引言： 单集群 1 亿 MQTT 连接达成
不久前，大规模分布式物联网 MQTT 消息服务器 EMQX 发布了 5.0 版本。这一最新的里程碑版本采用新的后端存储架构 Mria 数据库，并重构了数据复制逻辑，因此 EMQX 5.0 水平扩展能力得到了指数级提升，能够更可靠地承载更大规模的物联网设备连接量。
在 EMQX 5.0 正式发布前的性能测试中，我们通过一个 23 节点的 EMQX 集群，全球首个达成了 1 亿 MQTT 连接+每秒 100 万消息吞吐，这也使得 EMQX 5.0 成为目前为止全球最具扩展性的 MQTT Broker。
本文将对使 EMQX 水平扩展能力得到指数级提升的全新底层架构进行详细解析，帮助大家理解 EMQX 5.0 集群扩展的技术原理，以及在不同的实际应用场景中如何选择合适的部署架构，实现更加可靠的设备接入与消息传输。
100 million MQTT connections testing result
测试详情可参考： https://www.emqx.com/zh/blog/reaching-100m-mqtt-connections-with-emqx-5-0
4.x 时代：使用 Mnesia 构建 EMQX 集群
Mnesia 介绍
EMQX 4.x 版本存储采用的是 Erlang/OTP 自带的分布式数据库 Mnesia ，它具备以下优点：
- Embedded： 和 MySQL、PostgeresSQL 等数据库不同，Mnesia 和 EMQX 是运行在同一个操作系统进程的（类似于 SQLite）。因此 EMQX 可以以非常快的速度读取路由、会话等相关信息。
- Transactional： Mnesia 支持事务且具有 ACID 保证。而且这些保证是针对整个集群所有节点生效的。EMQX 在数据一致性很重要的地方使用 Mnesia 事务，例如更新路由表、创建规则引擎规则等。
- Distributed： Mnesia 表会复制到所有 EMQX 节点。这能提高 EMQX 的分布式的容错能力，只要保证一个节点存活数据就是安全的。
- NoSQL： 传统的关系型数据库使用SQL与数据库进行交互。而 Mnesia 直接使用 Erlang 表达式和内置的数据类型进行读写，这使得与业务逻辑的整合非常顺利，并消除了数据编解码的开销。
在 Mnesia 集群中，所有节点都是平等的。它们中的每一个节点都可以存储一份数据副本，也可以启动事务或执行读写操作。
Mnesia 集群使用全网状拓扑结构：即每个节点都会与集群中其它所有的节点建立连接，每个事务都被会复制到集群中的所有节点。如下图所示：
Mnesia 的问题
正如我们上面所讨论的，Mnesia 数据库有很多非常显著的优点，EMQX 也从中获得了非常大的收益。但其全连接的特性，限制了其集群的水平扩展能力，因为节点之间的链接数量随着节点数量的平方而增长，保持所有节点完全同步的成本越来越高，事务执行的性能也会急剧下降。
这意味着 EMQX 的集群功能有以下限制:
- 水平扩展能力不足。 在 4.x 我们不建议在集群节点过多，因为网状拓扑中的事务复制的开销会越来越大；我们一般建议是使用节点数保持在 3 ~ 7 个，并尽量提供单节点的性能。
- 节点数增多会增大集群脑裂的可能性。节点数越多、节点间的链接数也会急剧增多，对节点间的网络稳定性的要求更高。当产生脑裂后，节点自愈会导致节点重启并有数据丢失的风险。
尽管如此，EMQX 凭借独特的架构设计和 Erlang/OTP 强大的功能特性，实现了单个集群 1000 万 MQTT 连接的目标。同时，EMQX 能够以集群桥接的方式，通过多个集群承载更大规模的物联网应用。但随着市场的发展，单个物联网应用需要承载越来越多的设备和用户，EMQX 需要具备更强大的扩展性和接入能力，以支持超大规模物联网应用。
5.x 时代：使用 Mria 构建大规模集群
Mria 是 Mnesia 的一个开源扩展，为集群增加了最终的一致性。前文所述的大多数特性仍然适用于它，区别在于数据如何在节点间进行复制。 Mria 从全网状拓扑结构转向网状+星型状拓扑结构。每个节点承担两个角色中的一个：核心节点（Core）或复制者节点（Replicant）。
Core 和 Replicant 节点行为
Core 节点的行为与 4.x 中的 Mnesia 节点一致：Core 节点使用全连接的方式组成集群，每个节点都可以发起事务、持有锁等。因此，EMQX 5.0 仍然要求 Core 节点在部署上要尽量的可靠。
Replicant 节点不再直接参与事务的处理。但它们会连接到 Core 节点，并被动地复制来自 Core 节点的数据更新。Replicant 节点不允许执行任何的写操作。而是将其转交给 Core 节点代为执行。另外，由于 Replicant 会复制来自 Core 节点的数据，所以它们有一份完整的本地数据副本，以达到最高的读操作的效率，这样有助于降低 EMQX 路由的时延。
我们可以将这种数据复制模型当做无主复制和主从复制的一种混合。这种集群拓扑结构解决了两个问题：
- 水平可扩展性（如前文提到，我们已经测试了有 23 个节点的 EMQX 集群）
- 更容易的集群自动扩展，并无数据丢失的风险。
