计算部分由 Pulsar Functions 来负责。
Apache Pulsar 是 2016 年 yahoo 开源的下一代大规模分布式消息系统，目前在 Apache 基金会下孵化。在 Yahoo 的生产环境中大规模部署并使用了近 4 年，服务于 Mail、Finance、Sports、 Flickr、 the Gemini Ads platform、 Sherpa 以及 Yahoo 的 KV 存储等，在 Yahoo 全球 8 个数据中心之间维护了全联通的复制，并包含了 200 多万个 Topics。
Apache Pulsar 有几个明显区别于其他消息系统的特点：
- 优秀的数据持久性和顺序性。每一条消息都提供了全局唯一的 ID，多副本，并都是在实时刷盘后再返回给用户。
- 统一的消费模型： 支持 Stream（如 Kafka）和 Queue（如 RabbitMQ）两种消费模型， 支持 exclusive、failover 和 shared 三种消费模式。灵活的扩展性： 节点扩展的线性和瞬时完成，在扩展中不会有数据的拷贝和迁移。
- 高吞吐低延迟，在实时刷盘的前提下，依然提供了高带宽（180 万 messages/ 秒）和低延迟（5ms at 99%）。
- 除了这些特性，Apache Pulsar 也具备了优秀的企业级特性，比如多机房互联互备（Geo-replication），多租户等。
Apache Pulsar 在架构上最明显的优势是采用了消息服务和消息存储分层的策略。它包括了无状态的消息服务层（broker 节点）和消息存储层（BookKeeper 中 Bookie 是基本的存储节点）。这为系统带来了极好的扩展性和健壮性。
在消息服务层和存储层，系统所关注的内容是不一样的： 在服务层更多的是对 Producer 和 Consumer 的支持，更关注用户接口和消息的服务质量，需要更好的 CPU 和网络带宽来支持消息的扇入扇出。存储层更关注磁盘 IOPS 和存储容量，负责数据的持久化等。
分层的架构带为服务和存储两层都带来了线性、瞬时的扩展性。如果需要增加和支持更多的 Producer 和 Consumer，只用对 broker 进行 Scale。如果存储空间紧张，或者想要消息的时间保持的时间更长，可以单独增加存储节点 Bookie。
在服务层中，broker 不会有相关的数据被持久化保存，是无状态的。对 Topic 的服务可以很容易地迁移。如果 broker 失效，可以很容易地将 topic 迁移到健康的 broker。
在存储层（Bookie）也是一样。每个 topic 的数据被打散并均匀 partition 到多个 segment，每个 segment 的数据又被分散存储在 Bookie 集群中。当想增加容量的时候，只需要添加新的 Bookie，数据会优先选择刚加入的 Bookie。同样当 broker 被 overloaded，添加新的 broker 之后，负载会被均衡地分配到新添加的 broker 之上。
介绍完 Apache Pulsar 的总体架构和特性，下面会从消息、存储和计算三个方面分别介绍 Apache Pulsar 的设计理念，各层内部以及各层之间的协调、抽象和统一。
3. Apache Pulsar 的消息层
Apache Pulsar 面向用户的也是最简单的三个概念： 主题 Topic、生产者 Producer 和消费者 Consumer。 Topic 是消息的一个通道和载体； Producer 产生数据并向 Topic 这个通道中发送数据； Consumer 从 Topic 中获取并消费数据。
3.1 命名空间(Namespace)
在 Apache Pulsar 中提供了对 Namespace 的支持。Namespace 是 ApachePulsar 的多租户机制中重要的组成部分。在一个 Topic 的名字中，包含了：租户 (Tenant) ，命名空间（namespace）和 Topic 名字，这样就可以对所有的 topic 提供层级化的管理。
Tenant 代表系统里的租户。假设有一个 Pulsar 集群被多个组织共享，集群里的每个 Tenant 可以代表一个组织的团队、一个核心的功能或一个产品线。一个 Tenant 可以包含多个 namespace，一个 namespace 可以包含多个主题。
Tenant 是资源的隔离的单位。namespace 是资源使用和权限设置的单位，我们可以设置权限、调整复制选项、管理跨集群的数据复制、控制消息的过期时间等。namespace 下的 Topic 会继承 namespace 的配置。如果用户获取了 namespace 的写入权限就可以往 namespace 写入数据，如果要写入的 topic 不存在，就会创建该 topic。
为了支持异地多备，namespace 又分为两种，一种是本地的，只在集群内可见；一种是全局的，对多个集群可见。可以在不同的数据中心之间进行数据的交互和互备。
3.2 订阅模式(Subscription)
Apache Pulsar 的每个 namespace 可以包含多个 topic，而每个 topic 可以有多个生产者和订阅者。为了给应用程序提供更大的灵活性，Apache Pulsar 通过增加一层 subscription 的抽象，提供了统一的消费模式。 消息的传递路径是 producer-topic-subscription-consumer。subscription 类似 Kafka 中 consumer group 的概念，subscription间消费隔离。
