楊成榮 劉峻松 孫新杰 吳超

摘要：隨著微服務(wù)架構(gòu)的興起，越來(lái)越多的應(yīng)用由單體式向微服務(wù)架構(gòu)轉(zhuǎn)移，由于微服務(wù)其分布式的特性，以及微服務(wù)架構(gòu)自身強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的獨(dú)立，整體的數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題被放大。該文主要針對(duì)在微服務(wù)通訊過(guò)程中引入分布式消息隊(duì)列進(jìn)行研究。首先，解決消息和指令的冪等性，保證重復(fù)消息的單次執(zhí)行。其次，在分布式消息隊(duì)列中對(duì)消息數(shù)據(jù)進(jìn)行落盤(pán)保存通過(guò)偏移量的操作實(shí)現(xiàn)單方重新上線后的自我補(bǔ)償，保證消息的投遞。最后，人為模擬業(yè)務(wù)流程和可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)，由該機(jī)制進(jìn)行自動(dòng)處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的最終一致性。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該機(jī)制可以在低時(shí)效性業(yè)務(wù)系統(tǒng)中自動(dòng)解決由于服務(wù)或數(shù)據(jù)庫(kù)離線造成的數(shù)據(jù)不一致，實(shí)現(xiàn)微服務(wù)整體的數(shù)據(jù)的最終一致性。

關(guān)鍵詞：微服務(wù);分布式;數(shù)據(jù)一致性

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）08-0266-03

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的復(fù)雜性和其用戶(hù)量的不斷增加，單體式應(yīng)用的弊端已經(jīng)逐步顯現(xiàn)，微服務(wù)架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。微服務(wù)架構(gòu)將巨大臃腫的單體式應(yīng)用根據(jù)業(yè)務(wù)和功能的需求分解為無(wú)數(shù)小的且通過(guò)不同互聯(lián)技術(shù)相互連通的微服務(wù)[1]，其優(yōu)勢(shì)主要在于方便部署，擴(kuò)展性高，開(kāi)發(fā)周期和成本大大降低等[2]。但是，微服務(wù)架構(gòu)自身的分布式特性也存在一定的弊端。在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，越來(lái)越多的行業(yè)領(lǐng)域都開(kāi)始使用軟件自動(dòng)化來(lái)代替人工，相應(yīng)的，計(jì)算機(jī)軟件的穩(wěn)定性、健壯性的影響也越來(lái)越大，計(jì)算機(jī)軟件出現(xiàn)的錯(cuò)誤所付出的代價(jià)也越來(lái)越大，目前微服務(wù)架構(gòu)的興起，也要面臨其所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，數(shù)據(jù)一致性[3]的保證問(wèn)題就是其中之一。

目前針對(duì)微服務(wù)架構(gòu)在分布式系統(tǒng)方面數(shù)據(jù)不一致情況有了一些研究和解決方案。文獻(xiàn)[4]使用對(duì)關(guān)鍵業(yè)務(wù)進(jìn)行整合的方法，將某些關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)的服務(wù)整合成一個(gè)服務(wù)，整合后自身使用事務(wù)管理來(lái)保證數(shù)據(jù)一致性。文獻(xiàn)[5]采用了一種危機(jī)應(yīng)對(duì)的機(jī)制，當(dāng)任何一處發(fā)生異常時(shí)，觸發(fā)一套針對(duì)異常的回滾事件，借此來(lái)使得整個(gè)系統(tǒng)來(lái)恢復(fù)到執(zhí)行前的狀態(tài)。文獻(xiàn)[6]針對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接異常的問(wèn)題進(jìn)行了討論和研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)鏈路的檢測(cè)機(jī)制來(lái)做到預(yù)先發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題并進(jìn)行處理，但是對(duì)于已經(jīng)發(fā)生的數(shù)據(jù)不一致情況沒(méi)有給出解決方案。

1 業(yè)務(wù)流程概述

本文針對(duì)微服務(wù)架構(gòu)中存在的問(wèn)題[7]，重新設(shè)計(jì)了業(yè)務(wù)流程：業(yè)務(wù)從發(fā)送端的消息列表產(chǎn)生，也從發(fā)送端的消息列表結(jié)束，一個(gè)新的指令被創(chuàng)建的時(shí)刻將在消息列表進(jìn)行記錄和登記，接下來(lái)開(kāi)始對(duì)該指令進(jìn)行執(zhí)行過(guò)程，每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的執(zhí)行都要對(duì)該列表內(nèi)該事務(wù)狀態(tài)進(jìn)行更新，然后向指定位置發(fā)送消息，消息的接收者從指定話(huà)題中消費(fèi)消息，將消息首先記錄在本地消息列表中，然后再開(kāi)始后續(xù)的執(zhí)行過(guò)程，每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的完成都要對(duì)列表內(nèi)狀態(tài)進(jìn)行更新。

