Kafka如果保证数据的可靠性

原文地址：https://program-park.github.io/2021/09/17/kafka_6/

数据的可靠性保证

为保证 producer 发送的数据，能可靠的发送到指定的 topic，topic 的每个 partition 收到producer 发送的数据后，都需要向 producer 发送 ack（acknowledgement 确认收到），如果 producer 收到 ack，就会进行下一轮的发送，否则重新发送数据。

副本数据同步策略

方案	优点	缺点
半数以上完成同步，就发送 ack	延迟低	选举新的 leader 时，容忍 n 台节点的故障，需要 2n+1 个副 本
全部完成同步，才发送 ack	选举新的 leader 时，容忍 n 台节点的故障，需要 n+1 个副 本	延迟高

Kafka 选择了第二种方案，原因如下：

1. 同样为了容忍 n 台节点的故障，第一种方案需要 2n+1 个副本，而第二种方案只需要 n+1 个副本，而Kafka 的每个分区都有大量的数据，第一种方案会造成大量数据的冗余。
2. 虽然第二种方案的网络延迟会比较高，但网络延迟对 Kafka 的影响较小。

AR、ISR、OSR

采用第二种方案之后，设想以下情景：leader 收到数据，所有 follower 都开始同步数据， 但有一个 follower，因为某种故障，迟迟不能与 leader 进行同步，那 leader 就要一直等下去， 直到它完成同步，才能发送 ack。这个问题怎么解决呢？

Kafka中，把 follower 可以按照不同状态分为三类 —— AR、ISR、OSR。

• 分区的所有副本称为 「AR」（Assigned Replicas —— 已分配的副本）
• 所有与leader副本保持一定程度同步的副本（包括 leader 副本在内）组成 「ISR」（In-Sync Replicas——在同步中的副本）
• 由于 follower 副本同步滞后过多的副本（不包括 leader 副本）组成 「OSR」（Out-of-Sync Replias）
• AR = ISR + OSR
• 正常情况下，所有的 follower 副本都应该与 leader 副本保持同步，即 AR = ISR，OSR 集合为空。

Leader 维护了一个动态的 in-sync replica set (ISR)，意为和 leader 保持同步的 follower 集合。当 ISR 中的 follower 完成数据的同步之后，leader 就会给 follower 发送 ack。如果 follower 长时间 未 向 leader 同 步 数 据 ， 则 该 follower 将 被 踢 出 ISR ， 该 时 间 阈 值 由replica.lag.time.max.ms 参数设定。Leader 发生故障之后，就会从 ISR 中选举新的 leader。

ACK应答机制

对于某些不太重要的数据，对数据的可靠性要求不是很高，能够容忍数据的少量丢失， 所以没必要等 ISR 中的 follower 全部接收成功。
所以 Kafka 为用户提供了三种可靠性级别，用户根据对可靠性和延迟的要求进行权衡， 选择以下的配置：

• 0：producer 不等待 broker 的 ack，这一操作提供了一个最低的延迟，broker 一接收到还没有写入磁盘就已经返回，当 broker 故障时有可能丢失数据；
  

• 1：producer 等待broker 的 ack，partition 的 leader 落盘成功后返回 ack
  

  如果在 follower 同步成功之前leader 故障，那么将会丢失数据；
  

• -1（all）：producer 等待 broker 的 ack，partition 的 leader 和 follower 全部落盘成功后才返回 ack
  

  但是如果在 follower 同步完成后，broker 发送 ack 之前，leader 发生故障，那么会造成数据重复。
  

分区的leader和follower

在 Kafka 中，每个 topic 都可以配置多个分区以及多个副本。每个分区都有一个 leader 以及 0 个或者多个follower，在创建 topic 时，Kafka 会将每个分区的 leader 均匀地分配在每个 broker 上。我们正常使用 kafka 是感觉不到 leader、follower 的存在的。但其实，所有的读写操作都是由 leader 处理，而所有的 follower 都复制 leader 的日志数据文件，如果 leader 出现故障时，follower 就会被选举为 leader。所以，可以这样说：

• Kafka 中的 leader 负责处理读写操作，而 follower 只负责副本数据的同步
• 如果 leader 出现故障，其他 follower 会被重新选举为 leader
• follower 像一个 consumer 一样，拉取 leader 对应分区的数据，并保存到日志数据文件中

故障处理

LEO：指的是每个副本最大的 offset；
HW：指的是消费者能见到的最大的 offset，ISR 队列中最小的 LEO

• follower 故障
  • follower 发生故障后会被临时踢出 ISR，待该 follower 恢复后，follower 会读取本地磁盘记录的上次的 HW，并将 log 文件高于 HW 的部分截取掉，从 HW 开始向 leader 进行同步。等该 follower 的 LEO 大于等于该 Partition 的 HW，即 follower 追上 leader 之后，就可以重新加入 ISR 了。
• leader 故障
  • leader 发生故障之后，会从 ISR 中选出一个新的 leader，之后，为保证多个副本之间的数据一致性，其余的 follower 会先将各自的 log 文件高于 HW 的部分截掉，然后从新的 leader同步数据。
    注：这只能保证副本之间的数据一致性，并不能保证数据不丢失或者不重复。

Controller介绍

• Kafka 启动时，会在所有的 broker 中选择一个 controller
• 前面 leader 和 follower 是针对 partition，而 controller 是针对 broker 的
• 创建 topic、或者添加分区、修改副本数量之类的管理任务都是由 controller 完成的
• Kafka 分区 leader 的选举，也是由 controller 决定的

Controller的选举

• 在 Kafka 集群启动的时候，每个 broker 都会尝试去 ZooKeeper 上注册成为 Controller（ZK临时节点）
• 但只有一个竞争成功，其他的 broker 会注册该节点的监视器
• 一但该临时节点状态发生变化，就可以进行相应的处理
• Controller 也是高可用的，一旦某个 broker 崩溃，其他的 broker 会重新注册为 Controller

Controller选举partition leader

• 所有 Partition 的 leader 选举都由 controller 决定
• controller 会将 leader 的改变直接通过 RPC 的方式通知需为此作出响应的 Broker
• controller 读取到当前分区的 ISR，只要有一个 Replica 还幸存，就选择其中一个作为 leader，否则，则任意选择一个 Replica 作为 leader
• 如果该 partition 的所有 Replica 都已经宕机，则新的 leader 为 -1

为什么不能通过ZK的方式来选举partition的leader？

• Kafka 集群如果业务很多的情况下，会有很多的 partition
• 假设某个 broker 宕机，就会出现很多的 partiton 都需要重新选举 leader
• 如果使用 zookeeper 选举 leader，会给 zookeeper 带来巨大的压力。所以，kafka 中 leader 的选举不能使用 ZK 来实现