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RabbitMQ(3)集群与运维

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集群方案原理

对于无状态应用（如普通的微服务）很容易实现负载均衡、高可用集群。而对于有状态的系统（如 数据库等）就比较复杂。

  1. 业界实践：
    • 主备模式：单活，容量对等，可以实现故障转移。使用独立存储时需要借助复制、镜像同步等技 术，数据会有延迟、不一致等问题（CAP定律），使用共享存储时就不会有状态同步这个问题。
    • 主从模式：一定程度的双活，容量对等，最常见的是读写分离。通常也需要借助复制技术，或者要 求上游实现双写来保证节点数据一致。
    • 主主模式：两边都可以读写，互为主备。如果两边同时写入很容易冲突，所以通常实现的都是“伪 主主模式”，或者说就是主从模式的升级版，只是新增了主从节点的选举和切换。
    • 分片集群：不同节点保存不同的数据，上游应用或者代理节点做路由，突破存储容量限制，分摊读 写负载；典型的如MongoDB的分片、MySQL的分库分表、Redis集群。
    • 异地多活：“两地三中心”是金融行业经典的容灾模式（有资源闲置的问题），“异地多活”才是王 道。
  2. 常用负载均衡算法：
    1. 随机
    2. 轮询
    3. 加权轮询
    4. 最少活跃连接
    5. 原地址/目标地址hash（一致性hash）
  3. 集群中的经典问题：
    • 脑裂（可以通过协调器选举算法、仲裁节点等方式来解决）
    • 网络分区、一致性、可用性（CAP）
    • 相关景点的技术和工具：LVS、HAProxy、Nginx、KeepAlived、Heartbeat、DRBD、Corosync、 Pacemaker、MMM/MHA、Galera、MGR等，感兴趣的同学可以研究。
    • 现在太多公司选择直接购买公有云服务，基本不用太关心很多基础设施和中间件的部署、运维细 节。但是这些技术以及背后的原理是非常重要的。
  4. RabbitMQ分布式架构模式

主备模式

也叫Warren（兔子窝）模式，同一时刻只有一个节点在工作（备份节点不能读写），当主节点发 生故障后会将请求切换到备份节点上（主恢复后成为备份节点）。需要借助HAProxy之类的（VIP模 式）负载均衡器来做健康检查和主备切换，底层需要借助共享存储（如SAN设备）。

这不是RabbitMQ官方或者开源社区推荐方案，适用于访问压力不是特别大但是又有高可用架构需 求（故障切换）的中小规模的系统来使用。首先有一个节点闲置，本身就是资源浪费，其次共享存储往 往需要借助硬件存储，或者分布式文件系统。

Shovel铲子模式

Shovel是一个插件，用于实现跨机房数据复制，或者数据迁移，故障转移与恢复等。

如下图，用户下单的消费先是投递在Goleta Broker实例中，当Goleta实例达到触发条件后（例 如：消息堆积数达到阈值）会将消息放到Goleta实例的backup_orders备份队列中，并通过Shovel插件 从Goleta的backup_orders队列中将消息拉取到Carpinteria实例存储。

使用Shovel插件后，模型变成了近端同步确认，远端异步确认的方式。
此模式支持WAN传输，并且broker实例的RabbitMQ、Erlang版本不要求完全一致。
Shovel的配置分静态模式（修改RabbitMQ配置）和动态模式（在控制台直接部署，重启后失效）

RabbitMQ集群

RabbitMQ集群允许消费者和生产者在RabbitMQ单个节点崩溃的情况下继续运行，并可以通过添 加更多的节点来线性扩展消息通信的吞吐量。当失去一个RabbitMQ节点时，客户端能够重新连接到集 群中的任何其他节点并继续生产和消费。

RabbitMQ集群中的所有节点都会备份所有的元数据信息，包括：

  1. 队列元数据：队列的名称及属性；
  2. 交换器：交换器的名称及属性；
  3. 绑定关系元数据：交换器与队列或者交换器与交换器之间的绑定关系；
  4. vhost元数据：为vhost内的队列、交换器和绑定提供命名空间及安全属性。

