一文看懂Kafka消息格式的演变

摘要

对于一个成熟的消息中间件而言，消息格式不仅关系到功能维度的扩展，还牵涉到性能维度的优化。随着Kafka的迅猛发展，其消息格式也在不断的升级改进，从0.8.x版本开始到现在的1.1.x版本，Kafka的消息格式也经历了3个版本。本文这里主要来讲述Kafka的三个版本的消息格式的演变，文章偏长，建议先关注后鉴定。

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Kafka根据topic（主题）对消息进行分类，发布到Kafka集群的每条消息都需要指定一个topic，每个topic将被分为多个partition（分区）。每个partition在存储层面是追加log（日志）文件，任何发布到此partition的消息都会被追加到log文件的尾部，每条消息在文件中的位置称为offset（偏移量），offset为一个long型的数值，它唯一标记一条消息。

每一条消息被发送到Kafka中，其会根据一定的规则选择被存储到哪一个partition中。如果规则设置的合理，所有的消息可以均匀分布到不同的partition里，这样就实现了水平扩展。如上图，每个partition由其上附着的每一条消息组成，如果消息格式设计的不够精炼，那么其功能和性能都会大打折扣。比如有冗余字段，势必会使得partition不必要的增大，进而不仅使得存储的开销变大、网络传输的开销变大，也会使得Kafka的性能下降；又比如缺少字段，在最初的Kafka消息版本中没有timestamp字段，对内部而言，其影响了日志保存、切分策略，对外部而言，其影响了消息审计、端到端延迟等功能的扩展，虽然可以在消息体内部添加一个时间戳，但是解析变长的消息体会带来额外的开销，而存储在消息体（参考下图中的value字段）前面可以通过指针偏量获取其值而容易解析，进而减少了开销（可以查看v1版本），虽然相比于没有timestamp字段的开销会差一点。如此分析，仅在一个字段的一增一减之间就有这么多门道，那么Kafka具体是怎么做的呢？本文只针对Kafka 0.8.x版本开始做相应说明，对于之前的版本不做陈述。

v0版本

对于Kafka消息格式的第一个版本，我们把它称之为v0，在Kafka 0.10.0版本之前都是采用的这个消息格式。注意如无特殊说明，我们只讨论消息未压缩的情形。 

上左图中的“RECORD”部分就是v0版本的消息格式，大多数人会把左图中的整体，即包括offset和message size字段都都看成是消息，因为每个Record（v0和v1版）必定对应一个offset和message size。每条消息都一个offset用来标志它在partition中的偏移量，这个offset是逻辑值，而非实际物理偏移值，message size表示消息的大小，这两者的一起被称之为日志头部（LOG_OVERHEAD），固定为12B。LOG_OVERHEAD和RECORD一起用来描述一条消息。与消息对应的还有消息集的概念，消息集中包含一条或者多条消息，消息集不仅是存储于磁盘以及在网络上传输（Produce & Fetch）的基本形式，而且是kafka中压缩的基本单元，详细结构参考上右图。

下面来具体陈述一下消息（Record）格式中的各个字段，从crc32开始算起，各个字段的解释如下：

1. crc32（4B）：crc32校验值。校验范围为magic至value之间。
2. magic（1B）：消息格式版本号，此版本的magic值为0。
3. attributes（1B）：消息的属性。总共占1个字节，低3位表示压缩类型：0表示NONE、1表示GZIP、2表示SNAPPY、3表示LZ4（LZ4自Kafka 0.9.x引入），其余位保留。
4. key length（4B）：表示消息的key的长度。如果为-1，则表示没有设置key，即key=null。
5. key：可选，如果没有key则无此字段。
6. value length（4B）：实际消息体的长度。如果为-1，则表示消息为空。
7. value：消息体。可以为空，比如tomnstone消息。

v0版本中一个消息的最小长度（RECORD_OVERHEAD_V0）为crc32 + magic + attributes + key length + value length = 4B + 1B + 1B + 4B + 4B =14B，也就是说v0版本中一条消息的最小长度为14B，如果小于这个值，那么这就是一条破损的消息而不被接受。

这里我们来做一个测试，首先创建一个partition数和副本数都为1的topic，名称为“msg_format_v0”，然后往msg_format_v0中发送一条key=”key”，value=”value”的消息，之后查看对应的日志：

[root@node1 kafka_2.10-0.8.2.1]# bin/kafka-run-class.sh kafka.tools.DumpLogSegments --files /tmp/kafka-logs/msg_format_v0-0/00000000000000000000.log
Dumping /tmp/kafka-logs-08/msg_format_v0-0/00000000000000000000.log
Starting offset: 0
offset: 0 position: 0 isvalid: true payloadsize: 5 magic: 0 compresscodec: NoCompressionCodec crc: 592888119 keysize: 3

