Kafka——kafka的基本概念和原理（1）

摘要

Kafka起初是由LinkedIn公司采用Scala语言开发的一个多分区、多副本且基于ZooKeeper协调的分布式消息系统，现已被捐献给Apache基金会。目前Kafka已经定位为一个分布式流式处理平台，它以高吞吐、可持久化、可水平扩展、支持流数据处理等多种特性而被广泛使用。目前越来越多的开源分布式处理系统如Cloudera、Storm、Spark、Flink等都支持与Kafka集成。

Kafka之所以受到越来越多的青睐，与它所“扮演”的三大角色是分不开的:

• 消息系统:Kafka 和传统的消息系统（也称作消息中间件〉都具备系统解耦、冗余存储、流量削峰、缓冲、异步通信、扩展性、可恢复性等功能。与此同时，Kafka还提供了大多数消息系统难以实现的消息顺序性保障及回溯消费的功能。
• 存储系统:Kafka把消息持久化到磁盘，相比于其他基于内存存储的系统而言，有效地降低了数据丢失的风险。也正是得益于Kafka 的消息持久化功能和多副本机制我们可以把Kafka 作为长期的数据存储系统来使用只需要把对应的数据保留策略设置为“永久”或启用主题的日志压缩功能即可。
• 流式处理平台:Kafka不仅为每个流行的流式处理框架提供了可靠的数据来源，还提供了一个完整的流式处理类库，比如窗口、连接、变换和聚合等各类操作。

基本概念

—个典型的Kafka 体系架构包括若干Producer，若干 Broker、若干Consume，以及一个Zookeeper集群如图1-1所示。其中ZooKeeper是Kafka用来负责集群元数据的管理、控制器的选举等操作的。Producer 将消息发送到 Broker，Broker负责将收到的消息存储到磁盘中，而Consumer负责从Broker订阅并消费消息。

在Kafka中还有两个特别重要的概念——主题(Topic）与分区(Partition)。Kafka中的消息以主题为单位进行归类，生产者负责将消息发送到特定的主题（发送到Kafka集群中的每一条消息都要指定一个主题)，而消费者负责订阅主题并进行消费。

主题是一个逻辑上的概念，它还可以细分为多个分区，一个分区只属于单个主题，很多时候也会把分区称为主题分区（Topic-Partition)。同一主题下的不同分区包含的消息是不同的，分区在存储层面可以看作一个可追加的日志（Log）文件，消息在被追加到分区日志文件的时候都会分配一个特定的偏移量（offset)。offset是消息在分区中的唯一标识，Kafka通过它来保证消息在分区内的顺序性，不过offset并不跨越分区，也就是说，Kafka保证的是分区有序而不是主题有序。如图1-2所示，主题中有4个分区，消息被顺序追加到每个分区日志文件的尾部。Kafka中的分区可以分布在不同的服务器(broker)上，也就是说，一个主题可以横跨多个broker，以此来提供比单个broker更强大的性能。

每一条消息被发送到broker之前，会根据分区规则选择存储到哪个具体的分区。如果分区规则设定得合理，所有的消息都可以均匀地分配到不同的分区中。如果一个主题只对应一个文件，那么这个文件所在的机器IO 将会成为这个主题的性能瓶颈，而分区解决了这个问题。在创建主题的时候可以通过指定的参数来设置分区的个数，当然也可以在主题创建完成之后去修改分区的数量，通过增加分区的数量可以实现水平扩展。

Kafka为分区引入了多副本(Replica）机制，通过增加副本数量可以提升容灾能力。同一分区的不同副本中保存的是相同的消息（在同一时刻，副本之间并非完全一样)，副本之间是“一主多从”的关系，其中 leader副本负责处理读写请求，follower副本只负责与leader副本的消息同步。副本处于不同的 broker中，当leader副本出现故障时，从follower副本中重新选举新的leader副本对外提供服务。Kafka通过多副本机制实现了故障的自动转移，当Kafka集群中某个broker失效时仍然能保证服务可用。

如图1-3所示，Kafka集群中有4个 broker，某个主题中有3个分区，且副本因子（即副本个数)也为3,如此每个分区便有1个leader副本和2个follower副本。生产者和消费者只与leader副本进行交互，而follower副本只负责消息的同步，很多时候follower副本中的消息相对lead副本而言会有一定的滞后。