基于存储空间和性能的考虑，RabbitMQ集群中的各节点存储的消息是不同的（有点儿类似分片集 群，各节点数据并不是全量对等的），各节点之间同步备份的仅仅是上述元数据以及Queue Owner（队列所有者，就是实际创建Queue并保存消息数据的节点）的指针。当集群中某个节点崩溃 后，该节点的队列进程和关联的绑定都会消失，关联的消费者也会丢失订阅信息，节点恢复后（前提是 消息有持久化）消息可以重新被消费。虽然消息本身也会持久化，但如果节点磁盘存储设备发生故障那 同样会导致消息丢失。

总的来说，该集群模式只能保证集群中的某个Node挂掉后应用程序还可以切换到其他Node上继续 地发送和消费消息，但并无法保证原有的消息不丢失，所以并不是一个真正意义的高可用集群。

这是RabbitMQ内置的集群模式，Erlang语言天生具备分布式特性，所以不需要借助类似 Zookeeper之类的组件来实现集群（集群节点间使用cookie来进行通信验证，所有节点都必须使用相同 的 .erlang.cookie 文件内容），不同节点的Erlang、RabbitMQ版本必须一致。

镜像队列模式

前面我们讲了，RabbitMQ内置的集群模式有丢失消息的风险，“镜像队列”可以看成是对内置默认 集群模式的一种高可用架构的补充。可以将队列镜像（同步）到集群中的其他broker上，相当于是多副 本冗余。如果集群中的一个节点失效，队列能自动地切换到集群中的另一个镜像节点上以保证服务的可 用性，而且消息不丢失。

在RabbitMQ镜像队列中所谓的master和slave都仅仅是针对某个queue而言的，而不是node。一 个queue第一次创建所在的节点是它的master节点，其他节点为slave节点。如果master由于某种原因 失效，最先加入的slave会被提升为新的master。

无论客户端请求到达master还是slave，最终数据都是从master节点获取。当请求到达master节点 时，master节点直接将消息返回给client，同时master节点会通过GM（Guaranteed Multicast）协议 将queue的最新状态广播到slave节点。GM保证了广播消息的原子性，即要么都更新要么都不更新。当 请求到达slave节点时，slave节点需要将请求先重定向到master节点，master节点将消息返回给 client，同时master节点会通过GM协议将queue的最新状态广播到slave节点。

很多同学可能就会疑惑，这样设计太傻叉了，slave完全是闲置的啊！干嘛不学习MySQL主从复 制，起码可以搞个读写分离啊！其实业界很多HA架构实践中冗余资源都是闲置的。前面我们讲了 RabbitMQ镜像队列中的master、slave是Queue维度而并非Node维度，所以我们可以交叉减少资源限 制，如下图所示：

Federation联邦模式

Federation和Shovel类似，也是一个实现跨集群、节点消息同步的插件。支持联邦交换器、联邦队 列（作用在不同级别）。
Federation插件允许你配置一个exchanges federation或者queues federation。
一个exchange/queues federation允许你从一个或者多个upstream接收信息，就是远程的 exchange/queues。

无论是Federation还是Shovel都只是解决消息数据传输的问题（当然插件自身可能会一些应用层的 优化），跨机房跨城市的这种网络延迟问题是客观存在的，不是简单的通过什么插件可以解决的，一般 需要借助昂贵的专线。

很多书籍和文章中存在误导大家的，可能会说Federation/Shovel可以解决延迟的问题，可以实现 异地多活等等，其实这都是错误的。而且我可以负责人的告诉大家，他们所谓的“异地多活”并非大厂最 佳实践。

