OpenStack 上搭建 Kafka 集群

Kafka

最近在 OpenStack 环境下需要部署消息队列集群，包括 RabbitMQ 和 Kafka，这篇记述一下 Kafka 集群的部署过程。

本文所用的环境包括：

软件版本

  • OpenStack 版本: Pike release
  • Kafka 版本：2.11-2.0.0
  • Zookeeper 版本：3.4.8-1
  • 虚拟机系统：Ubuntu 16.04
  • Java 版本：openjdk 1.8.0_181

虚拟机信息：

  • 一共用到三台虚拟机；
  • zookeeper 和 Kafka 共用统一虚拟机；
  • 三台虚拟机信息：
    • hostname：kafka-1，IP：10.0.0.1，ID：1
    • hostname：kafka-2，IP：10.0.0.2，ID：2
    • hostname：kafka-3，IP：10.0.0.3，ID：3

注意：由于用到了多台服务器，所以以下操作步骤如无特殊说明，需要在全部三台虚拟机上执行。

0. 服务器配置

在进行 Kafka 和 zookeeper 集群配置之前要先做一些服务器的基础配置，主要是主机名的修改。

首先要先修改 hostname：

$ cat /etc/hostname
kafka-1/2/3

然后修改 hosts 文件，当然下面文件的内容是根据前面给出的配置信息进行填写的，大家需要根据自己服务器的 IP 和实际主机名进行对应修改。

$ cat /etc/hosts
......
10.0.0.1 kafka-1
10.0.0.2 kafka-2
10.0.0.3 kafka-3

1. Zookeeper 集群

Kafka 目前专注于消息处理方面的功能，大部分其他能力都是靠外部组件来实现的，比如搭建集群就需要依赖于 zookeeper，鉴权则用到了 Kerberos 和 SASL。所以第一步自然是要搭建 zookeeper 了。

当然 Kafka 是自带 Zookeeper 的，如果用自带 Zookeeper 的方式，可以实现单节点的 Kafka 集群，但本文讨论的是集群环境，所以不详细描述单节点的部署方式。

1.1 zookeeper 集群安装

之所以要用三个虚拟机，是因为 Zookeeper 集群需要至少三个节点才能正常工作，所以 zookeeper 的安装步骤当然是所有三台上都要执行。Zookeeper 用的是 Ubuntu 16.04 的默认版本，所以大家再去安装时，可以版本对不上，这不是问题，基本步骤应该没什么变化。

$ sudo apt update
$ sudo apt upgrade -y
$ sudo apt install -y openjdk-8-jre
$ sudo apt install -y zookeeperd

接下来要修改 zookeeper 的配置信息，第一步是要修改 zoo.cfg 中全部 zookeeper 器群服务器的地址信息。下面配置中的 kafka-* 这部分需要根据大家的环境信息替换为主机名或主机 IP。

$ cat /etc/zookeeper/conf/zoo.cfg
...
# specify all zookeeper servers
# The fist port is used by followers to connect to the leader
# The second one is used for leader election
#server.1=zookeeper1:2888:3888
#server.2=zookeeper2:2888:3888
#server.3=zookeeper3:2888:3888
server.1=kafka-1:2888:3888
server.2=kafka-2:2888:3888
server.3=kafka-3:2888:3888
...

最后要修改 /etc/zookeeper/conf/myid，这个文件就是集群的中的特殊标识，一般来讲，三台服务器的集群，三台服务器分别使用 1、2、3 就可以了。所以为了避免大家配置错误，下面把三台服务器的配置示例都贴了上来。

$ cat /etc/zookeeper/conf/myid # on kafka-1
1
$ cat /etc/zookeeper/conf/myid # on kafka-2
2
$ cat /etc/zookeeper/conf/myid # on kafka-3
3

到这里 zookeeper 的基本配置就完成了。

1.2 SASL 鉴权

完成基本配置后 zookeeper 就可以正常使用了，但问题是只要能访问到 zookeeper 的端口，谁都可以使用，没有校验机制，这是不可接受的。zookeeper 和 kafka 提供了两种安全验证机制：SSL 和 SASL，本文中使用的是 SASL，安全性上应该是 SSL 更好，不过 SASL 配置起来相对简单，所以暂时选用了 SASL。

zookeeper 为了实现 SASL 功能，需要引入一些 JAR 包，我把这些文件上传到了百度云盘，大家可以通过这个链接进行下载：
zookeeper-sasl-jar.tar.gz

