kafka 单机集群压力测试

由于kafka吞吐量特别大,所以先考虑集群服务器的自身瓶颈,因为现在测试的是单机所以只会涉及到磁盘IO以及cpu,但是对于kafka来说对于cpu的使用还是可以忽略不计的,

1.1磁盘IO写入瓶颈

使用以下命令测试磁盘IO的写入瓶颈

synctime -p bash -c "(dd if=/dev/zero of=test.dd bs=1M count=20000)"

说明: 在当前目录下创建一个test.dd的文件,写入20000个1M的数据

磁盘写入IO的结果

可以看到平均就是187MB/s

1.2 使用iostat命令监测磁盘io情况

使用命令

# iostat -x 1

说明: 扩展查看io性能,每秒刷新一次

注意: 如果没有iostat,请执行 yum install sysstat -y 进行安装 iostat命令

关注wkB/s和%util两个参数

wkB/s：每秒写入设备的数据量（单位：KB）

%util：消耗在I/O请求中的CPU时间百分比（设备带宽利用率）。如果该值接近100%说明设备出现了瓶颈。

如图现在这台机器的磁盘IO极限值为187MB/s

1.3 单机版测试kafka性能

因为测试的次数比较多,也没有去找kafka中数据存储设置,所以就使用docker部署单机版的kafka (因为测试的数据比较多,也就多次的删除了容器,重新启动镜像)

新建目录:

mkdir /usr/local/kafka_test

dockerfile

run.sh

sources.list

目录结构如下:

生成镜像

docker build -t kafka_test /usr/local/kafka_test

启动kafka

docker run -d -it kafka_test

测试结果

从表格中可以看出来五个分区就已经是极限了

结果分析

这中间并没有设置条数/每秒,所以就是按照kafka 就会按照量级自动的吞入数据,如果我们需要对于消息的即时性做控制,还需要再重新测试一下,按照业务的延迟找到最合适的数量(单机版,然后再部署集群,测试适合的数量)

集群测试:

部署就不再这里说明了

本次测试的是三台机器集群

测试结果:

之后还测试了9个分区的topic 因为空间不足所以就没有继续测下去,但是看部分数据还超过了500MB/s还是有上升空间的

1.3 磁盘IO 读取瓶颈

使用一下命令测试磁盘IO的读取瓶颈

hdparm -tT --direct /dev/vda

说明: hdparm命令是显示与设定硬盘的参数, -t参数为评估硬盘的读取效率(不经过磁盘cache), -T参数为评估硬盘的读取效率(经过磁盘cache).

几个小服务器堆叠在一起能够以较低的成本取得较大的性能，但是这集群技术路线会由于节点之间的通讯协调带来大量的损耗，在HPC等松耦合处理中应用广泛，但是在OLTP、OLAP等紧耦合数据处理中会遭到不可克服的技术瓶颈——memory

wall问题，即不同计算节点在处理过程中需要进行大量的协同通讯，当计算节点数量达到一定程度后，节点协同造成的性能损耗已经超过添加节点的性能，系统并发能力就难以继续提高，这也是普通服务器和大服务器的根本区别。

大服务器的数据库性能测试通常可以达到几百万（TPC测试），这是普通服务器无论采取怎样的集群方式都不可能实现的值，因此，就性能而言，普通服务器与大型服务器区别不大（若以单台计，大服务器肯定胜出），普通服务器可以通过集群的方式来提高，在线事务处理能力的高低才是大型服务器与普通服务器的根本差别。

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随着集群中总的Region数持续增长，每个节点平均管理的Region数已达550左右，某些大表的写入流量一上来，Region Server就会不堪重负，相继挂掉。

在HBase中，Region的一个列族对应一个MemStore，通常一个MemStore的默认大小为128MB（我们设置的为256MB），见参数 hbase.hregion.memstore.flush.size 。当可用内存足够时，每个MemStore可以分配128MB的空间。

