Kafka 基础原理及工作流程简述

Posted 2023-02-14

参考技术A Kafka 工作流程

基础总结：

1）broker :broker代表kafka的节点， Broker是分布式部署并且相互之间相互独立的， 启动的时候向zookeeper 注册，在Zookeeper上会有一个专门 用来进行Broker服务器列表记录 的节点：/brokers/ids。每个Broker在启动时，都会到Zookeeper上进行注册，即到/brokers/ids下创建属于自己的节点，如/brokers/ids/[0...N]。Kafka使用了全局唯一的数字来指代每个Broker服务器，不同的Broker必须使用不同的Broker ID进行注册，创建完节点后， 每个Broker就会将自己的IP地址和端口信息记录 到该节点中去。其中，Broker创建的节点类型是 临时节点 ，一旦Broker 宕机 ，则 对应的临时节点也会被自动删除 。

2）topic：消息主题，在Kafka中，同一个 Topic的消息会被分成多个分区 并将其分布在多个Broker上， 这些分区信息及与Broker的对应关系 也都是由Zookeeper在维护，由专门的节点来记录，如：/borkers/topics Kafka中每个Topic都会以/brokers/topics/[topic]的形式被记录，如/brokers/topics/login和/brokers/topics/search等。Broker服务器启动后，会到对应Topic节点（/brokers/topics）上注册自己的Broker ID并写入针对该Topic的分区总数，如/brokers/topics/login/3->2，这个节点表示Broker ID为3的一个Broker服务器，对于"login"这个Topic的消息，提供了2个分区进行消息存储，同样，这个分区节点也是临时节点。

3）partition ：同一topic类型消息的分区，如图，每个分区都存在一个leader 和N个follower（副本），副本个数在创建topic的时候可以指定创建多少个。消息生产者生产消息和消费组消费消息都是通过leader完成，副本的存在是为了防止发生节点宕机，导致leader挂了，follower随时顶上去变成leader，继续恢复生产。重点来了，leader所在节点挂了，会有follower变成leader，所以同一个topic的同一个partition的leader与follower不可能在同一个broker，这样才能做到这个broker上的某个topic的某个partition的leader挂了，其他正常节点上的这个topic的这个partition的follower会顶上来。

4）生产者发送消息的 负载均衡 ：由于同一个Topic消息会被分区并将其分布在多个Broker上，因此， 生产者需要将消息合理地发送到这些分布式的Broker上 ，那么如何实现生产者的负载均衡，Kafka支持传统的四层负载均衡，也支持Zookeeper方式实现负载均衡。 (4.1) 四层负载均衡，根据生产者的IP地址和端口来为其确定一个相关联的Broker。通常，一个生产者只会对应单个Broker，然后该生产者产生的消息都发往该Broker。这种方式逻辑简单，每个生产者不需要同其他系统建立额外的TCP连接，只需要和Broker维护单个TCP连接即可。但是，其无法做到真正的负载均衡，因为实际系统中的每个生产者产生的消息量及每个Broker的消息存储量都是不一样的，如果有些生产者产生的消息远多于其他生产者的话，那么会导致不同的Broker接收到的消息总数差异巨大，同时，生产者也无法实时感知到Broker的新增和删除。 (4.2) 使用Zookeeper进行负载均衡，由于每个Broker启动时，都会完成Broker注册过程，生产者会通过该节点的变化来动态地感知到Broker服务器列表的变更，这样就可以实现动态的负载均衡机制。

5）消费者负载均衡：与生产者类似，Kafka中的消费者同样需要进行负载均衡来实现多个消费者合理地从对应的Broker服务器上接收消息，每个消费组分组包含若干消费者， 每条消息都只会发送给分组中的一个消费者 ，不同的消费者分组消费自己特定的Topic下面的消息，互不干扰。

6）分区与消费者 的关系： 消费组 (Consumer Group)  consumer group 下有多个 Consumer（消费者）。对于每个消费者组 (Consumer Group)，Kafka都会为其分配一个全局唯一的Group ID，Group 内部的所有消费者共享该 ID。订阅的topic下的每个分区只能分配给某个 group 下的一个consumer(当然该分区还可以被分配给其他group)。同时，Kafka为每个消费者分配一个Consumer ID，通常采用"Hostname:UUID"形式表示。在Kafka中，规定了 每个消息分区 只能被同组的一个消费者进行消费 ，因此，需要在 Zookeeper 上记录 消息分区 与 Consumer 之间的关系，每个消费者一旦确定了对一个消息分区的消费权力，需要将其Consumer ID 写入到 Zookeeper 对应消息分区的临时节点上，例如：/consumers/[group_id]/owners/[topic]/[broker_id-partition_id]  其中，[broker_id-partition_id]就是一个 消息分区 的标识，节点内容就是该 消息分区 上 消费者的Consumer ID。

7）消息的消费进度Offset 记录：在消费者对指定消息分区进行消息消费的过程中， 需要定时地将分区消息的消费进度Offset记录到Zookeeper上 ，以便在该消费者进行重启或者其他消费者重新接管该消息分区的消息消费后，能够从之前的进度开始继续进行消息消费。Offset在Zookeeper中由一个专门节点进行记录，其节点路径为:/consumers/[group_id]/offsets/[topic]/[broker_id-partition_id] 节点内容就是Offset的值。这是kafka0.9和之前版本offset记录的方式，之后的版本offset都改为存在kafka本地，当然了这里的本地是指磁盘不是内存。。。

8）消费者注册：每个消费者服务器启动时，都会到Zookeeper的指定节点下创建一个属于自己的消费者节点，例如/consumers/[group_id]/ids/[consumer_id]，完成节点创建后，消费者就会将自己订阅的Topic信息写入该临时节点。 对 消费者分组 中的 消费者 的变化注册监听 。每个 消费者 都需要关注所属 消费者分组 中其他消费者服务器的变化情况，即对/consumers/[group_id]/ids节点注册子节点变化的Watcher监听，一旦发现消费者新增或减少，就触发消费者的负载均衡。 对Broker服务器变化注册监听 。消费者需要对/broker/ids/[0-N]中的节点进行监听，如果发现Broker服务器列表发生变化，那么就根据具体情况来决定是否需要进行消费者负载均衡。 进行消费者负载均衡 。为了让同一个Topic下不同分区的消息尽量均衡地被多个 消费者 消费而进行 消费者 与 消息 分区分配的过程，通常，对于一个消费者分组，如果组内的消费者服务器发生变更或Broker服务器发生变更，会发出消费者负载均衡。