Blog do Aguiar

Como Funciona o Apache Kafka: Detalhes e Arquitetura

Introdução

O Apache Kafka é uma plataforma de streaming distribuída projetada para construir pipelines de dados em tempo real e aplicativos de streaming. Desenvolvido inicialmente pela LinkedIn, Kafka se tornou um projeto de código aberto da Apache Software Foundation. Este artigo explora em detalhes como o Kafka funciona, cobrindo sua arquitetura, componentes principais e fluxo de dados.

Arquitetura do Kafka

A arquitetura do Kafka é baseada em quatro componentes principais: Tópicos, Partições, Brokers e Zookeeper.

Tópicos

Um tópico é uma categoria ou feed de nome onde os registros são publicados. Os tópicos são particionados e replicados em vários servidores para garantir a escalabilidade e a tolerância a falhas.

Partições

Cada tópico é dividido em várias partições, que são unidades de paralelismo. As mensagens dentro de uma partição são ordenadas e identificadas por um número sequencial chamado offset. As partições permitem a escalabilidade horizontal, pois podem ser distribuídas entre vários brokers.

Brokers

Um broker Kafka é um servidor que armazena dados e serve como um intermediário entre produtores e consumidores. Vários brokers juntos formam um cluster Kafka, que distribui os dados e balanceia a carga de trabalho.

Zookeeper

O Apache Zookeeper é usado para a coordenação e gerenciamento de configuração no Kafka. Ele gerencia o cluster Kafka, mantém informações sobre a estrutura de tópicos, partições e réplicas, e ajuda a coordenar produtores e consumidores.

Fluxo de Dados no Kafka

O fluxo de dados no Kafka pode ser dividido em três partes principais: produção, armazenamento e consumo de mensagens.

Produção de Mensagens

Os produtores são clientes que publicam mensagens em um ou mais tópicos no Kafka. Eles enviam mensagens de maneira síncrona ou assíncrona e podem controlar como as mensagens são particionadas. Um produtor pode especificar a partição para uma mensagem ou deixar que o Kafka escolha uma partição baseada em uma chave fornecida.

ProducerRecord<String, String> record = new ProducerRecord<>("meu-topico", "chave", "mensagem");
producer.send(record);
Armazenamento de Mensagens

As mensagens são armazenadas em partições dentro dos tópicos. Cada partição armazena mensagens em ordem sequencial e atribui um offset único a cada mensagem. As partições são replicadas entre múltiplos brokers para garantir a durabilidade e a tolerância a falhas.

Consumo de Mensagens

Os consumidores são clientes que leem mensagens de um ou mais tópicos. Eles se inscrevem em tópicos e leem mensagens de partições atribuídas. Cada consumidor mantém o controle dos offsets das mensagens que já foram consumidas, permitindo o processamento eficiente e a reprocessamento em caso de falhas.


ConsumerRecords<String, String> records = consumer.poll(Duration.ofMillis(100));
for (ConsumerRecord<String, String> record : records) {
    System.out.printf("offset = %d, chave = %s, valor = %s%n", record.offset(), record.key(), record.value());
}

Coordenação e Balanceamento

Grupos de Consumidores

Um grupo de consumidores é um grupo de consumidores que trabalha em conjunto para consumir mensagens de um ou mais tópicos. Cada partição de um tópico é consumida por apenas um consumidor em um grupo, permitindo o processamento paralelo de mensagens.

Rebalanceamento

Quando um novo consumidor se junta a um grupo ou um consumidor sai, o Kafka executa um processo de rebalanceamento, redistribuindo as partições entre os consumidores. O rebalanceamento garante que as mensagens sejam consumidas de maneira eficiente e que a carga de trabalho seja distribuída uniformemente.

Comprometimento de Offsets

Os consumidores no Kafka comprometem periodicamente os offsets das mensagens consumidas. Isso permite que os consumidores retomem a leitura das mensagens do ponto em que pararam em caso de falhas. Os offsets podem ser comprometidos automaticamente pelo consumidor ou manualmente pelo aplicativo.

Tolerância a Falhas e Replicação

Replicação

Cada partição no Kafka é replicada entre múltiplos brokers para garantir a durabilidade dos dados. Um broker é designado como líder para cada partição, e os outros brokers são seguidores. O líder manipula todas as operações de leitura e escrita para a partição, enquanto os seguidores replicam os dados do líder.

Failover

Em caso de falha do líder, um dos seguidores é automaticamente promovido a líder, garantindo a continuidade do serviço. O Zookeeper coordena esse processo de failover, monitorando a saúde dos brokers e gerenciando a eleição de líderes.

Segurança

Autenticação

O Kafka suporta vários mecanismos de autenticação, incluindo SSL e SASL, para garantir que apenas clientes autorizados possam se conectar ao cluster.

Autorização

O Kafka fornece controle de acesso baseado em ACLs (listas de controle de acesso) para gerenciar permissões de leitura e escrita em tópicos e partições.

Criptografia

O Kafka suporta criptografia de dados em trânsito usando SSL, garantindo que os dados sejam protegidos durante a transmissão entre produtores, consumidores e brokers.

Monitoramento e Gestão

Métricas e Logs

O Kafka expõe uma ampla variedade de métricas JMX que podem ser usadas para monitorar o desempenho do cluster. Ferramentas como Prometheus e Grafana são frequentemente usadas para coletar e visualizar essas métricas.

Ferramentas de Gestão

Ferramentas de gestão, como o Confluent Control Center, oferecem interfaces gráficas para gerenciar e monitorar clusters Kafka, simplificando tarefas de administração e troubleshooting.

Conclusão

O Apache Kafka é uma plataforma poderosa e flexível para construção de pipelines de dados em tempo real e aplicativos de streaming. Sua arquitetura distribuída, suporte a alta taxa de transferência e durabilidade fazem do Kafka uma escolha ideal para muitas aplicações críticas. Compreender os detalhes de seu funcionamento é essencial para aproveitar ao máximo suas capacidades e garantir um desempenho e uma confiabilidade ótimos.

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