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查看消息的大小，即00000000000000000000.log文件的大小为34B，其值正好等于LOG_OVERHEAD+RECORD_OVERHEAD_V0 + 3B的key + 5B的value = 12B + 14B + 3B + 5B = 34B。

[root@node1 msg_format_v0-0]# ll *.log
-rw-r--r-- 1 root root       34 Apr 26 02:52 00000000000000000000.log

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我们再发送一条key=null, value=”value”的消息，之后查看日志的大小：

[root@node3 msg_format_v0-0]# ll *.log
-rw-r--r-- 1 root root       65 Apr 26 02:56 00000000000000000000.log

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日志大小为65B，减去上一条34B的消息，可以得知本条消息的大小为31B，正好等于LOG_OVERHEAD+RECORD_OVERHEAD_V0 + 5B的value = 12B + 14B+ 5B = 31B。

v1版本

kafka从0.10.0版本开始到0.11.0版本之前所使用的消息格式版本为v1，其比v0版本就多了一个timestamp字段，表示消息的时间戳。v1版本的消息结构图如下所示： 

v1版本的magic字段值为1。v1版本的attributes字段中的低3位和v0版本的一样，还是表示压缩类型，而第4个bit也被利用了起来：0表示timestamp类型为CreateTime，而1表示tImestamp类型为LogAppendTime，其他位保留。v1版本的最小消息（RECORD_OVERHEAD_V1）大小要比v0版本的要大8个字节，即22B。如果像v0版本介绍的一样发送一条key=”key”，value=”value”的消息，那么此条消息在v1版本中会占用42B，具体测试步骤参考v0版的相关介绍。

消息压缩

常见的压缩算法是数据量越大压缩效果越好，一条消息通常不会太大，这就导致压缩效果并不太好。而kafka实现的压缩方式是将多条消息一起进行压缩，这样可以保证较好的压缩效果。而且在一般情况下，生产者发送的压缩数据在kafka broker中也是保持压缩状态进行存储，消费者从服务端获取也是压缩的消息，消费者在处理消息之前才会解压消息，这样保持了端到端的压缩。

压缩率是压缩后的大小与压缩前的对比。例如：把100MB的文件压缩后是90MB，压缩率为90/100*100%=90%，压缩率一般是越小压缩效果越好。一般口语化陈述时会误描述为压缩率越高越好，为了避免混淆，本文不引入学术上的压缩率而引入压缩效果，这样容易达成共识。

讲解到这里都是针对消息未压缩的情况，而当消息压缩时是将整个消息集进行压缩而作为内层消息（inner message），内层消息整体作为外层（wrapper message）的value，其结构图如下所示： 

压缩后的外层消息（wrapper message）中的key为null，所以图右部分没有画出key这一部分。当生产者创建压缩消息的时候，对内部压缩消息设置的offset是从0开始为每个内部消息分配offset，详细可以参考下图右部： 

其实每个从生产者发出的消息集中的消息offset都是从0开始的，当然这个offset不能直接存储在日志文件中，对offset进行转换时在服务端进行的，客户端不需要做这个工作。外层消息保存了内层消息中最后一条消息的绝对位移（absolute offset），绝对位移是指相对于整个partition而言的。参考上图，对于未压缩的情形，图右内层消息最后一条的offset理应是1030，但是被压缩之后就变成了5，而这个1030被赋予给了外层的offset。当消费者消费这个消息集的时候，首先解压缩整个消息集，然后找到内层消息中最后一条消息的inner offset，然后根据如下公式找到内层消息中最后一条消息前面的消息的absolute offset（RO表示Relative Offset，IO表示Inner Offset，而AO表示Absolute Offset）：

RO = IO_of_a_message - IO_of_the_last_message
AO = AO_Of_Last_Inner_Message + RO

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注意这里RO是前面的消息相对于最后一条消息的IO而言的，所以其值小于等于0，0表示最后一条消息自身。

压缩消息，英文是compress message，Kafka中还有一个compact message，常常也会被人们直译成压缩消息，需要注意两者的区别。compact message是针对日志清理策略而言的（cleanup.policy=compact），是指日志压缩（log compaction）后的消息，这个后续的系列文章中会有介绍。本文中的压缩消息单指compress message，即采用GZIP、LZ4等压缩工具压缩的消息。

在讲述v1版本的消息时，我们了解到v1版本比v0版的消息多了个timestamp的字段。对于压缩的情形，外层消息的timestamp设置为：

1. 如果timestamp类型是CreateTime，那么设置的是内层消息中最大的时间戳（the max timestampof inner messages if CreateTime is used）。
2. 如果timestamp类型是LogAppendTime，那么设置的是kafka服务器当前的时间戳；

