云消息队列 Kafka 版全面升级：经济、弹性、稳定，成本比自建最多降低 82%
作者：娜米
本文整理于 2024 年云栖大会阿里云智能集团产品专家张凤婷带来的主题演讲《云消息队列 Kafka 版全面升级：经济、弹性、稳定》
云原生消息产品十年磨一剑
消息产品的演进可以大致分为三个主要阶段：
- 起步阶段： 初期，市场上缺乏能够支撑大规模业务场景的优秀消息产品，无论是商业化还是开源产品。阿里巴巴的消息产品诞生于淘宝核心交易链路，服务于当时世界上最大的交易系统之一，在场景适应性、性能、扩展性等方面都经受了严苛的考验。因此，消息队列团队推出了 RocketMQ 的开源和商业化产品，并迅速在技术领域占据领先地位。
- 大数据阶段： 随着 MapReduce、Hadoop、Spark、Hbase 等开源大数据工具的发布，大数据计算变得更容易和低成本。随之，企业业务架构向数据驱动架构转型。为了适应这一趋势，消息队列团队陆续发布了 Kafka、RabbitMQ、MQTT 等多款产品，基于丰富的开源消息生态，构建了一个完整的商业化消息产品矩阵，以满足多样化的业务场景。
- 云计算阶段： 云计算成为行业共识，云基础设施日益成熟。云服务的核心价值在于成本效益，因此，消息队列团队致力于让客户以更低的成本使用云上的消息产品。通过充分利用云服务，如容器服务、飞天盘古等的产品能力，云消息队列 ApsaraMQ （阿里云消息队列产品品牌）全系列产品均实现了 Serverless 架构，以达到成本极致优化。
降本是持续的技术方向
为了持续优化成本，云消息队列 Kafka 版（阿里云消息队列的 Kafka 商业化产品）不仅是简单地给予让利，而是通过架构层面的深度优化，实现客户使用成本的降低。
与 Apache Kafka 相比，云消息队列 Kafka 版通过节省 66% 的资源，实现客户使用成本比自建最多降低 82%， 这是如何实现的呢？
我们来看 Apache Kafka 的数据流，在传统的三备份复制模式下，无论计算还是存储，都需要三份复制来确保系统的高可用。然而，这种设计最初是为了在 IDC 环境中实现高可靠性和可用性的，在高 SLA 的云环境中，就会导致资源冗余。因此，云消息队列 Kafka 版通过架构升级，实现了计算与存储的完全分离，而不是简单的二级存储。
在计算层面，云消息队列 Kafka 版通过存算分离，将计算与存储剥离，实现了计算节点的无状态和互为主备。在存储层面，与 Apache Kafka 不同的是，云消息队列 Kafka 版的存储层采用了成熟产品化的飞天盘古存储产品，支持百万级客户，并且充分利用了云盘的三份复制功能。
因此，云消息队列 Kafka 版在计算层面只需要使用三分之一的机器资源，在存储层面也只需要三分之一的存储空间，就能实现与 Apache Kafka 相似的功能。
消息队列架构演进
在云消息队列 Kafka 版的产品演进过程中，我们不仅注重成本优化，而是致力于实现经济性、稳定性和弹性的三大核心目标。
- 经济性： 我们持续改进定价策略以适应市场趋势。起初，市场上缺乏优秀的消息产品，为了更好地提供高级功能，我们的定价策略需要覆盖研发成本。随着开源消息生态的发展，我们调整定价模型，以降低使用成本，与自建运维成本相持平。目前，我们通过优化成本结构，将使用成本降至与自建机器成本相当的水平，无需额外的人力投入。通过减少预留资源和增加资源弹性，云消息队列 Kafka 版实现了 Serverless 架构，客户使用成本比自建平均降低 30%，为客户提供了更具成本效益的消息产品。
- 稳定性： 我们致力于增强系统的稳定性。服务水平协议（SLA）通常确保产品在正常运行时的稳定性。然而，对于云消息队列 Kafka 版，我们的 SLA 不仅确保系统稳定运行，还特别关注在运维、扩缩容和弹性等操作中的稳定性。专业版支持多可用区故障无损切换；同时 Serverless 系列支持在两倍弹性范围内进行无感扩展，目前也支持定时弹性无限（最大到 50GB/s 的规格）弹性，解决秒杀场景的冷启动弹性问题。后面规划可以做到自适应弹性，跟随流量增长，动态扩容，支持数倍的弹性。确保用户体验的流畅性和服务的可靠性。
- 弹性： 我们注重提升效率。Apache Kafka 作为一个有状态的产品，在扩容和缩容过程中可能会耗费较长时间。尤其面对大规模业务，Apache Kafka Broker 有状态的特点导致了扩容缓慢、缩容困难的问题。云消息队列 Kafka 版从设计之初就追求在有状态背景下，实现快速、顺畅地扩容和缩容。目前，则更进一步追求，在保持系统稳定性的同时，实现更快速的弹性。通过存算分离、状态下推、并行升级、预留资源池等技术，云消息队列 Kafka 版实现了秒级弹性，而开源自建扩容要小时甚至天的时间。
