大数据之Kafka

Kafka概述

传统定义：一个分布式的基于发布/订阅模式的消息队列，主要应用于大数据实时处理领域。
最新定义：一个开源的分布式事件流平台，被数千家公司用于高性能数据管道、流分析、数据集成和关键任务应用。最主要的功能是做数据的缓冲，相较于flume的channel, 能力更强。

应用场景：

1. 缓冲/消峰：解决生产消息和消费消息的处理速度不一致的情况。
2. 解耦：只需知道如何连接kafka，作用类似于交换机。
3. 异步通信：可以将事务给kafka，自己去处理其他事务。

消息队列的两种模式：

• 点对点模式：消费者拉取数据后删除数据。优点是简单速度快，缺点是不方便实现多用户需要获取同一数据的情况。
• 发布/订阅模式：可以有多个topic主题，消费者拉取数据后不删除数据。

Kafka的基础架构

1. 为方便扩展，并提高吞吐量，一个topic分为多个partition
2. 配合分区的设计，提出消费者组的概念，组内内个消费者并行消费，以线程为单位。
3. 为提高可用性，为每个partiton增加若干副本，类似NameNode HA
4. 借助zookeeper来实现leader和follower的选举机制，leader是原数据，follower是副本数据。leader主要用于发送和传输，follower主要作为副本保证安全性。

Kafka的安装部署

官网下载地址：http://kafka.apache.org/downloads.html

1. 上传安装包
2. 解压安装包
3. 修改配置文件
4. 配置环境变量
5. 编写群启群关脚本kf.sh

#! /bin/bash

case $1 in
"start"){
    for i in hadoop102 hadoop103 hadoop104
    do
        echo " --------启动 $i Kafka-------"
        ssh $i "/opt/module/kafka/bin/kafka-server-start.sh -daemon /opt/module/kafka/config/server.properties"
    done
};;
"stop"){
    for i in hadoop102 hadoop103 hadoop104
    do
        echo " --------停止 $i Kafka-------"
        ssh $i "/opt/module/kafka/bin/kafka-server-stop.sh "
    done
};;
esac

kafka主题相关操作

kafka-topics.sh脚本里面定义了对应相关操作。

1. 增加主题，kafka-topics.sh --bootstrap-server hadoop102:9092 -- create --topic second --replication-facotr 1 --partitions 1
2. 删除，是标记删除，预计在1分钟后完全删除。bin/kafka-topics.sh --bootstrap-server hadoop102:9092 --delete --topic first
3. 修改，只能增加分区数量。bin/kafka-topics.sh --bootstrap-server hadoop102:9092 --alter --topic first --partitions 3
4. 查看，bin/kafka-topics.sh --bootstrap-server hadoop102:9092 --list

生产和消费

1. 启动生产者：kafka-console-producer.sh --bootstrap-server hadoop102:9092 --topic first
2. 启动消费者：kafka-console-consumer.sh --bootstrap-server hadoop102:9092 --topic first
3. 如果单独启动生产者，发送数据，之后再启动消费者，默认不发送之前发送的数据。在消费者启动命令后面添加--from-beginning关键字可以修改为从头拿取数据。

发送流程

1. Kafka Producer生产者
   • main线程Producer的生产方法
   • interceptors拦截器
   • Serializer序列化器
   • Partitioner分区器，按照批次随机分区。每个批次默认是16K，默认的等待时间是0ms。
2. RecordAccumulator里面创建双端队列，队列个数等于分区个数
3. sender进程复制双端队列中的数据发送到Kafka集群，如果成功接收则返回ack应答，否则重新发送，最多重试21亿次。

异步发送和同步发送

sender进程发送请求默认是异步执行，即向kafka集群发送时不管是否收到回复，一直发送，由selector来接收ack和关闭对应的请求进程。在Producer的send方法中有一个Callback对象参数，该对象需要实现一个onCompletetion方法。可以在里面查看到对应方法参数中的元数据的值，里面有主题名称、分区号和偏移量。异步执行时可以发现同一批次分区号是一样的，同步时由于需要等待ack，同一批次的分区号是不同的。

生产者分区

1. 分区策略
   • 默认分区器
     • 如果指定了分区号，到指定分区
     • 如果是key-value，使用key进行hash分区
     • 粘性分区，如果上一个有分区，跟上一个分区一样，直到数据达到分区容量上限或者等待时间上限进行随机更换分区。
   • UniformStickyPartition分区器：如果key值是固定的，可以使用该分区器
   • 轮询分区器：需要维护一个列表，效率更低。

生产者如何提高吞吐量

1. 修改从双端队列拿取数据的等待时间，从0ms修改为5-100ms
2. compression.type: 压缩snappy
3. 修改批次大小：默认为16K，修改为32KB.

数据可靠性

ack应答级别：

• 0：生产者发送过来的数据，不需要等数据落盘应答，也就是最多一次。
• 1：生产者发送过来的数据，Leader收到后应答
• -1（all）: 生产者发送过来的数据，Leader和isr队列里面的所有节点收齐数据并落盘后应答。Leader维护了一个动态的in-sync replica set ISR, 如果有某个节点30s内没有回复，则认为该节点死亡。数据有可能重复。

数据的去重

幂等性

指producer不论向Broker发送多少次重复数据，Broker都只会持久化一条，保证精准一次。重复数据的判断标准，根据sqlNumber来判断，重发的数据其seqNumber是一样的。
缺点：如果生产者中途宕机，然后重新建立会话时，不能保证不同会话时PID是一样，这时候重新发送重复数据时无法保证幂等性。
解决方案：在Kafka集群中将生产者的信息保存到集群中的某个主题中，如果生产者宕机后重启需要先去读取Kafka集群的状态信息，以保证多会话情况下的幂等性。

数据的有序性

1. 因为不能保证多分区之间是有序的，只能指定单分区。
2. 开启幂等性，且元数据request个数小于5个，如果发送失败导致顺序异常，Kafka会按照SeqNumber重新排序。

Flume和Kafka

为何Kafka全方面碾压flume，还会有人使用flume？
这是由于flume使用上只需配置一个文件即可使用，无需编写代码。并且可以使用flume将数据灌入到kafka中，既简单又利用到了kafka的性能，flume和kafka结合使用才是日常开发的常用操作。

Kafka Broker总体工作流程

1. broker在zk中注册
2. controller谁先注册，谁说了算
3. 由选举出来的Controller监听brokers节点变化
4. Controller决定Leader选举：在isr存活为前提，轮询选举
5. Controller将节点信息上传到zk
6. 其他controller从zk同步相关信息

Broker节点的服役和退役

1. 启动新主机的zookeeper和kafka
2. 创建一个要均衡的主题vim topics-to-move.json

{
    "topics": [
        {"topic": "first"}
    ],
    "version": 1
}

3. 生成一个负载均衡的计划bin/kafka-reassign-partitions.sh --bootstrap-server hadoop102:9092 --topics-to-move-json-file topics-to-move.json --broker-list "0,1,2,3" --generate
4. 保存生成的计划到文件中
5. 执行负载均衡计划
6. 在kafka/datas目录下查看是否正确。

kafka副本

为了提高数据可靠性，副本数量一般设置为两个。

Follower故障处理

LEO（log End Offset）:每个副本的最后一个offset，LEO其实就是最新的offset + 1
HW (High Watermark): 所有副本中最小的LEO

高效读取

1. 多分区

2. 稀疏索引

3. 顺序写磁盘

4. 页缓存和零拷贝

页缓存：其实就是把尽可能多的空闲内存当做磁盘缓存来使用。
零拷贝：数据加工处理操作交给生产者和消费者