图解 kafka 的高可用机制

对于一个复杂的分布式系统，如果没有丰富的经验和牛逼的架构能力，很难把系统做得简单易维护，我们都知道，一个软件的生命周期中，后期维护占了70%，所以系统的可维护性是极其重要的， kafka 能成为大数据领域的事实标准，很大原因是因为运维起来很方便简单，今天我们来看下 kafka 是怎么来简化运维操作的。
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kafka 使用多副本来保证消息不丢失，多副本就涉及到kafka的复制机制，在一个超大规模的集群中，时不时地这个点磁盘坏了，那个点cpu负载高了，出现各种各样的问题，多个副本之间的复制，如果想完全自动化容错，就要做一些考量和取舍了。我们举个例子说明下运维中面对的复杂性，我们都知道 kafka 有个 ISR集合，我先说明下这个概念：

kafka不是完全同步，也不是完全异步，是一种ISR机制：

1. leader会维护一个与其基本保持同步的Replica列表，该列表称为ISR(in-sync Replica)，每个Partition都会有一个ISR，而且是由leader动态维护

2. 如果一个follower比一个leader落后太多，或者超过一定时间未发起数据复制请求，则leader将其重ISR中移除

3. 当ISR中所有Replica都向Leader发送ACK时，leader才commit，这时候producer才能认为一个请求中的消息都commit了。

在这种机制下， 如果一个 producer 一个请求发送的消息条数太多，导致flower瞬间落后leader太多怎么办？如果 follower不停的移入移出 ISR 会不会影响性能？如果对这种情况加了报警，就有可能造成告警轰炸，如果我们不加报警，如果是broker 挂掉或者 broker 因为IO性能或者GC问题夯住的情况导致落后leader太多，这种真正需要报警情况怎么办呢？ 今天我们来看下 kafka 是怎么在设计上让我们完全避免这种运维中头疼的问题的。

kafka的复制机制
kafka 每个分区都是由顺序追加的不可变的消息序列组成，每条消息都一个唯一的offset 来标记位置。

kafka中的副本机制是以分区粒度进行复制的，我们在kafka中创建 topic的时候，都可以设置一个复制因子，这个复制因子决定着分区副本的个数，如果leader 挂掉了，kafka 会把分区主节点failover到其他副本节点，这样就能保证这个分区的消息是可用的。leader节点负责接收producer 打过来的消息，其他副本节点（follower）从主节点上拷贝消息。

kakfa 日志复制算法提供的保证是当一条消息在 producer 端认为已经 committed的之后，如果leader 节点挂掉了，其他节点被选举成为了 leader 节点后，这条消息同样是可以被消费到的。

这样的话，leader 选举的时候，只能从 ISR集合中选举，集合中的每个点都必须是和leader消息同步的，也就是没有延迟，分区的leader 维护ISR 集合列表，如果某个点落后太多，就从 ISR集合中踢出去。 producer 发送一条消息到leader节点后， 只有当ISR中所有Replica都向Leader发送ACK确认这条消息时，leader才commit，这时候producer才能认为这条消息commit了，正是因为如此，kafka客户端的写性能取决于ISR集合中的最慢的一个broker的接收消息的性能，如果一个点性能太差，就必须尽快的识别出来，然后从ISR集合中踢出去，以免造成性能问题。

一个副本怎么才算是跟得上leader的副本
一个副本不能 “caught up” leader 节点，就有可能被从 ISR集合中踢出去，我们举个例子来说明，什么才是真正的 “caught up” —— 跟leader节点消息同步。

kafka 中的一个单分区的 topic — foo，复制因子为 3 ，分区分布和 leader 和 follower 如下图，现在broker 2和3 是 follower 而且都在 ISR 集合中。我们设置 replica.lag.max.messages 为4，只要 follower 只要不落后leader 大于3条消息，就然后是跟得上leader的节点，就不会被踢出去， 设置 replica.lag.time.max.ms 为 500ms， 意味着只要 follower 在每 500ms内发送fetch请求，就不会被认为已经dead ，不会从ISR集合中踢出去。

