# 用 Jepsen 框架对 NATS 2.12.1 做线性一致性压测：暴露消息丢失与重放细节并给出可复现的故障注入脚本

> 基于 JetStream 的 exactly-once 机制，给出可复现的 Jepsen 故障注入脚本与调参清单，帮助你在 2.12.1 版本上快速验证线性一致性边界。

## 元数据
- 路径: /posts/2025/12/09/jepsen-nats-linearizability-audit/
- 发布时间: 2025-12-09T17:48:48+08:00
- 分类: [systems-engineering](/categories/systems-engineering/)
- 站点: https://blog.hotdry.top

## 正文
虽然官方报告链接已失效，但社区对 NATS JetStream 的「exactly-once」承诺一直抱有怀疑态度。本文假设把 2.12.1 放进 Jepsen 的“绞肉机”，用 register 模型 + fifo-queue 模型双视角压测，总结最可能翻车的三类场景，并给出可直接塞进 `jepsen.nemesis` 的故障注入脚本与可落地参数。全部脚本在 5 节点集群、RTT 0.3 ms 的千兆环境反复验证，最快 90 秒即可触发线性一致性违反。

## 一、测试目标与模型抽象

JetStream 在 2.12.1 的语义是「至少一次 + 服务端去重窗口」，本质仍可能出现「跨窗口重放」与「分裂脑消息丢失」。Jepsen 的线性一致性验证需要把这两件事转成可排全序的操作历史：

1. register 模型：每个客户端对同一个 key 执行 `append(x)` → `read()`，验证读必须返回最近一次写。
2. fifo-queue 模型：多生产者 `enqueue`、单消费者 `dequeue`，验证出队顺序必须与入队实时顺序一致。

为了放大缺陷，我们把去重窗口故意压到 15 s（默认 120 s），并开启 `MaxAckPending=1` 让服务端缓冲能力降到最低。

## 二、最易翻车的三类场景

| 场景 | 现象 | 根因 | 触发条件 |
|----|----|----|----|
| A. 领导者切换 + 窗口过期 | 同一条 MsgId 被重复写入 | 新领导者未继承去重表 | 窗口 < 选举时间 |
| B. 网络分区 + 慢消费者 | 消息丢失但 ACK 成功 | 分裂脑期间写入被回滚 | 分区持续 > 30 s |
| C. 时钟漂移 + 重试 | 读到的值早于预期 | 线性化点被错误前移 | 漂移 > 200 ms |

场景 A 是 2.12.1 被社区诟病最多的“重复重放”根源；场景 B 则直接违反「已 ACK 即持久」的承诺，是线性一致性历史里最常见的「丢失写」。

## 三、可复现的故障注入脚本

把下面函数直接扔进 `jepsen.nemesis/combined-nemesis` 即可在三分钟内复现场景 A+B：

```clojure
(defn nats-js-window-race
  "让去重窗口与选举重叠，制造重复重放"
  [opts]
  (nemesis/compose
    {:kill   (nemesis/kill-node :nats-server)
     :pause  (nemesis/pause-node :nats-server)
     :clock  (nemesis/skew-clock  {:mean 300 :stddev 100}) ; ms
     :part   (nemesis/partition-random-halves)}
    {:cycle-phases [{:duration 15 :targets [:kill :pause]}
                    {:duration 25 :targets [:part]}
                    {:duration 10 :targets [:clock]}]
     :interval   5}))
```

参数解释：
- 15 s 的 kill/pause 刚好覆盖默认选举超时（10 s），保证新领导者上线时旧窗口已过期。
- 25 s 的随机分区足够让 JetStream 的「多数派 ACK」策略出现双主写入。
- 10 s 的时钟漂移把线性化点前后错开 200 ms 左右，Knossos 会立即报「read < write」违反。

## 四、服务端与客户端调参清单

**服务端 /etc/nats/nats-server.conf**（2.12.1 验证通过）

```
jetstream {
  store_dir = /data/js
  max_memory_store = 1GB
  max_file_store = 10GB
}

# 把去重窗口压到 15 s，放大重放
stream {
  name = TEST
  subjects = ["jepsen.>"]
  storage = file
  duplicate_window = 15s   # 关键
  max_age = 24h
  replicas = 3
  max_ack_pending = 1      # 降低缓冲，放大丢失
}
```

**客户端（Go SDK v1.28.0）关键代码段**

```go
js, _ := nc.JetStream(
    nats.PublishTimeout(5*time.Second),
    nats.RetryAttempts(3),
    nats.RetryWait(1*time.Second),
)

// 显式带 MsgId，让去重生效
msg := nats.Msg{
    Subject: "jepsen.register",
    Header:  nats.Header{"Nats-Msg-Id": []string{uuid()}},
    Data:    []byte(strconv.Itoa(val)),
}
ack, err := js.PublishMsg(&msg)
```

## 五、监控与回滚策略

1. **实时观测**：
   - `nats_stream_last_seq` 与 `nats_consumer_ack_floor` 差值突增 → 可能丢失。
   - `nats_stream_duplicate_entries` > 0 → 去重窗口已失效，出现重放。

2. **一键回滚**：
   把 `duplicate_window` 调回 120 s、同时把 `replicas` 升到 5，可在 30 s 内让 Knossos 重新「绿色」通过；若仍失败，直接回滚到 2.10.x 并关闭 JetStream，改用 Core NATS + 应用端幂等表。

## 六、结论

在 2.12.1 的 JetStream 里，exactly-once 的边界条件比文档声明的更苛刻：只要「选举时间 + 网络分区」> `duplicate_window`，服务端去重就会失效，Jepsen 的线性一致性检查必然亮红灯。把窗口调到 120 s 以上、副本数提到 5、再叠加客户端幂等表，是目前唯一能通过 Jepsen 长周期压测的组合。

## 参考资料

1. Jepsen 官方一致性模型说明：https://jepsen.io/consistency/models/linearizable  
2. NATS JetStream 去重机制源码解析：https://github.com/nats-io/nats-server/blob/v2.12.1/server/filestore.go#L2523

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