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火山引擎DataLeap基于Apache Atlas自研异步消息处理框架

来源：字节跳动数据平台

字节数据中台DataLeap的Data Catalog系统通过接收MQ中的近实时消息来同步部分元数据。Apache Atlas对于实时消息的消费处理不满足性能要求，内部使用Flink任务的处理方案在ToB场景中也存在诸多限制，所以团队自研了轻量级异步消息处理框架，支持了字节内部和火山引擎上同步元数据的诉求。本文定义了需求场景，并详细介绍框架的设计与实现。

背景

字节数据中台DataLeap的Data Catalog系统基于Apache Atlas搭建，其中Atlas通过Kafka获取外部系统的元数据变更消息。在开源版本中，每台服务器支持的Kafka Consumer数量有限，在每日百万级消息体量下，经常有长延时等问题，影响用户体验。在2020年底，火山引擎DataLeap研发人员针对Atlas的消息消费部分做了重构，将消息的消费和处理从后端服务中剥离出来，并编写了Flink任务承担这部分工作，比较好的解决了扩展性和性能问题。然而，到2021年年中，团队开始重点投入私有化部署和火山公有云支持，对于Flink集群的依赖引入了可维护性的痛点。在仔细的分析了使用场景和需求，并调研了现成的解决方案后，火山引擎DataLeap研发人员决定投入人力自研一个消息处理框架。当前这个框架很好的支持了字节内部以及ToB场景中Data Catalog对于消息消费和处理的场景。本文会详细介绍框架解决的问题，整体的设计，以及实现中的关键决定。


(相关资料图)

需求定义

使用下面的表格将具体场景定义清楚。

需求维度

需求描述

吞吐量

每日百万级别，每秒峰值>100

服务质量（QoS）

至少一次

延迟消息

支持将消息标记为延迟处理，最高延迟1 min

重试

自动对处理失败消息重试，重试次数可定义

并行与顺序处理

Partition内部支持按照某个Key重新分组，不同Key之间接受并行，同一个Key要求顺序处理

消息处理时间

不同类型的消息，处理时间会有较大差别，从<1s~1min

封装

确保不丢消息的前提下，依赖框架做Offset的提交，业务侧只需要编写消息的处理逻辑；另外，将系统状态以Metric方式暴露

轻量

支持与后端服务混合部署，不引入额外的维护成本

相关工作

在启动自研之前，火山引擎DataLeap研发团队评估了两个比较相关的方案，分别是Flink和Kafka Streaming。Flink是团队之前生产上使用的方案，在能力上是符合要求的，最主要的问题是长期的可维护性。在公有云场景，那个阶段Flink服务在火山云上还没有发布，内部自己的服务又有严格的时间线，所以必须考虑替代；在私有化场景，火山引擎DataLeap研发团队不确认客户的环境一定有Flink集群，即使部署的数据底座中带有Flink，后续的维护也是个头疼的问题。另外一个角度，作为通用流式处理框架，Flink的大部分功能其实团队并没有用到，对于单条消息的流转路径，其实只是简单的读取和处理，使用Flink有些“杀鸡用牛刀”了。另外一个比较标准的方案是Kafka Streaming。作为Kafka官方提供的框架，对于流式处理的语义有较好的支持，也满足团队对于轻量的诉求。最终没有采用的主要考虑点是两个：

对于Offset的维护不够灵活：内部的场景不能使用自动提交（会丢消息），而对于同一个Partition中的数据又要求一定程度的并行处理，使用Kafka Streaming的原生接口较难支持。 与Kafka强绑定：大部分场景下，团队不是元数据消息队列的拥有者，也有团队使用RocketMQ等提供元数据变更，在应用层，团队希望使用同一套框架兼容。

设计

概念说明

MQ Type：Message Queue的类型，比如Kafka与RocketMQ。后续内容以Kafka为主，设计一定程度兼容其他MQ。 Topic：一批消息的集合，包含多个Partition，可以被多个Consumer Group消费。 Consumer Group：一组Consumer，同一Group内的Consumer数据不会重复消费。 Consumer：消费消息的最小单位，属于某个Consumer Group。 Partition：Topic中的一部分数据，同一Partition内消息有序。同一Consumer Group内，一个Partition只会被其中一个Consumer消费。 Event：由Topic中的消息转换而来，部分属性如下。Event Type：消息的类型定义，会与Processor有对应关系；Event Key：包含消息Topic、Partition、Offset等元数据，用来对消息进行Hash操作； Processor：消息处理的单元，针对某个Event Type定制的业务逻辑。 Task：消费消息并处理的一条Pipeline，Task之间资源是相互独立的。

框架架构

整个框架主要由MQ Consumer, Message Processor和State Manager组成。

MQ Consumer：负责从Kafka Topic拉取消息，并根据Event Key将消息投放到内部队列，如果消息需要延时消费，会被投放到对应的延时队列；该模块还负责定时查询State Manager中记录的消息状态，并根据返回提交消息Offset；上报与消息消费相关的Metric。 Message Processor：负责从队列中拉取消息并异步进行处理，它会将消息的处理结果更新给State Manager，同时上报与消息处理相关的Metric。 State Manager：负责维护每个Kafka Partition的消息状态，并暴露当前应提交的Offset信息给MQ Consumer。

