Kafka 브로커, 클러스터, 주키퍼
카프카 브로커는 카프카 클라이언트와 데이터를 주고 받기 위해 사용하는 주체이자, 데이터를 분산 저장하여 장애가 발생하더라도 안전하게 사용할 수 있도록 도와주는 어플리케이션이다. 하나의 서버에는 한 개의 카프카 브로커 프로세스가 실행된다. 카프카 브로커 서버 1대로도 기본 기능이 실행되지만 데이터를 안전하게 보관하고 처리하기 위해 3대 이상의 브로커 서버를 1개의 클러스터로 묶어서 운영한다. 카프카 클러스터로 묶인 브로커들은 프로듀서가 보낸 데이터를 안전하게 분산 저장하고 복제하는 역할을 수행한다.
데이터 저장, 전송
프로듀서로부터 데이터를 전달 받으면 카프카 브로커는 프로듀서가 요청한 토픽의 파티션에 데이터를 저장하고 컨슈머가 데이터를 요청하면 파티션에 저장된 데이터를 전달한다. 프로듀서로부터 전달된 데이터는 파일 시스템에 저장된다.
config/server.properties 의 log.dir 옵션에 정의한 디렉토리에 데이터를 저장한다. 토픽 이름과 파티션 번호의 조합으로 하위 디렉토리를 생성하여 데이터를 저장한다. 파티션이 11개면 11개의 디렉토리가 생성된다.
index는 메시지의 오프셋을 인덱싱한 정보를 담는 파일이다. timeindex 파일에는 메시지에 포함된 timestamp값을 기준으로 인덱싱한 정보가 담겨 있다. 카프카 0.10.0.0 버전 이후로 메시지에는 timestamp값이 포함된다. timestamp 값은 브로커가 적재한 데이터를 삭제하거나 압축하는 데에 사용한다.
카프카는 메모리나 데이터베이스에 저장하지 않으며 따로 캐시메모리를 구현하여 사용하지도 않는다. 파일 시스템에 저장하기 때문에 파일 입출력으로 인해 속도 이슈가 발생하지 않을까 의문을 가질 수 있다. 일반적으로 파일 시스템은 다루기 편하지만 지속적으로 입출력할 경우 메모리에 올려서 사용하는 것보다 처리 속도가 현저히 느리기 때문이다. 그러나 카프카는 페이지 캐시(page cache)를 사용하여 디스크 입출력 속도를 높여서 이 문제를 해결했다.
페이지 캐시란 OS에서 파일 입출력의 성능 향상을 위해 만들어 놓은 메모리 영역을 뜻 한다. 추 후 동일한 파일의 접근이 일어나면 디스크에서 읽지 않고 메모리에서 직접 읽는 방식이다.
JVM 위에서 동작하는 카프카 브로커가 페이지 캐시를 사용하지 않는다면 매우 느릴 것이고, 캐시를 직접 구현해야 하며, 지속적으로 변경되는 데이터 때문에 가비지 컬렉션이 자주 일어나 속도가 현저히 느려졌을 것이다. </u>이러한 특징 때문에 카프카 브로커를 실행하는데 힙 메모리 사이즈를 크게 설정할 필요가 없다.</u>
데이터 복제, 싱크
데이터 복제(replication)는 카프카를 장애 허용 시스템으로 동작하도록 하는 원동력이다. 복제의 이유는 클러스터로 묶인 브로커 중 일부에 장애가 발생하더라도 데이터를 유실하지 않고 안정하게 사용하기 위함이다.
카프카의 데이터 복제는 파티션 단위로 이루어진다. 토픽을 생성할 때 파티션의 복제 개수(replication factor)도 같이 설정되는데 직접 옵션을 선택하지 않으면 브로커에 설정된 옵션값을 따라간다. 복제 개수의 최솟값은 1(복제 없음)이고 최댓값은 브로커 개수만큼 설정하여 사용할 수 있다.
복제된 파티션은 리더(leader)와 팔로워로 구성된다. 프로듀서 또는 컨슈머와 직접 통신하는 파티션을 리더, 나머지 복제 데이터를 가지고 있는 파티션을 팔로워라고 부른다. 팔로워 파티션들은 리더 파티션의 오프셋을 확인하여 현재 자신이 가지고 있는 오프셋과 차이가 나는 경우 리더 파티션으로부터 데이터를 가져와서 자신의 파티션에 저장하는데, 이 과정을 ‘복제(replication)’ 라고 부른다. 파티션 복제로 인해 나머지 브로커에도 파티션의 데이터가 복제되므로 복제 개수만큼의 저장 용량이 증가한다는 단점이 있다. 그러나 복제를 통해 데이터를 안전하게 사용할 수 있다는 강력한 장점 때문에 카프카를 운영할 때 2 이상의 복제 개수를 정하는 것이 중요하다.
아래는 브로커 0에 장애가 발생한 경우다.
브로커가 다운되면 해당 브로커에 있는 리더 파티션은 사용할 수 없기 때문에 팔로워 파티션 중 하나가 리더 파티션 지위를 넘겨받는다. 이를 통해 데이터가 유실되지 않고 컨슈머나 프로듀서와 데이터를 주고받도록 동작할 ㅅ ㅜ있다. 운영 시에는 데이터 종류마다 다른 복제 개수를 설정하고 상황에 따라서는 토픽마다 복제 개수를 다르게 설정하여 운영하기도 한다. 데이터가 일부 유실되어도 무관하고 데이터 처리 속도가 중요하다면 1 또는 2로 설정한다.
