开源消息中间件Kafka在华泰证券的探索与实践

Posted 2021-05-02 codingparty

摘要：Kafka 作为开源消息中间件的重要分支，在券商领域会有怎样的应用场景？本文从华泰证券的应用现状出发，介绍了 Kafka 在华泰证券的大规模实践经验。

1. 引言

Apache Kafka 发源于 LinkedIn，于 2011 年成为 Apache 的孵化项目，随后于 2012 年成为 Apache 的顶级项目之一。按照官方定义，Kafka 是一个分布式流平台，具备流数据的发布及订阅（与消息队列或企业级消息系统类似）能力、容错方式的流数据存储能力以及流数据的实时处理能力。
Kafka 的优势在于：
1.可靠性：具有分区机制、副本机制和容错机制的分布式消息系统。
2.可扩展性：消息系统支持集群规模的热扩展。
3.高性能：在数据发布和订阅过程中都能保证数据的高吞吐量。即便在 TB 级数据存储的情况下，仍然能保证稳定的性能。
目前，Kafka 在互联网、金融、传统行业等各种类型公司内部广泛使用，已成为全球范围内实时数据传输和处理领域的事实标准。

2. 基本原理及概念

一个典型的 Kafka 集群中包含：（1）若干 Producer，用于生产数据；（2）若干 Broker，构成集群吞吐数据；（3）若干 Consumer 消费数据；（4）一个 Zookeeper 集群，进行全局控制和管理。
Kafka 的拓扑结构如下图所示：

图1 kafka 架构图

Kafka 通过 Zookeeper 管理集群配置、选举 leader，以及在 Consumer Group 发生变化时进行再平衡(rebalance)。Producer 使用 push 模式将消息发布到 broker，Consumer 使用 pull 模式从 broker 订阅并消费消息并更新消费的偏移量值(offset)。

基本概念:
• Broker(代理)：Kafka 集群的服务器节点称为 broker。
• Topic(主题)：在 Kafka 中，使用一个类别属性来划分数据的所属类，划分数据的这个类称为 topic。一个主题可以有零个、一个或多个消费者去订阅写到这个主题里面的数据。
• Partition(分区)：主题中的数据分割为一个或多个 partition，分区是一个有序、不变序列的记录集合，通过不断追加形成结构化的日志。
• Producer(生产者)：数据的发布者，该角色将消息发布到 Kafka 的 topic 中。生产者负责选择哪个记录分配到指定主题的哪个分区中。
• Consumer(消费者)：从 broker 中读取数据，消费者可以消费多个 topic 中的数据。
• Consumer Group(消费者组)：每个 consumer 都属于一个特定的 group 组，一个 group 组可以包含多个 consumer，但一个组中只会有一个 consumer 消费数据。

主题和分区:
Topic 的本质就是一个目录，由一些 Partition Logs(分区日志)组成，其组织结构如下图所示。每个 Partition 中的消息都是有序的，生产的消息被不断追加到 Partition log 上，其中的每一个消息都被赋予了一个唯一的 offset 值。

图 2 Kafka分区数据存储示意图

对于传统的 message queue 而言，一般会删除已经被消费的消息，Kafka 集群会保存所有的消息，不管消息有没有被消费。Kafka 提供两种策略删除旧数据：（1）基于时间；（2）基于 Partition 文件大小。只有过期的数据才会被自动清除以释放磁盘空间。
Kafka 需要维持的元数据只有“已消费消息在 Partition 中的 offset 值”，Consumer 每消费一个消息，offset 就会加 1。其实消息的状态完全是由 Consumer 控制的，Consumer 可以跟踪和重设这个 offset 值，这样 Consumer 就可以读取任意位置的消息。

数据备份机制:
Kafka 允许用户为每个 topic 设置副本数量，副本数量决定了有几个 broker 来存放写入的数据。如果你的副本数量设置为 3，那么一份数据就会被存放在 3 台不同的机器上，那么就允许有 2 个机器失败。一般推荐副本数量至少为 2，这样就可以保证增减、重启机器时不会影响到数据消费。如果对数据持久化有更高的要求，可以把副本数量设置为 3 或者更多。