例如：使用Shovel构建集群，RabbitMQ和应用程序都选择双机房部署时，当杭州机房发生了消息 积压后超出阈值部分的消息就会被转发到上海机房中，此时上海机房的应用程序直接消费掉上海机房 RabbitMQ的消息，这样看起来上海机房是可以分摊负载，而且一定程度上实现“双机房多活”的。但是 数据库呢？选择两边都部署还是仅部署在某个机房呢？两边同时写入是很容易造成冲突的，如果数据库 仅仅部署在杭州机房，那么数据库也可能成为瓶颈导致消费速度依然上不去，只不过是多了上海机房中 的消费者实例节点而已。

而使用Federation模式呢？如果要真正要实现“双机房多活”那么应用程序也是多机房的，那某些 Exchange/Queue中的消息会在两边机房都有，两边机房的应用程序都会同时消息，那必然会造成重复 消息！

异地多活架构

单机多实例部署

单机版安装前面介绍过了，不再介绍。

此处在单机版基础上 ，也就是一台Linux虚拟机上启动多个RabbitMQ实例，部署集群。

1. 在单个Linux虚拟机上运行多个RabbitMQ实例：

  • 多个RabbitMQ使用的端口号不能冲突
  • 多个RabbitMQ使用的磁盘存储路径不能冲突
  • 多个RabbitMQ的配置文件也不能冲突

在单个Linux虚拟机上运行多个RabbitMQ实例，涉及到RabbitMQ虚拟主机的名称不能重复，每个 RabbitMQ使用的端口不能重复。
RABBITMQ_NODE_PORT 用于设置RabbitMQ的服务发现，对外发布的其他端口在这个端口基础上计 算得来。

RABBITMQ_NODENAME 用于设置RabbitMQ节点名称， @ 前缀是用户名， @ 后缀是RabbitMQ所在的 Linux主机的 hostname 。
数据存储目录：

RabbitMQ使用的环境变量：

方式一： 

export RABBITMQ_NODE_PORT=5672
export RABBITMQ_NODENAME=rabbit2
rabbitmq-server
export RABBITMQ_NODE_PORT=5673
export RABBITMQ_NODENAME=rabbit3
rabbitmq-server
export RABBITMQ_NODE_PORT=5674
export RABBITMQ_NODENAME=rabbit4
rabbitmq-serve

方式二： 

RABBITMQ_NODE_PORT=5672 RABBITMQ_NODENAME=rabbit2 rabbitmq-server
RABBITMQ_NODE_PORT=5673 RABBITMQ_NODENAME=rabbit3 rabbitmq-server
RABBITMQ_NODE_PORT=5674 RABBITMQ_NODENAME=rabbit4 rabbitmq-server

以上命令的运行主要考虑到环境变量的可见性问题。

2. 启动web控制台的管理插件 

rabbitmq-plugins enable rabbitmq_management

rabbitmq从3.3.0开始禁止使用guest/guest权限通过除localhost外的访问。如果想使用 guest/guest通过远程机器访问，需要在rabbitmq配置文件中设置loopback_users为[]，当然也可以按 我之前讲的命令自己创建用户。 

vim /etc/rabbitmq/rabbitmq.conf

需要注意的是，如果要使用自定义位置的配置文件，需要目录属于 rabbitmq 组。
默认配置文件的位置：/etc/rabbitmq/rabbitmq.conf
我们在/opt/rabbitconf中创建三个配置文件：
rabbit1.conf，rabbit2.conf，rabbit3.conf，其中注明三个RabbitMQ实例使用的 rabbitmq_management插件使用的端口号，以及开通guest远程登录系统的权限：

启动命令：

停止命令：

集群管理

前面我们讲了几种RabbitMQ分布式/集群架构的模式，下面我们结合Rabbit集群+ 镜像队列，并借 助HAProxy 实现负载均衡的集群。

1. 在node2、node3、node4三台Linux虚拟机中安装RabbitMQ。

2. 从node2拷贝.erlang.cookie到node3、node4的相应目录

如果没有该文件，手动创建 /var/lib/rabbitmq/.erlang.cookie ，生成Cookie字符串，或者启 动一次RabbitMQ自动生成该文件。生产中推荐使用第三方工具生成。

