干货 | 高吞吐消息网关的探索与思考

作者简介

刘惊惊，唯品会业务架构部高级架构师。主要负责用户线，营销线的业务架构，也参与库存系统的重构改造。

一、背景介绍

唯品会是一家立足于“全球精选，正品特卖”的电商网站，拥有4亿注册会员，日活约2千万会员。随着会员数量的增多，公司业务部门的飞速发展，和用户的沟通变得日益重要。沿用至今的消息网关，面对多变的业务和爆发式增长的消息面前，显得力不从心，多次大促出现性能瓶颈，急需重构来跟上公司业务发展的需要。

二、唯品会消息网关的架构定位

在本次重构中，将原来耦合在一起的消息发送渠道，被拆分成逻辑消息网关和物理发送渠道。逻辑消息网关（后面均用消息网关来代替）作为消息发送的总入口，对接上游各个业务系统，为业务系统提供友好的发送受理服务。逻辑消息网关的下游，对接各个物理投递渠道，负责对接第三方信道提供方（如电信，微信等）。

在重构前，消息网关和营销系统耦合较紧，包括定制化功能和共用的开发团队。在重构后，逐渐剥离了这种关系，使得消息网关定位为公司级的基础服务层。其主要职责是：受理投递、频次控制、尽力发送、反馈统计、削峰匹配慢速信道。

下面介绍一下消息网关在唯品会整体系统中的定位。如图1所示，消息网关定位于基础业务服务层，而物理信道定位在基础设施层，两者之间明确的区分了是否业务相关。

图1 消息网关在唯品会整体架构中的位置

那么消息网关具体内部应该是个什么样子，下面我们一起来看一下图2消息网关的内部构造。一个合格的消息网关应该具有以下的功能：业务友好的受理层，模板管理，频次控制，基于优先级队列的消息分发，反馈统计，延时发送，订阅控制，以及其他一些辅助功能。在第二部分将逐个模块的讲解。

图2 消息网关内部构造

三、如何设计消息网关

在图2中，我们全面概览了消息网关内部应该具备的各个功能模块，下面我们逐个模块分解，看看各个部分的功能模块应该如何设计。

1. 消息的受理和分发

在实际的业务场景中，发送给会员，供应商和内部工作人员的消息，分为三种类型：关键性消息，通知类消息，以及营销类消息。关键性消息的特点是，低时延，低吞吐。通知类消息的特点是中时延，高吞吐。营销类消息的特点是中时延，高吞吐。针对不同的消息类型，应该选择不同的受理和分发模块，避免互相干扰。如图3所示。

图3 消息的受理和分发

对于关键性消息，某些渠道如短信，必须设置专用的独占信道来满足业务要求。如图4所示，中国移动信道质量较其他的供应商更好，所以对于关键性消息，通过专线连接主要服务商，并同时接入电信联通haproxy做备用线路。

图4 短信消息网关分发架构

2. 面向业务友好的接口

对使用消息发送服务的业务方来说，最好的接入方式是访问配置好模板的统一接口（对于需要高度个性化的营销系统，是个例外，营销系统倾向于在系统内部完成消息个性化的逻辑），尽量保持代码接口调用的固定，对于少量变动通过修改配置的方式完成。

这么做有两点好处，一是消息网关内部的优化和渠道变动逻辑，不需要被业务系统感知。二是使用预设模板降低了系统交互的开销。图5展示了统一接入接口在系统中的位置。

图5 面向业务友好的接口

3. 频次控制

消息网关需要保护会员不被过多的打扰，提供重要的兜底功能。随着业务的发展，商城、金融系统逐步独立，分散的营销系统往往无法从全局上兼顾整体营销。在营销强度模块正式运行之前，控制过度营销的最后一道闸门，控制在消息网关这里。

图6展示了消息网关在统一接入接口处检查频次控制的情况，对于超过限额的发送请求，会直接拒绝受理。

图6 频次控制

4. 用户订阅

现代消息发送系统都会提供用户退订功能，允许用户对希望接收的渠道和功能进行自主选择。那么用户订阅的关系应该维护在哪个系统比较合适呢？在实践中发现订阅关系维护在会员系统比较合适，消息网关查询订阅关系通过接口访问加缓存的方式去获取。同时各个渠道的退订消息，也需要经由消息网关上报到会员系统，更新订阅关系。图7展示了用户订阅的调用图。

图7 用户订阅

5. 失败重试

消息网关调用下游物理网关，不可避免的会出现调用失败的情况。那么这个时候就需要进行失败重试。失败重试分为2大类，重试失败需要落盘的，和重试失败直接记录异常日志的。验证码属于后者。对于通知类消息，可以容忍一定的时延，采用落盘定时任务轮询重试的方式比较合适。对于营销类消息，在时效期内可以落盘重试，极端情况也可以采用记录异常日志，然后直接丢弃的方式。

图8 失败重试

6. 反馈统计

从业务系统投递消息开始，会经过消息网关，物理消息渠道，第三方供应商等多个环节。每个环节都有可能造成消息的丢失，因此设计反馈统计机制很有必要，在错误排查和费用统计等方面有重要作用。实践中，采用反馈队列的方式进行异步统计，有分钟级的延时。对消息的最终发送结果，ETL到大数据，进行费用统计和费用分摊计算。

图9 反馈统计

四、消息网关的技术选型

业务模块开发采用唯品会自研的RPC调用框架Venus，采用OSP协议（唯品会私有协议）来封装RPC调用，底层通信协议采用Netty，传输协议使用Thrift。数据库技术选型MySQL。消息队列用Kafka，应对高吞吐量消息场景。ETL使用自研VDP(类似于阿里开源的Canal)，解析binlog，同步数据到HDFS。图10演示了Venus框架的基本结构。

