ELK应用之Kafka

作者: 康小为6840 | 来源:发表于2020-08-21 13:55 被阅读0次

Kafka目前主要作为一个分布式的发布订阅式的消息系统使用，一种高吞吐量的分布式发布订阅消息系统，它可以处理消费者规模的网站中的所有动作流数据。这种动作（网页浏览，搜索和其他用户的行动）是在现代网络上的许多社会功能的一个关键因素。这些数据通常是由于吞吐量的要求而通过处理日志和日志聚合来解决。

1 基础简介

1.1 消息传输流程

Producer即生产者，向Kafka集群发送消息，在发送消息之前，会对消息进行分类，即Topic，下图展示了两个producer发送了分类为topic1的消息，另外一个发送了topic2的消息。

Topic即主题，通过对消息指定主题可以将消息分类，消费者可以只关注自己需要的Topic中的消息

Consumer即消费者，消费者通过与kafka集群建立长连接的方式，不断地从集群中拉取消息，然后可以对这些消息进行处理。

消息传输流程

从上图中就可以看出同一个Topic下的消费者和生产者的数量并不是对应的。

1.2 Kafka服务器消息存储策略

kafka集群

谈到kafka的存储，就不得不提到分区，即partitions，创建一个topic时，同时可以指定分区数目，分区数越多，其吞吐量也越大，但是需要的资源也越多，同时也会导致更高的不可用性，kafka在接收到生产者发送的消息之后，会根据均衡策略将消息存储到不同的分区中。

kafka分区

在每个分区中，消息以顺序存储，最晚接收的消息会最后被消费。

1.3 与生产者的交互

生产者

生产者在向kafka集群发送消息的时候，可以通过指定分区来发送到指定的分区中，也可以通过指定均衡策略来将消息发送到不同的分区中，如果不指定，就会采用默认的随机均衡策略，将消息随机的存储到不同的分区中

1.4 与消费者的交互

消费者

在消费者消费消息时，kafka使用offset来记录当前消费的位置，在kafka的设计中，可以有多个不同的group来同时消费同一个topic下的消息，如图，我们有两个不同的group同时消费，他们的消费的记录位置offset各不项目，不互相干扰。

对于一个group而言，消费者的数量不应该多余分区的数量，因为在一个group中，每个分区至多只能绑定到一个消费者上，即一个消费者可以消费多个分区，一个分区只能给一个消费者消费。因此，若一个group中的消费者数量大于分区数量的话，多余的消费者将不会收到任何消息。

2 基本原理

四个核心API介绍:

应用程序使用producer API发布消息到1个或多个topic中。

应用程序使用consumer API来订阅一个或多个topic,并处理产生的消息。

应用程序使用streams API充当一个流处理器，从1个或多个topic消费输入流，并产生一个输出流到1个或多个topic，有效地将输入流转换到输出流。

connector API允许构建或运行可重复使用的生产者或消费者，将topic链接到现有的应用程序或数据系统。

通常来讲，消息模型可以分为两种：队列和发布-订阅式。队列的处理方式是一组消费者从服务器读取消息，一条消息只有其中的一个消费者来处理。在发布-订阅模型中，消息被广播给所有的消费者，接收到消息的消费者都可以处理此消息。Kafka为这两种模型提供了单一的消费者抽象模型：消费者组(consumer group)。消费者用一个消费者组名标记自己。

一个发布在Topic上消息被分发给此消费者组中的一个消费者。假如所有的消费者都在一个组中，那么这就变成了queue模型。假如所有的消费者都在不同的组中，那么就完全变成了发布-订阅模型。更通用的，我们可以创建一些消费者组作为逻辑上的订阅者。每个组包含数目不等的消费者，一个组内多个消费者可以用来扩展性能和容错。

并且，kafka能够保证生产者发送到一个特定的Topic的分区上，消息将会按照它们发送的顺序依次加入，也就是说，如果一个消息M1和M2使用相同的producer发送，M1先发送，那么M1将比M2的offset低，并且优先的出现在日志中。消费者收到的消息也是此顺序。如果一个Topic配置了复制因子（replication facto）为N，那么可以允许N-1服务器宕机而不丢失任何已经提交（committed）的消息。此特性说明kafka有比传统的消息系统更强的顺序保证。但是，相同的消费者组中不能有比分区更多的消费者，否则多出的消费者一直处于空等待，不会收到消息。

3 主题和日志 (Topic和Log)

每一个分区(partition)都是一个顺序的、不可变的消息队列，并且可以持续的添加。分区中的消息都被分了一个序列号，称之为偏移量(offset)，在每个分区中此偏移量都是唯一的。Kafka集群保持所有的消息，直到它们过期，无论消息是否被消费了。实际上消费者所持有的仅有的元数据就是这个偏移量，也就是消费者在这个log中的位置。

这个偏移量由消费者控制：正常情况当消费者消费消息的时候，偏移量也线性的增加。但是实际偏移量由消费者控制，消费者可以将偏移量重置为更老的一个偏移量，重新读取消息。可以看到这种设计对消费者来说操作自如，一个消费者的操作不会影响其它消费者对此log的处理。

再说说分区。Kafka中采用分区的设计有几个目的。一是可以处理更多的消息，不受单台服务器的限制。Topic拥有多个分区意味着它可以不受限的处理更多的数据。第二，分区可以作为并行处理的单元，稍后会谈到这一点。

4 分布式(Distribution)

