Kafka设计原理详解

架构图:

Kafka核心总控制器Controller

在Kafka集群中会有一个或者多个broker,其中有一个broker会被选举为控制器(Kafka Controller),它负责管理整个集群中所有分区和副本的状态。

  • 当某个分区的leader副本出现故障时,由控制器负责为该分区选举新的leader副本。
  • 当检测到某个分区的ISR(已同步的副本)集合发生变化时,由控制器负责通知所有broker更新其元数据信息。
  • 当使用kafka-topics.sh脚本为某个topic增加分区数量时,同样还是由控制器负责让新分区被其他节点感知到。

总结:Controller是Broker的Leader,通过Controller来决定Partition的Leader。

Controller选举机制

在kafka集群启动的时候,会自动选举一台broker作为controller来管理整个集群,选举的过程是集群中每个broker都会尝试在zookeeper上创建一个/controller临时节点,zookeeper会保证有且仅有一个broker能创建成功,这个broker就会成为集群的总控器controller。

当这个controller角色的broker宕机了,此时zookeeper临时节点会消失,集群里其他broker会一直监听这个临时节点,发现临时节点消失了,就竞争再次创建临时节点,就是我们上面说的选举机制,zookeeper又会保证有一个broker成为新的controller。

具备控制器身份的broker需要比其他普通的broker多一份职责,具体细节如下:

  1. 监听broker相关的变化。为zookeeper中的/brokers/ids/节点添加BrokerChangeListener,用来处理broker增减的变化。
  2. 监听topic相关的变化。为zookeeper中的/brokers/topics节点添加TopicChangeListener,用来处理topic增减的变化;为zookeeper中的/admin/delete_topics节点添加TopicDeletionListener,用来处理删除topic的动作。
  3. 从zookeeper中读取获取当前所有与topic、partition以及broker有关的信息并进行相应的管理。对于所有topic所对应的zookeeper中的/brokers/topics/[topic]节点添加PartitionModificationsListener,用来监听topic中的分区分配变化。
  4. 更新集群的元数据信息,同步到其他普通的broker节点中。

Partition副本选举Leader机制

controller感知到分区leader所在的broker挂了(controller监听了很多zk节点可以感知到broker存活),controller会从ISR列表(参数unclean.leader.election.enable=false的前提下)里挑第一个broker作为leader(第一个broker最先放进ISR列表,可能是同步数据最多的副本),如果参数unclean.leader.election.enable=true,代表在ISR列表里所有副本都挂了的时候可以在ISR列表以外的副本中选leader,这种设置,可以提高可用性,但是选出的新leader有可能数据少很多。

副本进入ISR列表有两个条件:

  1. 副本节点不能产生网络分区,必须能与zookeeper保持会话以及跟leader副本网络连通。
  2. 副本能复制leader上的所有写操作,并且不能落后太多。(与leader副本同步滞后的副本,是由replica.lag.time.max.ms配置决定的,超过这个时间都没有跟leader同步过的一次的副本会被移出ISR列表)。

消费者Rebalance机制

rebalance就是说如果消费组里的消费者数量有变化或消费的分区数有变化,kafka会重新分配消费者消费分区的关系。比如consumer group中某个消费者挂了,此时会自动把分配给他的分区交给其他的消费者,如果他又重启了,那么又会把一些分区重新交还给他。

注意:rebalance只针对subscribe这种不指定分区消费的情况,如果通过assign这种消费方式指定了分区,kafka不会进行rebanlance。

如下情况可能会触发消费者rebalance:

  1. 消费组里的consumer增加或减少了
  2. 动态给topic增加了分区
  3. 消费组订阅了更多的topic

rebalance过程中,消费者无法从kafka消费消息,这对kafka的TPS会有影响,如果kafka集群内节点较多,比如数百个,那重平衡可能会耗时极多,所以应尽量避免在系统高峰期的重平衡发生。

Rebalance分区分配策略

主要有三种rebalance的策略:range、round-robin、sticky。

kafka提供了消费者客户端参数partition.assignment.strategy来设置消费者与订阅主题之间的分区分配策略。默认情况为range分配策略。

假设一个主题有10个分区(0-9),现在有三个consumer消费:

  • range策略

按照分区序号排序,假设n=分区数/消费者数量=3,m=分区数%消费者数量=1,那么前m个消费者每个分配n+1个分区,后面的(消费者数量-m )个消费者每个分配n个分区。

比如分区0~3给一个consumer,分区4~6给一个consumer,分区7~9给一个consumer。

  • round-robin策略

轮询分配,比如分区0、3、6、9给一个consumer,分区1、4、7给一个consumer,分区2、5、8给一个consumer。

  • sticky策略

初始时分配策略与round-robin类似,但是在rebalance的时候,需要保证如下两个原则。

1)分区的分配要尽可能均匀 。

2)分区的分配尽可能与上次分配的保持相同。

当两者发生冲突时,第一个目标优先于第二个目标 。这样可以最大程度维持原来的分区分配的策略。

比如对于第一种range情况的分配,如果第三个consumer挂了,那么重新用sticky策略分配的结果如下:

consumer1除了原有的0~3,会再分配一个7。

consumer2除了原有的4~6,会再分配8和9。

Rebalance过程

当有消费者加入消费组时,消费者、消费组及组协调器之间会经历以下几个阶段。

  • 第一阶段:选择组协调器

组协调器GroupCoordinator:每个consumer group都会选择一个broker作为自己的组协调器coordinator,负责监控这个消费组里的所有消费者的心跳,以及判断是否宕机,然后开启消费者rebalance。

consumer group中的每个consumer启动时会向kafka集群中的某个节点发送FindCoordinatorRequest请求来查找对应的组协调器GroupCoordinator,并跟其建立网络连接。

