分布式消息Kafka

简介:

Kafka是一个分布式的、可分区的、可复制的消息系统。它提供了普通消息系统的功能,但具有自己独特的设计。这个独特的设计是什么样的呢?

首先让我们看几个基本的消息系统术语:

Kafka将消息以topic为单位进行归纳。

将向Kafka topic发布消息的程序成为producers.

将预订topics并消费消息的程序成为consumer.

Kafka以集群的方式运行,可以由一个或多个服务组成,每个服务叫做一个broker.

producers通过网络将消息发送到Kafka集群,集群向消费者提供消息,如下图所示:

客户端和服务端通过TCP协议通信。Kafka提供了Java客户端,并且对多种语言都提供了支持。

Topics 和Logs

先来看一下Kafka提供的一个抽象概念:topic.

一个topic是对一组消息的归纳。对每个topic,Kafka 对它的日志进行了分区,如下图所示:

每个分区都由一系列有序的、不可变的消息组成,这些消息被连续的追加到分区中。分区中的每个消息都有一个连续的序列号叫做offset,用来在分区中唯一的标识这个消息。

在一个可配置的时间段内,Kafka集群保留所有发布的消息,不管这些消息有没有被消费。比如,如果消息的保存策略被设置为2天,那么在一个消 息被发布的两天时间内,它都是可以被消费的。之后它将被丢弃以释放空间。Kafka的性能是和数据量无关的常量级的,所以保留太多的数据并不是问题。

实际上每个consumer唯一需要维护的数据是消息在日志中的位置,也就是offset.这个offset有consumer来维护:一般情 况下随着consumer不断的读取消息,这offset的值不断增加,但其实consumer可以以任意的顺序读取消息,比如它可以将offset设置 成为一个旧的值来重读之前的消息。

以上特点的结合,使Kafka consumers非常的轻量级:它们可以在不对集群和其他consumer造成影响的情况下读取消息。你可以使用命令行来"tail"消息而不会对其他正在消费消息的consumer造成影响。

将日志分区可以达到以下目的:首先这使得每个日志的数量不会太大,可以在单个服务上保存。另外每个分区可以单独发布和消费,为并发操作topic提供了一种可能。

分布式每个分区在Kafka集群的若干服务中都有副本,这样这些持有副本的服务可以共同处理数据和请求,副本数量是可以配置的。副本使Kafka具备了容错能力。

每个分区都由一个服务器作为“leader”,零或若干服务器作为“followers”,leader负责处理消息的读和 写,followers则去复制leader.如果leader down了,followers中的一台则会自动成为leader。集群中的每个服务都会同时扮演两个角色:作为它所持有的一部分分区的leader,同 时作为其他分区的followers,这样集群就会据有较好的负载均衡。

ProducersProducer将消息发布到它指定的topic中,并负责决定发布到哪个分区。通常简单的由负载均衡机制随机选择分区,但也可以通过特定的分区函数选择分区。使用的更多的是第二种。Consumers发布消息通常有两种模式:队列模式和发布-订阅模式。队列模式中,consumers可以同时从服务端读取消息,每个消息只被其中一个consumer读到;发布-订阅模式中消息被广播到所有的consumer中。Consumers可以加入一个consumer 组,共同竞争一个topic,topic中的消息将被分发到组中的一个成员中。同一组中的consumer可以在不同的程序中,也可以在不同的机器上。如果所有的consumer都在一个组中,这就成为了传统的队列模式,在各consumer中实现负载均衡。如果所有的consumer都不在不同的组中,这就成为了发布-订阅模式,所有的消息都被分发到所有的consumer中。更常见的是,每个topic都有若干数量的consumer组,每个组都是一个逻辑上的“订阅者”,为了容错和更好的稳定性,每个组由若干consumer组成。这其实就是一个发布-订阅模式,只不过订阅者是个组而不是单个consumer。

由两个机器组成的集群拥有4个分区 (P0-P3) 2个consumer组. A组有两个consumerB组有4个

相比传统的消息系统,Kafka可以很好的保证有序性。

传统的队列在服务器上保存有序的消息,如果多个consumers同时从这个服务器消费消息,服务器就会以消息存储的顺序向consumer分 发消息。虽然服务器按顺序发布消息,但是消息是被异步的分发到各consumer上,所以当消息到达时可能已经失去了原来的顺序,这意味着并发消费将导致 顺序错乱。为了避免故障,这样的消息系统通常使用“专用consumer”的概念,其实就是只允许一个消费者消费消息,当然这就意味着失去了并发性。

在这方面Kafka做的更好,通过分区的概念,Kafka可以在多个consumer组并发的情况下提供较好的有序性和负载均衡。将每个分区分 只分发给一个consumer组,这样一个分区就只被这个组的一个consumer消费,就可以顺序的消费这个分区的消息。因为有多个分区,依然可以在多 个consumer组之间进行负载均衡。注意consumer组的数量不能多于分区的数量,也就是有多少分区就允许多少并发消费。

Kafka只能保证一个分区之内消息的有序性,在不同的分区之间是不可以的,这已经可以满足大部分应用的需求。如果需要topic中所有消息的有序性,那就只能让这个topic只有一个分区,当然也就只有一个consumer组消费它。

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