如何分析ApachePulsar的访问模式与分层存储

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Apache Pulsar 是 Apache 软件基金会顶级项目，是下一代云原生分布式消息流平台，集消息、存储、轻量化函数式计算为一体，采用计算与存储分离架构设计，支持多租户、持久化存储、多机房跨区域数据复制，具有强一致性、高吞吐以及低延时的高可扩展流数据存储特性。

为什么选择 Apache BookKeeper - Part 1 中谈到了 Apache Pulsar 如何利用 BookKeeper 多副本的工作方式以及 BookKeeper 中不同的 I/O 模式。

下面将讨论在 Pulsar 中多副本怎样与不同的 I/O 模式交互，以及 Pulsar 如何通过这种交互实现分层存储等。

从本质上看，Pulsar 采用分层架构，而这种分层架构使得每种 I/O 模式都可以独立工作，因此读写之间永远不会相互干扰。

分层还简化了以与 Pulsar 完全集成的方式添加存储层的操作，从而在对使用 Pulsar 的开发者不产生任何影响的条件下，降低增加存储层的成本，并提高新增存储层的可扩展性。

Pulsar 是一个提供发布-订阅和排队语义的消息系统。客户端可以是 producer 或 consumer，也可以是两者组合。

生产客户端向 broker 发送消息，消费客户端从 broker 消费消息。Pulsar 将消息整理存放在 topic 中，并把 topic 分配给 broker。

在一个 topic 内，Pulsar 保证全序原子广播（Total Order Atomic Broadcast），也就是说，一旦 Pulsar broker 向 producer ack topic 中某消息的发布，相对于同一 topic 中的其他消息，此消息将永远不会丢失、被复制或被重新排序。并且，消息顺序完全相同，所有 consumer 读取消息的顺序也完全相同。

Pulsar 使用 BookKeeper 作为 topic 积压消息的后备存储。Pulsar broker 作为 BookKeeper 存储顶部的无状态服务层。

当 producer 向 Pulsar 发送消息时，Pulsar 立刻将此消息写入 BookKeeper。一旦 BookKeeper ack 写操作，broker 便可以向 producer ack 消息发布，并且 consumer 可以读消息。

消息系统中通常有三种 I/O 模式。

• 写：发布消息到消息系统；

• 追尾读：写入后，立即发送消息给活跃订阅者 ；

• 追赶读：新 consumer 想从最新消息之前的某个点开始读取，或现有 consumer 长时间离线后返回时，consumer 从日志后缀中读取大量消息以进行追赶。不同于大多数其他消息系统，Pulsar 中每种 I/O 模式之间相互隔离。

最有趣的 I/O 模式是写模式，所有其他模式都遵循该模式。当 Pulsar broker 想为某个 topic 持久化消息时，broker 会将此消息写入一组 BookKeeper 节点，这组节点就定义为该 topic 日志的写入 quorum。

每个接收消息的 BookKeeper 节点都将此消息添加到节点的日志文件中，而节点的日志文件存放于专用磁盘上。当足够多的节点 ack 写入以满足日志的多副本（即 ack quorum）要求时，则认为写操作已提交，并已向 producer ack。

从这一点开始，该消息不可变，并且该消息将会一直占用日志偏移量。其他消息都不可以占用这个偏移量，此消息也不可再更改。

可以利用消息的不可变性有效地服务于消息系统的其他 I/O 模式。在 BookKeeper 节点日志中写入消息是规范的，并且如果用户停在这里，仍然可以访问此消息。

但是，这样做效率不高，因为每次读都需要扫描所有日志以查找所需消息，并且不能截断日志来释放磁盘空间。不过已提交消息的不可变性允许在多个位置缓存该消息，以有效地进行读操作。

第一级缓存是 Pulsar broker，可用于追尾读。提交消息后，可以直接将消息发给所有与此 topic 相关的订阅者，而不必使用磁盘。

下一级缓存是 BookKeeper 节点上的 ledger 存储磁盘。将消息写入 BookKeeper 节点上的日志时，同时也写入到定期 flush 的 ledger 存储磁盘的内存缓冲区。

BookKeeper 节点使用此磁盘提供读操作。在 Pulsar 中，从内存缓冲区读消息很少见。追尾 consumer 通常直接从 Pulsar 的缓存中读消息。追赶 consumer 通常请求很早之前的消息，因此这些消息一般不存储在内存缓冲区。

Ledger 存储磁盘服务于追赶读。Ledger 存储磁盘采用的存储消息的格式不仅保证在同一 topic 上尽可能按顺序读取，还优化了在同一磁盘上存储多个不同 topic 的能力。由于 ledger 存储磁盘与日志磁盘相互隔离，读操作不会影响日志磁盘中按顺序写入的性能。

如果为 Pulsar 配置了“分层存储”，则最后一级缓存为长期存储。分层存储允许用户对 topic backlog 中的较旧部分采用更节约成本的存储形式。

分层存储利用了消息的不可变性，但粒度更大，因为在长期存储中单独存储每条消息会很浪费空间。Pulsar topic 日志由分片组成，每个分片默认对应一个包含 50000 条消息的序列。活跃分片只有一个，活跃分片之前的分片将关闭。

当分片关闭时，无法继续添加新消息。假定分片中的单条消息不可变，并且单条消息的偏移量不可变，则此分片不可变。因此可以复制不可变对象到想要的任何位置。

要在 Pulsar 中使用分层存储，用户必须使用基于时间或基于大小的策略来配置 topic 命名空间以卸载分片。当命名空间中的 topic 达到策略中定义的阈值时，Pulsar broker 将 topic 日志中最旧的分片复制到长期存储中，直到该 topic 低于策略阈值。

经过一段时间后，Pulsar 从 BookKeeper 中删除原来的分片，以释放磁盘空间。

Pulsar 支持将 Amazon S3 和 S3 兼容的对象存储用于长期存储，也支持 Azure 存储，并且从 Pulsar 2.2.0 起支持谷歌云存储。

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