组协调器选择方式:consumer消费的offset要提交到__consumer_offsets的哪个分区,这个分区leader对应的broker就是这个consumer group的coordinator。

  • 第二阶段:加入消费组JOIN GROUP

在成功找到消费组所对应的GroupCoordinator之后就进入加入消费组的阶段,在此阶段的消费者会向 GroupCoordinator发送JoinGroupRequest请求,并处理响应。然后GroupCoordinator从一个consumer group中选择第一个加入group的consumer作为leader(消费组协调器),把consumer group情况发送给这个leader,接着这个leader会负责制定分区方案。

  • 第三阶段( SYNC GROUP)

consumer leader通过给GroupCoordinator发送SyncGroupRequest,接着GroupCoordinator就把分区方案下发给各个consumer,他们会根据指定分区的leader broker进行网络连接以及消息消费。

Producer发布消息机制剖析

写入方式

producer采用push模式将消息发布到broker,每条消息都被append到patition中,属于顺序写磁盘(顺序写磁盘效率比随机写内存要高,保障kafka吞吐率)。

消息路由

producer发送消息到broker时,会根据分区算法选择将其存储到哪一个partition。其路由机制为:

  1. 指定了patition,则直接使用。
  2. 未指定patition但指定key,通过对key的value进行hash选出一个patition。
  3. patition和key都未指定,使用轮询选出一个patition。

写入流程

  1. producer先从zookeeper的/brokers/.../state节点找到该partition的leader。
  2. producer将消息发送给该leader。
  3. leader将消息写入本地log。
  4. followers从leader pull消息,写入本地log后向leader发送ACK。
  5. leader收到所有ISR中的replica的ACK后,增加HW(high watermark,最后commit的offset)并向 producer发送ACK。

持久化ack的几种模式

  • acks=0

表示producer不需要等待任何broker确认收到消息的回复,就可以继续发送下一条消息。性能最高,但是最容易丢消息。

  • acks=1

至少要等待leader已经成功将数据写入本地log,但是不需要等待所有follower是否成功写入。就可以继续发送下一条消息。这种情况下,如果follower没有成功备份数据,而此时leader又挂掉,则消息会丢失。

  • acks=-1或all

需要等待min.insync.replicas(默认为1,推荐配置大于等于2)这个参数配置的副本个数都成功写入日志,这种策略会保证只要有一个备份存活就不会丢失数据。这是最强的数据保证。一般除非是金融级别,或跟钱打交道的场景才会使用这种配置。

HW与LEO详解

HW俗称高水位,HighWatermark的缩写,取一个partition对应的ISR中最小的LEO(log-end-offset)作为HW(即已同步的副本中最小的offset),consumer最多只能消费到HW所在的位置。另外每个replica都有HW,leader和follower各自负责更新自己的HW的状态。对于leader新写入的消息,consumer不能立刻消费,leader会等待该消息被所有ISR中的replicas同步后更新HW,此时消息才能被consumer消费。这样就保证了如果leader所在的broker失效,该消息仍然可以从新选举的leader中获取。对于来自内部broker的读取请求,没有HW的限制。

下图详细的说明了当producer生产消息至broker后,ISR以及HW和LEO的流转过程:

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都复制完,这条消息才会被commit,这种复制方式极大的影响了吞吐率。而异步复制方式下,follower异步的从leader复制数据,数据只要被leader写入log就被认为已经commit,这种情况下如果follower都还没有复制完,落后于leader时,突然leader宕机,则会丢失数据。而Kafka的这种使用ISR的方式则很好的均衡了确保数据不丢失以及吞吐率。

再回顾下消息发送端对发出消息持久化机制参数acks的设置,我们结合HW和LEO来看下acks=1的情况:

日志分段存储

Kafka一个分区的消息数据对应存储在一个文件夹下,以topic名称+分区号命名,消息在分区内是分段(segment)存储,每个段的消息都存储在不一样的log文件里,这种特性方便old segment file快速被删除,kafka规定了一个段位的log文件最大为1G,做这个限制目的是为了方便把log文件加载到内存去操作。

bash 复制代码
# 部分消息的offset索引文件,kafka每次往分区发4K(可配置)消息就会记录一条当前消息的offset到index文件
# 如果要定位消息的offset会先在这个文件里快速定位,再去log文件里找具体消息
00000000000000000000.index
# 消息存储文件,主要存offset和消息体
00000000000000000000.log
# 消息的发送时间索引文件,kafka每次往分区发4K(可配置)消息就会记录一条当前消息的发送时间戳与对应的offset到timeindex文件
# 如果需要按照时间来定位消息的offset,会先在这个文件里查找
00000000000000000000.timeindex

00000000000005367851.index
00000000000005367851.log
00000000000005367851.timeindex

00000000000009936472.index
00000000000009936472.log
00000000000009936472.timeindex

这个9936472之类的数字,就是代表了这个日志段文件里包含的起始Offset,也就说明这个分区里至少都写入了接近1000万条数据了。

Kafka Broker有一个参数log.segment.bytes,限定了每个日志段文件的大小,最大就是1GB。每个日志默认保留7天。

一个日志段文件满了,就自动开一个新的日志段文件来写入,避免单个文件过大,影响文件的读写性能,这个过程叫做log rolling,正在被写入的那个日志段文件,叫做active log segment。

Kafka在ZooKeeper节点数据

如果在配置文件中设置了节点根目录/kafka,则下图的/对应的就是/kafka。

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