Kafka 基础知识理论版

￡神魔★判官ぃ 2023-01-18 15:20 266阅读 0赞

### Kafka 介绍 ###

*   *  一、Kafka的基础知识
     *   *  1.1 点对点消息传递模式
         *  1.2 发布订阅消息传递模式
         *  1.3 Kafka 简介
     *  二、Kafka 工作原理
     *   *  2.1 Kafka核心组件介绍
         *  2.2 Kafka 工作流程分析
         *   *  1. 生产者生产消息过程
             *  2. 消费者消费消息过程

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[Kafka 基础知识理论版][Kafka]

[Kafka Streams 小实践 ——开放词频统计应用][Kafka Streams _]

[Kafka集群分布式部署与测试 —— 实操版][Kafka_ _]

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**学习目标**：

*  掌握基本的消息传递模式；
 *  掌握 Kafka 集群部署的方法；
 *  掌握 Kafka 的基本方法。

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Kafka 是一个高吞吐量的分布式发布订阅消息系统，它在实时计算系统中有着非常强大的功能。通常情况下，我们使用 Kafka构建系统或应用程序之间的数据管道，用来转换或响应实时数据，使数据能够及时的进行业务计算，得出相应结果。

## 一、Kafka的基础知识 ##

为解决大数据集的传输困难，就必须搭建一个一个消息系统。消息系统将数据从一个应用程序传递到另外一个应用程序中，应用数据只关心数据，不关心在多个应用是怎么传递的。

### 1.1 点对点消息传递模式 ###

点对点消息传递模式结构中，消息是通过一个虚拟通道进行传输的，生产者发送一条数据，消息将持久化到一个队列中，此时将有一个或多个消费者会消费队列中数据，但是一条消息只能被消费一次，且消费后的消息会从消息队列中删除，因此，即使有多个消费者同时消费数据，数据都可以被有序处理。  
![在这里插入图片描述][20210507000052112.png]

### 1.2 发布订阅消息传递模式 ###

在发布订阅模式中，发布者用于发布消息，订阅者用于订阅消息， 发布订阅模式可以有多种不同的订阅者，发布者发布的消息会被持久化到一个主题中，这与点对点模式不同的是，订阅者可订阅一个或多个主题，订阅者可读取该主题中所有数据，同一条数据可被多个订阅者消费，数据被消费后也不会立即删除。  
![在这里插入图片描述][20210507000115231.png]

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### 1.3 Kafka 简介 ###

Kafka是由Apache软件基金会开发的一个开源流处理平台，它由Scala和Java语言编写，是一个基于Zookeeper系统的分布式发布订阅消息系统，该项目的设计初衷是为实时数据提供一个**统一、高通量、低等待**的消息传递平台。

ApacheKafka作为分布式消息系统，可以处理大量的数据，并能够将消息从一个端点传递到另外一个端点。Kafka系统在大数据领域中的应用非常普遍，它能够在离线和实时两种大数据计算架构中处理数据，这得益于Kafka的众多优点，其优点具体如下。

*  (1) 解耦。Kafka具备消息系统的优点，只要生产者和消费者数据两端遵循接口约束，就可以自行扩展或修改数据处理的业务过程。
 *  (2) 高吞吐量、低延迟。即使在非常廉价的机器上， Kafka也能做到每秒处理几十万条消息，而它的延迟最低只有几毫秒。
 *  (3) 持久性。Kafka可以将消息直接持久化在普通磁盘上，且磁盘读写性能优异。
 *  (4) 扩展性。Kafka集群支持热扩展， Kafka集群启动运行后，用户可以直接向集群添加新的Kafka服务。
 *  (5) 容错性。Kafka会将数据备份到多台服务器节点中，即使Kafka集群中的某一台节点宕机，也不会影响整个系统的功能。
 *  (6) 支持多种客户端语言。Kafka支持Java，NET，PHP，Python等多种语言。

在大数据计算系统的开发场景中，若需要对接外部数据源时，就可以使用Kafka系统， 如读者熟悉的日志收集系统和消息系统， Kafka读取日志系统中的数据，每得到一条数据，就可以及时地处理一条数据，这就是常见的流式计算框架。

