基于 NATS JetStream、高性能（High Performance）、3节点集群（3-Node Cluster）、替代旧系统（Replace Legacy）

21/10/2024 00:00

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NATS

java

分布式

微服务

这是一个非常庞大的工程文档集。为了让你能够直接使用，我将这 19 个文档的核心内容进行了深度填充。

所有内容均基于你的环境：3 节点集群 (10.10.10.111-113)，Ubuntu 22.04，NATS JetStream 架构。

第一阶段：需求与规划阶段

1. 《项目实施方案 / 执行计划》

1.1 项目背景
当前痛点：旧版 ActiveMQ 在高并发下延迟超过 200ms，且存在单点故障风险。
建设目标：构建基于 NATS JetStream 的高可用消息中台，实现 TP99 < 5ms，支持 3 节点容灾。
1.2 资源规划
硬件资源： 3 台虚拟机 (4C/8G/100G SSD)，IP: 10.10.10.111-113。
软件版本： NATS Server v2.10.x, Ubuntu 22.04 LTS。
1.3 实施时间表 (Gantt 摘要)
T+1~2天： 系统初始化（内核调优、防火墙配置）。
T+3~5天： NATS 集群部署与网络调通。
T+6~8天： JetStream 持久化配置与 Stream 规划。
T+9~10天： 压力测试与故障演练（模拟断电、拔网线）。

2. 《需求规格说明书 (SRS)》

2.1 功能性需求
[F-01] 集群互联： 3 个节点必须组成 Full Mesh 网络，任意节点宕机不影响服务。
[F-02] 消息持久化： 核心订单数据必须落地磁盘 (File Store)，保留周期 7 天。
[F-03] 消费模式： 支持“负载均衡消费”（Queue Group）和“广播消费”（Pub-Sub）。
2.2 性能需求
吞吐量： 集群写入 TPS ≥ 100,000 (1KB payload)。
延迟： 端到端延迟 ≤ 2ms (无积压情况)。
2.3 可靠性需求
RPO (数据丢失量) = 0 (开启 Ack 机制)。
RTO (恢复时间) < 10秒 (Raft 选举时间)。

3. 《需求确认单》

确认项清单：
确认废弃 MQTT 协议，统一使用 NATS 原生协议 (Port 4222)。
确认不使用内存存储模式，全部使用 SSD 文件存储以保证数据安全。
确认鉴权方式采用 NKEY 机制，而非简单的用户名密码。
签字栏： [项目经理] [技术负责人] [202X-XX-XX]

第二阶段：系统设计阶段

4. 《概要设计说明书 (HLD)》

4.1 拓扑架构图
Load Balancer (VIP 10.10.10.200): Nginx/HAProxy (TCP Stream 转发)。
Cluster Layer: Node1(Seed), Node2, Node3 相互通过 Port 6222 连接。
Storage Layer: 本地路径 /data/nats-server/jetstream。
4.2 交互流程
Producer -> VIP -> RoundRobin -> NATS Node (Leader/Follower) -> Raft Replicate -> Disk -> Ack。

5. 《详细设计说明书 (LLD)》

5.1 端口定义
4222: Client 接入端口。
6222: Cluster 路由端口（内部互通）。
8222: HTTP Monitoring 端口。
5.2 系统参数调优 (sysctl.conf)
fs.file-max = 100000
net.core.somaxconn = 4096
5.3 存储策略
单条消息最大限制：8MB。
最大流数量限制：1000 个。

6. 《数据库设计文档 (Stream/Subject 规划)》

注意： NATS 无“表结构”，此文档定义流(Stream)与主题(Subject)。
6.1 命名规范
<环境>.<服务>.<动作>，例如：prod.order.created。
6.2 Stream 定义表 | Stream Name | Subjects | Retention | Replicas | Max Age | Storage | | :— | :— | :— | :— | :— | :— | | ORDERS | prod.order.> | WorkQueue | 3 | 7 Days | File | | LOGS | prod.logs.> | Limits | 1 | 24 Hours | File |

7. 《接口规范说明书 (API文档)》

7.1 消息体结构 (JSON Schema)
Topic: prod.order.created
Payload Definition: ```json { “trace_id”: “uuid-v4”, “timestamp”: 1700000000, “data”: { “order_id”: “ORD-2024”, “amount”: 99.00 } }
7.2 Header 定义
Nats-Msg-Id: 唯一去重 ID。
Content-Type: application/json。