Apache Pulsar 支持 exclusive、failover 和 shared 三种subscription类型，它们可以共存在同一个 topic 上。数据虽然只写了一次，但是可以通过三种的消费方式被多次消费。
前两种 exclusive 和 failover，都是 Streaming 的模型，只有一个 consumer 来消费一个 topic partition 中的所有数据，都能保证严格的顺序。Kafka 和 Kinesis 也是这种消费模型（一个 consumer 消费一个 partition）。
- Exclusive：只能有一个 consumer 和一个subscription关联，不允许其他的 consumer 加入
- failover：允许多个 consumer 和一个 subscription 关联，当 master consumer 失效后，可以有另外的 consumer 来接管成为新的 master
第三种是 shared 的消费模式，它属于 Queue 的模式，常见的 RabbitMQ、ActiveMQ 均属于这种模式。
- shared：如果三个 consumer 共同订阅同一个 subscription，每个 consumer 大概会消费这个 topic 中的三分之一的数据。如果想ß增加消费的带宽，只用单独增加 consumer 的数量而不需要改变 topic 和 partition，非常实用于一些 consumer 处理复杂度比较高的场景，比如视频，图片处理等。
除了这三种消费模式，Apache Pulsar 还提供了 reader 的 API 来读取消息，让用户可以更加灵活的控制和消费消息。
3.3 消息确认(Message Ack)
Apache Pulsar 提供了两种 ack 的机制： 累积（cumulative）模式和单条（individual）模式。
Ack 机制在在消息系统中是非常重要的。消息系统中的 broker 和 consumer 可能会出错或宕机，当有错误发生的时候，如果能够获取上次消费者消费的位置，然后从这个消费的位置再接着消费，这是非常有用的，这样可以避免丢失数据，避免把所有的处理过的数据再处理一遍。
一般通过 message acknowledgement、committing offset 来标记消息的消费情况。Kafka 中通过 offset 来简单的管理 ack，记录一个 partition 的消费位置。
Pulsar 通过维护一个专门的数据结构 ManagedCursor 来管理 ack 的信息，每次 ack 的改变都会被持久化到硬盘中。对于 cumulative 的 ack，在标记的消息之前，所有的数据都被消费过了；遇到出错的情况会从标记的位置再开始消费。对于 individual 的消费模式，会单独标记已经被消费过的消息；遇到出错的情况，所有的未被标记 ack 的消息都会被重新发送。
Individual 的 ack 模式主要用于share 消费模式，因为对一般的 share 的消费模式，都是单个的消息消费处理比较慢，所以才增加 consumer。单独的标记，能在出错的时候减少不必要的昂贵的处理。
3.4 消息保留策略(Retention)
消息的 retention 策略，管理着消息什么时候被删除。 其他的系统大多是通过时间来控制。有可能时间到了，但消息没有被消费，也被删除了。
Apache Pulsar的retention默认行为为：
-
defaultRetentionTimeInMinutes=0anddefaultRetentionSizeInMB=0
立即删除被所有subscription标记为确认的消息 - 保留所有未被确认的消息(存储在backlog中)
可在namespace级别修改默认行为如下：
- 保留已消费(ack)的消息一段时间
- 通过指定TTL，到达指定的TTL时间自动将未消费的消息标记为已消费
对于留在 backlog 中的消息，Apache Pulsar 也提供了多种策略，包括 producer-request-hold、producer-exception、consumer-backlog-eviction 等。在 backlog 的 quota 达到时，供用户选择怎么处理新的消息和在 backlog 中的消息。
4. Apache Pulsar 的存储层
接下来我们来看一下 Apache Pulsar 的存储层，也就是 Apache BookKeeper。Apache BookKeeper 在 2011 年开源，并随后加入 Apache，成为 Apache 的顶级项目。BookKeeper 是分布式的是一个可扩展的、高可用、低延迟的专门为实时系统优化过的存储系统。更多系统可以参考 BookKeeper 的网站 https://bookkeeper.apache.org/ 和 github：https://github.com/apache/bookkeeper。
Apache BookKeeper 为 Pulsar 系统提供了一个以 Segment（BookKeeper ledger）为存储单元的存储服务。BookKeeper 的存储节点称作一个 Bookie。