Log的分区被分布到集群中的多个服务器上。每个服务器处理它分到的分区。根据配置每个分区还可以复制到其它服务器作为备份容错。每个分区有一个leader，零或多个follower。Leader处理此分区的所有的读写请求，而follower被动的复制数据。如果leader宕机，其它的一个follower会被推举为新的leader。一台服务器可能同时是一个分区的leader，另一个分区的follower。这样可以平衡负载，避免所有的请求都只让一台或者某几台服务器处理。

主要特点：

1.同时为发布和订阅提供高吞吐量。据了解，Kafka每秒可以生产约25万消息（50 MB），每秒处理55万消息（110 MB）。

2.可进行持久化操作。将消息持久化到磁盘，因此可用于批量消费，例如ETL，以及实时应用程序。通过将数据持久化到硬盘以及replication防止数据丢失。

3.分布式系统，易于向外扩展。所有的producer、broker和consumer都会有多个，均为分布式的。无需停机即可扩展机器。

4.消息被处理的状态是在consumer端维护，而不是由server端维护。当失败时能自动平衡。

5.支持online和offline的场景。

5 架构

Kafka的整体架构非常简单，是显式分布式架构，producer、broker（kafka）和consumer都可以有多个。Producer，consumer实现Kafka注册的接口，数据从producer发送到broker，broker承担一个中间缓存和分发的作用。broker分发注册到系统中的consumer。broker的作用类似于缓存，即活跃的数据和离线处理系统之间的缓存。客户端和服务器端的通信，是基于简单，高性能，且与编程语言无关的TCP协议。几个基本概念：

Topic：特指Kafka处理的消息源（feeds of messages）的不同分类。

Partition：Topic物理上的分组，一个topic可以分为多个partition，每个partition是一个有序的队列。partition中的每条消息都会被分配一个有序的id（offset）。

Message：消息，是通信的基本单位，每个producer可以向一个topic（主题）发布一些消息。

Producers：消息和数据生产者，向Kafka的一个topic发布消息的过程叫做producers。

Consumers：消息和数据消费者，订阅topics并处理其发布的消息的过程叫做consumers。

Broker：缓存代理，Kafka集群中的一台或多台服务器统称为broker。

5.1 消息发送的流程

Producer根据指定的partition方法（round-robin、hash等），将消息发布到指定topic的partition里面

kafka集群接收到Producer发过来的消息后，将其持久化到硬盘，并保留消息指定时长（可配置），而不关注消息是否被消费。

Consumer从kafka集群pull数据，并控制获取消息的offset

6 Kafka设计思想

6.1 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：

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

zero-copy：减少IO操作步骤

数据批量发送

数据压缩

Topic划分为多个partition，提高parallelism

6.2 负载均衡

producer根据用户指定的算法，将消息发送到指定的partition

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

多个partition需要选取出lead partition，lead partition负责读写，并由zookeeper负责fail over

通过zookeeper管理broker与consumer的动态加入与离开

6.3 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：

简化kafka设计

consumer根据消费能力自主控制消息拉取速度

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

6.4 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。

7 应用场景

7.1 消息队列

比起大多数的消息系统来说，Kafka有更好的吞吐量，内置的分区，冗余及容错性，这让Kafka成为了一个很好的大规模消息处理应用的解决方案。消息系统一般吞吐量相对较低，但是需要更小的端到端延时，并常常依赖于Kafka提供的强大的持久性保障。在这个领域，Kafka足以媲美传统消息系统，如ActiveMR或RabbitMQ。

7.2 行为跟踪

Kafka的另一个应用场景是跟踪用户浏览页面、搜索及其他行为，以发布-订阅的模式实时记录到对应的topic里。那么这些结果被订阅者拿到后，就可以做进一步的实时处理，或实时监控，或放到hadoop/离线数据仓库里处理。

7.3 元信息监控

作为操作记录的监控模块来使用，即汇集记录一些操作信息，可以理解为运维性质的数据监控。

7.4 日志收集

日志收集方面，其实开源产品有很多，包括Scribe、Apache Flume。很多人使用Kafka代替日志聚合（log aggregation）。日志聚合一般来说是从服务器上收集日志文件，然后放到一个集中的位置（文件服务器或HDFS）进行处理。然而Kafka忽略掉文件的细节，将其更清晰地抽象成一个个日志或事件的消息流。这就让Kafka处理过程延迟更低，更容易支持多数据源和分布式数据处理。比起以日志为中心的系统比如Scribe或者Flume来说，Kafka提供同样高效的性能和因为复制导致的更高的耐用性保证，以及更低的端到端延迟。

7.5 流处理

这个场景可能比较多，也很好理解。保存收集流数据，以提供之后对接的Storm或其他流式计算框架进行处理。很多用户会将那些从原始topic来的数据进行阶段性处理，汇总，扩充或者以其他的方式转换到新的topic下再继续后面的处理。例如一个文章推荐的处理流程，可能是先从RSS数据源中抓取文章的内容，然后将其丢入一个叫做“文章”的topic中；后续操作可能是需要对这个内容进行清理，比如回复正常数据或者删除重复数据，最后再将内容匹配的结果返还给用户。这就在一个独立的topic之外，产生了一系列的实时数据处理的流程。Strom和Samza是非常著名的实现这种类型数据转换的框架。

7.6 事件源

事件源是一种应用程序设计的方式，该方式的状态转移被记录为按时间顺序排序的记录序列。Kafka可以存储大量的日志数据，这使得它成为一个对这种方式的应用来说绝佳的后台。比如动态汇总（News feed）。

7.7 持久性日志（commit log）

Kafka可以为一种外部的持久性日志的分布式系统提供服务。这种日志可以在节点间备份数据，并为故障节点数据回复提供一种重新同步的机制。Kafka中日志压缩功能为这种用法提供了条件。在这种用法中，Kafka类似于Apache BookKeeper项目。