核心api:
Producer API：允许应用去推送一个流记录到一个或多个 kafka 主题上。
Consumer API：允许应用去订阅一个或多个主题，并处理流数据。Consumer API 包含 high level API 和 Sample api 两套。使用 high level API 时，同一 Topic 的一条消息只能被同一个 Consumer Group 内的一个 Consumer 消费，但多个 Consumer Group 可同时消费这一消息。与之相对的 Sampleapi 是一个底层的 API，完全无状态的，每次请求都需要指定 offset 值。
Streams API：允许应用作为一个流处理器，消费来自一个或多个主题的输入流，或生产一个输出流到一个或多个输出主题，并可以有效地将输入流转换为输出流。
其它 Kafka 的特性将在下面华泰证券的使用示例中进一步介绍。

3. Kafka在华泰证券背景介绍及建设现状

长期以来，华泰证券的系统建设依赖于服务厂商，厂商之间技术方案的差异性造成了系统之间的异构化，各种类型的系统架构长期存在，在消息中间件领域尤是如此。如短信平台使用 IBMMQ，CRM 系统使用 ESB 架构，自营业务使用 Oracletuxedo 架构，柜台系统使用恒生 MessageCenter 架构等。随着华泰证券自主研发的大规模投入，迫切需要改变这种烟囱式的系统建设方式，以统一化的服务化平台架构来建设系统。
2015 年，我们通过对 Kafka、ActiveMQ 及 RabbitMQ 等开源消息中间件进行全面的测试对比，最终从性能及高可用方面考虑，选择 Kafka 作为了公司级消息中间件，经过两年多的探索和实践，Kafka 平台已承接大量重要生产业务系统，支撑了全公司业务的高速发展，积累了大量的生产实践经验。
经过将近三年的建设发展，目前在华泰证券内部已分别建设 0.9.0 和 0.10.1 版本的 Kafka 集群，总体集群数量 20 余台。
目前华泰内部 kafka 已为行情计算、交易回报、量化分析等核心系统提供稳定服务，同时涵盖了日志、数据分析等诸多运维领域的应用，日均消息吞吐量达 2.3TB，峰值流量超 4.8Gb/s，TOPIC 数量 190 余个，服务 30 个以上应用系统。

4. 实践经验

（1）高可用双活架构
如图 3 所示，Kafka 高可用特性依赖于 zookeeper 来实现，由于 zookeeper 的 paxos 算法特性，故 zookeeper 采用同城三中心部署方式，保证 zookeeper 本身高可用，通常其中两个数据中心部署偶数台机器，另一数据中心部署单台机器。
Kafkabroker 跨数据中心两节点部署，所有 topic 的 partition 保证在两中心都有副本。如果单数据中心出现问题，另一个中心能自动进行接管，业务系统可以无感知切换。
由于Kafka的高带宽需求，主机采用万兆网卡，并且在网卡做 bond0 以保证网卡高可用，跨数据中心之间的网络通信采用独立的万兆波分通道。

图 3 KAFKA 平台部署架构图

（2）参数调优
• 首先我们在 JVM 层面做了很多尝试。对 Kafka 服务启动参数进行调优，使用 G1 回收器。kafka 内存配置一般选择 64G，其中 16G 给 Kafka 应用本身，剩余内存全部用于操作系统本身的 page cache.
• 此外为了保证核心系统的达到最佳的读写效果，我们采用 SSD 硬盘，并做了 raid5 冗余,来保证硬盘的高效 IO 读写能力。
• 其次我们通过调整 broker 的 num.io.threads，num.network.threads, num.replica.fetchers 等参数来保证集群之间快速复制和吞吐。
（3）数据一致性保证
Kafka 有自己一套独特的消息传输保障机制(at least once)。当 producer 向 broker 发送消息时，由于副本机制（replication）的存在，一旦这条消息被 broker 确认，它将不会丢失。但如果 producer 发送数据给 broker 后，遇到网络问题而造成通信中断，那 producer 就无法判断该条消息是否已经被确认。这时 producer 可以重试，确保消息已经被 broker 确认，为了保证消息的可靠性，我们要求业务做到：