- BookKeeper 为 append-only 的写入模式提供了优化，通过独特的设计提供了高带宽和低延迟。
- BookKeeper 提供了强一致性和顺序性。通过实时刷盘和多备份保证数据的持久性。顺序性通过记录本身携带的全局唯一顺序 ID 来保证的。这样对很多对顺序要求比较高的应用场景。
- 高可用是说数据会同时写入多个 bookie 上，如果 bookie 发生错误，即使只有一台包含数据的 bookie 可用，仍能为应用提供服务，在其他 bookie 恢复或有新的 bookie 加入后，会自动检查并补全所需要的数据备份。
-
IO 隔离，对于 Bookie 的读和写是分别发生在不同的磁盘上的。这样不依赖于文件系统和 pagecache 的设计，能保证即使有大量的读的同时，也能保证写的高带宽和低延迟；在大量的写入的同时，读请求的服务质量也能得到保证。这也是能保证多租户的一个关键。
Storage -Apache Bookkeeper
一个 BookKeeper 的集群由多个 Bookie 节点构成。每个 Bookie 负责具体的数据存储。当用户的 application 要使用 bk 的时候，会设定三个参数，ensemble size（用户要使用几台 bookie）、write quorum（写入的数据要保留几个备份）和 ack quorum（每次的写入操作，有几个成功后就返回）。Bookie 采用 quorum-vote 的模式，当写一条数据时，数据同时并发的写到所有的 write quorum 的 bookie 中，当指定的 ack quorum 返回后，bookie 认为写成功并返回。
当 ensemble 中有 bookie 出错，会从 cluster 中寻找其他可用的 bookie，进行替换。然后后台有 autorecovery 做数据的自动恢复，对用户透明。
BookKeeper 的一个特性是存储是以 Segment（在 BookKeeper 内部被称作 ledger）为存储的基本单元。每个 Segment 甚至到每个消息的粒度，都会被均匀分散到 BookKeeper 的集群中。保证了数据和服务在多个 Bookie 上的均匀性。通过下图，我们通过简单对比 Pulsar 和 Kafka 中的 partition 的存储过程，对 Pulsar 有一个更好的理解。
Apache BookKeeper 内部除了基础的的 Segment（ledger）， 还提供了 Stream 和 Table 两种服务。 Segment 可以简单理解为一段复制日志。Stream 服务是通过一定的方式，将一组 Segment 按照顺序共同管理起来，这样就可以组成一个源源不断的流。进而，如果我们用 Stream 来作为一个 Table 的 change log，实现了一个简单的 K/V Store，也就是这里说的 Table 的服务。在实时处理的过程中，比如 Pulsar Functions 的处理过程中，需要使用 K/V 的 Table 来存取计算的中间状态。通过在 BookKeeper 内部提供 Stream 和 Table 两种服务，可以很方便的满足在实时数据处理中的绝大部分的存储需求。
5. Apache Pulsar 的计算层
介绍完 Pulsar 中的消息和存储，下面我们来了解一下 Pulsar 中的计算部分 – Pulsar Functions。介绍一下 Pulsar Functions 的设计和实现。看看 Pulsar Functions 和其他的计算引擎不同的地方。首先我们看一个计算引擎最本质的是要解决什么问题。 首先用户定了了一个计算的需求，也就是处理过程： f（x），一组输入数据通过 f（x）的计算，得到一组输出的结果。
基于本质问题，计算引擎经过了长期的发展。第一代的计算引擎，以 Storm 为代表的通过一个有向无环图（DAG）来完成一组计算，通常需要大量的代码编写工作。现在大部分的计算引擎都提供第二代的 API，即通过 DSL 的方式。第二代的 API 相比第一代更加的紧凑和方便，但是还是有些复杂，比如包含着大量的 map、flatmap 等。
我们发现，在实时数据的处理中，有大部分（60%——80%）的计算过程，本质上都是一些很简单的数据转换，比如 ETL/Reactive Services/Classification/Real-time Aggregation/Event Routing/Microservices 等等。
另外，云的兴起，带动了 serverless 的出现和兴盛，Serverless 为我们提供了一个很好的思路。serverless 提供的是 function 的 API，每一个事件触发一次 function，多个 function 可以通过组合的方式，完成比较复杂的逻辑。
基于这些原因，我们决定设计基于 Serverless 的，由消息来驱动的“Stream-native”的 Pulsar Functions。Pulsar Function 的一个特点是简单：给用户的接口简单；每个 Function 的实现也十分容易理解；提供多语言的接口（目前支持 Java 和 Python）。
Pulsar Functions 提供两种 API，第一种是 SDK less 的 API，用户不用依赖 Pulsar 的 sdk，只用实现 java.util.function.Function 的接口。第二种借助 Pulsar SDK 的 API，通过 Context 来和 Pulsar 交互和定制。
