From aeb77a7b92dab4c2126593456d6ebcf1359b3aa8 Mon Sep 17 00:00:00 2001 From: =?UTF-8?q?=E7=BD=97=E7=A5=A5?= <1366971433@qq.com> Date: Wed, 29 May 2019 15:43:07 +0800 Subject: [PATCH] modify --- README.md | 9 +- code/Kafka/kafka-basis/pom.xml | 5 + ...ka 副本机制以及选举原理剖析.md | 0 notes/Kafka消费者详解.md | 2 +- notes/Kafka深入理解分区副本机制.md | 161 +++++++ notes/Kafka生产者详解.md | 15 +- notes/Kafka的数据可靠性.md | 0 ...ka核心概念介绍.md => Kafka简介.md} | 6 +- ...于Zookeeper搭建Kafka高可用集群.md | 449 +++++++++--------- pictures/kafka-BIO.png | Bin 0 -> 254580 bytes pictures/kafka-compress-message.png | Bin 0 -> 82561 bytes pictures/kafka-元数据请求.png | Bin 0 -> 56361 bytes pictures/kafka-分区副本.png | Bin 0 -> 14637 bytes pictures/kafka-数据可见性.png | Bin 0 -> 61870 bytes pictures/kafka-零拷贝.png | Bin 0 -> 206352 bytes 15 files changed, 410 insertions(+), 237 deletions(-) delete mode 100644 notes/Kafka 副本机制以及选举原理剖析.md create mode 100644 notes/Kafka深入理解分区副本机制.md delete mode 100644 notes/Kafka的数据可靠性.md rename notes/{Kafka核心概念介绍.md => Kafka简介.md} (96%) create mode 100644 pictures/kafka-BIO.png create mode 100644 pictures/kafka-compress-message.png create mode 100644 pictures/kafka-元数据请求.png create mode 100644 pictures/kafka-分区副本.png create mode 100644 pictures/kafka-数据可见性.png create mode 100644 pictures/kafka-零拷贝.png diff --git a/README.md b/README.md index 1314b68..395d2ba 100644 --- a/README.md +++ b/README.md @@ -124,12 +124,11 @@ TODO ## 七、Kafka -1. [Kafka 核心概念介绍](https://github.com/heibaiying/BigData-Notes/blob/master/notes/Kafka核心概念介绍.md) +1. [Kafka 简介](https://github.com/heibaiying/BigData-Notes/blob/master/notes/Kafka简介.md) 2. [基于Zookeeper搭建Kafka高可用集群](https://github.com/heibaiying/BigData-Notes/blob/master/notes/installation/基于Zookeeper搭建Kafka高可用集群.md) -3. [Kafka生产者详解](https://github.com/heibaiying/BigData-Notes/blob/master/notes/Kafka生产者详解.md) -4. [Kafka消费者详解](https://github.com/heibaiying/BigData-Notes/blob/master/notes/Kafka消费者详解.md) -5. Kafka 副本机制以及选举原理剖析 -6. Kafka的数据可靠性 +3. [Kafka 生产者详解](https://github.com/heibaiying/BigData-Notes/blob/master/notes/Kafka生产者详解.md) +4. [Kafka 消费者详解](https://github.com/heibaiying/BigData-Notes/blob/master/notes/Kafka消费者详解.md) +5. [深入理解Kafka副本机制](https://github.com/heibaiying/BigData-Notes/blob/master/notes/Kafka深入理解分区副本机制.md) ## 八、Zookeeper diff --git a/code/Kafka/kafka-basis/pom.xml b/code/Kafka/kafka-basis/pom.xml index d46efa3..48eafdb 100644 --- a/code/Kafka/kafka-basis/pom.xml +++ b/code/Kafka/kafka-basis/pom.xml @@ -27,6 +27,11 @@ kafka-clients 2.2.0 + + org.apache.kafka + kafka_2.12 + 2.2.0 + org.slf4j slf4j-nop diff --git a/notes/Kafka 副本机制以及选举原理剖析.md