2 關(guān)鍵模塊概述

針對(duì)以上業(yè)務(wù)流程分別設(shè)計(jì)五個(gè)關(guān)鍵模塊，分別為業(yè)務(wù)發(fā)起模塊、任務(wù)管理模塊、消息發(fā)送模板、消息接收模塊以及遠(yuǎn)程分布式消息隊(duì)列模塊。

2.1 業(yè)務(wù)發(fā)起模塊

業(yè)務(wù)發(fā)起模塊用于對(duì)一個(gè)新的業(yè)務(wù)進(jìn)行發(fā)起。主要包括兩方面功能，一方面是當(dāng)該模塊處于一個(gè)主動(dòng)發(fā)起業(yè)務(wù)的服務(wù)中時(shí)，由服務(wù)在應(yīng)用內(nèi)部向該模塊發(fā)送業(yè)務(wù)相關(guān)內(nèi)容，該模塊直接對(duì)該業(yè)務(wù)賦予一個(gè)唯一標(biāo)記的Key值，生成相關(guān)任務(wù)條目信息將信息傳送給任務(wù)管理模塊，則為成功發(fā)起一項(xiàng)新的業(yè)務(wù);另一方面當(dāng)該模塊處于一個(gè)被動(dòng)接受指令的服務(wù)時(shí)，該模塊從消息接收模塊處接收任務(wù)指令，首先向任務(wù)管理模塊發(fā)送請(qǐng)求對(duì)接收到的指令Key值進(jìn)行核對(duì)，若該任務(wù)已經(jīng)存在且尚未完成，則直接忽略處理，由任務(wù)管理模塊自行處理，若該任務(wù)以完成，則由任務(wù)管理模塊重新核對(duì)完成信息，由消息發(fā)送模塊直接發(fā)送該任務(wù)完成的信息;若該任務(wù)不存在，則同新發(fā)起業(yè)務(wù)流程，生成必要信息遞交任務(wù)管理模塊。

2.2 任務(wù)管理模塊

任務(wù)管理模塊用于對(duì)所有已登記記錄的任務(wù)進(jìn)行管理。主要包括以下功能：1）對(duì)業(yè)務(wù)發(fā)起模塊發(fā)出的查詢(xún)請(qǐng)求進(jìn)行回應(yīng)，包括對(duì)Key值進(jìn)行查重，向其返回查詢(xún)狀態(tài)和該任務(wù)狀態(tài)。2）對(duì)業(yè)務(wù)發(fā)起模塊所發(fā)起的業(yè)務(wù)進(jìn)行登記，記錄在任務(wù)列表當(dāng)中，當(dāng)該模塊所在服務(wù)對(duì)該條任務(wù)的業(yè)務(wù)流程完成后，更新任務(wù)列表中的任務(wù)完成狀態(tài)為已完成狀態(tài)，對(duì)由于服務(wù)自身原因無(wú)法完成的任務(wù)標(biāo)記為異常狀態(tài)。3）定時(shí)掃描所有處于尚未完成狀態(tài)的任務(wù)條目，向消息的發(fā)送模塊遞交發(fā)送任務(wù)結(jié)果請(qǐng)求;對(duì)于處于尚未完成狀態(tài)但是最后發(fā)送時(shí)間較當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間差值超過(guò)設(shè)定超時(shí)時(shí)間時(shí)，視該任務(wù)為超時(shí)，則直接向發(fā)送模塊遞交重發(fā)請(qǐng)求;對(duì)超時(shí)的任務(wù)但是發(fā)送次數(shù)已經(jīng)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值的條目進(jìn)行標(biāo)記失敗，記錄該條任務(wù)的全部信息，根據(jù)業(yè)務(wù)需求通知人工干預(yù)處理;對(duì)所有處于尚異常狀態(tài)的任務(wù)遞交消息發(fā)送模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理。4）當(dāng)該模塊處于一個(gè)任務(wù)的發(fā)起服務(wù)時(shí)，將接收從消息接收模塊遞交的完成申請(qǐng)對(duì)該條任務(wù)的完成狀態(tài)進(jìn)行更新。