内层消息的timestamp设置为：

1. 如果外层消息的timestamp类型是CreateTime，那么设置的是生产者创建消息时的时间戳。
2. 如果外层消息的timestamp类型是LogAppendTime，那么所有的内层消息的时间戳都将被忽略。

对于attributes字段而言，它的timestamp位只在外层消息（wrapper message）中设置，内层消息（inner message）中的timestamp类型一直都是CreateTime。

v2版本

kafka从0.11.0版本开始所使用的消息格式版本为v2，这个版本的消息相比于v0和v1的版本而言改动很大，同时还参考了Protocol Buffer而引入了变长整型（Varints）和ZigZag编码。Varints是使用一个或多个字节来序列化整数的一种方法，数值越小，其所占用的字节数就越少。ZigZag编码以一种锯齿形（zig-zags）的方式来回穿梭于正负整数之间，以使得带符号整数映射为无符号整数，这样可以使得绝对值较小的负数仍然享有较小的Varints编码值，比如-1编码为1,1编码为2，-2编码为3。详细可以参考：https://developers.google.com/protocol-buffers/docs/encoding。

回顾一下kafka v0和v1版本的消息格式，如果消息本身没有key，那么key length字段为-1，int类型的需要4个字节来保存，而如果采用Varints来编码则只需要一个字节。根据Varints的规则可以推导出0-63之间的数字占1个字节，64-8191之间的数字占2个字节，8192-1048575之间的数字占3个字节。而kafka broker的配置message.max.bytes的默认大小为1000012（Varints编码占3个字节），如果消息格式中与长度有关的字段采用Varints的编码的话，绝大多数情况下都会节省空间，而v2版本的消息格式也正是这样做的。不过需要注意的是Varints并非一直会省空间，一个int32最长会占用5个字节（大于默认的4字节），一个int64最长会占用10字节（大于默认的8字节）。

v2版本中消息集谓之为Record Batch，而不是先前的Message Set了，其内部也包含了一条或者多条消息，消息的格式参见下图中部和右部。在消息压缩的情形下，Record Batch Header部分（参见下图左部，从first offset到records  www.qinlinyule.cn count字段）是不被压缩的，而被压缩的是records字段中的所有内容。 

先来讲述一下消息格式Record的关键字段，可以看到内部字段大量采用了Varints，这样Kafka可以根据具体的值来确定需要几个字节来保存。v2版本的消息格式去掉了crc字段，另外增加了length（消息总长度）、timestamp delta（时间戳增量）、offset delta（位移增量）和headers信息，并且attributes被弃用了，笔者对此做如下分析（对于key、key length、value、www.tianhengyl1.com/ www.120xh.cn  value length字段和v0以及v1版本的一样，这里不再赘述）：

1. length：消息总长度。
2. attributes：弃用，但是还是在消息格式中占据1B的大小，以备未来的格式扩展。
3. timestamp delta：时间戳增量。通常一个timestamp需要占用8个字节，如果像这里保存与RecordBatch的其实时间戳的差值的话可以进一步的节省占用的字节数。
4. offset delta：位移增量。保存与RecordBatch起始位移的差值，可以节省占用的字节数。
5. headers：这个字段用来支持应用级别的扩展，而不需要像v0和v1版本一样不得不将一些应用级别的属性值嵌入在消息体里面。Header的格式如上图最有，包含key和value，一个Record里面可以包含0至多个Header。具体可以参考以下KIP-82。

如果对于v1版本的消息，如果用户指定的timestamp类型是LogAppendTime而不是CreateTime，那么消息从发送端（Producer）进入broker端之后timestamp字段会被更新，那么此时消息的crc值将会被重新计算，而此值在Producer端已经被计算过一次；再者，broker端在进行消息格式转换时（比如v1版转成v0版的消息格式）也会重新计算crc的值。在这些类似的情况下，消息从发送端到消费端（Consumer）之间流动时，crc的值是变动的，需要计算两次crc的值，所以这个字段的设计在v0和v1版本中显得比较鸡肋。在v2版本中将crc的字段从Record中转移到了RecordBatch中。