我们首先在node2上启动单机版RabbitMQ，以生成Cookie文件： 

systemctl start rabbitmq-server

开始准备同步 .erlang.cookie 文件。RabbitMQ的集群依赖Erlang的分布式特性，需要保持 Erlang Cookie一致才能实现集群节点的认证和通信，我们直接使用scp命令从node1远程传输。 

scp /var/lib/rabbitmq/.erlang.cookie root@node3:/var/lib/rabbitmq/
scp /var/lib/rabbitmq/.erlang.cookie root@node4:/var/lib/rabbitmq/

修改node3和node4上该文件的所有者为rabbitmq:rabbitmq：

chown rabbitmq:rabbitmq /var/lib/rabbitmq/.erlang.cookie

注意.erlang.cookie文件权限为400：

3. 使用下述命令启动node3和node4上的RabbitMQ： 

systemctl start rabbitmq-server

4. 将node3和node4这两个节点加入到集群中

分别执行如下命令： 

# 停止Erlang VM上运行的RabbitMQ应用，保持Erlang VM的运行
rabbitmqctl stop_app
# 移除当前RabbitMQ虚拟主机中的所有数据：重置
rabbitmqctl reset
# 将当前RabbitMQ的主机加入到rabbit@node2这个虚拟主机的集群中。一个节点也是集群。
rabbitmqctl join_cluster rabbit@node2
# 启动当前Erlang VM上的RabbitMQ应用
rabbitmqctl start_app
  1. rabbit@node2 表示RabbitMQ节点名称，默认前缀就是 rabbit ， @ 之后是当前虚拟主机所 在的物理主机 hostname 。
  2. 注意检查下hostname要可以相互ping通
  3. join_cluster默认是使用disk模式，后面可以加入参数--ram启用内存模式

移出集群节点使用： 

# 将虚拟主机（RabbitMQ的节点）rabbit@node3从集群中移除，但是rabbit@node3还保留集群信息
# 还是会尝试加入集群，但是会被拒绝。可以重置rabbit@node3节点。
rabbitmqctl forget_cluster_node rabbit@node3
#修改集群名称（任意节点执行都可以）
rabbitmqctl set_cluster_name
#查看集群状态（任意节点执行都可以）
rabbitmqctl cluster_status

在三个RabbitMQ节点上的任意一个添加用户，设置用户权限，设置用户标签，即可 

rabbitmqctl add_user root 123456
rabbitmqctl set_permissions --vhost "/" root ".*" ".*" ".*"
rabbitmqctl set_user_tags --vhost "/" root administrator

可以到web控制台查看集群信息，如果要看到所有RabbitMQ节点上的运行情况，都需要启用 rabbitmq_management 插件

RabbitMQ镜像集群配置

RabbitMQ中队列的内容是保存在单个节点本地的（声明队列的节点）。跟交换器和绑定不同，它 们是对于集群中所有节点的。如此，则队列内容存在单点故障，解决方式之一就是使用镜像队列。在多 个节点上拷贝队列的副本。

每个镜像队列包含一个master，若干个镜像。
master存在于称为master的节点上。
所有的操作都是首先对master执行，之后广播到镜像。
这涉及排队发布，向消费者传递消息，跟踪来自消费者的确认等。
镜像意味着集群，不应该WAN使用。

发布到队列的消息会拷贝到该队列所有的镜像。消费者连接到master，当消费者对消息确认之后， 镜像删除master确认的消息。
队列的镜像提供了高可用，但是没有负载均衡。
HTTP API和CLI工具中队列对象的字段原来使用的是slave代表secondaries，现在盖字段的存在仅 是为了向后兼容，后续版本会移除。

