آپاچی کافکا چیست؟ + نگاهی به معماری، کاربرد و مزایا و معایب آن

در زمینه استریم داده‌ها، آپاچی کافکا به‌عنوان یک نام آشنا و محبوب شناخته می‌شود. برای بررسی این که Apache Kafka چیست و چه عملکردهایی را ارائه می‌دهد، در ادامه این مطلب با ما همراه باشید. Apache Kafka یک پلتفرم پردازش، ذخیره و ادغام استریم داده است که توانایی انجام این عملکردها را برای حجم‌های بسیار بالایی از داده‌ها دارد.

معرفی آپاچی کافکا

Apache Kafka پلتفرم استریم توزیع‌شده و اوپن سورس است که امکان انتقال پیام، نگه‌داری، پردازش و ادغام حجم بسیار بالایی از داده‌ها را به صورت بلادرنگ فراهم می‌کند. داده‌های استریم آن دسته از داده‌هایی هستند که به شکل مداوم توسط هزاران منبع داده تولید شده و معمولاً رکوردهای داده به‌طور همزمان ارسال می‌شوند. از جمله دلایلی که باعث شده تا این ابزار بتواند نیازهای کلان داده را برآورده کند، می‌توان به توان عملیاتی بالا، تأخیر کم و سطح بالایی از مقیاس پذیری اشاره کرد.

اما قابلیت‌های اصلی Apache Kafka چیست؟ این پلتفرم سه ویژگی اصلی شامل موارد زیر را ارائه می‌دهد:

• انتشار و اشتراک استریم رکوردها
• ذخیره مؤثر استریم رکوردها به ترتیب ایجاد آن‌ها
• پردازش استریم رکوردها در لحظه

در ابتدا آپاچی کافکا در لینکدین و به زبان جاوا و اسکالا برای حل مشکلات داخلی استریم داده‌های پیوسته نوشته شد. این پلتفرم پس از آن ساخته شد که تمام گزینه‌های موجود در بازار (از سیستم‌های پیام رسان تا ابزارهای ETL) بررسی شد و در نهایت مهندسان داده لینکدین تصمیم گرفتند راهکار کاملا جدیدی برای نظارت بر معیارها و ردیابی فعالیت کاربران ایجاد کنند؛ راهکاری که بتواند از پس میلیاردها پیام در روز بر آید.

معماری Apache Kafka

درک معماری این پلتفرم به ما کمک می‌کند تا به شکل دقیق‌تر بررسی کنیم که Apache Kafka چیست و بخش‌های مختلف آن چطور کار می‌کند. اساس عملکرد این سیستم، یک الگوی ارتباط ناهمزمان به نام الگوی انتشار/اشتراک (Publish/Subscribe) و یا همان Pub/Sub است. این الگو شامل سه بخش اصلی ناشر (Publisher)، مشترکین (Subscriber) و یک واسط پیام یا رویداد است.

• ناشر (Publisher): این بخش، واحدهای داده که تحت عنوان رویدادها یا پیام شناخته می‌شود را ایجاد کرده و آن‌ها را به جای مصرف کنندگان، به یک پلتفرم میان‌افزار (یک کارگزار یا Broker) هدایت می‌کند.
• مشترک (Subscriber): این بخش شامل یک برنامه دریافت کننده مانند برنامه‌ای برای کاربران نهایی و یا ابزار هوش تجاری است و برای اطلاع از آپدیت‌های خاص و دریافت آن‌ها، به یک broker لینک می‌دهد.

به این ترتیب، دو بخش Publisher و Subscriber اطلاعی از هم نداشته و تمام داده‌ها از طریق یک واسطه که در این جا همان آپاچی کافکا است، مدیریت شده و امنیت آن‌ها تضمین می‌شود. اگرچه Apache Kafka تنها گزینه موجود نیست، اما نسبت به سایر گزینه‌های مشابه از کیفیت عملکرد بالاتری برخوردار است. حالا که می‌دانیم معماری Apache Kafka چیست بیایید با بخش‌های مختلف آن آشنا شویم.

کلاستر کافکا و بروکرها

پلتفرم آپاچی کافکا به صورت یک کلاستر راه‌اندازی می‌شود. کلاستر شامل گروهی از سرورها یا کار گزاران (Brokers) است که مسئولیت ارتباط بین دو نوع کلاینت یعنی تولیدکنندگان (Producers) و مصرف کنندگان (Consumers) را برعهده دارد.  این دو نوع کلاینت، به همان ارتباط Pub/Sub اشاره دارد. براساس نوع عملکرد سخت افزاری، حتی یک بروکر می‌تواند برای ایجاد یک کلاستر که ده‌ها و حتی صدها رویداد را در ثانیه مدیریت می‌کند، کافی باشد. البته برای افزایش دسترسی‌پذیری (HA) و جلوگیری از دست رفتن داده‌ها، بهتر است حداقل از سه بروکر استفاده شود. در هر کلاستر، یک بروکر به صورت خودکار به عنوان نود کنترلر انتخاب می‌شود. بروکر کنترلر وظایف مدیریتی از جمله مانیتورینگ خطا را به عهده می‌گیرد. برای هماهنگی بروکرهای مختلف که در یک کلاستر قرار دارند از سرویس جداگانه‌ای به نام «Apache ZooKeeper» استفاده می‌شود.