当表的写入流量上升时，假设每个Region的写入压力相同，则理论上每个MemStore会平均分配可用的内存空间。

因此，节点中Region过多时，每个MemStore分到的内存空间就会变小。此时，写入很小的数据量，就会被强制flush到磁盘，进而导致频繁刷写，会对集群HBase与HDFS造成很大的压力。

同时，Region过多导致的频繁刷写，又会在磁盘上产生非常多的HFile小文件，当小文件过多的时候，HBase为了优化查询性能就会做Compaction操作，合并HFile，减少文件数量。当小文件一直很多的时候，就会出现 “压缩风暴”。Compaction非常消耗系统的IO资源，还会降低数据的写入速度，严重时会影响正常业务的进行。

关于每个Region Server节点中，Region数量大致合理的范围，HBase官网上也给出了定义：

可见，通常情况下，每个节点拥有20-200个Region是比较正常的。

其实，每个Region Server的最大Region数量由总的MemStore内存大小决定。每个Region的每个列族会对应一个MemStore，假设HBase表都有一个列族，那么每个Region只包含一个MemStore。一个MemStore大小通常在128~256MB，见参数： hbase.hregion.memstore.flush.size 。默认情况下，RegionServer会将自身堆内存的40%（我们线上60%）（见参数： hbase.regionserver.global.memstore.size ）提供给节点上的所有MemStore使用，如果所有MemStore的总大小达到该配置大小，新的更新将会被阻塞并且会强制刷写磁盘。因此，每个节点最理想的Region数量应该由以下公式计算（假设HBase表都有统一的列族配置）：

((RS memory) * (total memstore fraction)) / ((memstore size)*(column families))

其中：

以我们线上集群的配置举例，我们每个RegionServer的堆内存是32GB，那么节点上最理想的Region数量应该是： 32768*0.6/256 ≈ 76 （32768*0.6/128 ≈ 153）

上述最理想的情况是假设每个Region上的填充率都一样，包括数据写入的频次、写入数据的大小，但实际上每个Region的负载各不相同，有的Region可能特别活跃、负载特别高，有的Region则比较空闲。所以，通常我们认为2 3倍的理想Region数量也是比较合理的，针对上面举例来说，大概200 300个Region左右算是合理的。

针对上文所述的Region数过多的隐患，以下内容主要从两方面考虑来优化。

提高内存的目的是为了增加每个Region拥有的MemStore的空间，避免其写入压力上升时，MemStore频繁刷写，形成小的HFile过多，引起压缩风暴，占用大量IO。

但其实RS的堆内存并不是越大越好，我们开始使用HBase的时候，对CMS和G1相关的参数，进行了大量压测，测试指标数据表明，内存分配的越大，吞吐量和p99读写平均延时会有一定程度的变差（也有可能是我们的JVM相关参数，当时调配的不合理）。

在我们为集群集成jdk15，设置为ZGC之后，多次压测并分析JVM日志之后，得出结论，在牺牲一定吞吐量的基础上，集群的GC表现能力确实提升的较为明显，尤其是GC的平均停顿时间，99.9%能维持在10ms以下。

而且ZGC号称管理上T的大内存，停顿时间控制在10ms之内（JDK16把GC停顿时间控制在1ms内，期待JDK17 LTS），STW时间不会因为堆的变大而变长。

因此理论上，增加RS堆内存之后，GC一样不会成为瓶颈。

之所以考虑在单节点上部署多个Region Server的进程，是因为我们单个物理机的资源配置很高，内存充足（三百多G，RS堆内存只分了32G）、而HBase又是弱计算类型的服务，平时CPU的利用率低的可怜，网络方面亦未见瓶颈，唯一掉链子的也就属磁盘了，未上SSD，IO延迟较为严重。

当然，也曾考虑过虚拟机的方案，但之前YCSB压测的数据都不太理想；K8s的调研又是起步都不算，没有技术积累。因此，简单、直接、易操作的方案就是多RS部署了。

以下内容先叙述CDH中多RS进程部署的一些关键流程，后续将在多RS、单RS、单RS大堆环境中，对集群进行基准性能测试，并对比试验数据，分析上述两种优化方案的优劣。

