Apache Kafka（一）- Kakfa 简介与术语

Apache Kafka

1. Kafka简介、优势、以及使用场景

Kafka的优势：

1. 开源
2. 分布式，弹性架构，fault tolerant
3. 水平扩展：
   1. 可以扩展到100个brokers
   2. 可以扩展到每秒百万级条消息
   3. 高性能（延迟少于10ms）-- 实时

使用场景：

1. 消息系统
2. 活动追踪（Activity Tracking）
3. 从各个不同的地点收集指标信息（IOT）
4. 应用日志收集
5. 流处理（使用Kafka Streams API 或 Spark 等）
6. 系统依赖之间的解耦
7. 与Spark，Flink，Storm，Hadoop以及许多其他Big Data技术集成

场景举例：

1. Netflix使用Kafka做实时推荐（比如看节目的同时为你推荐节目）
2. Uber使用Kafka收集用户，出租车以及路程的实时信息，并据此计算、预测车辆需求，以及计算实时的（加/减）价格
3. LinkedIn使用Kafka防止spam，收集用户交互信息以做更好的实时connection recommendation

2. Kafka术语

2.1. Topics，partitions以及offsets

• Topics：一个特定的数据流
  • 类似于一个数据库中的一个表（无约束的表）
  • 可以创建任意多个
  • 一个topic由它的名字作为识别
  • Topics被split成partitions
    • 每个partition都是有序的
    • 在一个partition中的每条消息都有一个递增id（incremental id），称为offset（可以增至到无限大）

例如：以下是一个Kafka Topic，包含三个Partitions（由创建时指定）。每个partitions中的messages都有一个递增id，即为消息的offset：

基于上图的Kafka Topic，需要注意以下几点：

• Offset仅对一个特定的partition有意义
  • 也就是说，在partition 0 中的offset 3 与partition 1 中的 offset 3 并不是同样的消息
  • “有序”仅在partition中有保障（并不能跨paritions）
  • 数据仅被保留一定的时间（默认是一周），但是offset会一直增长
  • 一旦数据被写入到一个partition，它就不会被改变（例如update数据等）（immutability性质）
  • 除非给定了一个key，否则数据被随机的分配到一个partition中

2.2. Brokers 与 Topics

那topics 是由什么支持（hold）的呢？答案是brokers。

• 一个Kafka 集群（cluster）由多个brokers（servers）组成。一个broker对应一个server
• 每个broker由它的ID（Integer）作为标志符
• 每个broker包含某些topic partitions。例如，一个topic的多个partitions分布在多个brokers中。
• 在连接到任何一个broker（称为一个bootstrap broker）上后，客户端既连接到整个集群
• 一般3个brokers是一个比较好的开始，不过一些大的集群有超过100个brokers

在接下来的例子中，我们会为brokers的id选择从100开始：

假设我们现在 Topic-A有3个partitions，Topic-B有2个partitions，则partitions的一种分布为：

Kafka会自动将partitions跨集群分布，所以在每个broker上，都会放置Topic-A的一个partition。对于Topic-B，它会任选两个brokers放置它的两个partitions。而若是有一个Topic-C有3个partitions，则其中一个broker会有两个partitions。

2.3. Topic Replication

Topic Replication的主要功能是为了防止一个broker宕机后，此broker上的数据仍可以在其他地方被访问。

Topic replication factor

Topics应配置一个 > 1的replication factor（一般为2或3），这样在一个broker宕机后，另一个broker可以仍提供这部分数据。下面是一个例子，Topic-A有两个partition，且replication factor配置为2:

假设我们此时丢失了broker 102:

可以看到Broker 101 与 Broker 103 仍可以提供Topic-A的所有partition数据。

Partitions中的leader

在topic replication中，任意时刻，对于一个给定的partition：

• 仅有一个broker可以作为此partition的人leader
• 仅此leader 可以接收此partition的数据并提供数据
• 另外的brokers会同步数据

所以每个partition会有一个leader以及多个ISR（in-sync replica），例如：

谁决定leader与ISR？答案是zookeeper。

如果一个broker down，则会发生election（zookeeper）。假设broker 101 宕机，则broker 102 会变为Topic-A 中Parition 0的leader。之后若是broker 101 恢复，则它会在同步数据后再次尝试成为leader。Leader 与 ISR的角色是由zookeeper 决定的。

2.4. Producers

• Producers写数据到（由partitions组成的）topics中
• Producers可以自动了解到需要向哪个broker和partition写入数据，并不需要指定特定broker
• 在broker failure时，producers会自动recover

下面是一个Producer例子：

若是未指定message的key，则producer会以轮询的方式向这些Partition写入消息。所以，在producer向kafka写入数据时，是以load balance 的方式写入的。

Producers可以选择是否为数据的写入接收ack，有以下几种ack的选项：

• acks=0：producers不等待ack（可能会造成数据丢失）
• acks=1：producers会等待leader 的ack（有限数据丢失）
• acks=all：leader与replicas 的 ack（无数据丢失）