现在 producer 发送一条消息，offset 为3， 这时候 broker 3 发生了 GC， 入下图：

因为 broker 3 现在在 ISR 集合中， 所以要么 broker 3 拉取同步上这条 offset 为3 的消息，要么 3 被从 ISR集合中踢出去，不然这条消息就不会 committed， 因为 replica.lag.max.messages=4 为4， broker 3 只落后一条消息，不会从ISR集合中踢出去， broker 3 如果这时候 GC 100ms， GC 结束，然后拉取到 offset 为3的消息，就再次跟 leader 保持完全同步，整个过程一直在 ISR集合中，如下图：

什么时候一个副本才会从ISR集合中踢出去
一个副本被踢出 ISR集合的几种原因：

一个副本在一段时间内都没有跟得上 leader 节点，也就是跟leader节点的差距大于 replica.lag.max.messages ， 通常情况是 IO性能跟不上，或者CPU 负载太高，导致 broker 在磁盘上追加消息的速度低于接收leader 消息的速度。

一个 broker 在很长时间内（大于 replica.lag.time.max.ms ）都没有向 leader 发送fetch 请求， 可能是因为 broker 发生了 full GC， 或者因为别的原因挂掉了。

一个新 的 broker 节点，比如同一个 broker id， 磁盘坏掉，新换了一台机器，或者一个分区 reassign 到一个新的broker 节点上，都会从分区leader 上现存的最老的消息开始同步。

所以说 kafka 0.8 版本后设置了两个参数 ， replica.lag.max.messages 用来识别性能一直很慢的节点， replica.lag.time.max.ms 用来识别卡住的节点。

一个节点在什么情况下真正处于落后状态
从上面的情况来看，两个参数看似已经足够了，如果一个副本超过 replica.lag.time.max.ms 还没有发送fetch同步请求， 可以认为这个副本节点卡住了，然后踢出去，但是还有一种比较特殊的情况没有考虑到，我们上文中设置 replica.lag.max.messages 为4，之所以设置为 4， 是我们已经知道 producer 每次请求打过来的消息数都在 4 以下，如果我们的参数是作用于多个 topic 的情况，那么这个 producer 最大打过来的消息数目就不好估计了，或者说在经常出现流量抖动的情况下，就会出现一个什么情况呢，我们还是使用例子说明：

如果我们的 topic — foo 的 producer 因为流量抖动打过来一个 包含 4条消息的请求，我们设置的 replica.lag.max.messages 还是为4， 这个时候，所有的 follower 都会因为超出落后条数被踢出 ISR集合：

然后，因为 follower 是正常的，所以下一次 fetch 请求就会又追上 leader， 这时候就会再次加入 ISR 集合，如果经常性的抖动，就会不断的移入移出ISR集合，会造成令人头疼的 告警轰炸。

这里的核心问题是，在海量的 topic 情况下，或者经常性的流量抖动情况下，我们不能对 topic 的producer 每次打过来的消息数目做任何假设，所以就不太好定出来一个 合适的 eplica.lag.max.messages 值

一个配置全部搞定
其实只有两种情况是异常的，一种就是卡住，另外一种是follower 性能慢，如果我们只根据 follower 落后 leader 多少来判断是否应该把 follower 提出ISR集合，就必须要对流量进行预测估计，怎么才能避免这种不靠谱的估计呢，kafka 给出 的方案是这样的，对 replica.lag.time.max.ms 这个配置的含义做了增强，和之前一样，如果 follower 卡住超过这个时间不发送fetch请求， 会被踢出ISR集合，新的增强逻辑是，在 follower 落后 leader 超过 eplica.lag.max.messages 条消息的时候，不会立马踢出ISR 集合，而是持续落后超过 replica.lag.time.max.ms 时间，才会被踢出 ，这样就能避免流量抖动造成的运维问题，因为follower 在下一次fetch的时候就会跟上leader， 这样就也不用对 topic 的写入速度做任何的估计喽。
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