카프카 브로커
카프카 브로커는 카프카 클라이언트와 데이터를 주고받기 위해 사용하는 주체이자, 데이터를 분산 저장하여 장애가 발생하더라도 안전하게 사용할 수 있도록 도와주는 애플리케이션이다. 데이터를 안전하게 보관하고 처리하기 위해 보통 3대 이상의 브로커 서버를 1개의 클러스터로 묶어서 운영한다. 카프카 클러스터로 묶인 브로커들은 프로듀서가 보낸 데이터를 안전하게 분산 저장하고 복제하는 역할을 한다.
데이터 저장, 전송
프로듀서로부터 데이터를 전달받으면 카프카 브로커는 프로듀서가 요청한 토픽의 파티션에 데이터를 저장하고 컨슈머가 데이터를 요청하면 파티션에 저장된 데이터를 전달한다.
카프카는 메모리나 데이터베이스에 저장하지 않으며 따로 캐시메모리를 구현하여 사용하지도 않는다. 카프카는 파일 시스템에 저장한다. 카프카는 페이지 캐시(OS에서 파일 입출력의 성능 향상을 위해 만들어 놓은 메모리 영역)를 사용하여 디스크 입출력 속도를 높여서 파일 시스템의 속도 문제를 해결했다.
데이터 복제, 싱크
카프카는 클러스터로 묶인 브로커 중 일부에 장애가 발생하더라도 데이터를 유실하지 않고 안전하게 사용하게 하기 위해 복제를 한다. 데이터 복제는 카프카를 장애 허용 시스템으로 동작하도록 하는 원동력이다.
카프카의 데이터 복제는 파티션 단위로 이루어진다. 토픽을 생성할 때 파티션의 복제 개수(replication factor)도 같이 설정하는데 직접 옵션을 설정하지 않으면 브로커에 설정된 옵션으로 된다. 복제 개수의 최솟값은 1(복제 없음)이고 최댓값은 브로커 개수만큼 설정하여 사용할 수 있다.
복제된 파티션은 리더와 팔로워로 구성된다. 프로듀서 또는 컨슈머와 직접 통신하는 파티션을 리더, 나머지 복제 데이터를 가지고 있는 파티션을 팔로워라고 한다. 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)'라 한다. 파티션 복제로 인해 나머지 브로커에도 파티션의 데이터가 복제되므로 복제 개수만큼 저장 용량이 증가한다는 단점이 있다. 그러나 복제를 통해 데이터를안전하게 사용할 수 있다는 강력한 장점 때문에 카프카를 운영할 때 2 이상의 복제 개수를 정하는 것이 중요하다.
리더 파티션이 있는 브로커에서 장애가 발생했을 때 팔로워 파티션 중 하나가 리더 파티션 지위를 넘겨받는다. 이를 통해 데이터가 유실되지 않고 컨슈머나 프로듀서와 데이터를 주고받도록 동작할 수 있다.
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 세그먼트라고 한다. 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.segement.bytes 또는 log.segment.ms 옵션에 값이 설정되면 세그먼트 파일이 닫힌다. 세그먼트 파일이 닫히게 되는 기본값은 1GB 용량에 도달했을 때인데 간격을더 줄이고 싶다면 작은 용량으로 설정하면 된다. 그러나 너무 작은 용량으로 설정하면 데이터들을 저장하는 동안 세그먼트 파일을 자주 여닫음으로써 부하가 발생할 수 있다. 닫힌 세그먼트 파일은 log.retention.bytes 또는 log.retention.ms 옵션에 설정된 값이 넘으면 삭제된다. 닫힌 세그먼트 파일을 체크하는 간격은 카프카 브로커 옵션에 설정된 log.retention.check.interval.ms에 따른다.
컨슈머 오프셋 저장
컨슈머 그룹은 토픽이 특정 파티션으로부터 데이터를 가져가서 처리하고 이 파티션의 어느 레코드까지 가져갔는지 확인하기 위해 오프셋을 커밋한다. 커밋한 오프셋은 __consumer_offsets토픽에 저장한다. 여기에 저장된 오프셋을 토대로 컨슈머 그룹은 다음 레코드를 가져간다.
코디네이터
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 컨슈머로 재할당하는 과정을 '리밸런스(rebalance1)라고 한다.
주키퍼
주키퍼는 카프카의 메타데이터를 관리하는 데에 사용된다. 카프카 서버에서 직접 주키퍼에 붙으려면 카프카 서버에서 실행되고 있는 주키퍼에 연결해야 한다. 카프카 클러스터로 묶인 브로커들은 동일한 경로의 주키퍼 경로로 선언해야 같은 카프카 브로커 묶음이 된다. 만약 클러스터를 여러 개 운영한다면 한 개의 주키퍼에 다수의 카프카 클러스터를 연결해서 사용할 수도 있다.
