Kafka 幂等性详解

对于高性能的消息队列来说,在开发中消息重复与乱序是必须要考虑的问题。重复消息会引发业务逻辑的重复执行,乱序消息则会破坏数据一致性,直接影响系统的可靠性与稳定性。而 Kafka 作为经典的高吞吐的延迟队列,其内置的幂等机制,正是应对这类问题的关键技术之一。本文将深入拆解 Kafka 幂等的底层逻辑,希望能对大家有所帮助。

出错场景

消息重复

假设当前 Kafka 设置的 acks = 1,即 Producer 发送消息后会等待 Leader 副本的响应。如果 Leader 副本所在的 Broker 节点没有返回给Producer ACK,那么就会重发消息。

假设当前消息已经顺利发到 Broker 中,Broker 正准备返回 ACK 给 Producer。如果这时候发生网路问题,ACK 在发送的过程中丢失了,Producer 没有收到 ACK,就会认为自己的消息没有发送成功,就会再次发送同样的消息。但消息已经存在于 Broker 中了,再发一次不就导致消息重复了吗?

消息乱序

Kafka 在幂等机制的帮助下,可以一次性至多发5个消息,假设没有幂等,那么一次性发这5个消息就会出现消息乱序的问题。

不同消息发送的速率也有可能不同,假设 消息A 在 消息B 发送之前,但消息A的发送速率慢于 消息B,消息B 就有可能先到达目标 Partition,导致消息乱序。

幂等原理

在讲解幂等性原理之前,要先考虑下面几个问题:

  1. Broker 如何判断消息是否是唯一的?常见的方法就是通过特殊的业务标识设置唯一键。如果设置了唯一键,该以什么区分?

  2. 如何解决消息乱序的问题?

Kafka是是从分区的维度上设置唯一键的,因为分布式系统下全局唯一键是不好的。同时可能存在多个Producer向同一个Partition 发送消息,这多个Producer彼此发消息很难互相感知,因此唯一键还要考虑上Producer。所以,Kafka 的最终方案就是结合 Producer 和 TopicPartition的唯一键。

同时 Producer 在发送消息的同时还会发送以 Partition 为基础的序列号,从0开始随着消息的产生递增。在 Broker 端通过判断序列号是否连续来判断消息是否有序。

Kafka 通过 PID(Producer ID,每个Producer在初始化的时候都会分配一个 PID)和 Sequence Number(以TopicParititon为基础,Producer在发送消息的时候,会给每条消息标记一个Sequence Number)来生成唯一键:Producer-PID + TopicPartition-SequenceNumber。Broker来存储 Sequence Number,并判断:

  • 如果收到的新 Sequence Number 比本地的 Sequence Number 大1,说明是新消息

  • 如果相等,说明是重复消息

  • 如果收到的新 Sequence Number - 本地Sequence Number > 1,说明消息发生了乱序

具体实现

Kafka 实际发送消息不是立即发送到 Broker 的,而是先发送到 ProducerBatch中,再以 Batch 为单位发送。

Broker 通过存储一个 Map 映射来观察 TopicPartition 的状态,<PID, 分区状态>。分区状态中最重要的属性就是batchMatadata,batchMatadata主要有五个属性:

  • lastSeq:最后一个消息的序列号

  • lastOffset:最后一条消息的Offset

  • offsetDelta:最后一条消息和第一条消息的 Offset 差值

  • timestamp:最后一条消息的添加时间

发送 ProducerBatch 的时候,会以batchMatadata为根据,如果新发送的Batch 和 batchMatadata 中的某个 Batch 相同,说明消息重复,然后直接向生产者反馈消息发送成功。

还有问题未解决!

当 Producer 重启后,它的 PID 就会发生改变,幂等机制就不再成立了。因此Kafka 的幂等机制无法保证跨会话、跨分区的消息幂等。Kafka的事务机制给了解决方案,这篇文章不再讨论。

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