Kafka设计解析-Kafka High Availability

1. Kafka简介

Kafka是一种分布式的，基于发布/订阅的消息系统。主要设计目标如下：

1. 以时间复杂度为O(1)的方式提供消息持久化能力，即使对TB级以上数据也能保证常数时间复杂度的访问性能
2. 高吞吐率。即使在非常廉价的商用机器上也能做到单机支持每秒100K条以上消息的传输
3. 支持Kafka Server间的消息分区，及分布式消费，同时保证每个Partition内的消息顺序传输
4. 同时支持离线数据处理和实时数据处理
5. Scale out：支持在线水平扩展

2. Kafka架构

Broker：Kafka集群包含一个或多个服务器，这种服务器被称为broker

Topic：每条发布到Kafka集群的消息都有一个类别，这个类别被称为Topic。（物理上不同Topic的消息分开存储，逻辑上一个Topic的消息虽然保存于一个或多个broker上但用户只需指定消息的Topic即可生产或消费数据而不必关心数据存于何处）

Partition：Parition是物理上的概念，每个Topic包含一个或多个Partition.

Producer：负责发布消息到Kafka broker

Consumer：消息消费者，向Kafka broker读取消息的客户端。

Consumer Group：每个Consumer属于一个特定的Consumer Group（可为每个Consumer指定group name，若不指定group name则属于默认的group）。

3. Kafka拓扑结构

http://static.cyblogs.com/KafkaArchitecture.png

如上图所示，一个典型的Kafka集群中包含若干Producer（可以是web前端产生的Page View，或者是服务器日志，系统CPU、Memory等），若干broker（Kafka支持水平扩展，一般broker数量越多，集群吞吐率越高），若干Consumer Group，以及一个Zookeeper集群。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。

4. Delivery Guarantee

有这么几种可能的delivery guarantee：

• At most once 消息可能会丢，但绝不会重复传输
• At least one 消息绝不会丢，但可能会重复传输
• Exactly once 每条消息肯定会被传输一次且仅传输一次，很多时候这是用户所想要的。

5. Kafka HA设计解析

5.1 Replica复制算法

​ 为了更好的做负载均衡，Kafka尽量将所有的Partition均匀分配到整个集群上。一个典型的部署方式是一个Topic的Partition数量大于Broker的数量。同时为了提高Kafka的容错能力，也需要将同一个Partition的Replica尽量分散到不同的机器。实际上，如果所有的Replica都在同一个Broker上，那一旦该Broker宕机，该Partition的所有Replica都无法工作，也就达不到HA的效果。同时，如果某个Broker宕机了，需要保证它上面的负载可以被均匀的分配到其它幸存的所有Broker上。

1. 将所有Broker（假设共n个Broker）和待分配的Partition排序
2. 将第i个Partition分配到第（i mod n）个Broker上
3. 将第i个Partition的第j个Replica分配到第（(i + j) mod n）个Broker上

5.2 Broker活着的判定

kafka判定broker是否活着，通过以下2个方式：

1. 和zk的session没有断（通过心跳来维系）
2. follower能及时将leader消息复制过来，不能落后太多（例如默认lag超过4000就会踢出ISR）

5.3 所有Replica都不工作的情况

如果所有副本都出问题，一般有两种选择：

1. 等待ISR中的任一个Replica“活”过来，并且选它作为Leader（一致性好，但是可用性差）
2. 选择第一个“活”过来的Replica（不一定是ISR中的）作为Leader（一致性差，但是可用性相比第一种方式好）

5.4 Propagate消息

​ Producer在发布消息到某个Partition时，先通过 Metadata （通过 Broker 获取并且缓存在 Producer 内） 找到该 Partition 的Leader，然后无论该Topic的Replication Factor为多少（也即该Partition有多少个Replica），Producer只将该消息发送到该Partition的Leader。Leader会将该消息写入其本地Log。每个Follower都从Leader pull数据。这种方式上，Follower存储的数据顺序与Leader保持一致。Follower在收到该消息并写入其Log后，向Leader发送ACK。一旦Leader收到了ISR中的所有Replica的ACK，该消息就被认为已经commit了，Leader将增加HW并且向Producer发送ACK。
为了提高性能，每个Follower在接收到数据后就立马向Leader发送ACK，而非等到数据写入Log中。因此，对于已经commit的消息，Kafka只能保证它被存于多个Replica的内存中，而不能保证它们被持久化到磁盘中，也就不能完全保证异常发生后该条消息一定能被Consumer消费。但考虑到这种场景非常少见，可以认为这种方式在性能和数据持久化上做了一个比较好的平衡。

