Labs 导读
近年来，互联网技术发展迅猛，各行各业的信息量急剧膨胀。随着云计算和算力网络时代的到来，消息中间件在国内许多行业的关键应用中越来越受到重视。在高并发分布式场景下，合理地利用消息中间件往往能起到突破性能瓶颈与化繁为简的效果。
前期分别从“作用”与“协议”、“传输模式”与“消费模式”对消息中间件技术做了简要的介绍。本期从消息中间件产品角度介绍主流方案的设计与实现。
1、概念介绍
Apache Kafka是一种高吞吐量、分布式、多副本、基于发布/订阅的消息系统，最初由LinkedIn公司开发，使用Scala语言编写，目前是Apache的开源项目。Kafka已成为事件流处理动态数据的事实标准。
1.1 主要特性
- 高吞吐量、低延迟：kafka每秒可以处理几十万条消息，它的延迟最低只有几毫秒；
- 可扩展性：kafka集群支持热扩展，数据迁移、扩容对用户透明；
- 持久性、可靠性：消息被持久化到本地磁盘，并且支持数据备份防止数据丢失；
- 容错性：允许集群中节点失败（若副本数量为n，则允许n-1个节点失败）；
- 高并发：支持数千个客户端同时读写；
- 分布式架构：Broker、Producer和Consumer都原生自动支持分布式，自动实现负载均衡；
- 支持同步和异步复制两种高可用机制；
- 支持数据批量发送和拉取；
- 零拷贝技术(zero-copy)：减少 IO 操作步骤，提高系统吞吐量；
- 其他特性：丰富的消息拉取模型、高效订阅者水平扩展、实时的消息订阅、亿级的消息堆积能力、定期删除机制。
1.2 Kafka优点
- 客户端多语言支持：支持Java、.Net、PHP、Ruby、Python、Go等多种语言；
- 高性能：单机写入TPS约在100万条/秒，消息大小10个字节；
- 分布式架构，并有replica机制，拥有较高的可用性和可靠性，理论上支持消息无限堆积；
- 支持批处理操作；
- 消费者采用Pull方式获取消息。单分区内消息有序，通过控制能够保证所有消息被消费且仅被消费一次；
- 在日志领域比较成熟，被多家公司和多个开源项目使用。
1.3 Kafka缺点
- Kafka单机超过64个分区时，load时会发生明显的飙高现象。队列越多，负载越高，发送消息响应时间变长；
- 使用短轮询方式，实时性取决于轮询间隔时间，对于不能批处理的消息，需考虑消费线程执行效率；
- 需要引入ZooKeeper，部署成本相比其他MQ较高；
- 不能保证消息100%到达，不支持事务消息。
1.4 主要应用场景
- 消息系统：分布式消息系统，解耦生产者和消费者；
- 日志收集：Kafka常与ELK(Logstash、ElasticSearch、Kibana)一起作为业务系统日志收集方案；
- 业务埋点：对于可靠性要求不那么高的埋点数据（如浏览网页、点击、跳转等），可使用Kafka进行传输，消费者端收到消息后可根据需求做实时监控分析或装载到hadoop、数据仓库中做离线分析和挖掘；
- 运营指标：Kafka可用来传输运营监控数据，以便统一归集分析、集中反馈；
- 流式处理：Kafka提供了完整的流式处理类库，可以很方便的被集成至应用程序中，为流式处理框架（Flink、Spark、Storm等）提供可靠的数据来源。
1.5 Kafka为什么这么快？
Kafka可以轻松支持每秒百万级的写入请求，超过了大部分的消息中间件，这种特性使得Kafka在日志处理等海量数据场景得到广泛应用。
- 并行处理：Kafka引入了Partition（分区）的概念，每个Topic 可包含一个或多个Partition，不同Partition可位于不同节点中，从而实现多磁盘并发读写；
- 顺序读写：Kafka中每个Partition是一个有序、不可变的消息序列，新的消息只会被追加到Partition的末尾，而一个Partition又被分为多个Segment，清除旧数据时可直接删除Segment文件，避免随机写；
- 页缓存(Page Cache)：Kafka使用页缓存技术减少I/O操作次数，即使Kafka进程重启数据也不会丢失（机器宕机时，页缓存内的数据未及时写入磁盘会导致数据丢失，同步刷盘可以规避该问题，但会影响性能，默认使用异步刷盘机制）；
- 零拷贝技术：Kafka使用零拷贝技术，避免数据在内核空间的缓冲区和用户空间的缓冲区之间进行拷贝；
- 批处理：Kafka支持批处理操作，以减少网络I/O操作；
- 数据压缩：Kafka支持Snappy、Gzip、LZ4等算法对数据进行压缩传输。
2、架构设计
图1 架构设计
3、核心概念
- Producer：生产者，用来向Kafka Broker中发送数据(Record)；
- Kafka Cluster：Kafka集群，由一台或多台服务器组成；
- Broker：Broker是指部署了Kafka实例的服务器节点，每个服务器上可安装一个或多个Kafka实例。每个Kafka集群内的Broker都有一个不重复的编号（如broker-0、broker-1等）；
- Topic：消息主题，用来区分不同类型信息。在每个Broker上可以创建多个Topic；
- Partition：Topic的分区，每个Topic可以有一个或多个 Partition（分区），分区可实现负载均衡，支持并发写入读取，提高Kafka的吞吐量。一个分区内的数据只能被一个线程消费；
- Replication：每一个分区可以有多个副本。当主分区(Leader)故障的时候会选择一个副本(Follower)成为新的Leader。在Kafka中副本的默认最大数量是10个，且副本的数量不能大于Broker的数量，Follower和Leader必须分布在不同的机器上，同一机器上同一分区只能存放一个副本（包括自己）。
- Record：消息记录。每个Record包含了key、value和 timestamp；