和 Pulsar 的管理一样，Pulsar Functions 也提供命令行和 Rest 两种方式。执行的参数包括输入的 topic，输出的 topic 和要执行的 Function 的名字。
我们可以举例说明一下 Pulsar Functions 适用的典型应用场景。在边缘计算（Edge Computing）中，传感器会产生大量数据，而且数据会在边缘的本地节点上进行很多简单的处理，比如 Simple filtering, threshold detection, regex matching 等，另外边缘节点的计算资源有限。 Pulsar Functions 对这样的场景十分匹配。另外是在机器学习中。最开始的基础模型通过离线进行计算和训练。当训练完，上线后，每一个输入，都会匹配和应用模型，并对模型进行调整。这十分匹配 Pulsar Functions 的消息驱动的模式。另外模型本身也可以使用 BookKeeper 做存储，简化系统的部署。
这里 Pulsar Functions 的特性做一个总结。首先，Pulsar Function 可以简单运行在 Pulsar 的 broker 里面，简化系统的部署。输入的 Topic 中的每一个消息都会触发对 Function 的执行。可以支持多个 Topic 作为输入。用户可以控制 Function 执行的各种语义：
- AtMostOnce：当 Function 收到消息后就进行 ACK
- AtLeastOnce： 在 Function 对消息处理完成后才进行 ACK
- ExactlyOnce：通过 Pulsar 内部实现的 deDup 的策略来实现
Pulsar Functions 可以使用 BookKeeper 提供的 Stream 服务来做 Topic 的存储，使用提供的 Table 服务来做中间状态的存储，实现存储的统一，不需要部署其他的系统。这为系统的开发、测试、集成和运维带来了更多的便利。
通过介绍 Pulsar 的消息，存储和计算三个部分，希望能让大家对 Pulsar 有更进一步的了解。在 Pulsar 的消息系统中，提供了基于 Stream 和 Queue 的统一的消费模式，提供了无状态的 Broker 来提升系统的扩展性和容错性。在存储系统 BookKeeper 中，提供了对 Stream 的存储和对 K/V Table 的存储的统一，满足了实时处理系统中对 topic 和状态的存储需求。 在计算部分，Pulsar Functions 中基于消息驱动（stream-native），可以计算和消息一种统一。
另外对于 Pulsar 系统和外部系统的互联（connector），可以看作是一种特殊的 Pulsar Functions。
6. Pulsar 及 Kafka 基准测试对比
这里的 Benchmark（https://github.com/openmessaging/openmessaging-benchmark）是我们和阿里一起起草的 openMessaging 项目的一部分。如果有时间和机器，欢迎大家自己验证一下。这个 Benchmark 通过相同的配置，对 Apache Pulsar 和 Kafka 的带宽和延迟进行了简单的测试。
6.1 吞吐量测试
这个结果是分别测试了 Pulsar 和 Kafka 在一般模式和 Exactly-once 模式下的 Publish 带宽。在 1KB 消息大小下，Pulsar 的一般模式和 Exactly-once 模式下的带宽都在 21 万条 / 秒左右；Kafka 在一般模式和 Exactly-once 模式下的带宽分别是 7 万多条 / 秒和 5 万多条 / 秒。除了带宽数值的区别，另一方面是对 ExactlyOnce 的处理，Pulsar 通过自身的机制，几乎相对于一般的 模式在性能上没有区别。但是 Kafka 的两种模式会有较大的差别。
6.2 时延测试
这个结果是 Pulsar 和 Kafka 在固定的 Public 带宽（50K/ 秒）下，各个百分位消息的发布时延。可以看出 Kafka 在不到 99% 的百分位，时延就开始大幅上升，但是 Pulsar 在 99.9% 的百分位以后，时延才开始上升。
这个结果是从时间轴的角度来看 Pulsar 和 Kafka 的时延。先不关注时延的绝对数值，直观的感觉是 Pulsar 的时延更加稳定；Kafka 的时延会有很大的波动。 这和 Pulsar 中的内存和对 GC 的优化有直接的关系。Apache Pulsar 是一个新兴的下一代的消息系统，由于 Pulsar Functions 的加入，和底层 Apache BookKeeper 提供的 Table 服务的完善，现在可以认为 Apache Pulsar 是一个在消息、存储和计算三方面的统一的实时数据处理平台。
作者介绍翟佳，Streamlio核心创始成员之一，毕业于中科院计算所，目前就职于一家下一代实时处理初创公司 Streamlio，是 Streamlio的核心创始成员之一。在此之前任职于 EMC，是北京 EMC实时处理平台的技术负责人。主要从事实时计算和分布式存储系统的相关开发，是开源项目 Apache BookKeeper PMC Member和 Committer，也在 Apache Pulsar, Distributedlog等项目中持续贡献代码。