由于 Replicant 节点不参与写操作，当更多的 Replicant 节点加入集群时，写操作的延迟不会受到影响。这允许创建更大的 EMQX 集群。
另外，Replicant 节点被设计成是无状态的。添加或删除它们不会导致集群数据的丢失、也不会影响其他节点的服务状态，所以 Replicant 节点可以被放在一个自动扩展组中，从而实现更好的 DevOps 实践。
出于性能方面的考虑，不相干数据的复制可以被分成独立的数据流，即多个相关的数据表可以被分配到同一个 RLOG Shard（复制日志分片），顺序地把事务从 Core 节点复制到 Replicant 节点。但不同的 RLOG Shard 之间是异步的。
EMQX 5.0 集群部署实践
集群架构选择
在 EMQX 5.0 中，所以如果不做任何调整的话所有节点都默认为 Core 节点，默认行为和 4.x 版本是一致的。
可以通过设置 emqx.conf 中的 node.db_role 参数或 EMQX_NODE__DB_ROLE 环境变量，把节点上设置为 Replicant 节点。
请注意，集群中至少要有一个核心节点，我们建议以 3 个 Core + N 个 Replicant 的设置作为开始
Core 节点可以接受 MQTT 的业务流量，也可以纯粹作为集群的数据库来使用。我们建议：
- 在小集群中（3 个节点或更少），没有必要使用 Core + Replicant 复制模式，可以让 Core 节点承担所有的流量，避免增加上手和使用的难度。
- 在超大的集群中（10 个节点或更多），建议把 MQTT 流量从 Core 节点移走，这样更加稳定性和水平扩展性更好。
- 在中型集群中，取决于许多因素，需要根据用户实际的场景测试才能知道哪个更优。
异常处理
Core 节点对于 Replicant 节点是无感的，当某一 Core 节点宕机时，Replicant 节点会自动连接到新的 Core 节点，此过程中客户端不会掉线，但可能导致路由更新延迟；当 Replicant 节点宕机时，所有连接到该节点的客户端会被断开，但由于 Replicant 是无状态的，所以不会影响到其他节点的稳定性，此时客户端需要设置重连机制，连接至另一个 Replicant 节点。
硬件配置要求
网络
Core 节点之间的网络延迟建议 10ms 以下，实测高于 100ms 将不可用，请将 Core 节点部署在同一个私有网络下；Replicant 与 Core 节点之间同样建议部署在同一个私有网络下，但网络质量要求可以比 Core 节点间略低。
CPU 与内存
Core 节点需要较大的内存，在不承接连接的情况下，CPU 消耗较低；Replicant 节点硬件配置与 4.x 一致，可按连接和吞吐配置估算其内存要求。
监控和调试
对 Mria 的性能监控可以使用 Prometheus 或使用 EMQX 控制台查看。 Replicant 节点在启动过程中会经历以下状态：
- bootstrap：当 Replicant 节点启动后，需要从 Core 节点同步最新数据表的过程
- local_replay：当节点完成 bootstrap 时，它必须重放这个过程中产生的的写事务
- normal：当缓存的事务被完全执行后，节点即进入到正常运行的状态。后续的写事务被实时地应用到当前节点。大多数情况下，Replicant 节点都会保持在这个状态。
Prometheus 监控
Core 节点
emqx_mria_last_intercepted_trans: 自节点启动以来，分片区收到的交易数量。请注意，这个值在不同的核心节点上可能是不同的。emqx_mria_weight: 一个用于负载平衡的值。它的变化取决于核心节点的瞬间负载。emqx_mria_replicants：连接到核心节点的复制器的数量，为给定的分片复制数据。emqx_mria_server_mql: 未处理的交易数量，等待发送至复制者。越少越好。如果这个指标有增长的趋势，需要更多的核心节点。
Replicant 节点
emqx_mria_lag：复制体滞后，表示复制体滞后上游核心节点的程度。越少越好。emqx_mria_bootstrap_time：复制体启动过程中花费的时间。这个值在复制体的正常运行过程中不会改变。emqx_mria_bootstrap_num_keys：在引导期间从核心节点复制的数据库记录的数量。这个值在复制体的正常运行中不会改变。emqx_mria_message_queue_len：复制进程的消息队列长度。应该一直保持在0左右。emqx_mria_replayq_len: 复制体的内部重放队列的长度。越少越好。
控制台命令
./bin/emqx eval mria_rlog:status(). 可以获取关于 Mria 数据库运行状态的更多信息。
注：它可以显示一些 shard 为
down 状态，这表明这些分片没有被任何业务应用使用。
结语
全新的底层架构使 EMQX 5.0 具备了更强的水平扩展能力，在构建满足用户业务需求的更大规模集群的同时，可以降低大规模部署下的脑裂风险以及脑裂后的影响，有效减少集群维护开销，为用户提供更加稳定可靠的物联网数据接入服务。
参考资料：