2.3 消息發(fā)送模塊

消息發(fā)送模塊用于根據(jù)其他模塊遞交的發(fā)送申請(qǐng)根據(jù)類(lèi)型分類(lèi)并整理為指定消息格式然后進(jìn)行消息的發(fā)送和廣播。該模塊可以通過(guò)預(yù)設(shè)或者運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)改變發(fā)送Topic值來(lái)改變發(fā)送的目標(biāo);同時(shí)該模塊下設(shè)一個(gè)后備列表，當(dāng)該模塊所在的服務(wù)由于種種原因不能完成該項(xiàng)業(yè)務(wù)，則想該后備列表查詢(xún)與該服務(wù)功能相同的后備服務(wù)，然后將該異常任務(wù)直接遞交給后備服務(wù)執(zhí)行。

2.4 消息接收模塊

消息接收模塊包括被動(dòng)消息監(jiān)聽(tīng)守護(hù)模塊和主動(dòng)消息接收模塊兩個(gè)子模塊。被動(dòng)消息監(jiān)聽(tīng)守護(hù)模塊隨服務(wù)啟動(dòng)監(jiān)聽(tīng)固定的Topic，將獲取的消息解讀并根據(jù)分類(lèi)遞交給業(yè)務(wù)發(fā)起模塊或者任務(wù)管理模塊。主動(dòng)消息獲取模塊可以在每次服務(wù)啟動(dòng)時(shí)或者是在預(yù)設(shè)閾值時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到任何指令的情況下，或者在任務(wù)管理模塊的指令下，使用底層API對(duì)遠(yuǎn)程分布式消息對(duì)列中當(dāng)前終端的偏移量和本地記錄的最近一次偏移量進(jìn)行比較，若不相同則判定為有消息丟失，則根據(jù)實(shí)際情況重復(fù)消費(fèi)指定偏移量的消息進(jìn)行解讀和遞交。

2.5 遠(yuǎn)程分布式消息隊(duì)列模塊

遠(yuǎn)程分布式消息隊(duì)列模塊處于發(fā)送與接收之間的中間件。本文使用Apache Kafka分布式隊(duì)列[8]作為中間件，在本文所設(shè)計(jì)的整體機(jī)制中為所有的消息傳遞進(jìn)行記錄和落盤(pán)處理，由于其自身的特性，使用文件與偏移量的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)消息隊(duì)列，而且保證了每個(gè)用戶(hù)分組只能有且只有一個(gè)用戶(hù)消費(fèi)到同一條消息，被消費(fèi)過(guò)的消息不可重復(fù)消費(fèi)，但是在本文設(shè)計(jì)的機(jī)制中由于需要對(duì)部分異常情況進(jìn)行消息的補(bǔ)償操作，所以使用該平臺(tái)提供的低層API進(jìn)行偏移量的操作[9];另外該分布式平臺(tái)的落盤(pán)處理根據(jù)其節(jié)點(diǎn)的數(shù)量均有不同數(shù)量的備份，可以確保在部分節(jié)點(diǎn)宕機(jī)崩潰離線的情況下整個(gè)消息平臺(tái)依舊可用且消息不丟失。最紅該平臺(tái)可以通過(guò)參數(shù)的設(shè)置來(lái)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境來(lái)設(shè)定定時(shí)對(duì)落盤(pán)的過(guò)久消息進(jìn)行處理和清理，保證整個(gè)系統(tǒng)的資源占用。

3 數(shù)據(jù)一致性保障機(jī)制

根據(jù)上述描述，每個(gè)業(yè)務(wù)服務(wù)都可簡(jiǎn)單地理解為一個(gè)發(fā)送方和一個(gè)接收方的數(shù)據(jù)交互的組合，因此根據(jù)這一模型，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的情況可能有如下幾種：

1）發(fā)送方成功發(fā)送業(yè)務(wù)請(qǐng)求，接收方成功接收，但此時(shí)發(fā)送方服務(wù)離線，在發(fā)送方重啟后，可能會(huì)再次發(fā)送業(yè)務(wù)請(qǐng)求造成接收端重復(fù)執(zhí)行相同指令。