下载后解压，并放到 zookeeper 的安装目录：

$ tar zxvf zookeeper-sasl-jar.tar.gz
$ sudo mv sasl /etc/zookeeper/

然后修改 zoo.cfg 文件：

$ cat /etc/zookeeper/conf/zoo.cfg
......
authProvider.1=org.apache.zookeeper.server.auth.SASLAuthenticationProvider
requireClientAuthScheme=sasl
jaasLoginRenew=3600000

接下来添加 jaas.conf 文件：

$ cat /etc/zookeeper/conf/jaas.conf
Server {
       org.apache.kafka.common.security.plain.PlainLoginModule required
       username="admin"
       password="admin-sec"
       user_kafka="kafka-sec"
       user_producer="prod-sec"
       user_consumer="cons-sec";
};

最后修改还需要修改 environment 文件，来加载之前的 jar 文件和 jaas.conf 文件。

$ cat /etc/zookeeper/conf/environment
......
JAVA_OPTS=" -Djava.security.auth.login.config=$ZOOCFGDIR/jaas.conf "


for i in "$ZOOCFGDIR"/../sasl/*.jar; do
  CLASSPATH="$i:$CLASSPATH"
done

SERVER_JVMFLAGS=" -Djava.security.auth.login.config=$ZOOCFGDIR/jaas.conf "

重启 zookeeper 完成配置：

$ sudo systemctl restart zookeeper.service

1.3 修改 systemd service 文件

zookeeper 的默认 systemd service 是自动生成的，为了实现 zookeeper service 启动失败后，可以自动重试，需要对配置文件做些修改。

$ cat /lib/systemd/system/zookeeper.service 
[Unit]
Documentation=customized zookeeper service unit file
SourcePath=/etc/init.d/zookeeper
Description=LSB: centralized coordination service
Before=multi-user.target
Before=graphical.target
Before=shutdown.target
After=remote-fs.target
Conflicts=shutdown.target

[Service]
Type=forking
Restart=no
TimeoutSec=5min
IgnoreSIGPIPE=no
KillMode=process
GuessMainPID=no
RemainAfterExit=yes
ExecStart=/etc/init.d/zookeeper start
ExecStop=/etc/init.d/zookeeper stop
ExecReload=/etc/init.d/zookeeper restart
KillMode=process
Restart=on-failure
RestartSec=5s

$ sudo systemctl daemon-reload
$ sudo systemctl restart zookeeper.service

1.4 验证

最后验证一下 zookeeper 集群是否正常运行，在三台服务器上分别执行执行脚本 zkServer.sh，集群中应该有显示为 leader，也有显示为 follower 的服务器。

$ /usr/share/zookeeper/bin/zkServer.sh status
ZooKeeper JMX enabled by default
Using config: /etc/zookeeper/conf/zoo.cfg
leader

2. Kafka 集群

Kafka 也是要在全部三台服务器上都要安装，所以没有特殊说明，本节的所有操作在所有节点上都要做。

2.1 Kafka 集群安装

Kafka 没有集成到 APT 中，所以从 Kafka 的官方下载地址下载即可，另外国内的化，改用清华的镜像源会快很多（下面的例子中用的就是清华的下载源）。

$ wget https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/apache/kafka/2.0.0/kafka_2.11-2.0.0.tgz
$ tar zxvf kafka_2.11-2.0.0.tgz
$ sudo mv kafka_2.11-2.0.0 /opt/
$ cd /opt 
$ sudo ln -s  kafka_2.11-2.0.0 kafka

另外 Kafka 的版本查看也颇为个性，一不留神就弄错了。Kafka 是没有一个 $ kafka --version 之类的命令可用，版本完全就是看下载的 Kafka 安装包：kafka_2.11-2.0.0.tgz ，这里面有两个数字，2.11 和 2.0.0，其中 2.11 是 Scala 的版本，2.0.0 才是 Kafka 的版本，大家一定要留意。

接下来配置服务器设置，主要有两点需要注意：

    1. 这三个参数都是用来配置 Kafka 的默认 Topic：__consumer_offsets，用来存储消费者状态，这三个参数的默认配置为 1，也就是说数据只有一个备份，这在生产环境下当然是不够安全的，建议改为 3。
offsets.topic.replication.factor=3
transaction.state.log.replication.factor=3
transaction.state.log.min.isr=3
    1. 注意替换 <id>，和 zookeeper 的 Myid 文件类似，也是给每个 Kafka broker 节点一个唯一的数字标识，在本文中，由于一共三个节点，每个节点上只有一个 broker，所以三台虚拟机设置为 1, 2, 3 即可。
$ cat /opt/kafka/config/server.properties
......
listeners=SASL_PLAINTEXT://kafka-<id>:9092

zookeeper.connect=kafka-1:2181,kafka-2:2181,kafka-3:2181

broker.id=<id>

advertised.listeners=kafka-<id>:9092

offsets.topic.replication.factor=3
transaction.state.log.replication.factor=3
transaction.state.log.min.isr=3

