아파치 카프카(Apache Kafka)

카프카 (Kafka)

아파치 카프카(Apache Kafaka) 아파치 소프트웨어 재단이 스칼라로 개발한 오픈 소스 메시지 브로커 프로젝트이다. pub-sub모델 의 메세지 큐이며, 분산환경에 특화되어 설계되어 있다.

그로인해 기존의 RabbitMQ와 같은 다른 메세지 큐와의 성능 차이가 있다.(훨씬 빠르다.)

이 외에도 클러스터 구성, fail-over, replication과 같은 여러가지 특징을 가지고 있다.

 

pub-sub 모델 : 메시지를 보내고(Publish : 발행) 받는 (Subscribe : 구독) 형태의 통신

Publisher는 메세지를 topic을 통해 카테고리화 한다.

Receiver는 해당 topic을 구독(Subscribe) 함으로써 메세지를 읽어 올 수 있다.

Publisher는 topic에 대한 정보만 알고 있고, Subscriber도 topic만 바라본다.

Publisher와 Subscriber는 서로 모르는 상태다.

 

카프카의 구성요소 및 특징

• topic과 partition
• Producer, Consumer
• broker, zookeeper
• consumer group
• replication

 

Topic과 Partition

메세지는 topic으로 분류되고, topic은 여러개의 partition으로 나눠진다.

partition내의 한 칸은 log 라고 부른다. 데이터는 한 칸의 로그에 순차적으로 append 된다.

메세지의 상대적인 위치를 나타내는게 offset이다. 배열의 index라고 생각하면 편하다.

Topic & Partition

위 그림을 보면 하나의 Topic에 여러개의 Partition이 있는 것을 볼 수 있다.

이렇게 사용하는 이유는??

 

하나의 topic에 하나의 partition VS 하나의 topic에 여러개의 partition

메세지는 카프카의 해당 토픽에 쓰여진다. 쓰는 과정도 시간이 소비된다.

몇 백만건의 메세지가 동시에 카프카에 쓰여진다고 가정하면, 하나의 파티션에 순차적으로 append 될 텐데, 당연히 오래 걸릴 것이다.

그렇기 때문에 여러개의 파티션을 두어 분산저장을 하는 것이다.

쓰는 과정이 병렬로 처리되기 때문에 시간이 그 만큼 절약된다.

 

주의해야 할 점은 한 번 늘린 파티션은 절대로 줄일 수 없기 때문에 운영중에, 파티션을 늘려야 하는건 충분히 고려해봐야한다.

 

또한, 파티션을 늘렸을 때 메세지가 Round-robin 방식으로 쓰여진다. 즉, 순차적으로 메세지가 쓰여지지 않는다는 말이다.

해당 토픽의 소비자가 만약 메세지의 순서가 엄청 중요한 모델(증권 시스템)이라면 순서를 보장해 주지 않아 상당히 위험하다.

 

Producer, Consumer

Producer는 메세지를 생산하는 주체이다. 메세지를 만들고 Topic에 메세지를 쓴다.

Producer는 Consumer의 존재를 알지 못한다. 단순히 카프카에 메세지를 쓸 뿐이다.

만약 여러개의 토픽에 여러 파티션을 나누고, 특정 메세지에 따라 특정 파티션에 저장하고 싶다면, key 값을 통해 분류 할 수 있다. 하지만 구현하기 매우 어렵다.

Consumer는 소비자로써 메세지를 소비하는 주체이다. 마찬가지로 Producer의 존재를 알지 못한다.

해당 topic을 구독함으로써, 자기가 스스로 조절해가며 소비 할 수 있다.

소비를 했다는 표시는 해당 topic내의 각 파티션에 존재하는 offset의 위치를 통해 이전에 소비했던 offset 위치를 기억하고 관리한다. 혹여 Consumer가 죽었다 살아나도, 마지막으로 읽었던 위치에서 부터 다시 읽어들일 수 있다.

덕분에 fail-over에 대한 신뢰가 존재한다.

