Kafka使用分享

一、 日志系统背景

业务每天会产生大量日志，日志规模庞大，因为业务日志量大，滚动频繁，不可能永久保存，只能定时收集日志，将业务日志归集到一个中心，再做计算。对于实时收集的日志需要一个缓存队列来存储。

二、 为什么选择kafka

Kafka设计的初衷就是处理日志的，可以看做是一个日志系统，针对性很强。kafka有以下特性：快速持久化，可以在O(1)的系统开销下进行消息持久化；高吞吐，在一台普通的服务器上既可以达到10W/s的吞吐速率；完全的分布式系统，Broker、Producer、Consumer都原生自动支持分布式，自动实现负载均衡；支持spark数据并行加载，对于像spark的一样的日志数据和实时流式分析系统，这是一个可行的解决方案。Kafka通过spark的并行加载机制来统一了在线和离线的消息处理。Apache Kafka是一个非常轻量级的消息系统，除了性能非常好之外，还是一个工作良好的分布式系统。

Kafka一些基本概念

• Broker：Kafka集群包含一个或多个服务器，这种服务器被称为broker
• Topic:每条发布到Kafka集群的消息都有一个类别，这个类别被称为topic。（物理上不同topic的消息分开存储，逻辑上一个topic的消息虽然保存于一个或多个broker上但用户只需指定消息的topic即可生产或消费数据而不必关心数据存于何处）
• Partition:parition是物理上的概念，每个topic包含一个或多个partition，创建topic时可指定parition数量。每个partition对应于一个文件夹，该文件夹下存储该partition的数据和索引文件
• Producer:负责发布消息到Kafka broker
• Consumer:消费消息。每个consumer属于一个特定的consumer group（可为每个consumer指定group name，若不指定group name则属于默认的group）。使用consumer high level API时，同一topic的一条消息只能被同一个consumer group内的一个consumer消费，但多个consumer group可同时消费这一消息。

Kafka架构

Kafka的设计

1. 吞吐量：高吞吐是kafka需要实现的核心目标之一，为此kafka做了以下一些设计 a.数据磁盘持久化：消息不在内存中cache，直接写入到磁盘，充分利用磁盘的顺序读写性能。 b. zero-copy：减少IO操作步骤 c. 数据批量发送 d. 数据压缩 e. Topic划分为多个partition，提高parallelism
2. 负载均衡 a. producer根据用户指定的算法，将消息发送到指定的partition b. 存在多个partiiton，每个partition有自己的replica，每个replica分布在不同的Broker节点上 c. 多个partition需要选取出lead partition，lead partition负责读写，并由zookeeper负责fail over d. 通过zookeeper管理broker与consumer的动态加入与离开
3. 拉取系统:由于kafka broker会持久化数据，broker没有内存压力，因此，consumer非常适合采取pull的方式消费数据，具有以下几点好处： a. 简化kafka设计 b. consumer根据消费能力自主控制消息拉取速度 c. consumer根据自身情况自主选择消费模式，例如批量，重复消费，从尾端开始消费等
4. 可扩展性：当需要增加broker结点时，新增的broker会向zookeeper注册，而producer及consumer会根据注册在zookeeper上的watcher感知这些变化，并及时作出调整。

Kafka的设计要点

1. 直接使用linux 文件系统的cache，来高效缓存数据。
2. 采用linux Zero-Copy提高发送性能。传统的数据发送需要发送4次上下文切换，采用sendfile系统调用之后，数据直接在内核态交换，系统上下文切换减少为2次。根据测试结果，可以提高60%的数据发送性能。Zero-Copy详细的技术细节可以参考：
3. 数据在磁盘上存取代价为O(1)。kafka以topic来进行消息管理，每个topic包含多个part（ition），每个part对应一个逻辑log，有多个segment组成。每个segment中存储多条消息（见下图），消息id由其逻辑位置决定，即从消息id可直接定位到消息的存储位置，避免id到位置的额外映射。每个part在内存中对应一个index，记录每个segment中的第一条消息偏移。发布者发到某个topic的消息会被均匀的分布到多个part上（随机或根据用户指定的回调函数进行分布），broker收到发布消息往对应part的最后一个segment上添加该消息，当某个segment上的消息条数达到配置值或消息发布时间超过阈值时，segment上的消息会被flush到磁盘，只有flush到磁盘上的消息订阅者才能订阅到，segment达到一定的大小后将不会再往该segment写数据，broker会创建新的segment。
4. 显式分布式，即所有的producer、broker和consumer都会有多个，均为分布式的。Producer和broker之间没有负载均衡机制。broker和consumer之间利用zookeeper进行负载均衡。所有broker和consumer都会在zookeeper中进行注册，且zookeeper会保存他们的一些元数据信息。如果某个broker和consumer发生了变化，所有其他的broker和consumer都会得到通知。

