Kafka3.x核心速查手册三、服务端原理篇-2、Broker选举机制

2、Controller Broker选举机制

​ 在Kafka集群进行工作之前，需要选举出一个Broker来担任Controller角色，负责整体管理集群内的分区和副本状态。选举Controller的过程就是通过抢占Zookeeper的/controller节点来实现的。

​ 当一个集群内的Kafka服务启动时，就会尝试往Zookeeper上创建一个/controller临时节点，并将自己的brokerid写入这个节点。节点的内容如下：

{"version":1,"brokerid":0,"timestamp":"1661492503848"}

​ Zookeeper会保证在一个集群中，只会有一个broker能够成功创建这个节点。这个注册成功的broker就成了集群当中的Controller节点。

​ 当一个应用在Zookeeper上创建了一个临时节点后，Zookeeper需要这个应用一直保持连接状态。如果Zookeeper长时间检测不到应用的心跳信息，就会删除临时节点。同时，Zookeeper还允许应用监听节点的状态，当应用状态有变化时，会向该节点对应的所有监听器广播节点变化事件。

​ 这样，如果集群中的Controller节点服务宕机了，Zookeeper就会删除/controller节点。而其他未注册成功的Broker节点，就会感知到这一事件，然后开始竞争，再次创建临时节点。这就是Kafka基于Zookeeper的Controller选举机制。

​ 选举产生的Controller节点，就会负责监听Zookeeper中的其他一些关键节点，触发集群的相关管理工作。例如：

• 监听Zookeeper中的/brokers/ids节点，感知Broker增减变化。
• 监听/brokers/topics，感知topic以及对应的partition的增减变化。
• 监听/admin/delete_topic节点，处理删除topic的动作。

​ 另外，Controller还需要负责将元数据推送给其他Broker。

3、Leader Partition选举机制

​ 在Kafka中，一个Topic下的所有消息，是分开存储在不同的Partiton中的。在使用kafka-topics.sh脚本创建Topic时，可以通过–partitions 参数指定Topic下包含多少个Partition，还可以通过–replication-factors参数指定每个Partition有几个备份。而在一个Partition的众多备份中，需要选举出一个Leader Partition，负责对接所有的客户端请求，并将消息优先保存，然后再通知其他Follower Partition来同步消息。

​ 在理解Leader Partition选举机制前，需要了解几个基础的概念：

• AR: Assigned Repllicas。 表示Kafka分区中的所有副本(存活的和不存活的)
• ISR: 表示在所有AR中，服务正常，保持与Leader同步的Follower集合。如果Follower长时间没有向Leader发送通信请求或者数据同步请求，那么这个Follower就会被提出ISR中。(超时时间由replica.lag.time.max.ms参数设定，默认30S)
• OSR：表示从ISR中踢出的节点。记录的是那些服务有问题，延迟过多的副本。

​ 其中，AR和ISR比较关键，可以通过kafka-topics.sh的–describe指令查看。

[oper@worker1 kafka_2.13-3.2.0]$ bin/kafka-topics.sh -bootstrap-server worker1:9092 --describe --topic disTopic
Topic: disTopic TopicId: vX4ohhIER6aDpDZgTy10tQ PartitionCount: 4       ReplicationFactor: 2    Configs: segment.bytes=1073741824
        Topic: disTopic Partition: 0    Leader: 2       Replicas: 2,1   Isr: 2,1
        Topic: disTopic Partition: 1    Leader: 1       Replicas: 1,0   Isr: 1,0
        Topic: disTopic Partition: 2    Leader: 2       Replicas: 0,2   Isr: 2,0
        Topic: disTopic Partition: 3    Leader: 2       Replicas: 2,0   Isr: 2,0

​ 这个结果中，AR就是Replicas列中的Broker集合。而这个指令中的所有信息，其实都是被记录在Zookeeper中的。

​ 接下来，Kafka设计了一套非常简单高效的Leader Partition选举机制。在选举Leader Partition时，会按照AR中的排名顺序，靠前的优先选举。只要当前Partition在ISR列表中，也就是是存活的，那么这个节点就会被选举成为Leader Partition。

​ 例如，我们可以设计一个实验来验证一下LeaderPartiton的选举过程。

#1、创建一个有三个Partition的Topic
[oper@worker1 kafka_2.13-3.2.0]$ bin/kafka-topics.sh --bootstrap-server worker1:9092 --create --replication-factor 3 --partitions 4 --topic secondTopic 
Created topic secondTopic.
#2、查看Topic的Partition情况 可以注意到，默认的Leader就是ISR的第一个节点。
[oper@worker1 kafka_2.13-3.2.0]$ bin/kafka-topics.sh -bootstrap-server worker1:9092 --describe --topic secondTopic
Topic: secondTopic      TopicId: GluwugzmQV26zeqndtbGPA PartitionCount: 4       ReplicationFactor: 3    Configs: segment.bytes=1073741824
        Topic: secondTopic      Partition: 0    Leader: 2       Replicas: 2,1,0 Isr: 2,1,0
        Topic: secondTopic      Partition: 1    Leader: 1       Replicas: 1,0,2 Isr: 1,0,2
        Topic: secondTopic      Partition: 2    Leader: 0       Replicas: 0,2,1 Isr: 0,2,1
        Topic: secondTopic      Partition: 3    Leader: 2       Replicas: 2,0,1 Isr: 2,0,1
#3、在worker3上停掉brokerid=2的kafka服务。
[oper@worker3 kafka_2.13-3.2.0]$ bin/kafka-server-stop.sh 
#4、再次查看SecondTopic上的Partiton分区情况
[oper@worker1 kafka_2.13-3.2.0]$ bin/kafka-topics.sh -bootstrap-server worker1:9092 --describe --topic secondTopic
Topic: secondTopic      TopicId: GluwugzmQV26zeqndtbGPA PartitionCount: 4       ReplicationFactor: 3    Configs: segment.bytes=1073741824
        Topic: secondTopic      Partition: 0    Leader: 1       Replicas: 2,1,0 Isr: 1,0
        Topic: secondTopic      Partition: 1    Leader: 1       Replicas: 1,0,2 Isr: 1,0
        Topic: secondTopic      Partition: 2    Leader: 0       Replicas: 0,2,1 Isr: 0,1
        Topic: secondTopic      Partition: 3    Leader: 0       Replicas: 2,0,1 Isr: 0,1

​ 从实验中可以看到，当BrokerId=2的kafka服务停止后，2号BrokerId就从所有Partiton的ISR列表中剔除了。然后，Partiton0和Partition3的Leader节点原本是Broker2，当Broker2的Kafka服务停止后，都重新进行了Leader选举。Parition0预先评估的是Replicas列表中Broker2后面的Broker1，Broker1在ISR列表中，所以他被最终选举成为Leader。Partition3也根据相同的逻辑，选择了Broker0作为Leader。

​ 当Partiton选举完成后，Zookeeper中的信息也被及时更新了。

/brokers/topics/secondTopic: {"partitions":{"0":[2,1,0],"1":[1,0,2],"2":[0,2,1],"3":[2,0,1]},"topic_id":"GluwugzmQV26zeqndtbGPA","adding_replicas":{},"removing_replicas":{},"version":3}
/brokers/topics/secondTopic/partitions/0/state: {"controller_epoch":6,"leader":1,"version":1,"leader_epoch":1,"isr":[1,0]}

​ Leader Partitoin选举机制能够保证每一个Partition同一时刻有且仅有一个Leader Partition。但是，是不是有Leader Partition就够了呢？