b/notes/Kafka 副本机制以及选举原理剖析.md deleted file mode 100644 index e69de29..0000000 diff --git a/notes/Kafka消费者详解.md b/notes/Kafka消费者详解.md index a236cdb..4faea8c 100644 --- a/notes/Kafka消费者详解.md +++ b/notes/Kafka消费者详解.md @@ -79,7 +79,7 @@ try { } ``` -> 本片文章的所有示例代码可以从Github上进行下载：[kafka-basis](https://github.com/heibaiying/BigData-Notes/tree/master/code/Kafka/kafka-basis) +> 本篇文章的所有示例代码可以从Github上进行下载：[kafka-basis](https://github.com/heibaiying/BigData-Notes/tree/master/code/Kafka/kafka-basis) ## 三、 自动提交偏移量 diff --git a/notes/Kafka深入理解分区副本机制.md b/notes/Kafka深入理解分区副本机制.md new file mode 100644 index 0000000..13314e0 --- /dev/null +++ b/notes/Kafka深入理解分区副本机制.md @@ -0,0 +1,161 @@ +# 深入理解Kafka副本机制 + + + + +## 一、Kafka集群 + +Kafka使用Zookeeper来维护集群成员(brokers)的信息。每个broker都有一个唯一标识`broker.id`，用于标识自己在集群中的身份，可以在配置文件`server.properties`中进行配置，或者由程序自动生成。下面是Kafka brokers集群自动创建的过程： + ++ 每一个broker启动的时候，它会在Zookeeper的`/brokers/ids`路径下创建一个`临时节点`，并将自己的`broker.id`写入，从而将自身注册到集群； ++ 当有多个broker时，所有broker会竞争性地在Zookeeper上创建`/controller`节点，由于Zookeeper上的节点不会重复，所以必然只会有一个broker创建成功，此时该broker称为controller broker。它除了具备其他broker的功能外，**还负责管理主题分区及其副本的状态**。 ++ 当broker出现宕机或者主动退出从而导致其持有的Zookeeper会话超时时，会触发注册在Zookeeper上的watcher事件，此时Kafka会进行相应的容错处理；如果宕机的是controller broker时，还会触发新的controller选举。 + +## 二、副本机制 + +为了保证高可用，kafka的分区是多副本的，如果一个副本丢失了，那么还可以从其他副本中获取分区数据。但是这要求对应副本的数据必须是完整的，这是Kafka数据一致性的基础，所以才需要使用`controller broker`来进行专门的管理。下面将详解介绍Kafka的副本机制。 + +### 2.1 分区和副本 + +Kafka 的主题被分为多个分区 ，分区是Kafka最基本的存储单位。每个分区可以有多个副本(可以在创建主题时使用` replication-factor`参数进行指定)。其中一个副本是首领副本(Leader replica)，所有的事件都直接发送给首领副本；其他副本是跟随者副本(Follower replica)，需要通过复制来保持与首领副本数据一致，当首领副本不可用时，其中一个跟随者副本将成为新首领。 + +
+ +### 2.2 ISR机制 + +每个分区都有一个ISR(in-sync Replica)列表，用于维护所有同步的、可用的副本。首领副本必然是同步副本，而对于跟随者副本来说，它需要满足以下条件才能被认为是同步副本： + ++ 与Zookeeper之间有一个活跃的会话，即必须定时向Zookeeper发送心跳； ++ 在规定的时间内从首领副本那里低延迟地获取过消息。 + +如果副本不满足上面条件的话，就会被从ISR列表中移除，直到满足条件才会被再次加入。 + +这里给出一个主题创建的示例：使用`--replication-factor`指定副本系数为3，创建成功后使用`--describe `命令可以看到分区0的有0,1,2三个副本，且三个副本都在ISR列表中，其中1为首领副本。 + +
+ +### 2.3 不完全的首领选举 + +对于副本机制，在broker级别有一个可选的配置参数`unclean.leader.election.enable`，默认值为fasle，代表禁止不完全的首领选举。这是针对当首领副本挂掉且ISR中没有其他可用副本时，是否允许某个不完全同步的副本成为首领副本，这可以会导致数据丢失或者数据不一致，在某些对数据一致性要求较高的场景(如金融领域)，这可能无法容忍的，所以其默认值为false，如果你能够允许部分数据不一致的话，可以配置为true。 + +### 2.4 最少同步副本 + +ISR机制的另外一个相关参数是`min.insync.replicas` , 可以在broker或者主题级别进行配置，代表ISR列表中至少要有几个可用副本。这里假设设置为2，那么当可用副本数量小于该值时，就认为整个分区处于不可用状态。此时客户端再向分区写入数据时候就会抛出异常`org.apache.kafka.common.errors.NotEnoughReplicasExceptoin: Messages are rejected since there are fewer in-sync replicas than required。