2）發(fā)送方成功發(fā)送業(yè)務(wù)請(qǐng)求，此時(shí)接收方離線，造成該消息丟失，進(jìn)而該業(yè)務(wù)停滯無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。

3）發(fā)送方成功發(fā)送業(yè)務(wù)請(qǐng)求，接收方成功接收該請(qǐng)求，兩方自身業(yè)務(wù)成功執(zhí)行，接收方發(fā)送指令回執(zhí)，此時(shí)發(fā)送方離線，該消息丟失，在成該業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不一致。

4）發(fā)送方成功發(fā)送業(yè)務(wù)請(qǐng)求，接收方剛剛接收該請(qǐng)求，接收方離線，造成該消息丟失。

除此之外還有很多不可預(yù)料問(wèn)題造成消息的丟失和消息的重復(fù)接收，進(jìn)而造成數(shù)據(jù)不一致的發(fā)生。

針對(duì)以上所可能發(fā)生的問(wèn)題，根據(jù)微服務(wù)模塊之間多種傳輸模式[10]，采取如下一系列策略來(lái)保證數(shù)據(jù)的一致性：通過(guò)實(shí)現(xiàn)消息的冪等性來(lái)解決一切重復(fù)消費(fèi)的問(wèn)題，具體的實(shí)現(xiàn)方法體現(xiàn)在為每一條業(yè)務(wù)流程分配唯一的Key值，在接收到指令后首先對(duì)Key值進(jìn)行核對(duì)如果出現(xiàn)重復(fù)則忽略該消息。通過(guò)引入一個(gè)外部的分布式消息隊(duì)列來(lái)解決一切消息或者信息丟失的問(wèn)題，具體實(shí)現(xiàn)方法體現(xiàn)在所有消息的傳輸均經(jīng)過(guò)該消息隊(duì)列，該消息隊(duì)列對(duì)所有的消息進(jìn)行羅盤(pán)存儲(chǔ)，然后接收者通過(guò)消息隊(duì)列進(jìn)行消息的消費(fèi)，通過(guò)一系列設(shè)置保證消息的百分百投遞。通過(guò)對(duì)每一項(xiàng)業(yè)務(wù)進(jìn)行記錄，保證了所有自身環(huán)境的數(shù)據(jù)不一致的發(fā)生。通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)程消息隊(duì)列的偏移量的高級(jí)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)在特定情況下對(duì)消息進(jìn)行重復(fù)消費(fèi)來(lái)保證數(shù)據(jù)一致性。

4 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

基于上述機(jī)制，本文使用Java線程模擬微服務(wù)場(chǎng)景，各個(gè)模擬微服務(wù)之間通過(guò)外部Kafka消息隊(duì)列平臺(tái)進(jìn)行消息傳輸，然后通過(guò)手動(dòng)阻塞的方式對(duì)微服務(wù)交互的每個(gè)階段可能出現(xiàn)的離線情況進(jìn)行模擬，用來(lái)檢測(cè)該機(jī)制的處理情況。

首先模擬正常通訊過(guò)程，服務(wù)A發(fā)起一個(gè)新的任務(wù)向服務(wù)B發(fā)送任務(wù)請(qǐng)求，同時(shí)執(zhí)行自身業(yè)務(wù)邏輯，服務(wù)B接收到任務(wù)后執(zhí)行自身業(yè)務(wù)邏輯，完成后向服務(wù)A發(fā)送完成回執(zhí)，整個(gè)業(yè)務(wù)流程結(jié)束。

第一次模擬服務(wù)A在發(fā)送指令之后崩潰離線，重啟后重新執(zhí)行該指令，造成對(duì)服務(wù)B的同一條指令的兩次重復(fù)傳遞，服務(wù)B根據(jù)本條業(yè)務(wù)的Key值確定為重復(fù)指令，重復(fù)向服務(wù)A發(fā)送任務(wù)回執(zhí)，保證了消息的冪等性。

第二次模擬服務(wù)A發(fā)起業(yè)務(wù)并向服務(wù)B發(fā)送任務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)B成功接收請(qǐng)求并執(zhí)行自身業(yè)務(wù)邏輯，完成后向服務(wù)A發(fā)送任務(wù)完成回執(zhí)，服務(wù)A成功接收回執(zhí)，但是在對(duì)自身任務(wù)列表狀態(tài)更改之前，服務(wù)A異常崩潰離線，重啟后，根據(jù)啟動(dòng)機(jī)制，首先向遠(yuǎn)端消息列表查詢(xún)當(dāng)前偏移量和本地最后一次執(zhí)行的偏移量做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)誤差，則前移偏移量重復(fù)消費(fèi)上次的內(nèi)容，獲得服務(wù)B發(fā)送的消息回執(zhí)，則此次業(yè)務(wù)流程完成。

