技术分享|kafka 协议分析 基础篇

Posted 2021-05-02 擎创夏洛克AIOps

Kafka 作为夏洛克系统中关键的一环，它的效率和稳定性尤为重要。天天跟 Kafka打交道，工程师们的实用心得那真是多 ——

Kafka作为分布式消息组件被广泛使用，官方也提供了非常易用的各语言版本的client。由于系统的异构性，我们使用了不同语言的client生产和消费消息。实际使用的过程中，发现有生产了消息却消费不到的情况。由于client屏蔽了很多底层细节，所以通过网络抓包去分析数据才是解决问题的关键。要分析网络数据包就必须了解Kafka通讯协议。

（PS：本文是假定你对Kafka的基本概念已经了解，特别是topic,partition,broker和leader）

协议基础

要想分析和使用kafka协议，我们必须要事先弄清楚协议的基础理论。本文主要介绍这些基础概念，后面文章会陆续介绍kafka的low level api和hight level api。

TCP

kafka协议是基于tcp的

消息体全部由后面介绍的3种类型的数据组成

对于同一tcp链接，服务端会按序响应请求（所以client应采用non-blocking IO模型以提高效率）

Partition

topic里的数据是被分配到多个partition上存储的，每个partition又会有N-1个备份(注意:N>=1,N＝1表示没有备份)。将数据分片和并备份存储，即提高了效率和又保证了安全性，类似理论在大部分的分布式系统中都有体现。

数据要被配到哪个partition上存储，是由生产者客户端(producer client)决定的，而不是kafka服务器(broker)决定的。这种设计使得开发者自由度更高，另一方面也要求客户端必须决定分区策略，大部分情况下会使用：（1）生产者可以通过轮询或随机的方式向所有partition写入数据，以保证数据被平均分配到了每个partition上。（2）生产者也可以通过数据的Key值来计算(例如某种hash值)应该路由到哪个partition上。分区策略可以根据实际需求来，为了某些特殊的需求，甚至可以将所有数据只写到一个partition上。

与生产者类似，从哪个partition上消费消息，是由消费者客户端(consumer client)指定的。换言之，要想获取到topic的所有消息，必须同时和所有partition位于的broker建立链接来消费消息。

Batching

kafka支持批处理请求，所以尽量将小的请求批量处理以提高效率。对此笔者有深刻的体验：服务器上有1000多个topic，每个topic平均3个partition。需求是要获取所有topic partition的当前offset。如果为每个partition发送一次offset请求，那就是3000多次请求，一共耗时2分钟左右。但是如果一次请求获取所有partition的offset，则耗时不到2秒。

Versioning

所有api都有一个版本号参数，版本号从0开始。需要使用与服务器对应的版本api请求，如果发送服务器不支持的版本，则请求会被拒绝。

Protocol Primitive Types

协议中的请求和响应都由下面3种类型的数据组成。

定长基本类型： int8, int16, int32, int64

变长基本类型：bytes, string。string由一个表示长度的数字N(int16)和N个字符组成。bytes类似，也是由一个表示长度的数字N(int32)和N个字符组成。数字是有符号的，-1表示null。

数组：由表示个数的数字N(int32)和N个重复结构体组成，单个结构体是上面2种基本类型的组合。

Request & Response

请求和响应的前4个字节都是一个表示请求体或响应体多大的数字:

RequestOrResponse => Size (RequestMessage | ResponseMessage)  

message_size => int32  

RequestMessage ｜ ResponseMessage

Field	长度	含义
message_size	4字节	message_size给出了后续请求或响应消息的字节(bytes)长度。客户端可以先读取4字节的长度N，然后读取并解析后续的N字节请求内容。

注意：后面介绍中将不会再专门列出message_size域，默认在头部包含该域值

Request Header

所有请求都具有相同格式的请求头

RequestMessage => api_key api_version correlation_id client_id  

api_key => int16  

api_version => int16  

correlation_id => int32  

client_id => string  

MetadataRequest | ProduceRequest | FetchRequest | ListOffsetRequest |......

Field	长度	描述
api_key	2字节	API Code
api_version	2字节	API 版本号
correlation_id	4字节	自定义消息id (response中会将该值原样返回)
client_id	2字节+N	自定义ClientId

Response Header

所有响应都具有相同格式的响应头

ResponseMessage => correlation_id  

correlation_id => int32  

MetadataResponse | ProduceResponse | FetchResponse | ListOffsetResponse |......

Field	长度	描述
correlation_id	4字节	自定义消息id(request中的correlation_id)

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