在流式计算框架中， Kafka一般用来缓存数据，它与Apache旗下的Spark、Storm等计算框架有着非常好的集成，这些计算框架可以接收Kafka中的缓存数据并进行计算，实时得出计算结果。

Kafka使用消费组 (Consumer Group) 的概念统一了**点对点消息传递模式**和**发布订阅消息传递模式**，当Kafka使用点对点模式时，它可以将待处理的工作任务平均分配给消费组中的消费者成员；当使用发布订阅模式时，它可以将消息广播给多个消费组。Kafka采用多个消费组结合多个消费者，既可以扩展消息处理的能力，也允许消息被多个消费组订阅。

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## 二、Kafka 工作原理 ##

### 2.1 Kafka核心组件介绍 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc3NTI1NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>组件名称</th> 
   <th align="left">相关说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>Topic</td> 
   <td align="left">特定类别消息流称为主题，数据存在主题中，主题被拆分成分区；</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Partition</td> 
   <td align="left">主题的数据分割为一一个或多个分区，每个分区的数据使用多个segment文件存储，分区中的数据是有序的；</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Offset</td> 
   <td align="left">每个分区消息具有的唯序列标识；</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Replica</td> 
   <td align="left">副本只是一个分区的备份，它们用于防止数据丢失；</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Producer</td> 
   <td align="left">生产者即数据发布者，该角色将消息发布到Kafka集群主题中；</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Consumer</td> 
   <td align="left">消费者可从Broker中读取数据，可消费多个主题数据；</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Broker</td> 
   <td align="left">每个Kafka服务节点都为Broker，Broker 接收消息后，将消息追加到segment文件中；</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Leader</td> 
   <td align="left">负责分区的所有读写操作，每分区都有一个服务器充当Leader ；</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Follower</td> 
   <td align="left">跟随领导指令，若Leader发生故障则选举一个 Follower 为新 Leader ；</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Consumer Group</td> 
   <td align="left">实现一个主题消息的广播和单播的手段。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

Kafka集群由 生产者(Producer)、消息代理服务器(Broker Server)、消费者 (Consumer) 组成的。

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### 2.2 Kafka 工作流程分析 ###

#### 1. 生产者生产消息过程 ####

生产者向Kafka集群中生产消息。**Producer**是消息的生产者，通常情况下，数据消息源可是服务器日志、业务数据及Web服务数据等，生产者采用推送的方式将数据消息发布到Kafka的主题中，主题本质就是一个目录，而主题是由Partition Logs (分区日志) 组成，每条消息都被追加到分区中。  
![在这里插入图片描述][2021050700373875.png]  
**Producer 生产信息可以简单分6步，具体如下：**

1.  Producer先读取Zookeeper的"/brokers/…/state"节点中找到该Partition的Leader 。
2.  Producer将消息发送给Leader。
3.  Leader负责将消息写入本地分区Log文件中。
4.  Follower从Leader中读取消息，完成备份操作。
5.  Follower写入本地Log文件后，会向Leader发送Ack，每次发送消息都会有一个确认反馈机制，以确保消息正常送达。
6.  Leader收到所有Follower发送的Ack后，向Producer发送Ack，生产消息完成。

#### 2. 消费者消费消息过程 ####

消费者消费类型有两种：推送模型和拉取模型；Kafka采用拉取模型， 由消费者记录消费状态，根据主题、Zookeeper集群地址和要消费消息的偏移量，每个消费者互相独立地按顺序读取每个分区的消息，消费者消费消息的流程图如下所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NDc3NTI1NQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

[Kafka]: https://blog.csdn.net/weixin_44775255/article/details/116465983
[Kafka Streams _]: https://blog.csdn.net/weixin_44775255/article/details/116458302
[Kafka_ _]: https://blog.csdn.net/weixin_44775255/article/details/116457242
[20210507000052112.png]: /images/20221021/2044b4d1cbfe420a996b9fb363d045e2.png
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