` + +### 2.5 发送确认 + +Kafka在生产者上有一个可选的参数ack，该参数指定了必须要有多少个分区副本收到消息，生产者才会认为消息写入是成功的： + +- acks=0 ：消息发送出去就认为已经成功了，不会等待任何来自服务器的响应； +- acks=1 ： 只要集群的首领节点收到消息，生产者就会收到一个来自服务器成功响应； +- acks=all ：只有当所有参与复制的节点全部收到消息时，生产者才会收到一个来自服务器的成功响应。 + +## 三、数据请求 + +### 3.1 元数据请求机制 + +在所有副本中，只有领导副本才能进行消息的读写处理。由于不同分区的领导副本可能在不同的broker上，如果某个broker收到了一个分区请求，但是该分区的领导副本并不在该broker上，那么它就会向客户端返回一个`Not a Leader for Partition`的错误响应。 为了解决这个问题，Kafka提供了元数据请求机制。 + +首先集群中的每个broker都会缓存所有主题的分区副本信息，客户端会定期发送发送元数据请求，然后将获取的元数据进行缓存。定时刷新元数据的时间间隔可以通过为客户端配置`metadata.max.age.ms`来进行指定。 + +如果在定时请求的时间间隔内发生的分区副本的选举，则意味着原来缓存的信息可能已经过时了，此时有可能会收到`Not a Leader for Partition`的错误响应，这种情况下客户端会再次求发出元数据请求，然后刷新本地缓存，之后再去正确的broker上执行对应的操作，过程如下图： + +
+ +### 3.2 数据可见性 + +需要注意的是，并不是所有保存在分区首领上的数据都可以被客户端读取到，为了保证数据一致性，只有被所有同步副本(ISR中所有副本)都保存了的数据才能被客户端读取到。 + +
+ +### 3.3 零拷贝 + +Kafka所有数据的写入和读取都是通过零拷贝来实现的。传统拷贝与零拷贝的区别如下： + +#### 传统模式下的四次拷贝与四次上下文切换 + +以将磁盘文件通过网络发送为例。传统模式下，一般使用如下伪代码所示的方法先将文件数据读入内存，然后通过Socket将内存中的数据发送出去。 + +```java +buffer = File.read +Socket.send(buffer) +``` + +这一过程实际上发生了四次数据拷贝。首先通过系统调用将文件数据读入到内核态Buffer（DMA拷贝），然后应用程序将内存态Buffer数据读入到用户态Buffer（CPU拷贝），接着用户程序通过Socket发送数据时将用户态Buffer数据拷贝到内核态Buffer（CPU拷贝），最后通过DMA拷贝将数据拷贝到NIC Buffer。同时，还伴随着四次上下文切换，如下图所示： + +
+ +#### sendfile和transferTo实现零拷贝 + +Linux 2.4+内核通过`sendfile`系统调用，提供了零拷贝。数据通过DMA拷贝到内核态Buffer后，直接通过DMA拷贝到NIC Buffer，无需CPU拷贝。这也是零拷贝这一说法的来源。除了减少数据拷贝外，因为整个读文件到网络发送由一个`sendfile`调用完成，整个过程只有两次上下文切换，因此大大提高了性能。零拷贝过程如下图所示： + +
+ +从具体实现来看，Kafka的数据传输通过TransportLayer来完成，其子类`PlaintextTransportLayer`的`transferFrom`方法通过调用Java NIO中FileChannel的`transferTo`方法实现零拷贝，如下所示： + +```java +@Override +public long transferFrom(FileChannel fileChannel, long position, long count) throws IOException { + return fileChannel.transferTo(position, count, socketChannel); +} +``` + +**注：** `transferTo`和`transferFrom`并不保证一定能使用零拷贝。实际上是否能使用零拷贝与操作系统相关，如果操作系统提供`sendfile`这样的零拷贝系统调用，则这两个方法会通过这样的系统调用充分利用零拷贝的优势，否则并不能通过这两个方法本身实现零拷贝。 + +## 四、物理存储 + +### 4.1 分区分配 + +在创建主题时，Kafka会首先决定如何在broker间分配分区副本，它遵循以下原则： + ++ 在所有broker上均匀地分配分区副本； ++ 确保分区的每个副本分布在不同的broker上； ++ 如果使用了`broker.rack`参数为broker指定了机架信息，那么会尽可能的把每个分区的副本分配到不同机架的broker上，以避免一个机架不可用而导致整个分区不可用。 + +基于以上原因，如果你在一个单节点上创建一个3副本的主题，通常会抛出下面的异常： + +```properties +Error while executing topic command : org.apache.kafka.common.errors.InvalidReplicationFactor Exception: Replication factor: 3 larger than available brokers: 1. +``` + +### 4.2 分区数据保留规则 + +保留数据是 Kafka 的一个基本特性， 但是Kafka不会一直保留数据，也不会等到所有消费者都读取了消息之后才删除消息。相反， Kafka为每个主题配置了数据保留期限，规定数据被删除之前可以保留多长时间，或者清理数据之前可以保留的数据量大小。分别对应以下四个参数： + +- `log.retention.bytes` ：删除数据前允许的最大数据量；默认值-1，代表没有限制； +- `log.retention.ms`：保存数据文件的毫秒数，如果未设置，则使用`log.retention.minutes`中的值，默认为null； +- `log.retention.minutes`：保留数据文件的分钟数，如果未设置，则使用`log.retention.hours`中的值，默认为null； +- `log.retention.hours`：保留数据文件的小时数，默认值为168，也就是一周。 + +因为在一个大文件里查找和删除消息是很费时的，也很容易出错，所以Kafka把分区分成若干个片段，当前正在写入数据的片段叫作活跃片段。活动片段永远不会被删除。如果按照默认值保留数据一周，而且每天使用一个新片段，那么你就会看到，在每天使用一个新片段的同时会删除一个最老的片段，所以大部分时间该分区会有7个片段存在。 + +### 4.3 文件格式 + +通常保存在磁盘上的数据格式与生产者发送过来消息格式是一样的。 如果生产者发送的是压缩过的消息，那么同一个批次的消息会被压缩在一起，被当作“包装消息”进行发送(格式如下所示) ，然后保存到磁盘上。之后消费者读取后再自己解压这个包装消息，获取每条消息的具体信息。 + +
+ +### + +## 参考资料 + +1. Neha Narkhede, Gwen Shapira ,Todd Palino(著) , 薛命灯(译) . Kafka权威指南 . 人民邮电出版社 . 2017-12-26 + +2. [Kafka高性能架构之道](http://www.jasongj.com/kafka/high_throughput/) \ No newline at end of file diff --git a/notes/Kafka生产者详解.md b/notes/Kafka生产者详解.md index 710056a..679cd51 100644 --- a/notes/Kafka生产者详解.md +++ b/notes/Kafka生产者详解.md @@ -73,7 +73,7 @@ public class SimpleProducer { } ``` -> 本片文章的所有示例代码可以从Github上进行下载：[kafka-basis](https://github.com/heibaiying/BigData-Notes/tree/master/code/Kafka/kafka-basis) +> 本篇文章的所有示例代码可以从Github上进行下载：[kafka-basis](https://github.com/heibaiying/BigData-Notes/tree/master/code/Kafka/kafka-basis) ### 2.3 测试 @@ -124,6 +124,17 @@ bin/kafka-topics.sh --create \ +### 2.4 可能出现的问题 + +在这里可能出现的一个问题是：即使你在程序中配置的服务器地址是完全正确的，但是生产者程序在启动后，却一直处于等待状态，然后抛出连接超时的异常。这通常出现在你使用默认配置启动Kafka的情况下，这时候只需要对`server.properties`中`listeners`配置进行如下修改即可： + +```shell +# hadoop001 为我启动kafka服务的主机名，你可以换成自己的主机名或者ip地址 +listeners=PLAINTEXT://hadoop001:9092 +``` + + + ## 二、发送消息 上面的示例程序调用了`send`方法发送消息后没有做任何操作，在这种情况下，我们是没有办法知道消息发送的结果。想要知道消息发送的结果，可以使用同步发送或者异步发送来实现。 @@ -296,7 +307,7 @@ score:5, partition=0, acks 参数指定了必须要有多少个分区副本收到消息，生产者才会认为消息写入是成功的： -- acks=0 ： 生产者在成功写入消息之前不会等待任何来自服务器的响应； +- acks=0 ： 消息发送出去就认为已经成功了，不会等待任何来自服务器的响应； - acks=1 ： 只要集群的首领节点收到消息，生产者就会收到一个来自服务器成功响应； - acks=all ：只有当所有参与复制的节点全部收到消息时，生产者才会收到一个来自服务器的成功响应。 diff --git a/notes/Kafka的数据可靠性.md b/notes/Kafka的数据可靠性.md deleted file mode 100644 index e69de29..0000000 diff --git a/notes/Kafka核心概念介绍.md b/notes/Kafka简介.md similarity index 96% rename from notes/Kafka核心概念介绍.md rename to notes/Kafka简介.md index ae7e06d..a11c458 100644 --- a/notes/Kafka核心概念介绍.md +++ b/notes/Kafka简介.md @@ -1,4 +1,4 @@ -# Kafka核心概念介绍 +# Kafka简介 -## 一、Kafka简介 +## 一、简介 ApacheKafka是一个分布式的流处理平台。它具有以下特点： @@ -20,7 +20,7 @@ ApacheKafka是一个分布式的流处理平台。它具有以下特点： + 高吞吐率，单broker可以轻松处理数千个分区以及每秒百万级的消息量； + 能保证消息的可靠性投递。 -## 二、Kafka核心概念 +## 二、基本概念 ### 2.1 Messages And Batches diff --git a/notes/installation/基于Zookeeper搭建Kafka高可用集群.md b/notes/installation/基于Zookeeper搭建Kafka高可用集群.md index 68d9b58..2930225 100644 --- a/notes/installation/基于Zookeeper搭建Kafka高可用集群.md +++ b/notes/installation/基于Zookeeper搭建Kafka高可用集群.md @@ -1,5 +1,6 @@ -# 基于Zookeeper搭建Kafka高可用集群 -