• 保证发送端成功
当 producer 向 leader 发送数据时，可以通过 request.required.acks 参数来设置数据可靠性的级别：

1（默认）	leader 已成功收到的数据并得到确认后发送下一条 message。如果 leader 宕机，则会丢失数据。
0	送端无需等待来自 broker 的确认而继续发送下一批消息。这种情况下数据传输效率最高，但是数据可靠性确是最低的。
-1（ALL）	发送端需要等待 ISR 列表中所有列表都确认接收数据后才算一次发送完成，可靠性最高。

• 保证消费者消费成功(at least once)
我们要求消费者关闭自动提交(enable.auto.commit:false)，同时当消费者每次 poll 处理完业务逻辑后必须完成手动同步提交（commitSync），如果消费者在消费过程中发生 crash，下次启动时依然会从之前的位置开始消费，从而保证每次提交的内容都能被消费。

• 消息去重 
考虑到 producer,broker,consumer 之间都有可能造成消息重复，所以我们要求接收端需要支持消息去重的功能，最好借助业务消息本身的幂等性来做。其中有些大数据组件，如 hbase，elasticsearch 天然就支持幂等操作。

图 4Kafka 消息可靠性机制

场景事例：行情数据 hbase 存储
在华泰内部使用 kafka 来缓存一段时间的行情数据，并做相应处理为了保证 kafka 中数据的完整性，发送端 API 参数配置:

props.put(“acks”, “all”);

为了防止某条发送影响后续的消息发送，采用带异步回调的模式发送

在接收端，启动专门的消费者拉取 kafka 数据存入 hbase。hbase 的 rowkey 的设计主要包括 SecurityId（股票id）和 timestamp（行情数据时间）。消费线程从 kafka 拉取数据后反序列化，然后批量插入 hbase，只有插入成功后才往 kafka 中持久化 offset。这样的好处是，如果在中间任意一个阶段发生报错，程序恢复后都会从上一次持久化 offset 的位置开始消费数据，而不会造成数据丢失。如果中途有重复消费的数据，则插入 hbase 的 rowkey 是相同的，数据只会覆盖不会重复，最终达到数据一致。
所以，从根本上说，kafka 上的数据传输也是数据最终一致性的典型场景。

图 5hbase 持久化逻辑

（4）ACL安全
目前华泰内部通过配置 allow.everyone.if.no.acl.found 参数（:true）让 Kafka 集群同时具备 ACL 和非 ACL 的能力，避免资源的浪费。我们选用 SASL 作为 Kafka 鉴权方式，因为 SASL 虽然简单，但已满足需求，而 Kerberos 使用过重，过度复杂组件会给 Kafka 带来更多不确定的因素，如示例所示，根据部门划分来分配用户。
示例：
KafkaServer {
org.apache.kafka.common.security.plain.PlainLoginModule required
ser_dep1=“ password 1”
user_dep2=“ password 2”
user_dep3=“ password 3”;
};
服务启动后，通过 Kafka 的 command line 接口，配置基于用户、ip、topic、groupid 等的 acl 权限来保证各业务之间的隔离。

5.未来规划

随着业务的不断发展，Kafka 在华泰证券内部已成为核心组件。未来重点进行 PaaS 平台建设，建立分级保障和 ACL 权限管控，对重点业务进行独立管理。
目前 Kafka 的 topic 一般只有 2 个副本，在某些特殊场景下存在数据丢失的风险，未来我们会通过升级扩容，基于业务的重要程度提升副本数，强化集群的高可用性。
后续我们还会深入研究 Kafka1.0，与 KafkaStreaming、KQL、Storm、Spark、Flink 等流式计算引擎相结合，依托 Kafka 打造公司级流式计算平台。