v2版本对于消息集（RecordBatch）做了彻底的修改，参考上图左部，除了刚刚提及的crc字段，还多了如下字段：

1. first offset：表示当前RecordBatch的起始位移。
2. length：计算partition leader epoch到headers之间的长度。
3. partition leader epoch：用来确保数据可靠性，详细可以参考KIP-101
4. magic：消息格式的版本号，对于v2版本而言，magic等于2。
5. attributes：消息属性，注意这里占用了两个字节。低3位表示压缩格式，可以参考v0和v1；第4位表示时间戳类型；第5位表示此RecordBatch是否处于事务中，0表示非事务，1表示事务。第6位表示是否是Control消息，0表示非Control消息，而1表示是Control消息，Control消息用来支持事务功能。
6. last offset delta：RecordBatch中最后一个Record的offset与first offset的差值。主要被broker用来确认RecordBatch中Records的组装正确性。
7. first timestamp：RecordBatch中第一条Record的时间戳。
8. max timestamp：RecordBatch中最大的时间戳，一般情况下是指最后一个Record的时间戳，和last offset delta的作用一样，用来确保消息组装的正确性。
9. producer id：用来支持幂等性，详细可以参考KIP-98。
10. producer epoch：和producer id一样，用来支持幂等性。
11. first sequence：和producer id、producer epoch一样，用来支持幂等性。
12. records count：RecordBatch中Record的个数。

这里我们再来做一个测试，在1.0.0的kafka中创建一个partition数和副本数都为1的topic，名称为“msg_format_v2”。然后同样插入一条key=”key”，value=”value”的消息，查看日志结果如下：

[root@node1 kafka_2.12-1.0.0]# bin/kafka-run-class.sh kafka.tools.DumpLogSegments --files /tmp/kafka-logs/msg_format_v2-0/00000000000000000000.log --print-data-log
Dumping /tmp/kafka-logs/msg_format_v2-0/00000000000000000000.log
Starting offset: 0
baseOffset: 0 lastOffset: 0 baseSequence: -1 lastSequence: -1 www.taohuayuangw.com producerId: -1 producerEpoch: -1 partitionLeaderEpoch: 0 isTransactional: false position: 0 CreateTime: 1524709879130 isvalid: true size: 76 magic: 2 compresscodec: NONE crc: 2857248333

可以看到size字段为76，我们根据上图中的v2版本的日志格式来验证一下，Record Batch Header部分共61B。Record部分中attributes占1B；timestamp delta值为0，占1B；offset delta值为0，占1B；key length值为3，占1B，key占3B；value length值为5，占1B，value占5B；headers count值为0，占1B, 无headers。Record部分的总长度=1B+1B+1B+1B+3B+1B+5B+1B=14B，所以Record的length字段值为14，编码为变长整型占1B。最后推到出这条消息的占用字节数=61B+14B+1B=76B，符合测试结果。同样再发一条key=null，value=”value”的消息的话，可以计算出这条消息占73B。

这么看上去好像v2版本的消息比之前版本的消息占用空间要大很多，的确对于单条消息而言是这样的，如果我们连续往msg_format_v2中再发送10条value长度为6,key为null的消息，可以得到：

baseOffset: 2 lastOffset: www.yigouyule2.cn  11 baseSequence: www.hjsd1.com -1 lastSequence: -1 producerId: -1 producerEpoch: -1 partitionLeaderEpoch: 0 isTransactional: false position: www.wmyl88.com 149 CreateTime: 1524712213771 isvalid: true size: 191 magic: 2 compresscodec: NONE crc: 820363253

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本来应该占用740B大小的空间，实际上只占用了191B，如果在v0版本中这10条消息则需要占用320B的空间，v1版本则需要占用400B的空间，这样看来v2版本又节省了很多的空间，因为其将多个消息（Record）打包存放到单个RecordBatch中，又通过Varints编码极大的节省了空间。

就以v1和v2版本对比而立，至于哪个消息格式占用空间大是不确定的，要根据具体情况具体分析。比如每条消息的大小为16KB，那么一个消息集中只能包含有一条消息（参数batch.size默认大小为16384），所以v1版本的消息集大小为12B+22B+16384B=16418B。而对于v2版本而言，其消息集大小为61B+11B+16384B=17086B（length值为16384+，占用3B，value length值为16384，占用大小为3B，其余数值型的字段都可以只占用1B的空间）。可以看到v1版本又会比v2版本节省些许空间。

其实可以思考一下：当消息体越小，v2版本中的Record字段的占用会比v1版本的LogHeader+Record占用越小，以至于某个临界点可以完全忽略到v2版本中Record Batch Header的61B大小的影响。就算消息体很大，v2版本的空间占用也不会比v1版本的空间占用大太多，几十个字节内，反观对于这种大消息体的大小而言，这几十个字节的大小从某种程度上又可以忽略。

由此可见，v2版本的消息不仅提供了类似事务、幂等等更多的功能，还对空间占用提供了足够的优化，总体提升很大。也由此体现一个优秀的设计是多么的重要，虽然说我们不要过度的设计和优化，那么是否可以着眼于前来思考一下？kafka为我们做了一个很好的榜样。

参考资料

1. A Guide To The Kafka Protocol-Messagesets
2. Kafka Documentation
3. KIP-82
4. KIP-98
5. KIP-101
6. Protocol Buffers Encoding