【云原生进阶之PaaS中间件】第三章Kafka-4.3.3-broker的leader和follower工作机制

1 leader和follower

1.1 kafka的副本

        kafka副本的作用就是提高数据的可靠性，系统默认副本数量是1，生产环境一般配置数量是2个，保证数据可靠性；否则副本太多会增加磁盘的存储空间，增加网络上的数据传输，降低效率。

        kafka的副本分为leader和follower，其中leader数据读写，follower只负责数据同步。关于副本有下面三个概念：

• ISR：表示和leader保持同步的follower集合
• OSR：表示follower与leader同步延时过多的副本
• AR：分区中所有副本统称为AR（Assigned Repllicas），AR = ISR + OSR，一个分区的AR集合在分配的时候就被指定，并且只要不发生重分配的情况，集合内部副本的顺序是保持不变的，而分区的ISR集合中副本的顺序可能会改变。

        这里ISR在上一篇文章中也介绍了，如果follower长时间没有向leader发送通信请求或者同步数据，这个follower将会被提出ISR队列，这个时间阈值是由replica.lag.time.max.ms参数设置的，默认是30s。

        如果leader发送故障，就会从ISR中选举出新的leader。

1.2 leader选举流程

        分区leader的选举由kafka的broker leader（后面文章会以controller代替broker leader的描述）负责具体实施。

        当创建分区（创建主题或增加分区都有创建分区的动作）或分区上线（比如分区中原先的leader副本下线，此时分区需要选举一个新的leader上线来对外提供服务）的时候都需要leader选举。选举的时候将会从AR集合中副本的顺序查找第一个存活的副本，并且要保证这个副本在ISR队列中。

        另外当分区发生重分配的情况（下面会讲）也是需要执行leader选举，此时从重分配的AR列表中找到第一个存活的副本，且这个副本在目前的ISR队列中。

        再有就是当某一个borker节点关闭的时候，位于这个节点上的leader副本都会下线，所以与此对应的分区需要执行leader的选举。此时将会从AR列表中找到第一个存活的副本，且这个副本在目前的ISR列表中，另外还要确保这个副本不处于正在被关闭的节点上。

1.3 Unclean leader选举

        kafka还提供了一个参数配置：unclean.leader.election.enable，默认是true，参数规定是否允许非ISR的副本成为leader，如果设置为true，当ISR队列是空，ISR为空说明leader和follower都挂掉了，此时将选择那些不在ISR队列中的副本选择为新的leader，这写副本的消息可能远远落后于leader，所以可能会造成丢失数据的风险。生产环境中建议关闭这个参数，设置为false。

1.4 leader和follower故障流程

1.4.1 LEO和HW

        在生产环境中可能会出现follower和leader出现故障，那么Kafka是如何处理这些故障的呢？下面简单介绍一下流程，在讲流程之前，先了解一下LEO和HW这两个概念。

• LEO（log end offset）：每个副本的最后一个offset，LEO就是最新的offset+1
• HW（high watermark）：所有副本中最小的LEO；

        LEO和HW的概念产生其实是因为，数据先写入leader，然后follower拉取数据进行同步，但是同步速度不一致，会出现先后问题，那个这是后副本的offset是不一样的，此时kafka会使用所有副本中最小的offset+1，也是HW。

1.4.2 follower故障流程

        此时假如Broker1上的follower发生故障会出现什么情况呢？首先Broker1上的follower会被踢出ISR队列中，但是leader和其他的follower都还是会继续接受数据，并不会受到影响，对应的LEO和HW都会往后移动；如果此时发生故障的Broker1上的follower恢复后，此时Broker1上的follower会读取本地磁盘记录的上次HW位置，并将log文件中高于HW的部分截取掉，从HW开始向Leader进行同步；直到Broker1上的follower的LEO大于等于该分区的HW，此时说明这个follower追上了leader，就会将其重新加入ISR队列中。

1.4.3 leader故障流程

        上面了解了follower故障的情况，那么如果leader发生故障呢？接着上面的图片来看，首先如果Broker0上的leader发生故障之后，也是一样会先从ISR队列中被踢出，然后从ISR中选出一个新的Leader来；此时为了保证多个副本之间的数据一致性，其他的follower会先将各自的log文件中高于HW的部分截取掉，然后从新的leader同步数据（由此可知这只能保证副本之间数据一致性，并不能保证数据不丢失或者不重复）。

1.5 分区副本的调整

        在kafka集群中分区的副本分布是做到尽量的均匀分配到各个节点中，以此来保证每台机器的读写吞吐量是均匀的，但是出现某些broker宕机，会导致leader都集中在几台broker中，造成读写压力过大，并且就算恢复了宕机的broker，原来的leader也会变成follower并无法分担压力，造成集群负载不均衡。

1.5.1 Leader Partition自动平衡

        为了解决上述问题kafka出现了自动平衡的机制。kafka提供了下面几个参数进行控制：

• auto.leader.rebalance.enable：自动leader parition平衡，默认是true；
• leader.imbalance.per.broker.percentage：每个broker允许的不平衡的leader的比率，默认是10%，如果超过这个值，控制器将会触发leader的平衡；
• leader.imbalance.check.interval.seconds：检查leader负载是否平衡的时间间隔，默认是300秒；

        但是在生产环境中是不开启这个自动平衡，因为触发leader partition的自动平衡会损耗性能，或者可以将触发自动平衡的参数leader.imbalance.per.broker.percentage的值调大点。

1.5.2 手动调整副本分配

        会导致服务器的性能不一样，服务器磁盘不足或者其他的原因需要将性能好、磁盘空间大的服务器节点多存放副本，那么在生产环境中如何去手动调整分区副本的分布比例呢？

        下面先创建一个测试的主题：

        下面演示一下如何更新分区间的副本配比，首先创建一个assign-replicas.json的文件，内容如下：

{
    "version": 1,
    "partitions": [
        {"topic": "test-assign", "partition": 0, "replicas": [1, 2]},
        {"topic": "test-assign", "partition": 1, "replicas": [1, 2]},
        {"topic": "test-assign", "partition": 2, "replicas": [1, 2]}
    ]
}

        接着执行命令：

bin/kafka-reassign-partitions.sh --zookeeper localhost:2181 --reassignment-json-file assign-replicas.json --execute
bin/kafka-reassign-partitions.sh --zookeeper localhost:2181 --reassignment-json-file assign-replicas.json --verify

        最后看一个这个主题的副本分布情况：

bin/kafka-topics.sh --describe --zookeeper localhost:2181 --topic test-assign

1.5.3 增加副本因子

        生产环境中由于某个主题的重要等级需要提升，考虑增加副本。下面演示下如何增加副本。

        创建一个Json文件：add-relication-factor.json

{
    "version": 1,
    "partitions": [
        {"topic": "test-assign", "partition": 0, "replicas": [3, 2, 1]},
        {"topic": "test-assign", "partition": 1, "replicas": [1, 3, 2]},
        {"topic": "test-assign", "partition": 2, "replicas": [2, 1, 2]}
    ]
}

        执行副本存储计划：

bin/kafka-reassign-partitions.sh --zookeeper localhost:2181 --reassignment-json-file add-relicati
on-factor.json --execute

参考链接

Kafka基本原理详解-CSDN博客

这是最详细的Kafka应用教程了 - 掘金

Kafka : Kafka入门教程和JAVA客户端使用-CSDN博客

简易教程 | Kafka从搭建到使用 - 知乎

kafka简介-CSDN博客

Kafka 架构及基本原理简析

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