综上所述，云消息队列 Kafka 版架构演进的核心目标，是平衡成本与性能，并确保弹性和可靠性。同样，这也是整个消息生态系统架构发展的趋势。
随着单机架构的淘汰，目前市场上主要采用以下三种架构：
- 本地存储架构： 这是 Apache Kafka 的开源架构。
- 多级存储架构： 尽管 Apache Kafka 也提出了该架构，但目前还不够成熟。许多云厂商也采用这种架构，因为它易于部署，投入较少的资源就能够适配不同云厂商的环境，但并没有专为某个云厂商进行深度优化。而且，这种架构还存在存算分离不彻底、热盘爆盘、数据丢失以及 HA 瓶颈等问题。
- 存算分离架构： 这是目前的最优选择，真正实现了计算层的完全无状态，有助于提高弹性过程中的稳定性、效率和数据可靠性。
存算分离架构是 Serverless 架构的最优选择
在云消息队列 Kafka 版的架构演进的过程中，重点在于重新设计存储层。我们的目标是确保计算层和存储层的状态剥离得足够彻底，并在此基础上解决成本、性能、稳定性和弹性效率之间的矛盾。
为什么说存算分离架构是目前的最优选择？以下是几个关键考量点：
- 冷热数据的运维问题： 在多级存储系统中，冷热数据管理至关重要。资源预留不足可能导致爆盘，影响写入操作，但资源预留实际是与 Serverless 架构理念相悖的。同时，由于多级存储涉及多种产品，增加了运维复杂性，因此，冷热数据运维通常应由成熟产品而非个人负责。
- 热数据灾备切换问题： 在多级存储系统中，需要考虑计算和热盘绑定的问题。热盘是架构中有状态的部分，Broker 并不是独立存在的，因此在进行 HA 切换时，如何保证不丢数据，保证 HA 的效率是一个关键问题。
- 热盘机型切换问题： 尽管存在热盘挂载的技术，但其尚未被大规模应用，成熟度还没有得到保证。同时，支持该技术的机型数量很有限，相关成本也是一个考虑因素。
因此，简单的多级存储可能会掩盖很多潜在问题，在实际落地中隐藏了巨大的风险。所以，多级存储的进一步演进，是真正实现存算分离架构，确保数据不丢失、服务持续可用、快速实现 HA，并通过大规模验证。
从以上关键点来比较三种架构：
- 本地存储架构： Apache Kafka 最被诟病的运维痛点，包括弹性时间长和资源冗余导致成本高。采用本地存储架构数据不共享，需要在计算层进行备份和复制，成本较高。由于数据并未剥离，扩容时需要数据迁移，导致扩容速度慢至小时甚至天级别，严重影响业务，有时还需要在数据丢失和稳定性之间进行取舍。
- 多级存储架构： 多级存储本身是个很棒的架构，在数据存储上有广泛的应用，但由消息产品直接实现该架构非最佳实践，可能会存在热盘规划、数据丢失、稳定性、服务持续性、运维投入、HA 速度等很多问题。非常考验代码的细节以及极端且广泛场景的验证。
- 存算分离架构： 从目前云产品和技术发展的进程看，存算分离架构是从根本上解决这些问题的最佳实践。
上面是效果比较的示意图，在稳定性、弹性、资源利用率方面，存算分离架构均表现最佳。因此，我们采取冷热数据共享，通过存算分离架构进行云消息队列 Kafka 版产品重构和演进。
Kafka 不仅仅是 Apache Kafka
接下来将通过一些实际例子，与大家分享存算分离架构带来的优势。
秒级弹性 & 扩容稳定性打磨
在扩容方面，Apache Kafka 需要进行数据的 shuffle。例如，假设有一个由 broker 1、2、3 组成的集群，当我们再加入一个 broker 4 时，不论是 leader 数据还是 follower 数据，都需要进行 shuffle。
相比之下，云消息队列 Kafka 版的扩容过程则更为简便，只需要添加一个计算的 broker，并进行逻辑映射，就可以开始读写操作，无需进行数据迁移。这种模式将数据迁移所需的线性增长时间转变为定量的扩容时间，从而减少了时间成本并提高了效率。
以下是一个示例，供参考。基于一个数据写入速率 100MB/s 并保存数据 30 天的工作负载进行测试，使用云消息队列 Kafka 版，无论是横向扩容还是增加分区，时间上都有了百倍到千倍的减少。 对于需要持续运行的业务场景来说，这是显著的优势。
故障切换，数据不丢
随着规模的增长，单点故障的概率也随之上升。因此，在 HA 场景下，必须考虑到数据快速切换且不丢失的问题，这是 Kafka HA 的关键点。
以 Apache Kafka 为例，当一个机房断网或不可用时，由于分区及其副本可能位于同一个可用区，这就可能直接导致不可用，例如下图的分区 3；如果设定高可用模式，Follower 数据可能尚未完成同步，导致部分分区数据丢失，例如下图的分区 1、2；在集群减少机器资源的情况下，选主后会尽快补齐 Follower，进一步加剧集群流量负担，甚至可能导致全集群的稳定性问题，例如下图的分区 1、2、3、4。因此，虽然理论上 Apache Kafka 可以跨越多个可用区部署，但在实际故障需要主备切换时，仍可能会出现部分分区完全不可用、宕机时间不可控的情况，还有数据丢失和脑裂的风险。