Producers: Message keys

• Producers在发送message时可以选择指定一个key，类型可以为string、number等
• 如果key=null，则数据以轮询的方式发送（例如broker 101，然后broker 102，然后broker 103）
• 如果一个key已经被发送，则所有具有相同key的message均会发送到同一个partition中
• 使用key的基本场景是：对于一个特定的字段，消息需要有序

下面举个例子，以truck_id 为key：

truck_id_123 的数据会一直发送到partition 0（假设）

truck_id_234 的数据会一直发送到 partition 1（假设）

而key的分发是由hash决定的，根据hash值，然后对partitions的数量取模。

2.5. Consumers

• Consumers从一个topic（以topic name作为识别）读数据
• Consumers知道从哪个broker读数据
• 在broker failure时，consumers知道如何recover
• 在每个partition中，数据都是按顺序读取

下面是一个Consumer的示意图：

Consumer Groups

Consumers如何从所有的partition中读取数据？=> Consumer Groups

• Consumers以consumer groups的方式读取数据
• 在一个group中，每个consumer从一个独立的partition中读数据
• 如果consumers的数目超过了partitions数目，则一些consumers会成为inactive

下面举个例子，我们有一个Topic-A，它包含3个partitions。如果consumer group 中有两个consumers（consumer-group-application-1），则其中一个consumer会从两个partition中读数据。

如果consumer group中有3个consumers（consumer-group-application-2），则每个consumer均会对应一个partition。如果consumer group中仅有一个consumer，则此consumer会从所有partition中读数据。如下图所示：

需要注意的是：Consumers会自动使用一个GroupCoordinator和一个ConsumerCoordinator，用于将一个consumer分配给一个partition。

如果有过多的consumers（比partition数目更多），则一些consumers会成为inactive状态：

2.6. Consumer Offsets

• Kafka存储offsets，用于表示一个consumer group 已经读取到的位置
• Committed offsets 存储在一个Kafka的topic中，名为__consumer_offsets
• 当一个group中的一个consumer已经处理了从Kafka收到的数据后，它会committing the offsets
• 如果一个consumer died，它可以在之后从committed offsets的地方继续读取数据并处理

下图是一个例子：

Delivery semantics for consumers

Consumer 决定何时commit offsets，这里有3中delivery 语义：

• 最多一次（At most once）：
  • 在message被接收后，立即commit offsets
  • 如果成功接收，但是处理失败，则message会丢失（不会再次读取此message并处理）
  • 至少一次（At least once）（优先选项）：
    • 在message被应用处理后，再commit offsets
    • 如果处理失败，则message会重新再读取
    • 这个会导致messages的重复处理，需要确保处理逻辑是idempotent（再次处理messages并不会影响系统结果）
    • 精确一次（Exactly once）：
      • 可以由Kafka => Kafka 的workflow 实现（使用Kafka Streams API）
      • 对于Kafka => 外部系统的workflow，建议使用idempotent consumer

2.7. Kafka Broker Discovery

• 每个Kafka broker也被称为一个“bootstrap server”
• 也就是说，仅需要连接到一个broker，即可连接到整个集群
• 每个broker知道所有brokers，topics，以及partitions的信息（metadata）

如下图所示，broker discovery的流程如下：

1. 客户端连接到一个bootstrap server，并请求metadata
2. Bootstrap server 会返回所有brokers以及它们的ip地址
3. 客户端连接需要的brokers

2.8. Zookeeper

• Zookeeper 管理brokers（维护brokers的一个list）
• 协助执行partition的leader election
• Zookeeper向Kafka发送各种changes的提醒消息（例如，新topic，broker dies，broker comes up，delete topics，等等…）
• Kafka 无法脱离zookeeper 工作
• Zookeeper一般会有单数个数的servers（3，5，7等）
• Zookeeper有一个leader（处理写），其余servers为followers（处理读）
• 在Kafka > v0.10 的版本中，zookeeper不再存储consumer的 offsets

下面是一个例子：

不同的brokers可以连接到不同的zookeeper，但是仅有leader zookeeper处理写，follower zookeeper仅处理读。Zookeeper 会向kafka通知集群中的变化（例如新的broker，broker 宕机等）

Kafka Guarantees

Kafka可以保证以下场景：

• Messages按照它们被发送的顺序添加到一个topic-partition中
• Consumers按序读取一个topic-partition中的messages
• 指定replication factor 为N，则producers与consumers可以容忍最多N-1个brokers 宕机。一般指定replication factor 为3：
  • 允许一个broker临时下线做维护
  • 同时也允许另一个broker意外宕机
  • 只要一个topic的partition数目是一定的（没有新的partitions），则同样key的message会永远发送到同一个partition中

3. 总结

下面是对Kafka中术语的一个总结，可以对比此图再熟悉一下Kafka中的各个术语：