可以使用策略随时更改队列的类型，可以首先创建一个非镜像队列，然后使用策略将其配置为镜像 队列或者反过来。非镜像队列没有额外的基础设施，因此可以提供更高的吞吐率。

master选举策略：

  1. 最长的运行镜像升级为主镜像，前提是假定它与主镜像完全同步。如果没有与主服务器同步的 镜像，则仅存在于主服务器上的消息将丢失。
  2. 镜像认为所有以前的消费者都已突然断开连接。它重新排队已传递给客户端但正在等待确认的 所有消息。这包括客户端已为其发出确认的消息，例如，确认是在到达节点托管队列主节点之 前在线路上丢失了，还是在从主节点广播到镜像时丢失了。在这两种情况下，新的主服务器都 别无选择，只能重新排队它尚未收到确认的所有消息。
  3. 队列故障转移时请求通知的消费者将收到取消通知。当镜像队列发生了master的故障转移， 系统就不知道向哪些消费者发送了哪些消息。已经发送的等待确认的消息会重新排队
  4. 重新排队的结果是，从队列重新使用的客户端必须意识到，他们很可能随后会收到已经收到的 消息
  5. 当所选镜像成为主镜像时，在此期间发布到镜像队列的消息将不会丢失（除非在提升的节点上 发生后续故障）。发布到承载队列镜像的节点的消息将路由到队列主服务器，然后复制到所有 镜像。如果主服务器发生故障，则消息将继续发送到镜像，并在完成向主服务器的镜像升级后 将其添加到队列中。
  6. 即使主服务器（或任何镜像）在正在发布的消息与发布者收到的确认之间失败，由客户端使用 发布者确认发布的消息仍将得到确认。从发布者的角度来看，发布到镜像队列与发布到非镜像 队列没有什么不同

给队列添加镜像要慎重。

接下来，启用镜像队列： 

# 对/节点配置镜像队列，使用全局复制
rabbitmqctl set_policy ha-all "^" '{"ha-mode":"all"}'
# 配置过半（N/2 + 1）复制镜像队列
rabbitmqctl set_policy ha-halfmore "queueA" '{"ha-mode":"exactly", "haparams":2}'
# 指定优先级，数字越大，优先级越高
rabbitmqctl set_policy --priority 1 ha-all "^" '{"ha-mode":"all"}'

在任意一个节点上面执行即可。默认是将所有的队列都设置为镜像队列，在消息会在不同节点之间 复制，各节点的状态保持一致。

点击上图中的queueA，查看该队列的细节：

其他细节可以查看官方文档：

负载均衡-HAProxy

将客户端的连接和操作的压力分散到集群中的不同节点，防止单个或几台服务器压力过大成为访问 的瓶颈，甚至宕机。

HAProxy是一款开源免费，并提供高可用性、负载均衡以及基于TCP和HTTP协议的代理软件，可以 支持四层、七层负载均衡，经过测试单节点可以支持10W左右并发连接。

LVS是工作在内核模式（IPVS），支持四层负载均衡，实测可以支撑百万并发连接。
Nginx支持七层的负载均衡（后期的版本也支持四层了），是一款高性能的反向代理软件和Web服 务器，可以支持单机3W以上的并发连接。

这里我们使用HAProxy来做RabbitMQ的负载均衡，通过暴露VIP给上游的应用程序直接连接，上游 应用程序不感知底层的RabbitMQ的实例节点信息。 

yum install gcc -y
tar -zxf haproxy-2.1.0.tar.gz
cd haproxy-2.1.0
make TARGET=linux-glibc
make install
mkdir /etc/haproxy
#赋权
groupadd -r -g 149 haproxy
# 添加用户
useradd -g haproxy -r -s /sbin/nologin -u 149 haproxy
#创建haproxy配置文件
touch /etc/haproxy/haproxy.cfg