我们使用的HBase版本是 2.1.0-cdh6.3.2 ，非商业版，未上Kerberos，CDH中HBase相关的jar包已替换为用JDK15编译的jar。

多Region Server的部署比较简单，最关键的是修改 hbase-site.xml 中region server的相关端口，避免端口冲突即可。可操作流程如下。

修改所需配置文件

hbase-site.xml 配置文件一定不要直接从 /etc/hbase/conf 中获取，这里的配置文件是给客户端用的。CDH管理的HBase，配置文件都是运行时加载的，所以，找到HBase最新启动时创建的进程相关的目录，即可获取到服务端最新的配置文件，如：/var/run/cloudera-scm-agent/process/5347-hbase-REGIONSERVER。需要准备的目录结构如下：

不需要HBase完整安装包中的内容（在自编译的完整安装包中运行RS进程时，依赖冲突或其他莫名其妙的报错会折磨的你抓狂），只需要bin、conf目录即可，pids文件夹是自定义的，RS进程对应pid文件的输出目录，start_rs.sh、stop_rs.sh是自定义的RS进程的启动和关闭脚本。

重点修改下图标注的配置文件，

还有日志文件名的一些输出细节，可以按需在 bin/hbase-daemon.sh 中修改。

运行或关闭RS进程

中间有异常，请查看相关日志输出。

集群Region数疯涨，当写入存在压力时，会导致RS节点异常退出。为了解决目前的这种窘境，本次优化主要从单节点多Region Server部署和提高单个Region Server节点的堆内存两方面着手。

那这两种优化方案对HBase的读写性能指标，又会产生什么样的影响呢？我们以YCSB基准测试的结果指标数据做为参考，大致评价下这两种应急方案的优劣。

用于此次测试的HBase集群的配置

此次测试使用的数据集大小

测试方法

压测时选择的读写负载尽量模拟线上的读写场景，分别为：读写3/7、读写7/3、读写5/5；

压测时唯一的变量条件是：多RS部署（32G堆，在每个节点上启动3个RS进程，相当于集群中一共有15个RS节点）、单RS部署（32G小堆）和单RS部署（100G大堆），并尽可能保证其他实验条件不变，每个YCSB的工作负载各自运行20分钟左右，并且重复完整地运行5次，两次运行之间没有重新启动，以测量YCSB的吞吐量等指标，收集的测试结果数据是5次运行中最后3次运行的平均值，为了避免第一轮和第二轮的偶然性，忽略了前两次的测试。

YCSB压测的命令是：

收集实验数据后，大致得出不同读写负载场景下、各个实验条件下的指标数据，如下图。

上述的测试数据比较粗糙，但大致也能得出些结论，提供一定程度上的参考。

多RS进程部署的模式，起到了一定程度上的进程间资源隔离的作用，分担了原先单台RS管理Region的压力，最大化利用了物理机的资源，但多出来的一些Region Server，需要单独的管理脚本和监控系统来维护，增加了维护成本。多个RS依赖同一台物理机，物理节点宕机便会影响多个RS进程，同时，某一个Region Server出现热点，压力过大，资源消耗过度，也许会引起同机其他进程的不良，在一定程度上，牺牲了稳定性和可靠性。

增加单个RS进程的堆内存，MemStore在一定程度上会被分配更充裕的内存空间，减小了flush的频次，势必会削弱写入的压力，但也可能会增加GC的负担，我们或许需要调整出合适的GC参数，甚至需要调优HBase本身的一些核心参数，才能兼顾稳定和性能。然而，这就又是一件漫长而繁琐的事情了，在此不过分探讨。

面对性能瓶颈的出现，我们不能盲目地扩充机器，在应急方案采取之后，我们需要做一些额外的、大量的优化工作，这或许才是上上之策。

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