第三次模擬服務(wù)A發(fā)起業(yè)務(wù)并向服務(wù)B發(fā)送任務(wù)請(qǐng)求，服務(wù)B成功接收請(qǐng)求，但是在將請(qǐng)求記錄在自身任務(wù)列表之前服務(wù)B異常崩潰，重啟后，根據(jù)服務(wù)B自身啟動(dòng)機(jī)制，核對(duì)遠(yuǎn)端當(dāng)前偏移量與自身本地偏移量，發(fā)現(xiàn)異常并重復(fù)消費(fèi)，獲取服務(wù)A發(fā)送的任務(wù)請(qǐng)求，正常執(zhí)行業(yè)務(wù)流程。

第四次模擬服務(wù)B接收到服務(wù)A的服務(wù)指令，但是在執(zhí)行自身業(yè)務(wù)邏輯時(shí)由于自身問(wèn)題無(wú)法完成該業(yè)務(wù)，則發(fā)送求助，此時(shí)服務(wù)C和服務(wù)D同處于該求助列表中，有且只有一個(gè)服務(wù)消費(fèi)到了這條求助并執(zhí)行B的任務(wù)，向A發(fā)送回執(zhí)，保證該次業(yè)務(wù)流程完成。

第五次模擬服務(wù)A發(fā)起一次業(yè)務(wù)流程，向服務(wù)B發(fā)送任務(wù)請(qǐng)求，但是由于一部分原因，服務(wù)B自身無(wú)法接收到該指令，因此，服務(wù)A在超時(shí)后再次向服務(wù)B發(fā)送同一條指令，發(fā)送超過(guò)規(guī)定次數(shù)后，服務(wù)A認(rèn)為服務(wù)B已經(jīng)離線，并且無(wú)法完成任務(wù)，于是向后備列表發(fā)送求助，此時(shí)服務(wù)C和服務(wù)D同時(shí)接收到求助，有且只有一個(gè)服務(wù)消費(fèi)此求助，然后完成任務(wù)向服務(wù)A發(fā)送回執(zhí)。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了在微服務(wù)架構(gòu)中針對(duì)服務(wù)間數(shù)據(jù)交互中可能出現(xiàn)的各種導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題的解決方案，該機(jī)制通過(guò)保證消息的冪等性，消息的落盤(pán)和每個(gè)服務(wù)對(duì)于偏移量的操作基本實(shí)現(xiàn)在較低的時(shí)延內(nèi)在低時(shí)效性的業(yè)務(wù)模型中保證數(shù)據(jù)的最終一致性，通過(guò)人為模擬業(yè)務(wù)各個(gè)步驟當(dāng)中可能出現(xiàn)的各類(lèi)角色的離線情況驗(yàn)證該機(jī)制可以預(yù)防一定的數(shù)據(jù)不一致并且在數(shù)據(jù)不一致發(fā)生時(shí)能夠觸發(fā)一定的事件來(lái)對(duì)整個(gè)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行補(bǔ)償，而且能夠盡可能的單方自行解決，避免了在耗時(shí)較高的業(yè)務(wù)中重發(fā)等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的業(yè)務(wù)時(shí)延成倍增加問(wèn)題，并且將該機(jī)制設(shè)計(jì)為服務(wù)模塊可以隨服務(wù)啟動(dòng)又可以獨(dú)立于業(yè)務(wù)邏輯之外來(lái)保證該機(jī)制的運(yùn)行。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2020-01-25

基金項(xiàng)目：教育大數(shù)據(jù)視域下學(xué)習(xí)干預(yù)模型構(gòu)建與研究（項(xiàng)目編號(hào)：LPSSY201908）

作者簡(jiǎn)介：楊成榮（1993-），男，河北衡水人，助教，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)處理;劉峻松（1995一），男，山東青島人，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)處理;孫新杰（1987-），男，河南駐馬店人，副教授，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘;吳超（1993-），男，江西鷹潭人，講師，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)處理。