三、 实践荆途

kafka应用小总结

1. 配置优化 a. 在consumer端配置中有个”auto.offset.reset"配置项,有2个合法的值"largest"/"smallest",默认为"largest",此配置参数表示当此groupId下的消费者,（高阶consumer存储在zookeeper中，低阶consumer需要代码自己存储及传参）在没有传入offset值时(比如新的groupId,或者是offset数据被清空),consumer应该从哪个offset开始消费.largest表示接受接收最大的offset(即最新消息),smallest表示最小offset,即从topic的开始位置消费所有消息。 b. 0.10版本advertised.host.name，如果非外网使用必须配置本机ip，否则需要配对应host。这个参数默认没有启用，默认是返回的java.net.InetAddress.getCanonicalHostName的值，在linux上这个值就是hostname的值，如果每个broker的hostname相同，客户端收到的所有broker 都是一样的hostname，会导致生产消费数据时解析不到服务器地址。 c. 要增加吞吐量就必须增加partition的数量，但是partition数量的增加，会增加kafka的系统集群负载 d. Kafka默认保证At least once，并且允许通过设置producer异步提交来实现At most once。 At most once 消息可能会丢，但绝不会重复传输；At least one 消息绝不会丢，但可能会重复传输，当网络有问题的时候会重复生产，曾经在这里踩大坑 e. KAFKA_HEAP_OPTS配置堆空间，在高并发的情况下，需要更高的堆空间，而后堆空间的数据转入pagecache，建议不超过4G，避免full gc的时候耗时太长，导致kafka不可用时间过长。该配置可以在kafka-server-start.sh的export KAFKA_HEAP_OPTS="-Xmx1G -Xms1G” 修改 f. delete.topic.enable=true 配置删除topic自动清理数据，否则删除topic时只是标志topic是要被删除，kafka不会清理数据，需要手动在zookeeper及kafka服务器清理相应地topic数据 g.zookeeper.session.timeout.ms = 60000 配置kafka broker在zookeeper中session的过期时间。曾经配置过小导致broker被zookeeper判定为下线，导致节点不可用
2. 压缩使用 a. kafka使用压缩，可选择snappy及zip，kafka支持可混用压缩及不压缩的数据，生产者和消费者代 码已经实现自动识别压缩类型，业务代码无需识别，但是要注意混用后容易出现数据错乱的情况导致消费者消费异常。Producer压缩之后，在Consumer需进行解压，虽然增加了CPU的工作，但在对大数据处理上，瓶颈在网络上而不是CPU（初期使用的是千兆的机器）。 b. 不压缩的情况下，如果数据或集群出现问题，可以在kafka服务器，直接grep -a 关键字 日志目录/<topic>-/.log，将原始数据grep出来，如果是压缩的情况下，目前无解，只能眼睁睁看着数据取不出来。
3. Zookeeper使用：zookeeper集群必须单独部署在干净的环境中，kafka 的 topic会被分成多个区并被分到多个broker上,分区的信息以及broker的分布情况都保存在zookeeper中，一旦zookeeper受影响，会导致kafka集群不可用的故障。zookeeper集群时，zookeeper要求半数以上的机器可用，zookeeper才能提供服务，所以集群必须有3台或以上的奇数台zookeeper服务器。
4. 多副本问题 a. 多副本的情况下，生产者ack有4种配置，不需要ack，只需要leader 的ack，需要除leader之外其他数量副本的ack，需要所有副本的ack。 如果不需要ack，则会丢数据；如果只需要leader的ack，副本同步不及时，会有消费的offset，在服务器上不存在，导致消费失败；如果需要返回多个ack的情况，则会保证部分数据完整性，但是实时性会降低，生产的效率会变慢；如果需要所有副本ack，则数据实时性最低，可能对导致生产者生产效率底下，数据堆积。 b. 多副本情况下，因为非leader副本是通过消费leader副本来同步数据，并非生产者直接将数据send到非leader副本所在服务器上，所以开启多副本会导致kafka集群间的网络带宽翻倍。该情况需要评估好数据量是否需要上万兆机房，否则当带宽不够时，多副本等于鸡肋，会引起各种no leader partiton，offset失效等问题。
5. 集群重启or修改问题 a. kafka topic创建后，不能随便修改该topic结构及每个partition的分布位置，因为修改操作会导致数据迁移，迁移过程大概率出现数据异常，可能破坏Message Key和Partition之间对应关系的风险，最后导致消费数据出现异常，会引发LeaderNotAvailableException，解决方法是数据生产到其他备用的kafka集群后，清空异常数据的kafka及zookeeper数据，重建集群即可。曾经在这里吃了不少苦头，浪费了几个星期时间，想放弃的念头都产生了。这种做法是网上资料都没有提到，官网也没有关于数据修复相关的资料，但是这是事实存在的数据无法修复的异常，是在QQ群交流后才产生的结论。 b. 保证每次停Broker时都可以Clean Shutdown，否则问题就不仅仅是恢复服务所需时间长，还可能出现数据损坏或其他很诡异的问题。所以如果需要停止broker时，建议暂时使用备份集群，停止broker后，清除数据，再重建kafka。

总的来说kafka的高可用性设计虽然看起来很合理很可行，但实际使用上并非如此，对数据可用性比较高的场景，建议另外保留一份原始数据，防止kafka故障时带来的数据丢失。kafka兼容性，容错性等看起来也相当合理，但是在大量数据面前还是容易出问题，在这方面，建议使用常规用法，不要使用混用等非常规用法挑战kafka兼容性和容错性的用法，否则必踩大坑。

建议kafka使用原则

1. topic只在创建时候配置参数，使用重建替代修改已创建的topic任何信息。
2. 集群有问题、增加删除节点、修改配置等对集群的修改，用重建集群来替代。因为每次重启节点，都会引发数据迁移，数据量比较大的情况下，数据容易出现错乱异常。
3. 永远都要有一个可用的备份kafka集群。
4. 一个topic只用一种数据压缩类型，或者不压缩。

以上仅为个人在实践中对当前业务场景的一些做法和总结，可能会有使用姿势不对的问题及错误，请指正，欢迎拍砖指正