Kafka主要设计目标如下：

• 以时间复杂度为O(1)的方式提供消息持久化能力，即使对TB级以上数据也能保证常数时间的访问性能。
  
• 高吞吐率。即使在非常廉价的商用机器上也能做到单机支持每秒100K条消息的传输。
  
• 支持Kafka Server间的消息分区，及分布式消费，同时保证每个partition内的消息顺序传输。
  
• 同时支持离线数据处理和实时数据处理。

在放原理图之前先了解一些Kafka专业术语

• Broker：消息中间件处理结点，一个Kafka节点就是一个broker，多个broker可以组成一个Kafka集群。
  
• Topic：一类消息，Kafka集群能够同时负责多个topic的分发。
  
• 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。
  
• Segment：partition物理上由多个segment组成。
  
• offset：每个partition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partition中。partition中的每个消息都有一个连续的序列号叫做offset，用于partition唯一标识一条消息。
  
• Producer：负责发布消息到Kafka broker，消息生产者。
  
• Consumer：消息消费者，向Kafka broker读取消息的客户端。
  
• Consumer Group：每个Consumer属于一个特定的Consumer Group。
  

这时候我们再看看：

Kafka的设计原理分析

一个典型的kafka集群中包含若干producer，若干broker，若干consumer，以及一个Zookeeper集群。Kafka通过Zookeeper管理集群配置，选举leader，以及在consumer group发生变化时进行rebalance。producer使用push模式将消息发布到broker，consumer使用pull模式从broker订阅并消费消息。

Kafka数据传输的事务特点

at most once（最多一次）：

这个和JMS中"非持久化"消息类似，发送一次，无论成败，将不会重发。消费者fetch消息，然后保存offset，然后处理消息；当client保存offset之后，但是在消息处理过程中出现了异常，导致部分消息未能继续处理。那么此后"未处理"的消息将不能被fetch到，这就是"at most once"。

at least once（消息至少发送一次）：

如果消息未能接受成功，可能会重发，直到接收成功。消费者fetch消息，然后处理消息，然后保存offset。如果消息处理成功之后，但是在保存offset阶段zookeeper异常导致保存操作未能执行成功，这就导致接下来再次fetch时可能获得上次已经处理过的消息，这就是"at least once"，原因offset没有及时的提交给zookeeper，zookeeper恢复正常还是之前offset状态。

exactly once（消息只会发送一次）：

kafka中并没有严格的去实现（基于2阶段提交），我们认为这种策略在kafka中是没有必要的。

通常情况下"at-least-once"是我们首选。

Kafka消息存储格式

Topic & Partition

一个topic可以认为一个一类消息，每个topic将被分成多个partition，每个partition在存储层面是append log文件。

在Kafka文件存储中，同一个topic下有多个不同partition，每个partition为一个目录，partiton命名规则为topic名称+有序序号，第一个partiton序号从0开始，序号最大值为partitions数量减1。

每个partion（目录）相当于一个巨型文件被平均分配到多个大小相等segment（段）数据文件中。但每个段segment file消息数量不一定相等，这种特性方便old segment file快速被删除。

每个partiton只需要支持顺序读写就行了，segment文件生命周期由服务端配置参数决定。

这样做的好处就是能快速删除无用文件，有效提高磁盘利用率。

segment file组成：由2大部分组成，分别为index file和data file，此2个文件一一对应，成对出现，后缀".index"和“.log”分别表示为segment索引文件、数据文件.

segment文件命名规则：partion全局的第一个segment从0开始，后续每个segment文件名为上一个segment文件最后一条消息的offset值。数值最大为64位long大小，19位数字字符长度，没有数字用0填充。

segment中index与data file对应关系物理结构如下：

上图中索引文件存储大量元数据，数据文件存储大量消息，索引文件中元数据指向对应数据文件中message的物理偏移地址。

其中以索引文件中元数据3,497为例，依次在数据文件中表示第3个message（在全局partiton表示第368772个message），以及该消息的物理偏移地址为497。

了解到segment data file由许多message组成，下面详细说明message物理结构如下：

参数说明：

关键字解释说明8 byte offset在parition(分区)内的每条消息都有一个有序的id号，这个id号被称为偏移(offset),它可以唯一确定每条消息在parition(分区)内的位置。即offset表示partiion的第多少message4 byte message sizemessage大小4 byte CRC32用crc32校验message1 byte “magic"表示本次发布Kafka服务程序协议版本号1 byte “attributes"表示为独立版本、或标识压缩类型、或编码类型。4 byte key length表示key的长度,当key为-1时，K byte key字段不填K byte key可选value bytes payload表示实际消息数据。