你过你觉得编译安装很麻烦，你可以简单的 

yum -y install haproxy

如何使用yum安装的，那么haproxy默认在/usr/sbin/haproxy，且会自动创建配置文 件/etc/haproxy/haproxy.cfg

配置HAProxy

修改 

vim /etc/haproxy/haproxy.cfg

配置文件都做了详细注释，如下： 

global
log 127.0.0.1 local0 info
# 服务器最大并发连接数；如果请求的连接数高于此值，将其放入请求队列，等待其它连接被释放；
maxconn 5120
# chroot /tmp
# 指定用户
uid 149
# 指定组
gid 149
# 让haproxy以守护进程的方式工作于后台，其等同于“-D”选项的功能
# 当然，也可以在命令行中以“-db”选项将其禁用；
daemon
# debug参数
quiet
# 指定启动的haproxy进程的个数，只能用于守护进程模式的haproxy；
# 默认只启动一个进程，
# 鉴于调试困难等多方面的原因，在单进程仅能打开少数文件描述符的场景中才使用多进程模式；
# nbproc 20
nbproc 1
pidfile /var/run/haproxy.pid
defaults
log global
# tcp：实例运行于纯TCP模式，第4层代理模式，在客户端和服务器端之间将建立一个全双工的连接，
# 且不会对7层报文做任何类型的检查；
# 通常用于SSL、SSH、SMTP等应用；
mode tcp
option tcplog
option dontlognull
retries 3
option redispatch
maxconn 2000
# contimeout 5s
timeout connect 5s
# 客户端空闲超时时间为60秒则HA 发起重连机制
timeout client 60000
# 服务器端链接超时时间为15秒则HA 发起重连机制
timeout server 15000
listen rabbitmq_cluster
# VIP，反向代理到下面定义的三台Real Server
bind 192.168.100.101:5672
#配置TCP模式
mode tcp
#简单的轮询
balance roundrobin
# rabbitmq集群节点配置
# inter 每隔五秒对mq集群做健康检查，2次正确证明服务器可用，2次失败证明服务器不可用，并且
配置主备机制
server rabbitmqNode1 192.168.100.102:5672 check inter 5000 rise 2 fall 2
server rabbitmqNode2 192.168.100.103:5672 check inter 5000 rise 2 fall 2
server rabbitmqNode3 192.168.100.104:5672 check inter 5000 rise 2 fall 2
#配置haproxy web监控，查看统计信息
listen stats
bind 192.168.100.101:9000
mode http
option httplog
# 启用基于程序编译时默认设置的统计报告
stats enable
#设置haproxy监控地址为http://node1:9000/rabbitmq-stats
stats uri /rabbitmq-stats
# 每5s刷新一次页面
stats refresh 5s

启动HAProxy： 

haproxy -f /etc/haproxy/haproxy.cfg

关闭： 

kill -9 <pid>

检查进程状态，还可以通过访问查看状态

接下来，我们在之前的代码中直接测试，代码配置直接连接到HAProxy和监听端口上。

集群的搭建就已经完成了。
留给大家一个作业。
我们前面提过HAProxy也是一个单点的，可以通过Keepalived工具来实现HAProxy自身的高可用， 大家课余自己动手完成。

监控

RabbitMQ自带的（Management插件）管理控制台功能比较丰富，不仅提供了Web UI界面，还暴 露了很多HTTP API的能力。其中也具备基本的监控能力。此外，自带的命令行工具（例如： rabbitmqctl ）也比较强大。
不过这些工具都不具备告警的能力。在实际的生产环境中，我们需要知道负载情况和运行监控状态 （例如：系统资源、消息积压情况、节点健康状态等），而且当发生问题后需要触发告警。像传统的监 控平台Nagios、Zabbix等均提供了RabbitMQ相关的插件支持。

另外，当前云原生时代最热门的Prometheus监控平台也提供了rabbitmq_exporter，结合Grafana 漂亮美观的dashboard（可以自定义，也可以在仓库选择一些现有的），我们目前公司就是使用 Prometheus + Grafana来监控RabbitMQ的，并实现了水位告警通知。
感兴趣的同学可以自己研究。

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