5.5 ACK前需要保证有多少个备份

​ 和大部分分布式系统一样，Kafka处理失败需要明确定义一个Broker是否“活着”。对于Kafka而言，Kafka存活包含两个条件，一是它必须维护与Zookeeper的session(这个通过Zookeeper的Heartbeat机制来实现)。二是Follower必须能够及时将Leader的消息复制过来，不能“落后太多”。
　　Leader会跟踪与其保持同步的Replica列表，该列表称为ISR（即in-sync Replica）。如果一个Follower宕机，或者落后太多，Leader将把它从ISR中移除。这里所描述的“落后太多”指Follower复制的消息落后于Leader后的条数超过预定值（该值可在KAFKA_HOME/config/server.properties中通过replica.lag.time.max.ms来配置，其默认值是10000）未向Leader发送fetch请求。。
　　Kafka的复制机制既不是完全的同步复制，也不是单纯的异步复制。事实上，同步复制要求所有能工作的Follower都复制完，这条消息才会被认为commit，这种复制方式极大的影响了吞吐率（高吞吐率是Kafka非常重要的一个特性）。而异步复制方式下，Follower异步的从Leader复制数据，数据只要被Leader写入log就被认为已经commit，这种情况下如果Follower都复制完都落后于Leader，而如果Leader突然宕机，则会丢失数据。而Kafka的这种使用ISR的方式则很好的均衡了确保数据不丢失以及吞吐率。Follower可以批量的从Leader复制数据，这样极大的提高复制性能（批量写磁盘），极大减少了Follower与Leader的差距。

6. 分区Leader选举方法

一般比较容易想到的一个方法是：所有Follower都在Zookeeper上设置一个Watch，一旦Leader宕机，其对应的ephemeral znode会自动删除，此时所有Follower都尝试创建该节点，而创建成功者（Zookeeper保证只有一个能创建成功）即是新的Leader，其它Replica即为Follower。

该方法会存在3个问题：

1. split-brain 这是由Zookeeper的特性引起的，虽然Zookeeper能保证所有Watch按顺序触发，但并不能保证同一时刻所有Replica“看”到的状态是一样的，这就可能造成不同Replica的响应不一致
2. herd effect 如果宕机的那个Broker上的Partition比较多，会造成多个Watch被触发，造成集群内大量的调整
3. Zookeeper负载过重 每个Replica都要为此在Zookeeper上注册一个Watch，当集群规模增加到几千个Partition时Zookeeper负载会过重。

改进的方法——所有broker中选出一个controller，所有Partition的Leader选举都由controller决定。controller会将Leader的改变直接通过RPC的方式（比Zookeeper Queue的方式更高效）通知需为此作出响应的Broker。同时controller也负责增删Topic以及Replica的重新分配。

7. 各组件Failover过程

Broker failover过程

1. Controller在Zookeeper注册Watch，一旦有Broker宕机（这是用宕机代表任何让系统认为其die的情景，包括但不限于机器断电，网络不可用，GC导致的Stop The World，进程crash等），其在Zookeeper对应的znode会自动被删除，Zookeeper会fire Controller注册的watch，Controller读取最新的幸存的Broker
2. Controller决定set_p，该集合包含了宕机的所有Broker上的所有Partition
3. 对set_p中的每一个Partition

3.1 从/brokers/topics/[topic]/partitions/[partition]/state读取该Partition当前的ISR

​ 3.2 决定该Partition的新Leader。如果当前ISR中有至少一个Replica还幸存，则选择其中一个作为新Leader，新的ISR则包含当前ISR中所有幸存的Replica。否则选择该Partition中任意一个幸存的Replica作为新的Leader以及ISR（该场景下可能会有潜在的数据丢失）。如果该Partition的所有Replica都宕机了，则将新的Leader设置为-1。