컨트롤러
클러스터의 다수 브로커 중 한 대가 컨트롤러의 역할을 한다. 컨트롤러는 다른 브로커들의 상태를 체크하고 브로커가 클러스터에서 빠지는 경우 해당 브로커에 존재하는 리더 파티션을 재분배한다. 카프카는 지속적으로 데이터를 처리해야 하므로 브로커의 상태가 비정상이라면 빠르게 클러스터에서 빼내는 것이 중요하다. 만약 컨트롤러 역할을 하는 브로커에 장애가 생기면 다른 브로커가 컨트롤러 역할을 한다.
데이터 삭제
카프카는 다른 메시징 플랫폼과 다르게 컨슈머가 데이터를 가져가더라도 토픽의 데이터는 삭제되지 않는다. 또한, 컨슈머나 프로듀서가 데이터 삭제를 요청할 수도 없다. 오직 브로커만이 데이터를 삭제할 수 있다. 데이터 삭제는 파일 단위로 이루어지는데 이 단위를 로그 세그먼트(log segment) 라고 부른다. 이 세그먼트에는 다수의 데이터가 들어 있기 때문에 일반적인 데이터베이스처럼 특정 데이터를 선별해서 삭제할 수 없다. 세그먼트는 데이터가 쌓이는 동안 파일 시스템으로 열려있으며 카프카 브로커에 log.segment.bytes 또는 log.segment.ms 옵션에 값이 설정되면 세그먼트 파일이 닫힌다. 세그먼트 파일이 닫히게 되는 기본값은 1GB 용량에 도달했을 때인데 간격을 더 줄이고 싶다면 작은 용량으로 설정하면 된다. 그러나 너무 작은 용량으로 설정하면 데이터들을 저장하는 동안 세그먼트 파일을 자주 여닫음으로써 부하가 발생할 수 있으므로 주의해야 한다. 닫힌 세그먼트 파일은 log.retention.bytes 또는 log.retention.ms 옵션에 설정값이 넘으면 삭제된다. 닫힌 세그먼트 파일을 체크하는 간격은 카프카 브로커의 옵션에 설정된 log.retention.check.interval.ms 에 따른다.
카프카는 데이터를 삭제하지 않고 메시지 키를 기준으로 오래된 데이터를 압축하는 정책을 가져갈 수도 있다.
컨슈머 오프셋 저장
컨슈머 그룹은 토픽이 특정 파티션으로부터 데이터를 가져가서 처리하고 이 파티션의 어느 레코드까지 가져갔는지 확인하기 위해 오프셋을 커밋한다. 커밋한 오프셋은 _consumer_offsets 토픽에 저장한다. 여기 저장된 오프셋을 토대로 컨슈머 그룹은 다음 레코드를 가져가서 처리한다.
코데네이터(coordinator)
클러스터의 다수 브로커 중 한 대는 코디네이터의 역할을 수행한다. 코디네이터는 컨슈머 그룹의 상태를 체크하고 파티션을 컨슈머와 매칭되도록 분배하는 역할을 한다. 컨슈머가 컨슈머 그룹에서 빠지면 매칭되지 않은 파티션을 정상 동작하는 컨슈머로 할당하여 끊임없이 데이터가 처리되도록 도와준다. 이렇게 파티션을 정상 동작하는 컨슈머로 할당하여 끊임없이 데이터가 처리되도록 도와준다. 이렇게 파티션을 컨슈머로 재할당하는 과정을 ‘리밸런스(rebalance)’ 라고 부른다.
카프카에서 주키퍼의 역할
주키퍼는 카프카의 메타데이터를 관리하는 데에 사용된다. 주키퍼 쉘 명령어는 zookeeper-shell.sh로 실행할 수 있으며 bin 폴더 안에 있다. 카프카 서버에서 직접 주키퍼에 붙으려면 카프카 서버에서 실행되고 있는 주키퍼에 연결해야 하는데, 동일 환경에서 접속함,로 localhost로 접속하며 포트 번호는 주키퍼 기본 포트인 2181을 입력하면 된다.
zookeeper-shee.sh 명령어와 my-kafka:2181 옵션을 함께 사용하여 동일 환경에서 실행되는 주키퍼에 접속할 수 있다. 주키퍼 쉘을 통해 znode를 조회하고 수정할 수 있다.
root znode의 하위 znode들을 확인할 수 있다. 주키퍼의 하위 경로로 지정하지 않으면 root znode를 기준으로 데이터를 저장한다.
어떤 보안 규칙으로 통신하는지, jmx port 상태 정보, host 정보 등을 확인할 수 있다.
어느 브로커가 컨트롤러(controller) 인지에 대한 정보를 가져온다.
주키퍼 공식 문서 홈페이지 : http://bit.ly/2NTXSMS
카프카 클러스터로 묶인 브로커들은 동일한 경로의 주키퍼 경로로 선언해야 같은 카프카 브로커 묶음이 된다. 만약 클러스터를 여러 개로 운영한다면 한 개의 주키퍼에 다수의 카프카 클러스터를 연결해서 사용할 수도 있다.
주키퍼의 서로 다른 znode에 카프카 클러스터들을 설정하면 된다. znode란 주키퍼에서 사용하는 데이터 저장 단위이다. 마치 파일 시스템처러 znode 간에 계층 구조를 가진다. 1개의 znode에는 n개의 하위 znode가 존재하고 계속해서 tree 구조로 znode가 존재할 수 있다. 2개 이상의 카프카 클러스터를 구축할 때는 root znode 가 아닌 한 단계 아래의 znode를 카프카 브로커 옵션으로 지정하도록 한다. 각기 다른 하위 znode로 설정된 서로 다른 카프카 클러스터는 각 클러스터의 데이터에 영향을 미치지 않고 정상 동작한다.
- 파이프라인용 카프카 클러스터 : zookeeper.connect=localhost:2181/pipeline
- 실시간 추천용 카프카 클러스터 : zookeeper.connect=localhost:2181/recommend