Venus框架是一个去中心化的RPC调用框架，Client端对Server端的调用由proxy进行转发。Client到LocalProxy，以及Local Proxy到Server端保持TCP长连接。

Proxy提供跨语言支持服务治理，服务发现，路由调度，限流熔断等功能，并额外支持HTTP GET +URL Path/Parameter，HTTP POST +JSON和RPC OSP协议的转换。Proxy分为LocalProxy和Remote Proxy。Local Proxy和Client部署在同一台服务器上，通过Domain Socket，减少TCP栈的调用开销。Remote Proxy作为备用链路，提供防火墙穿透，跨组织调用，非Java语言HTTP +JSON调用等功能。

图10 Venus框架基本结构

消息网关重度依赖kafka队列，分成消息受理队列，消息异步落盘队列，延时写入队列，反馈队列等。由于整个消息网关基本都是异步化操作，消息的分发有可能早于消息的落盘，这样在数据库消息发送状态更改时，就会出现无法找到的情况。可以采用延时队列，对消息发送状态的落盘动作进行延时写入。

五、消息网关的监控和降级

1. 消息网关的监控

在日常运维层面，消息网关需要监控如下的指标：一是受理域，分发域各接口的调用情况。这部分数据已经在Venus框架内置，导入Mercury监控系统（类似于携程开源的CAT系统）。二是Kafka队列的消息堆积情况监控。三是采用Zabbix监控数据库服务器的CPU负载，内存使用量，磁盘IO等关键性指标。四是消息网关内部监控各物理渠道的投递时延。

图11 受理域请求监控

图12 物理渠道的投递时延监控

图13 Kafka消息堆积监控

2. 消息网关的降级措施

应用于生产系统的消息网关需要部署降级预案，保证故障发生时可以尽快的恢复，降低故障带来的负面影响。下面列出了部分重要的降级预案。

• 受理域机器宕机，由Local Proxy调度转发到正常工作的机器上。
• Kafka无法提供服务，运维提供分钟级紧急恢复，期间消息发送受理中断。已入队列但尚未发送消息，在原集群恢复后继续发送。
• 数据库主库宕机，影响消息状态变更和消息异步落盘。切换到从库。不影响消息的正常发送，影响反馈和统计。
• 用户系统订阅关系无法返回结果，降级为不再查询，默认全部订阅。
• 物理消息网关宕机，投递失败，有重试机制保证。消息本身不丢失，可以在物理渠道恢复后，重发有效期内的消息。

六、消息网关的几点思考

1、业务边界的划分

消息网关本身的设计并不复杂，使用的技术也是成熟的技术。消息网关的难点在于，对于系统业务边界的划分。由于和消息网关打交道的业务系统较多，很多功能可以由上游完成，也可以由下游实现，这个时候就需要权衡各个方面，找到折中的方案。在实践中，唯品会是这么划分业务系统边界的。

• 用户系统管理用户订阅情况，消息网关管理订阅大类和消息模板的映射。
• 消息网关管理消息逻辑层分发，物理发送渠道管理具体投递行为。
• 消息网关管理渠道沟通频次，营销系统管理营销沟通频次。
• 风控系统提供消息防刷机制，易被攻击服务经过风控验证码服务接入消息网关。
• 消息网关提供简单消息模板管理功能，非营销类业务系统不自行管理模板。
• 人群标签由用户画像提供，渠道动态规划由消息网关承载。
• 营销系统个性化消息组装，由营销系统自行负责，消息网关只提供发送功能。

图14 消息网关业务边界的划分

2. 消息网关数据的使用

消息网关的投递的营销消息，订阅情况，打开率等是营销画像的重要组成部分。全景营销平台可以将消息投递情况、打开率、花费作为营销强度计算的数据源。

消息网关数据是各个业务部门费用分摊的主要依据，涉及上市公司的财务审计。

另外通过消息网关数据统计，可以作为各个渠道服务提供商选择和替换的依据。

3. 一些踩过的坑

短信物理网关的通讯协议按照运营商的不同，分成CMPP/SMGP/SGIP三种。都是基于TCP协议上的私有协议，需要自行处理断包和粘包问题。需要将包解析类CmppDecoder（移动）/SmgpDecoder（电信）/SgipDecoder（联通）配置到Mina框架NioSocketConnector的FilterChain里面。用IoSession来完成收发操作。

消息网关异步化引起的问题，比如消息数据异步落盘，可能落后于消息发送状态的更新。需要引进延时队列，通过定时重试解决此问题。

Redis使用上的最佳实践，比如Redis存储Value的String不要超过2k字节（理论最大值512M），以不超过1个网络包(MTU 1500byte)为佳。Set和Sorted的elements不要超过5000个。

压力测试机器上配置的最佳实践，比如需要配置/etc/sysctl.conf的选项：

net.ipv4.tcp_syncookies= 1

net.ipv4.tcp_tw_reuse =1

net.ipv4.tcp_tw_recycle= 1

net.ipv4.tcp_fin_timeout= 15

七、小结

这篇文章总结了唯品会在消息网关重构中，使用的架构思路和经验。文中提到的消息网关，在今年6.16大促高峰期承担了亿级的消息发送压力，经过实践的检验，稳定可靠。希望对于行业内有相同应用场景的公司，能提供一定的设计借鉴作用。系统的设计，无法完美，希望不吝赐教，共同构建起更加高效和稳定的系统。