第三阶段：软件开发与编码

8. 《源代码 (Configuration Code)》

核心配置文件 nats-server.conf (以 Node1 为例) ```text server_name: n1 listen: 0.0.0.0:4222 http_port: 8222

jetstream { store_dir: /data/nats max_mem: 1G max_file: 50G }

cluster { name: NATS_HA listen: 0.0.0.0:6222 routes: [ “nats://10.10.10.112:6222”, “nats://10.10.10.113:6222” ] }

9. 《单元测试报告》

测试概况： 针对 Java/Go SDK 封装库进行测试。
关键用例：
UT_01_Connect: 连接字符串包含 3 个 IP，验证自动发现机制。 -> Pass
UT_02_Reconnect: 模拟断开连接，SDK 是否在 2s 内重连。 -> Pass

10. 《开发环境部署文档》

部署脚本 (setup.sh)： bash
安装 NATS

curl -L https://github.com/nats-io/nats-server/releases/download/v2.10.0/nats-server-v2.10.0-linux-amd64.zip -o nats.zip unzip nats.zip cp nats-server /usr/local/bin/

创建 Systemd 服务

cp nats.service /etc/systemd/system/ systemctl enable –now na

第四阶段：测试与验证

11. 《系统测试计划》

测试策略：
功能测试： 使用 nats CLI 工具手动发布订阅。
性能测试： 使用 nats-bench 工具进行 100 线程并发压测。
破坏性测试： 运行时 kill -9 主节点。

12. 《系统测试用例 (Test Cases)》

ID	场景	操作步骤	预期结果	实测结果
TC-HA-01	Leader 选举	停止 Node1 (当前 Leader)	Node2 或 Node3 在 2s 内成为新 Leader	Pass
TC-PERF-01	写入峰值	发送 100万条 1KB 消息	耗时 < 10s (即 10w/s)	Pass (9.8s)
TC-JS-01	数据持久化	发送消息 -> 重启集群 -> 消费	消息未丢失，Seq ID 连续	Pass

13. 《缺陷记录/Bug修复报告》

Bug ID: #NATS-001
描述： 3 节点同时启动时，偶尔无法选主。
原因： 虚拟机时间未同步，导致 Raft 心跳判断异常。
解决方案： 所有节点安装 Chrony 进行 NTP 时间同步。
状态： Closed。

14. 《系统测试报告》

测试结论： * 集群在 3 节点模式下运行稳定。
单节点故障对业务无感（客户端自动重连）。
TPS 稳定在 120,000 左右，满足设计指标。

15. 《安全扫描/渗透测试报告》

扫描结果：
端口 4222/6222 未发现溢出漏洞。
HTTP 8222 监控端口未授权访问风险（高危）。
修复措施： 在 nats.conf 中为 HTTP 监控配置 http_user 和 http_password。

第五阶段：试运行与验收

16. 《用户操作手册》

16.1 客户端连接指南
连接 URL: nats://10.10.10.111:4222,nats://10.10.10.112:4222,nats://10.10.10.113:4222
16.2 常用命令 (Cheat Sheet)
查看 Stream 状态：nats stream info ORDERS
查看消费者状态：nats consumer info ORDERS WORKER-1
发布测试消息：nats pub prod.order.created "hello"

17. 《系统运维维护手册》

17.1 监控指标 (Prometheus Exporter)
nats_varz_in_msgs: 写入消息数。
nats_varz_slow_consumers: 慢消费者数量（需报警）。
17.2 备份恢复流程
备份： 每日凌晨 2 点执行 tar -zcvf nats_data_backup.tar.gz /data/nats/jetstream。
恢复： 停止服务 -> 解压数据 -> 修正文件权限 -> 启动服务。

18. 《试运行报告》

运行周期： 2024/01/01 - 2024/01/15 (两周)。
数据汇总：
总处理消息：5,400 万条。
集群宕机次数：0 次。
报警触发次数：2 次（皆为磁盘空间预警，已清理）。

19. 《项目验收报告》

验收清单核对：
源代码与配置文件已移交 Git 仓库。
运维手册已培训给运维团队。
压力测试报告已通过审核。
验收结论： 系统功能完备，性能达标，文档齐全，同意通过验收，准予上线。