云消息队列 Kafka 版跨多个可用区部署计算和存储资源，当一个可用区不可用，不会对其他可用区产生任何影响。由于计算层面无状态且相互独立，存储层是多可用区容灾的，因此多可用区能够正常提供服务。同时，得益于阿里云飞天盘古存储系统的强大支持，经过大规模商业化验证，提供了 12个9 的数据可靠性和 5个9 的可用性。并且，通过优化选主算法，有效避免了 HA 场景中最令人担心的脑裂风险。
RT 性能量级提升
我们都知道，绝大多数时候，优化架构是远远不够的。实现落地的细节、各种场景的磨练以及商业化规模的打磨，都会影响整个产品的平稳与性能。
云消息队列 Kafka 版不仅优化了架构，在许多细节上也做了提升。接下来将重点介绍存储层的五个优化策略：
- 利用强大的云服务： 采用了飞天盘古存储系统，其性能非常高，能达到百微秒级平均延迟、毫秒级长尾延迟，同时提供了 12个9 的数据可靠性和 5个9 的可用性。
- 多组提交优化： 采取了多种内存聚批策略，包括时间、空间和频率等，优化多组提交。
- 多级缓存： 内存数据中采用了多级缓存机制，实现数据就近加速和热数据分离，避免缓存污染，从而提升整体性能。
- 冷读优化： 冷读是影响 Apache Kafka 稳定性的关键点，云消息队列 Kafka 版几年前就实现了冷热线程（协程）分离，近期又增强了数据预加载、预读和自适应调整 IO 大小等能力。
- 硬件优化： 云消息队列 Kafka 版还进行了一些硬件优化协调，去提升性能。
云消息队列 Kafka 版通过以上存储策略优化，无论是在攒批发送的端到端延迟、发送延迟、碎片化发送、冷读或者堆积的测试上，性能都得到显著提升。 下图是我们的实验数据和结果。
总的来说，云消息队列 Kafka 版并不仅仅是 Apache Kafka 的全托管产品，我们在整体架构和细节上不断打磨，在性能和稳定性方面持续深度优化，以满足客户对高性能、高稳定性的需求。
云消息队列 Kafka 版：追求极致，接近极致
云消息队列 Kafka 版不仅兼容开源协议，保留了开源产品的核心功能，更致力于为客户提供更加稳定可靠、高效灵活、成本效益更高的消息队列服务。
- 云消息队列 Kafka 版依托于阿里云成熟、强大的基础设施，如容器服务、飞天盘古存储系统、云服务器等经过大规模验证的产品，为整体性能和稳定性提供了坚实的基础。
- 内核层面，云消息队列 Kafka 版进行了彻底的重构，包括快速启动、数据自平衡和就近加速等，以确保系统的稳定性和数据传输的可靠性。
- 性能方面，云消息队列 Kafka 专注于提升数据处理速度，使用户能够更迅速地传输和处理数据。
- 云消息队列 Kafka 版在客户体验和功能可视化方面也进行了深度优化。提供完善的可视化大盘、实时监控和专家诊断等，使客户能够更直观地掌握系统的运行状况。
阿里云是 Confluent 中国大陆地区唯一的合作商
云消息队列 Kafka 版不仅提供开源 Apache Kafka 全托管的版本，还提供 Confluent 版。
Confluent 是 Kafka 商业化的领先企业，它提供了基于 Kafka 的消息平台 Confluent Platform，使得用户可以更轻松地构建、管理和监控实时数据流。
Confluent 可以理解为是一个搭积木的产品，Apache Kafka 只是内核。它的核心产品特性包括 Kafka Connector、KSQL 和 Schema Registry 等。Kafka Connector 允许用户轻松地集成 Confluent 平台与各种数据存储系统和应用程序，而 Kafka Cycle Management 则提供了一套工具和服务，让用户能够更轻松地管理和操作 Kafka 集群。此外，Schema Registry 允许用户注册和管理 Avro 模式，而 KSQL 则提供了一种 SQL 接口，使得用户可以使用 SQL 语句对实时数据进行处理和分析。
总之，Confluent 的商业化版本为客户提供了一站式的消息平台解决方案，帮助他们更轻松地构建和管理实时数据流。无论是连接、管理、数据格式还是数据分析，Confluent 都能满足需求，是构建实时数据架构的理想选择。
目前，阿里云是中国大陆地区唯一的一个合作商，已经在中国大陆地区核心区域，中国香港、新加坡、马来西亚等区域发布了云消息队列 Confluent 版，并提供新用户首月 1 折试用的优惠活动，欢迎大家体验。
云消息队列 Confluent 版官网：https://www.aliyun.com/product/aliware/alikafka/confluent
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