- Consumer：消费者，用来读取Kafka中的数据(Record)进行消费；
- Consumer Group：消费者组，一个消费者组可以包含一个或多个消费者。在Kafka的设计中一个分区内的数据只能被消费者组中的某一个消费者消费，同一个消费者组的消费者可以消费某个Topic不同分区的数据；
- Segment：实际存储消息的片段；一个Partition在物理上由一个或者多个Segment构成，每个Segment中保存真实的消息数据。
4、工作流程
图2 工作流程
Kafka一般工作流程如下（根据ACK应答策略会存在部分差异）：
- 生产者与Leader直接交互，先从集群获取Topic对应分区的Leader元数据；
- 获取到Leader分区元数据后进行消息发送；
- Kafka Broker对应的Leader分区收到消息后写入文件进行持久化；
- Follower拉取Leader消息，进行数据同步；
- Follower完成消息拉取后给Leader回复ACK确认；
- Leader和Follower分区完成数据同步后，Leader分区给生产者回复ACK确认。
👇 ACK应答机制
通过配置request.required.acks属性来配置ACK策略：
- 0代表生产者往集群发送数据不需要等待集群的返回，不确保消息是否发送成功。安全性最低但是效率最高。
- 1（默认）代表生产者往集群发送数据只要Leader应答就可以发送下一条，只确保Leader发送成功（Leader不需要等待Follower完成数据同步即返回生产者ACK确认）。
- all代表生产者往集群发送数据需要所有的Follower都完成数据同步才会发送下一条，确保Leader发送成功和所有的副本都完成备份。安全性最高，但是效率最低。
5、Kafka数据存储设计
5.1 Topic和数据日志
Topic是同一类别的消息记录(Record)的集合。在Kafka中，一个Topic又可以被划分成多个Partition，分区数据日志文件结构如下：
图3 Topic和数据日志-分区数据日志文件结构
每个Partition是一个有序、不可变的消息序列，新的消息只会被追加到Partition的末尾。在每个Partition中，通过offset（偏移量）标识消息。由此可见，在同一个Partition内消息是有序的，在不同Partition之间，不能保证消息被有序消费。
Kafka可以通过log.retention配置项设定消息日志在集群内的留存时间，默认为168小时（即7天）。
5.2 Partition结构
Partition在服务器上是以文件夹形式存在的，每个Partition文件夹内会有多组Segment文件，每组Segment文件又包含.index、.log、.timeindex三个文件，其中.log是实际存储消息日志的地方，而.index和.timeindex为索引文件，用于检索消息。
Q：为什么有了Partition还要有Segment？
Segment对应一个文件（实现上对应两个文件，一个数据文件，一个索引文件），一个Partition对应一个文件夹，一个Partition内理论上可以包含任意多个Segment。
如果不引入Segment ，所有消息日志都直接写在Partition文件内，会导致Partition文件一直增大。同时，在做data purge时，需要把文件的前面部分给删除，不符合Kafka文件的顺序写优化设计方案。引入Segment后，消息日志被分散在多个Segment中， 每次做data purge，只需要把旧的Segment整个文件删除即可，保证了每个Segment的顺序写。
5.3 Partition的数据文件(offset、MessageSize、data)
Partition中的每条消息包含三个属性：offset、MessageSize、data，其中offset表示消息在这个Partition中的偏移量，offset 不是实际存储位置，而是逻辑上一个值，用来唯一标识Partition内的一条消息，相当于消息id；MessageSize表示消息内容data的大小；data为消息的具体内容。
5.4 数据文件分段Segment（顺序读写、分段命令、二分查找）
Partition物理上由多个Segment文件组成，每个Segment大小相等（大致）。每个Segment数据文件以该段中最小的offset命名，文件扩展名为.log。这样在查找指定offset消息的时候，用二分查找法可以快速定位到该消息在哪个Segment数据文件中。
5.5 数据文件索引（分段索引、稀疏存储）
Kafka为每个Segment建立了索引文件（文件名与数据文件一致，扩展名为.index）。具体是采用稀疏索引方式，每隔一定字节的数据建立一条索引。这样做的好处是减少了索引体积，以便保留在内存中；坏处是查询时命中需要消耗更多时间（相对）。
图4 数据文件索引-稀疏索引
6、生产者&消费者设计
6.1 负载均衡（Partition会均衡分布到不同Broker上）
由于一个Topic可以有多个Partition，不同Partition均衡分布在不同的Broker上。基于该特性，生产者可通过随机、轮询或hash等策略，将消息平均发送至多个Broker中，实现负载均衡。
6.2 批量发送
生产者在本地内存中进行消息聚合，以单次请求发送批量数据的方式，减少网络I/O操作（副作用是一定程度上会影响消息实时性，以时延换取吞吐量）。
6.3 压缩（Snappy、Gzip、LZ4）
生产者通过Snappy、Gzip、LZ4等算法对数据进行压缩传输，减少传输数据量，减轻网络压力（以CPU资源换取网络时延的降低）。
7、总结
Kafka凭借其架构与性能优势，愈来愈受到众厂商的青睐。依托其完善的社区环境，Kafka构建了庞大而成熟的生态，已成为大数据及流计算领域中至关重要的一环。