موضوع (topic) و پارتیشن‌ها در کافکا

در پلتفرم آپاچی کافکا پیام‌های مرتبط، در موضوعات یا به عبارتی تاپیک‌های مختلفی که می‌توان آن‌ها را با پوشه‌های یک فایل‌سیستم مقایسه کرد، گروه‌بندی می‌شود. هر تاپیک به پارتیشن‌ها و بخش‌های مختلف تقسیم می‌شود. پارتیشن‌ها کوچک‌ترین واحدهای فضای ذخیره سازی هستند که دنباله‌ای مرتب از پیام‌ها را میزبانی می‌کنند. امکان اضافه کردن رکوردهای جدید به انتهای پارتیشن وجود دارد، اما نمی‌توان آن‌ها را بازنویسی یا جایگزین کرد. پیام‌های درون دنباله‌ها، شماره شناسه انحصاری تحت عنوان offset دارند که برای پیگیری موارد خوانده شده توسط مصرف کنندگان بسیار مفید خواهد بود.

ویژگی Pull-based consumption

موارد زیادی وجود دارد که به کمک آن‌ها می‌توانیم ببینیم که دلیل تفاوت سایر پلتفرم‌های مشابه با Apache Kafka چیست و این پلتفرم چه ویژگی متمایزی دارد. یکی از این ویژگی‌ها، رویکرد مبتنی بر Pull است. در سایر موارد مشابه، بروزرسانی‌های لازم برای پیام‌ها فوراً برای مشترکین ارسال می‌شود. اما در آپاچی کافکا، فرایند متفاوتی طی می‌شود. در کافکا، مشترکین برای دریافت پیام باید یک ارتباط را آغاز کنند یا پس از دریافت آپدیت و پردازش آن، برای بخش بعدی فرایند، یک درخواست دیگر ارسال کنند.

APIهای آپاچی کافکا

به‌طور کلی، عملکرد پلتفرم آپاچی کافکا از طریق پنج API اصلی ارائه می‌شود که عبارتند از:

• Producer API برای انتشار فیدهای داده به کافکا
• Consumer API برای مشترک شدن در تاپیک‌ها و خواندن آپدیت‌ها
• Streams API برای پردازش و تحلیل در لحظه، با قابلیت خواندن و نوشتن داده‌ها برای کافکا
• Connect API برای استریم مستقیم داده بین کافکا و سیستم‌های داده خارجی
• Admin API برای نظارت و مدیریت topic ها، Broker ها و سایر کامپوننت‌های کافکا

کاربردهای Apache Kafka چیست؟

حالا که می‌دانیم Apache Kafka چیست و چطور کار می‌کند، می‌توانیم با کاربردهای متنوع آن آشنا شویم. همانطور که قبلاً گفتیم، آپاچی کافکا نسبت به سایر پلتفرم‌های مشابه از محبوبیت بیشتر و کاربرد گسترده‌تری برخوردار است. از صنایع فعال در حوزه مراقبت‌های بهداشتی گرفته تا مشاغل مرتبط با حوزه سفر، شبکه‌های اجتماعی، خودروسازی و … همگی از این پلتفرم استفاده می‌کنند. برخی از شناخته شده‌ترین کاربران این پلتفرم شامل شرکت‌های اسپاتیفای، سیسکو، اوراکل، نت‌فلیکس، تسلا، توییتر، والمارت و … هستند. برخی از مهمترین موارد استفاده از Apache Kafka عبارتند از:

• ردیابی فعالیت کاربران در وب سایت ( مشابه اولین کاربرد کافکا در لینکدین)
• ارسال اعلان به کاربران نهای یا فعال کردن پیام‌های ناهمزمان (Asynchronous) بین مایکروسرویس‌ها
• جمع‌آوری معیارهای سیستم برای نظارت، هشدار و آنالیز
• تجمیع لاگ‌ها (سوابق تغییرات دیتابیس) برای ردیابی رخدادهای درون سیستم به صورت بلادرنگ، تکثیر داده‌ها بین گره‌ها و بازیابی داده‌های از دست رفته یا آسیب‌دیده
• پردازش داده‌ها در لحظه و اجرای تحلیل‌های مربوط به سرویس‌های استریم (از جمله سرویس‌های استریم ویدیو مثل نت‌فلیکس)

بیشتر بخوانید: وب سرور آپاچی چیست؟

مزایا و معایب آپاچی کافکا

برای درک بهتر محبوبیت پلتفرم آپاچی کافکا و این که آیا می‌خواهید از آن استفاده کنید یا خیر، باید با مزایا و معایب آن آشنایی داشته باشید.

مزایای Apache Kafka

بیایید ببینیم که مهمترین مزایای Apache Kafka چیست و چه نقاط قوتی درباره این پلتفرم وجود دارد.

