火山引擎DataLeap基于Apache Atlas自研异步消息处理框架

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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。

需求定义

使用下面的表格将具体场景定义清楚。

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：

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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