Kafka 消费端也具备一定的容灾能力。Consumer使用拉(Pull）模式从服务端拉取消息，并且保存消费的具体位置，当消费者宕机后恢复上线时可以根据之前保存的消费位置重新拉取需要的消息进行消费，这样就不会造成消息丢失。

分区中的所有副本统称为AR (Assigned Replicas）。所有与leader副本保持一定程度同步的副本(包括leader副本在内）组成ISR (In-Sync Replicas）,ISR集合是AR集合中的一个子集。消息会先发送到leader副本，然后follower 副本才能从leader副本中拉取消息进行同步，同步期间内 follower副本相对于leader副本而言会有一定程度的滞后。前面所说的“一定程度的同步”是指可忍受的滞后范围，这个范围可以通过参数进行配置。与 leader副本同步滞后过多的副本（不包括leader副本）组成OSR (Out-of-Sync Replicas)，由此可见，AR=ISR+OSR。在正常情况下，所有的follower副本都应该与leader副本保持一定程度的同步，即 AR=ISR,OSR集合为空。

leader副本负责维护和跟踪ISR集合中所有 follower副本的滞后状态，当follower副本落后太多或失效时，leader副本会把它从ISR集合中剔除。如果OSR 集合中有follower副本“追上”了leader副本，那么leader副本会把它从OSR集合转移至ISR集合。默认情况下，当leader副本发生故障时，只有在ISR集合中的副本才有资格被选举为新的leader，而在OSR集合中的副本则没有任何机会（不过这个原则也可以通过修改相应的参数配置来改变）。

ISR与HW和LEO也有紧密的关系。HW是High Watermark的缩写，俗称高水位，它标识了一个特定的消息偏移量（offset），消费者只能拉取到这个offset之前的消息。如图1-4所示，它代表一个日志文件，这个日志文件中有9条消息，第一条消息的offset，

(LogStartOffset）为o，最后一条消息的offset 为8，offset为9的消息用虚线框表示，代表下一条待写入的消息。日志文件的HW为6，表示消费者只能拉取到offset在0至5之间的消息,而offset为6的消息对消费者而言是不可见的。

LEO是Log End Offset 的缩写，它标识当前日志文件中下一条待写入消息的offset，图1-4中 offset为9的位置即为当前日志文件的LEO，LEO的大小相当于当前日志分区中最后一条消息的offset值加1。分区ISR集合中的每个副本都会维护自身的LEO,而ISR集合中最小的LEO即为分区的HW，对消费者而言只能消费HW之前的消息。

为了让读者更好地理解ISR集合，以及HW和LEO之间的关系，下面通过一个简单的示例来进行相关的说明。如图1-5所示，假设某个分区的ISR集合中有3个副本，即一个leader副本和2个follower副本，此时分区的LEO和HW都为3。消息3和消息4从生产者发出之后会被先存入leader副本，如图1-6所示。

在消息写入leader副本之后, follower副本会发送拉取请求来拉取消息3和消息4以进行消息同步。

在同步过程中，不同的follower副本的同步效率也不尽相同。如图1-7所示，在某一时刻followerl完全跟上了leader副本而follower2只同步了消息3，如此leader副本的LEO为5，followerl的LEO为5，follower2的LEO为4，那么当前分区的HW取最小值4，此时消费者可以消费到offset为0至3之间的消息。

写入消息（情形4)如图1-8所示，所有的副本都成功写入了消息3和消息4，整个分区的HW和LEO都变为5，因此消费者可以消费到offset为4的消息了。

由此可见，Kafka 的复制机制既不是完全的同步复制，也不是单纯的异步复制。事实上，同步复制要求所有能工作的follower副本都复制完，这条消息才会被确认为已成功提交，这种复制方式极大地影响了性能。而在异步复制方式下，follower副本异步地从leader副本中复制数据，数据只要被leader副本写入就被认为已经成功提交。在这种情况下，如果follower副本都还没有复制完而落后于leader副本，突然 leader副本宕机，则会造成数据丢失。Kafka使用的这种ISR的方式则有效地权衡了数据可靠性和性能之间的关系。