2.2 SASL 设置

Kafka 当然要配置用户名密码，设置方式和上面的 zookeeper 类似。先来讲讲 jaas.conf 文件：

  • KafkaServer 部分是用来让 Kafka broker 之间互连鉴权使用的，username 和 password 是设置当前 broker 自身的用户名密码，user_admin=“admin-sec” 则指明连接其他 broker 时用的用户名是 admin，密码是 admin-sec。
  • Client 部分是负责设置 Kafka 客户端（也就是 producer 和 consumer，以及一些 metrics exporter），连接 Kafka broker 时使用的密码。
$ cat /opt/kafka/config/jaas.conf
KafkaServer {
    org.apache.kafka.common.security.plain.PlainLoginModule required
    username="admin"
    password="admin-sec"
    user_admin="admin-sec"
    user_kafka="kafka-sec"
    user_producer="prod-sec"
    user_consumer="cons-sec";
};

Client {
    org.apache.kafka.common.security.plain.PlainLoginModule required
    username="kafka"
    password="kafka-sec";
};

jaas 文件配置好后，server.properties 文件也要做对应的修改：

$ cat /opt/kafka/config/server.properties
......
listeners=SASL_PLAINTEXT://kafka-<id>:9092
security.inter.broker.protocol=SASL_PLAINTEXT  
sasl.enabled.mechanisms=PLAIN  
sasl.mechanism.inter.broker.protocol=PLAIN  
authorizer.class.name=kafka.security.auth.SimpleAclAuthorizer
allow.everyone.if.no.acl.found=true

advertised.listeners=SASL_PLAINTEXT://kafka-<id>:9092

因为 Kafka 配置了密码，Kafka 的客户端连接 broker 也需要设置响应的密码，所以 consumer 和 producer 的配置里也要加上这些信息才能正常使用。

$ cat /opt/kafka/config/producer.properties 
......
security.protocol=SASL_PLAINTEXT
sasl.mechanism=PLAIN
sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.plain.PlainLoginModule required \
  username="kafka" \
  password="kafka-sec";

$ cat /opt/kafka/config/consumer.properties
......
security.protocol=SASL_PLAINTEXT
sasl.mechanism=PLAIN
sasl.jaas.config=org.apache.kafka.common.security.plain.PlainLoginModule required \
  username="kafka" \
  password="kafka-sec";

2.3 systemd service 文件

要保证 Kafka 能够每次虚拟机重启后都能自动启动，并且服务失败后，也会尝试重启，就要使用 systemd 来进行管理了，添加如下文件，并重启 Kafka。

$ cat /lib/systemd/system/kafka.service
[Unit]
Description=Apache Kafka server (broker)
Documentation=http://kafka.apache.org/documentation.html
Requires=network.target remote-fs.target
After=network.target remote-fs.target

[Service]
Type=simple
User=root
Group=root
Environment=JAVA_HOME=/usr/lib/jvm/java-1.8.0-openjdk-amd64
Environment=KAFKA_OPTS=-Djava.security.auth.login.config=/opt/kafka/config/jaas.conf
ExecStart=/opt/kafka/bin/kafka-server-start.sh /opt/kafka/config/server.properties
ExecStop=/opt/kafka/bin/kafka-server-stop.sh
ExecReload=/bin/kill -HUP $MAINPID
KillMode=process
Restart=on-failure
RestartSec=5s

[Install]
WantedBy=multi-user.target

$ sudo systemctl enable kafka.service
$ sudo systemctl start kafka.service

2.4 验证 Kafka 是否正常工作

运行以下命令查看 Kafka broker 节点列表，如果显示如下，证明已经三个节点都已经运行成功了。

$ /opt/kafka/bin/zookeeper-shell.sh localhost:2181 <<< "ls /brokers/ids"
Connecting to localhost:2181
Welcome to ZooKeeper!
JLine support is disabled

WATCHER::

WatchedEvent state:SyncConnected type:None path:null
[1, 2, 3]