3.3 将新的Leader，ISR和新的leader_epoch及controller_epoch写入/brokers/topics/[topic]/partitions/[partition]/state。注意，该操作只有其version在3.1至3.3的过程中无变化时才会执行，否则跳转到3.1

1. 直接通过RPC向set_p相关的Broker发送LeaderAndISRRequest命令。Controller可以在一个RPC操作中发送多个命令从而提高效率。

Broker failover顺序图如下所示。

http://static.cyblogs.com/kafka_broker_failover.png

Controller failure过程

1. Controller在Zookeeper的/brokers/ids节点上注册Watch。一旦有Broker宕机（本文用宕机代表任何让Kafka认为其Broker die的情景，包括但不限于机器断电，网络不可用，GC导致的Stop The World，进程crash等），其在Zookeeper对应的Znode会自动被删除，Zookeeper会fire Controller注册的Watch，Controller即可获取最新的幸存的Broker列表。
2. Controller决定set_p，该集合包含了宕机的所有Broker上的所有Partition。
3. 对set_p中的每一个Partition：
   　　3.1 从/brokers/topics/[topic]/partitions/[partition]/state读取该Partition当前的ISR。
   　　3.2 决定该Partition的新Leader。如果当前ISR中有至少一个Replica还幸存，则选择其中一个作为新Leader，新的ISR则包含当前ISR中所有幸存的Replica。否则选择该Partition中任意一个幸存的Replica作为新的Leader以及ISR（该场景下可能会有潜在的数据丢失）。如果该Partition的所有Replica都宕机了，则将新的Leader设置为-1。
   　　3.3 将新的Leader，ISR和新的leader_epoch及controller_epoch写入/brokers/topics/[topic]/partitions/[partition]/state。注意，该操作只有Controller版本在3.1至3.3的过程中无变化时才会执行，否则跳转到3.1。
4. 直接通过RPC向set_p相关的Broker发送LeaderAndISRRequest命令。Controller可以在一个RPC操作中发送多个命令从而提高效率。
   　　Broker failover顺序图如下所示。

http://static.cyblogs.com/kafka_broker_failover.png

Partition重新分配

管理工具发出重新分配Partition请求后，会将相应信息写到/admin/reassign_partitions上，而该操作会触发ReassignedPartitionsIsrChangeListener，从而通过执行回调函数KafkaController.onPartitionReassignment来完成以下操作：

1. 将Zookeeper中的AR（Current Assigned Replicas）更新为OAR（Original list of replicas for partition） + RAR（Reassigned replicas）。
2. 强制更新Zookeeper中的leader epoch，向AR中的每个Replica发送LeaderAndIsrRequest。
3. 将RAR - OAR中的Replica设置为NewReplica状态。
4. 等待直到RAR中所有的Replica都与其Leader同步。
5. 将RAR中所有的Replica都设置为OnlineReplica状态。
6. 将Cache中的AR设置为RAR。
7. 若Leader不在RAR中，则从RAR中重新选举出一个新的Leader并发送LeaderAndIsrRequest。若新的Leader不是从RAR中选举而出，则还要增加Zookeeper中的leader epoch。
8. 将OAR - RAR中的所有Replica设置为OfflineReplica状态，该过程包含两部分。第一，将Zookeeper上ISR中的OAR - RAR移除并向Leader发送LeaderAndIsrRequest从而通知这些Replica已经从ISR中移除；第二，向OAR - RAR中的Replica发送StopReplicaRequest从而停止不再分配给该Partition的Replica。
9. 将OAR - RAR中的所有Replica设置为NonExistentReplica状态从而将其从磁盘上删除。
10. 将Zookeeper中的AR设置为RAR。
11. 删除/admin/reassign_partition。

参考文章

• http://www.jasongj.com/2015/04/24/KafkaColumn2/
• http://www.jasongj.com/2015/06/08/KafkaColumn3/

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