一:分区策略
1.1:分区的原因
(1)方便在集群中扩展,每个 Partition 可以通过调整以适应它所在的机器,而一个 topic
又可以有多个 Partition 组成,因此整个集群就可以适应任意大小的数据了;
(2)可以提高并发,因为可以以 Partition 为单位读写了。
1.2:分区原则
我们需要将 producer 发送的数据封装成一个 ProducerRecord 对象

(1)指明 partition 的情况下,直接将指明的值直接作为 partiton 值;
(2)没有指明 partition 值但有 key 的情况下,将 key 的 hash 值与 topic 的 partition 数进行取余得到 partition 值;
(3)既没有 partition 值又没有 key 值的情况下,第一次调用时随机生成一个整数(后面每次调用在这个整数上自增),将这个值与 topic 可用的 partition 总数取余得到 partition 值,也就是常说的 round-robin 算法,即第一次给了分区2(一共3个分区012),那么后面将会按照201,201,的顺序依次放入分区
二:数据可靠性保证
为保证 producer 发送的数据,能可靠的发送到指定的 topic,topic 的每个 partition 收到 producer 发送的数据后,都需要向 producer 发送 ack(acknowledgement 确认收到),如果 producer 收到 ack,就会进行下一轮的发送,否则重新发送数据。
副本数据同步策略

Kafka 选择了第二种方案,原因如下:
1.同样为了容忍
n
台节点的故障,第一种方案需要
2n+1
个副本,而第二种方案只需要
n+1
个副本,而
Kafka
的每个分区都有大量的数据,第一种方案会造成大量数据的冗余。
2.虽然第二种方案的网络延迟会比较高,但网络延迟对
Kafka
的影响较小。
2.1:ISR
采用第二种方案之后,设想以下情景:leader 收到数据,所有 follower 都开始同步数据, 但有一个 follower,因为某种故障,迟迟不能与 leader 进行同步,那 leader 就要一直等下去, 直到它完成同步,才能发送 ack。所以kafka提供了如下解决方案。
Leader 维护了一个动态的 in-sync replica set (ISR),意为和 leader 保持同步的 follower 集 合。当 ISR 中的 follower 完成数据的同步之后,leader 就会给 follower 发送 ack。如果follower长时间未向leader同步数据 ,则该follower将被踢出ISR ,该时间阈值由replica.lag.time.max.ms 参数设定。Leader 发生故障之后,就会从 ISR 中选举新的 leader。

2.2:ACK应答机制
对于某些不太重要的数据,对数据的可靠性要求不是很高,能够容忍数据的少量丢失,
所以没必要等
ISR
中的
follower
全部接收成功。
所以 Kafka
为用户提供了三种可靠性级别,用户根据对可靠性和延迟的要求进行权衡,
选择以下的配置。
acks 参数配置:
0
:producer 不等待 broker 的 ack,这一操作提供了一个最低的延迟,broker 一接收到还
没有写入磁盘就已经返回,
当 broker 故障时有可能丢失数据;
1
:producer 等待 broker 的 ack,partition 的 leader 落盘成功后返回 ack,
如果在 follower
同步成功之前 leader 故障,那么将会丢失数据;
-1
(all):producer 等待 broker 的 ack,partition 的 leader 和 follower 全部落盘成功后才
返回 ack。但是如果
在 follower 同步完成后,broker 发送 ack 之前,leader 发生故障,那么kafka会重新选取一个leader,producer会再次发送消息,新产生的leader会再次同步数据发送ack,造成数据重复。
2.3:数据一致性问题

LEO:指的是每个副本最大的 offset; HW:指的是消费者能见到的最大的 offset,超过HW的数据消费者消费不到,ISR 队列中最小的 LEO。
理解:当消费者消费上面分区内容,如果没有HW那么消费者全部消费可以看到19条数据,某一天原本的leader挂了,那么此时会产生新的leader,假设为上述第二个follower,再次消费该分区内容时,消费者就只能消费到12条数据。用户就会干净数据就这么突然没了,,,。故才会出现HW
(1)leader 故障
leader 发生故障之后,会从
ISR
中选出一个新的
leader
,之后,为保证多个副本之间的
数据一致性,其余的 follower
会先将各自的
log
文件
高于
HW
的部分截掉
,然后从新的 leader 同步数据。即原本follower 的HW——LEO的数据全部删掉然后从新leader复制
(2)follower 故障
follower 发生故障后会被临时踢出
ISR
,待该
follower
恢复后,
follower
会读取本地磁盘
记录的上次的
HW
,并将
log
文件高于
HW
的部分截取掉,从
HW
开始向
leader
进行同步。
等该
follower
的
LEO
大于等于该
Partition
的
HW
,即
follower
追上
leader
之后,就可以重
新加入
ISR
了。
注意:这只能保证副本之间的数据一致性,并不能保证数据不丢失或者不重复。
2.4:Exactly Once 精准一次性
将服务器的 ACK
级别设置为
-1
,可以保证
Producer
到
Server
之间不会丢失数据,即
At
Least Once
语义
。相对的,将服务器
ACK
级别设置为
0
,可以保证生产者每条消息只会被
发送一次,即
At Most Once
语义。
At Least Once 可以保证数据不丢失,但是不能保证数据不重复;相对的,At
Most
Once
可以保证数据不重复,但是不能保证数据不丢失。
但是,对于一些非常重要的信息,比如说
交易数据,下游数据消费者要求数据既不重复也不丢失,即
Exactly Once
语义。
在
0.11
版 本以前的 Kafka
,对此是无能为力的,只能保证数据不丢失,再在下游消费者对数据做全局 去重。对于多个下游应用的情况,每个都需要单独做全局去重,这就对性能造成了很大影响。
0.11 版本的
Kafka
,引入了一项重大特性:幂等性。所谓的幂等性就是指
Producer
不论
向
Server
发送多少次重复数据,
Server
端都只会持久化一条。幂等性结合
At Least Once
语
义,就构成了
Kafka
的
Exactly Once
语义。即: At Least Once +
幂等性
= Exactly Once
要启用幂等性,只需要将
Producer
的参数中
enable.idompotence
设置为
true
即可。
Kafka
的幂等性实现其实就是将原来下游需要做的去重放在了数据上游。开启幂等性的
Producer
在
初始化的时候会被分配一个
PID
,发往同一
Partition
的消息会附带
Sequence Number
。而
Broker
端会对《
PID, Partition, SeqNumber》
做缓存,当具有相同主键的消息提交时,
Broker
只
会持久化一条。
但是Producer 挂掉重启 PID 就会变化,同时不同的 Partition 也具有不同主键,所以幂等性无法保证跨 分区跨会话的 Exactly Once
。