kafka分布式消息系统

Kafka[1]是linkedin用于日志处理的分布式消息队列，linkedin的日志数据容量大，但对可靠性要求不高，其日志数据主要包括用户行为（登录、浏览、点击、分享、喜欢）以及系统运行日志（CPU、内存、磁盘、网络、系统及进程状态）。

当前很多的消息队列服务提供可靠交付保证，并默认是即时消费（不适合离线）。高可靠交付对linkedin的日志不是必须的，故可通过降低可靠性来提高性能，同时通过构建分布式的集群，允许消息在系统中累积，使得kafka同时支持离线和在线日志处理。

注：本文中发布者（publisher）与生产者（producer）可以互换，订阅者（subscriber）与消费者（consumer）可以互换。

Kafka的架构如下图所示：

Kafka存储策略

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。

2.  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。

3.  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。

4.  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。

发布与订阅接口

发布消息时，kafka client先构造一条消息，将消息加入到消息集set中（kafka支持批量发布，可以往消息集合中添加多条消息，一次行发布），send消息时，client需指定消息所属的topic。

订阅消息时，kafka client需指定topic以及partition num（每个partition对应一个逻辑日志流，如topic代表某个产品线，partition代表产品线的日志按天切分的结果），client订阅后，就可迭代读取消息，如果没有消息，client会阻塞直到有新的消息发布。consumer可以累积确认接收到的消息，当其确认了某个offset的消息，意味着之前的消息也都已成功接收到，此时broker会更新zookeeper上地offset registry（后面会讲到）。

高效的数据传输

1.  发布者每次可发布多条消息（将消息加到一个消息集合中发布）， sub每次迭代一条消息。

2.  不创建单独的cache，使用系统的page cache。发布者顺序发布，订阅者通常比发布者滞后一点点，直接使用linux的page cache效果也比较后，同时减少了cache管理及垃圾收集的开销。

3.  使用sendfile优化网络传输，减少一次内存拷贝。

无状态broker

1.  Broker没有副本机制，一旦broker宕机，该broker的消息将都不可用。

2.  Broker不保存订阅者的状态，由订阅者自己保存。

3.  无状态导致消息的删除成为难题（可能删除的消息正在被订阅），kafka采用基于时间的SLA(服务水平保证)，消息保存一定时间（通常为7天）后会被删除。

4.  消息订阅者可以rewind back到任意位置重新进行消费，当订阅者故障时，可以选择最小的offset进行重新读取消费消息。

Consumer group

1. 允许consumer group（包含多个consumer，如一个集群同时消费）对一个topic进行消费，不同的consumer group之间独立订阅。

2. 为了对减小一个consumer group中不同consumer之间的分布式协调开销，指定partition为最小的并行消费单位，即一个group内的consumer只能消费不同的partition。

Zookeeper 协调控制

1. 管理broker与consumer的动态加入与离开。

2. 触发负载均衡，当broker或consumer加入或离开时会触发负载均衡算法，使得一

   个consumer group内的多个consumer的订阅负载平衡。

3.  维护消费关系及每个partion的消费信息。

Zookeeper上的细节：

1. 每个broker启动后会在zookeeper上注册一个临时的broker registry，包含broker的ip地址和端口号，所存储的topics和partitions信息。

2. 每个consumer启动后会在zookeeper上注册一个临时的consumer registry：包含consumer所属的consumer group以及订阅的topics。

3. 每个consumer group关联一个临时的owner registry和一个持久的offset registry。对于被订阅的每个partition包含一个owner registry，内容为订阅这个partition的consumer id；同时包含一个offset registry，内容为上一次订阅的offset。

消息交付保证

1. kafka对消息的重复、丢失、错误以及顺序型没有严格的要求。

2. kafka提供at-least-once delivery,即当consumer宕机后，有些消息可能会被重复delivery。

3. 因每个partition只会被consumergroup内的一个consumer消费，故kafka保证每个partition内的消息会被顺序的订阅。

4. Kafka为每条消息为每条消息计算CRC校验，用于错误检测，crc校验不通过的消息会直接被丢弃掉。

Linkedin的应用环境

如下图，左边的应用于日志数据的在线实时处理，右边的应用于日志数据的离线分析（现将日志pull至hadoop或DWH中）。

Kafka的性能

测试环境： 2 Linux machines, each with 8 2GHz cores,  16GB of  memory,  6  disks  with RAID  10.  The two machines  are  connected with  a  1Gb network  link.  One of  the machines was used as thebroker and the other machine was used as the producer or the consumer.

测试评价(by me)：（1）环境过于简单，不足以说明问题。（2）对于producer持续的波动没有进行分析。（3）只有两台机器zookeeper都省了？？

测试结果：如下图，完胜其他的message queue，单条消息发送（每条200bytes）,能到50000messages/sec，50条batch方式发送，平均为400000messages/sec.

Kafka未来研究方向

1. 数据压缩（节省网络带宽及存储空间）

2. Broker多副本

3. 流式处理应用

参考资料

【1】   http://research.microsoft.com/en-us/um/people/srikanth/netdb11/netdb11papers/netdb11-final12.pdf

【2】   https://cwiki.apache.org/KAFKA/kafka-papers-and-presentations.data/Kafka-netdb-06-2011.pdf