1.Mnesia：Erlang語言中的分布式數(shù)據(jù)庫

在EMQX 5.x版本之前，集群數(shù)據(jù)存儲采用的是Erlang/OTP自帶的實時分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)——Mnesia。Mnesia是用Erlang語言實現(xiàn)的，并且與Erlang緊密耦合，這也造就了它的獨特之處，它幾乎將Erlang變成了一種數(shù)據(jù)庫編程語言。Mnesia可以說是專為用Erlang編寫的工業(yè)級電信應(yīng)用程序而設(shè)計的，并提供了支持高容錯電信級系統(tǒng)所必需的常用功能。它試圖解決典型電信系統(tǒng)所需的所有數(shù)據(jù)管理問題，并具有許多傳統(tǒng)DBMS通常不具備的功能。其提供的特性主要包括：

• 快速實時的鍵值查找；
• 復(fù)雜的非實時性查詢；
• 分布式數(shù)據(jù)支持；
• 高容錯性；
• 復(fù)雜的數(shù)據(jù)對象。

Mnesia通常支持兩種數(shù)據(jù)訪問模式：本地模式和遠程模式。本地模式采用的是全連接、點對點的復(fù)制模式，即節(jié)點中的數(shù)據(jù)表會復(fù)制到集群所有節(jié)點中；而在遠程模式中，當(dāng)要訪問的表沒有本地副本時，會通過RPC調(diào)用讀取遠程具有數(shù)據(jù)表副本的節(jié)點。本地模式訪問的缺點是集群擴展性差，且存在腦裂的風(fēng)險，但優(yōu)點也顯而易見，因為集群中每個節(jié)點都擁有集群全量的數(shù)據(jù)，故而可以通過本地查詢來提高檢索效率。

相對于遠程模式的網(wǎng)絡(luò)操作而言，本地讀取數(shù)據(jù)的延遲要比遠程模式的網(wǎng)絡(luò)延遲小幾個數(shù)量級。另外，這種實現(xiàn)方式也能提高集群的分布式容錯能力，只要保證集群中仍有存活的節(jié)點，集群數(shù)據(jù)就是全量的、安全的。所以在早期的EMQX實現(xiàn)中，默認使用的就是本地模式。尤其是在消息分發(fā)時，通過本地查詢Mnesia數(shù)據(jù)庫中的路由表數(shù)據(jù)快速定位到消息要投遞的節(jié)點，可以實現(xiàn)個位數(shù)毫秒的高效、低延時的消息分發(fā)操作。

2.Mnesia的弊端：復(fù)制帶來的開銷

如前文所述，由于Mnesia集群使用全網(wǎng)狀的連接架構(gòu)，集群中每個節(jié)點都會與其它所有的節(jié)點建立連接，每個節(jié)點產(chǎn)生的事務(wù)也都被會復(fù)制到集群中的所有節(jié)點上。這就導(dǎo)致集群的整體可擴展性差：首先，集群中每增加一個節(jié)點，集群數(shù)據(jù)同步的開銷也會隨之增大，且由于網(wǎng)絡(luò)問題導(dǎo)致的集群腦裂的風(fēng)險也會增加。其次，集群中每個節(jié)點都要能夠承載全量的集群數(shù)據(jù)，相對于Mnesia這種經(jīng)常將數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中的應(yīng)用場景來說，服務(wù)器資源的投入也會跟著集群規(guī)模的擴展而增加，對機器配置和性能的要求也會越來越高。集群節(jié)點間的數(shù)據(jù)復(fù)制成本和服務(wù)器資源投入這兩個問題一直是限制集群擴展性的核心問題。

Mnesia 網(wǎng)狀拓撲架構(gòu)

3.Mria：從全網(wǎng)狀到單復(fù)制

為了解決Mnesia全網(wǎng)狀復(fù)制帶來的問題，EMQX 5.x版本中引入了新的數(shù)據(jù)層解決方案實現(xiàn)——Mria。Mria對Mnesia進行了封裝，其核心訴求是在實現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地讀寫的基礎(chǔ)上，盡可能地減少集群節(jié)點復(fù)制的開銷。

Mria將原有的全網(wǎng)狀復(fù)制的Mnesia節(jié)點擴展成兩種不同的角色節(jié)點——核心節(jié)點(Core)和復(fù)制節(jié)點(Replicant)。核心節(jié)點與傳統(tǒng)的Mnesia節(jié)點行為類似，仍舊采用全網(wǎng)狀的復(fù)制模式，所有核心節(jié)點之間的事務(wù)仍會復(fù)制到其它核心節(jié)點上。復(fù)制節(jié)點則不直接參與Mnesia事務(wù)處理，而是連接到集群中某個核心節(jié)點上，被動地復(fù)制來自核心節(jié)點的數(shù)據(jù)更新。為此，核心節(jié)點還同時擁有另外一項重要的工作，即處理連接到自身的所有復(fù)制節(jié)點的數(shù)據(jù)處理。

由于復(fù)制節(jié)點不再參與集群中事務(wù)的同步工作，只有少數(shù)的核心節(jié)點會實時地同步事務(wù)，而復(fù)制節(jié)點只是復(fù)制對應(yīng)核心節(jié)點的數(shù)據(jù)，所以這種實現(xiàn)模式在復(fù)制節(jié)點可以擁有集群全量數(shù)據(jù)以實現(xiàn)高效的本地數(shù)據(jù)檢索的前提下，同時能夠減少整個集群的事務(wù)同步開銷。借助于復(fù)制節(jié)點的特性，當(dāng)更多的設(shè)備需要接入到集群中時，只需要相應(yīng)地擴展復(fù)制節(jié)點的數(shù)量，讓這些節(jié)點承載設(shè)備連接，而又不會直接增加核心節(jié)點寫操作的延時，從而達到擴展集群規(guī)模的效果。