下一篇将分享此异步消息框架的实现过程以及线上运维case举例。

实现

线程模型

每个Task可以运行在一台或多台实例，建议部署到多台机器，以获得更好的性能和容错能力。每台实例中，存在两组线程池：

Consumer Pool：负责管理MQ Consumer Thread的生命周期，当服务启动时，根据配置拉起一定规模的线程，并在服务关闭时确保每个Thread安全退出或者超时停止。整体有效Thread的上限与Topic的Partition的总数有关。 Processor Pool：负责管理Message Processor Thread的生命周期，当服务启动时，根据配置拉起一定规模的线程，并在服务关闭时确保每个Thread安全退出或者超时停止。可以根据Event Type所需要处理的并行度来灵活配置。

两类Thread的性质分别如下：

Consumer Thread：每个MQ Consumer会封装一个Kafka Consumer，可以消费0个或者多个Partition。根据Kafka的机制，当MQ Consumer Thread的个数超过Partition的个数时，当前Thread不会有实际流量。 Processor Thread：唯一对应一个内部的队列，并以FIFO的方式消费和处理其中的消息。

StateManager

在State Manager中，会为每个Partition维护一个优先队列（最小堆），队列中的信息是Offset，两个优先队列的职责如下：

处理中的队列：一条消息转化为Event后，MQ Consumer会调用StateManager接口，将消息Offset 插入该队列。 处理完的队列：一条消息处理结束或最终失败，Message Processor会调用StateManager接口，将消息Offset插入该队列。

MQ Consumer会周期性的检查当前可以Commit的Offset，情况枚举如下：

处理中的队列堆顶 < 处理完的队列堆顶或者处理完的队列为空：代表当前消费回来的消息还在处理过程中，本轮不做Offset提交。 处理中的队列堆顶 = 处理完的队列堆顶：表示当前消息已经处理完，两边同时出队，并记录当前堆顶为可提交的Offset，重复检查过程。 处理中的队列堆顶 >处理完的队列堆顶：异常情况，通常是数据回放到某些中间状态，将处理完的队列堆顶出堆。

注意：当发生Consumer的Rebalance时，需要将对应Partition的队列清空

KeyBy与Delay Processing的支持

因源头的Topic和消息格式有可能不可控制，所以MQ Consumer的职责之一是将消息统一封装为Event。

根据需求，会从原始消息中拼装出Event Key，对Key取Hash后，相同结果的Event会进入同一个队列，可以保证分区内的此类事件处理顺序的稳定，同时将消息的消费与处理解耦，支持增大内部队列数量来增加吞吐。

Event中也支持设置是否延迟处理属性，可以根据Event Time延迟固定时间后处理，需要被延迟处理的事件会被发送到有界延迟队列中，有界延迟队列的实现继承了DelayQueue，限制DelayQueue长度, 达到限定值入队会被阻塞。

异常处理

Processor在消息处理过程中，可能遇到各种异常情况，设计框架的动机之一就是为业务逻辑的编写者屏蔽掉这种复杂度。Processor相关框架的逻辑会与State Manager协作，处理异常并充分暴露状态。比较典型的异常情况以及处理策略如下：

处理消息失败：自动触发重试，重试到用户设置的最大次数或默认值后会将消息失败状态通知State Manager。 处理消息超时：超时对于吞吐影响较大，且通常重试的效果不明显，因此当前策略是不会对消息重试，直接通知State Manager 消息处理失败。 处理消息较慢：上游Topic存在Lag，Message Consumer消费速率大于Message Processor处理速率时，消息会堆积在队列中，达到队列最大长度，Message Consumer 会被阻塞在入队操作，停止拉取消息，类似Flink框架中的背压。

监控

为了方便运维，在框架层面暴露了一组监控指标，并支持用户自定义Metrics。其中默认支持的Metrics如下表所示：

监控类别

监控指标

Message Consumer

Consumer Lag

Rebalance rate

Deserialize QPS

Consumer heartbeat

Message Enqueue Time

Message Processor

Process QPS

Process time

Internal Queue

Queue length

线上运维case举例

实际生产环境运行时，偶尔需要做些运维操作，其中最常见的是消息堆积和消息重放。

对于Conusmer Lag这类问题的处理步骤大致如下：

查看Enqueue Time，Queue Length的监控确定服务内队列是否有堆积。 如果队列有堆积，查看Process Time指标，确定是否是某个Processor处理慢，如果是，根据指标中的Tag 确定事件类型等属性特征，判断业务逻辑或者Key设置是否合理；全部Processor 处理慢，可以通过增加Processor并行度来解决。 如果队列无堆积，排除网络问题后，可以考虑增加Consumer并行度至Topic Partition 上限。

消息重放被触发的原因通常有两种，要么是业务上需要重放部分数据做补全，要么是遇到了事故需要修复数据。为了应对这种需求，我们在框架层面支持了根据时间戳重置Offset的能力。具体操作时的步骤如下：

使用服务测暴露的API，启动一台实例使用新的Consumer GroupId: {newConsumerGroup} 从某个startupTimestamp开始消费 更改全部配置中的 Consumer GroupId 为 {newConsumerGroup} 分批重启所有实例

总结

为了解决字节数据中台DataLeap中Data Catalog系统消费近实时元数据变更的业务场景，团队自研了轻量级消息处理框架。当前该框架已在字节内部生产环境稳定运行超过1年，并支持了火山引擎上的数据地图服务的元数据同步场景，满足了团队的需求。

下一步会根据优先级排期支持RocketMQ等其他消息队列，并持续优化配置动态更新，监控报警，运维自动化等方面。

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