3. 自动化

在 OpenStack 环境下使用 Kafka 集群必然不会是装好了就完事，而是需要把 Kafka 做成模板镜像，可以自动化的启动。经过上面的安装步骤，我们已经有了可用的 Kafka 虚拟机，虚拟机做快照，然后上传成镜像即可，接下来看看在镜像启后如何修改 Kafka 实例的信息，让其组成集群。下面这个 shell 脚本可以实现在启动时修改个性化信息的作用，需要在 OpenStack 启动实例时，通过 CloutInit 注入到虚拟机实例中。需要提前将该脚本放在虚拟机的 /usr/bin/ 目录下，调用方式如下：

$ /usr/bin/kafka-init.sh <server-id> <cluster-name> <kafka-1-ip> <kafka-2-ip> <kafka-3-ip> ......

解释一下上面命令参数的含义：

  • <server-id>：虚拟机在 kafka 集群中的唯一标识，取值范围为：1~255。
  • <cluster-name>：Kafka 集群的名字，主要用来配置集群中虚拟机的主机名，和 <server-id> 配合使用，例如 <server-id> 取值为 1，<cluster-name>取值为 "Kafka"，那么该主机的主机名就会设置为：Kafka-1。
  • <kafka-1-ip>：Kafka 集群中虚拟机节点的 IP 地址。

该脚本支持启动多于多于个节点的 Kafka 实例自动创建，最大值限制为 10 个节点，只要资源足够，也可以放宽上限的限制。

#!/bin/bash

PARAM_NUM=$#

if [[ "$PARAM_NUM" -le 4 ]] || [[ "$PARAM_NUM" -gt 12 ]]; then
    echo "Failed. Kafka cluster require at least 3 nodes and no more than 10 nodes. Your input is: $@"
    exit 0
fi

MYID=$1
CLUSTER_NAME=$2

HOST_NAME=$CLUSTER_NAME"-"$MYID
sudo echo $MYID > /etc/zookeeper/conf/myid
sudo hostname $HOST_NAME
sudo bash -c "echo $HOST_NAME > /etc/hostname"
sudo sed -i "s/kafka\-1/$HOST_NAME/g" /opt/kafka/config/server.properties
sudo sed -i "s/broker.id=0/broker.id=$MYID/g" /opt/kafka/config/server.properties

declare -a servers
index=0

for param in $@
do
    if [[ $index -gt 1 ]]; then
        eval "KAFKA_$((index-1))_IP=$param"
        echo "$param $CLUSTER_NAME-$((index-1))"
        echo "$param $CLUSTER_NAME-$((index-1))" >> /etc/hosts
        echo "server.$((index-1))=$CLUSTER_NAME-$((index-1)):2888:3888"
        echo "server.$((index-1))=$CLUSTER_NAME-$((index-1)):2888:3888" >> /etc/zookeeper/conf/zoo.cfg
        servers=("${servers[@]}" "$CLUSTER_NAME-$((index-1)):2181")
        echo ${servers[@]}
    fi
    index=$((index+1))
    echo $param
done

function join_by { local IFS="$1"; shift; echo "$*"; }
zookeeper_connect_str="zookeeper.connect="`join_by , ${servers[@]}`
echo $zookeeper_connect_str
echo $zookeeper_connect_str >> /opt/kafka/config/server.properties


sudo systemctl restart zookeeper.service
sleep 2
sudo systemctl restart kafka.service

sudo rm -f /usr/bin/kafka-init.sh

4. 连接测试

Kafka 集群已经就绪，接下来让我们用自带的 consumer 和 producer 客户端实际测试一下，看看 Kafka 能不能正常工作。先来创建一个名为 test 的 topic。

$ /opt/kafka/bin/kafka-topics.sh --create --zookeeper kafka-1:2181 --topic test --partitions 3 --replication-factor 3
$ /opt/kafka/bin/kafka-topics.sh --list --zookeeper kafka-1:2181
test

再分别启动 consumer 和 producer，在 producer 启动后出现的命令行中输入一些信息，consumer 中能正常读取到，那么就证明 Kafka 的基本功能没有问题了。

$ /opt/kafka/bin/kafka-console-producer.sh --broker-list kafka-1:9092,kafka-2:9092,kafka-3:9092 --topic test --producer.config /opt/kafka/config/producer.properties
> abc
> def
> ghi

$ /opt/kafka/bin/kafka-console-consumer.sh --consumer.config /opt/kafka/config/consumer.properties --bootstrap-server kafka-1:9092,kafka-2:9092,kafka-3:9092 --from-beginning --topic test
abc
def
ghi

5. 参考文档

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