 

Consumer Group

Consumer Group

Consumer group은 말 그대로 consumer들의 묶음이다. 기본적인 룰이 존재하는데, 반드시 해당 topic의 partition은 그 consumer group과 1:n 매칭을 해야한다.

기본적인 룰 때문에 아래와 같은 상황이 존재한다.

1. partition 3개 : consumer 2개 => consumer 중 하나는 2개의 파티션을 소비한다.
2. partition 3개 : consumer 3개 => 각각 1:1 매칭
3. partition 3개 : consumer 4개 => consumer 1개는 아무것도 하지 않을 수 있다.

그렇기 때문에 파티션을 늘릴 때는, Consumer의 개수도 고려해야한다.

보통은 개수를 같이 맞춰주는 것을 권장하지만, 실제 메세지가 쌓이는 속도보다 처리하는 속도가 훨씬 빠르다면 굳이 1:1 매핑보다는 파티션 개수 => 컨슈머 개수로 설정하는 것도 나쁘지 않다.

 

Consumer group이 존재하는 이유는?

consumer group은 하나의 topic에 대한 책임을 가지고 있다.

같은 그룹내의 특정 consumer가 down 되면, 특정 consumer가 맡았던 partition에 대한 소비를 할 수 없는 상황이 된다. Rebalance된 상황이라고 한다. 파티션 재조정을 통해서 다른 consumer가 partition의 소비를 이어서 하게된다.

이는 offset 정보를 그룹내에서 서로간 공유하고 있기 때문에, down되기 직전의 offset위치를 알고 그 다음부터 소비하는 것이다.

 

Broker, Zookeeper

broker는 카프카의 서버를 칭한다. broker.id=1..n으로 함으로써 동일한 노드내에서 여러개의 broker 서버를 띄울 수도 있다.

zookeeper는 이러한 분산 메세지 큐의 정보를 관리해 주는 역할을 한다.

kafak를 띄우기 위해서는 zookeeper가 반드시 실행되어야 한다.

 

Replication

local에 broker3대를 띄우고 (replica-factor=3)으로 복제되는 경우를 살펴보자.

복제는 수평적으로 scale-out 이다. broker 3대에서 하나의 서버만 leader가 되고 나머지 둘은 follwer가 된다.

producer가 메세지를 쓰고, consumer가 메세지를 읽는 건 오로지 leader가 전적으로 역할을 담당한다.

 

그럼 나머지 follower 들은?

leader와 항상 싱크를 맞춘다. 만약 leader가 죽을 경우, 나머지 follower중에 하나가 leader로 선출되어 메세지의 쓰기/읽기를 처리한다.

 

설정하는 방법

Producer config 정보에서 ack(acknowlegement)옵션이 있다. 메세지를 보내고 잘 받았는지 확인받는 메세지다.

ack 옵션에 따라서 네트워크를 몇번을 타야하는지를 결정할 수 있다.

ack=1 로 하면, producer가 메세지를 leader한테 보내고 쓰여지고, 나머지 follower들이 똑같이 메세지를 다 복사할 때 까지 기다린다. 복사까지 완벽하게 되면 그제서야 ack 옵션을 producer에게 보낸다.

위와 같이 구성하면 leader가 뻗더라도 복제된 데이터가 follwer들에게 있어, 메시지 유실이 전혀 없지만, 복제할 때 까지 네트워크를 타고 흐르는 시간을 기달려야 한다.

그래서 보통은 default로 한다. leader한테만 쓰여지면 바로 ack를 받을 수 있도록 설정한다.

 

참고

위키백과 정의

https://medium.com/@umanking/%EC%B9%B4%ED%94%84%EC%B9%B4%EC%97%90-%EB%8C%80%ED%95%B4%EC%84%9C-%EC%9D%B4%EC%95%BC%EA%B8%B0-%ED%95%98%EA%B8%B0%EC%A0%84%EC%97%90-%EB%A8%BC%EC%A0%80-data%EC%97%90-%EB%8C%80%ED%95%B4%EC%84%9C-%EC%9D%B4%EC%95%BC%EA%B8%B0%ED%95%B4%EB%B3%B4%EC%9E%90-d2e3ca2f3c2