Mria 單復(fù)制拓撲架構(gòu)

但是Mria這種架構(gòu)實現(xiàn)也不是銀彈，雖然它可以解決全網(wǎng)狀復(fù)制帶來的數(shù)據(jù)同步問題，但是依然無法很好地處理所有節(jié)點都要承載集群全量數(shù)據(jù)的問題。

另外需要特別注意的是，為了提高Mria架構(gòu)的復(fù)制效率，EMQX官方在Erlang/OTP實現(xiàn)的基礎(chǔ)上引入了一個叫做post-commit鉤子的實現(xiàn)。如果要應(yīng)用新的Mria架構(gòu)，需要使用有此補丁的Erlang/OTP庫，否則集群會自動降級到Mnesia的實現(xiàn)模式。遺憾的是，到目前為止，該新特性并未合并到Erlang/OTP官方倉庫中，需要研發(fā)人員自己構(gòu)建帶有此補丁的依賴庫。

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4.AMQ 2.0：基于角色的路由分發(fā)

AMQ是中國移動智慧家庭運營中心自研的基于開源EMQX實現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)連接中間件。為了增加集群的擴展能力，我們在2.0版本中引入了Mria開源實現(xiàn)的新特性，用于解決集群節(jié)點復(fù)制的開銷問題。同時，為了解決所有節(jié)點需要承載集群全量數(shù)據(jù)的問題，我們設(shè)計了新的集群數(shù)據(jù)復(fù)制實現(xiàn)——連接分發(fā)引擎：一種基于節(jié)點角色進行訂閱/復(fù)制的路由分發(fā)機制。

路由數(shù)據(jù)是物聯(lián)網(wǎng)連接集群中的核心數(shù)據(jù)，它存儲設(shè)備訂閱主題與集群節(jié)點的映射關(guān)系，在消息發(fā)布時根據(jù)消息主題信息查找所有匹配的節(jié)點，用于集群內(nèi)節(jié)點間的消息派發(fā)。在EMQX的實現(xiàn)中，路由數(shù)據(jù)存在于集群中的所有節(jié)點上。客戶端的主題訂閱數(shù)據(jù)，則只保存在連接所在的節(jié)點上，用于節(jié)點內(nèi)部派發(fā)消息到客戶端。當(dāng)客戶端連接到集群某個節(jié)點訂閱某個新的主題時，就會生成一條路由數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)最終會同步到集群所有節(jié)點上，每個節(jié)點都可以通過本地查詢找到任意主題對應(yīng)的訂閱節(jié)點列表。當(dāng)客戶端發(fā)布消息時，連接所在節(jié)點會根據(jù)消息主題檢索路由數(shù)據(jù)得到所有訂閱節(jié)點的信息，然后將消息派發(fā)到這些節(jié)點上。

Mria實現(xiàn)的一個問題就在于，集群中很多節(jié)點復(fù)制了本身就不需要的路由數(shù)據(jù)。設(shè)想這樣一種場景：一個智能門鎖和一個智能臺燈分別連接到集群中的NodeA和NodeB節(jié)點上，并且分別訂閱了主題TopicA和TopicB。由于EMQX實現(xiàn)的特性，這兩個節(jié)點都會存儲一條包含TopicA和TopicB的路由數(shù)據(jù)。但由于門鎖和臺燈之間不會直接互相發(fā)布消息，對這兩個節(jié)點來說，他們都存儲了一條永遠也不會用到的路由數(shù)據(jù)。同理，當(dāng)集群中接入的設(shè)備越來越多時，每個節(jié)點上都會存在大量無用的路由數(shù)據(jù)記錄。這不僅會增加服務(wù)器資源的投入，還會導(dǎo)致查詢性能的降低，另外在新節(jié)點加入集群時，還會導(dǎo)致數(shù)據(jù)復(fù)制時間的增加，降低節(jié)點的接入效率。

在AMQ 2.0實現(xiàn)的路由分發(fā)機制中，每個節(jié)點都有一個數(shù)據(jù)復(fù)制角色：DB(Database)，SVC(Service)或者CONN(Connection)。其中只有少數(shù)的DB角色節(jié)點才擁有全量的集群數(shù)據(jù)，在集群中承擔(dān)“數(shù)據(jù)中心”的角色。DB節(jié)點負責(zé)根據(jù)可配置的訂閱策略將路由數(shù)據(jù)分發(fā)給對應(yīng)的SVC或CONN節(jié)點。另外，SVC和CONN節(jié)點并不會簡單地復(fù)制DB節(jié)點的所有路由數(shù)據(jù)，而是根據(jù)可配置的角色策略選擇性地復(fù)制自己所需要的數(shù)據(jù)。這樣，這些節(jié)點存儲的數(shù)據(jù)就是有限的，并不會隨著集群數(shù)據(jù)量的增加而增加，并且仍舊采取本地查詢的方式檢索數(shù)據(jù)，不會影響消息派發(fā)時數(shù)據(jù)檢索的效率。此外，由于不需要同步集群全量數(shù)據(jù)，每個SVC和CONN節(jié)點都可以做到快速接入、快速完成存量數(shù)據(jù)的復(fù)制。

AMQ基于角色的路由分發(fā)拓撲架構(gòu)

5.總結(jié)

無論是EMQX 4.x的Mnesia實現(xiàn)，還是EMQX 5.x的Mria實現(xiàn)，亦或是AMQ 2.0的路由分發(fā)實現(xiàn)，目的都是一樣的：在確保數(shù)據(jù)讀寫效率的前提下，盡可能地擴展集群的規(guī)模。