تأخیر کم

یکی  از مهمترین ویژگی‌های این پلتفرم، تأخیر کمتر آن است که حداکثر به ۱۰ میلی ثانیه می‌رسد. این مسئله به این دلیل است که پیام‌ها را جدا کرده و به مصرف کننده اجازه می‌دهد از آنها در هر زمان استفاده کند.

توان عملیاتی بالا

از آنجایی که این پلتفرم تأخیر کمی دارد، قادر است تعداد پیام بیشتری را با حجم و سرعت بالاتر مدیریت کند. مدیریت هزاران پیام در هر یک ثانیه در این پلتفرم پشتیبانی می‌شود.

تحمل خطا

آپاچی کافکا یک ویژگی اساسی دارد که با کمک آن، در برابر خرابی گره یا ماشین درون کلاستر مقاوم می‌شود.

پایداری بیشتر

به لطف replication داده‌ها و پیام‌ها روی دیسک، پایداری این پلتفرم افزایش پیدا می‌کند.

سادگی دسترسی

به دلیل ذخیره تمام داده‌ها در آپاچی کافکا، دسترسی به داده‌ها در این پلتفرم بسیار ساده است.

سیستم توزیع شده

معماری توزیع شده در آپاچی کافکا باعث می‌شود که مقیاس‌پذیری بالایی داشته باشد. دو قابلیت مهم تحت سیستم توزیع شده، شامل پارتیشن بندی و replication است.

مدیریت در لحظه

apache kafka می‌تواند پایپ‌لاین داده‌ها را در لحظه مدیریت کند.

مقیاس پذیری بالا

کیفیت بالای آپاچی کافکا در روند رسیدگی به حجم بالایی از پیام‌‌ها به شکل همزمان، باعث می‌شود تا به یک پلتفرم بسیار مقیاس‌پذیر تبدیل شود.

معایب آپاچی کافکا

دیدیم که مهمترین ویژگی‌ها و مزایای Apache Kafka چیست و چه نقاط قوتی درباره آن وجود دارد، اما این پلتفرم ضعف‌هایی هم دارد که عبارتند از:

عدم ارائه مجموعه کاملی از ابزارهای مانیتورینگ

از آنجایی که آپاچی کافکا مجموعه کاملی از ابزارهای مانیتورینگ و مدیریت را ارائه نمی‌دهد، برخی از استارتاپ‌ها و کسب‌وکارهای جدید تمایلی به انتخاب آن ندارند.

مشکلات تغییر پیام

در کافکا، بروکر از تماس‌های سیستم برای رساندن پیام‌ها به مصرف کننده (consumer) استفاده می‌کند. در صورت نیاز به تغییرات در پیام، عملکرد آپاچی کافکا به میزان قابل توجهی ضعیف می‌شود. البته چنانچه نیاز به تغییر پیام نباشد، عملکرد این پلتفرم همچنان مناسب خواهد بود.

کاهش کارایی

گاهی ممکن است در کافکا با کاهش کارایی مواجه شوید. این شرایط در صورت انجام عملکرد فشرده‌سازی جریان داده یا خارج کردن آن از حالت فشرده جریان داده توسط بروکر و مصرف‌کنندگان اتفاق می‌افتد که نه تنها روی عملکرد، بلکه روی توان عملیاتی این پلتفرم تأثیر می‌گذارد.

کاهش دقت در برخی شرایط

اغلب در مواقعی که تعداد صف‌ها در کلاستر افزایش پیدا کند، دقت آپاچی کافکا کمتر می‌شود.

نداشتن برخی از پارادایم‌های پیام

برخی نمونه‌های پیام در آپاچی کافکا وجود ندارند.

مقایسه Apache Kafka در کنار سایر پلتفرم‌های مشابه

پلتفرم‌های متنوعی وجود دارد که برخی عملکردهای مشابه آپاچی کافکا را انجام می‌دهند و به همین دلیل می‌توان آن‌ها را به‌عنوان رقبای این پلتفرم در نظر گرفت. با این وجود، دلیل این اندازه از محبوبیت Apache Kafka چیست و چرا اغلب نسبت به سایر موارد مشابه، ترجیح داده می‌شود؟ با یک مقایسه کلی می‌توانیم دلیل این تفاوت را متوجه شویم.

مقایسه کافکا با Hadoop

یکی از شباهت‌های اصلی این دو پلتفرم آن است که هر دو داده‌ها را ذخیره کرده و آن‌ها را در مقیاس بزرگ‌تر پردازش می‌کنند. پلتفرم Hadoop با دسته‌ها (batches) سروکار دارد، در حالی که در آپاچی کافکا استریم‌ها نقش دارند. با وجود شباهت‌های زیاد، این دو پلتفرم اغلب کاربردهای متفاوتی خواهند داشت. معمولاً استفاده از Hadoop برای برنامه‌های تحلیلی سنگین که حساسیت زمانی ندارند و بینش‌هایی برای برنامه‌‌ریزی بلند مدت و تصمیم‌های استراتژیک ارائه می‌دهند، مناسب است. این در حالی است که Apache Kafka برای ساخت خدماتی که به عملکرد روزانه کسب‌وکار قدرت می‌دهند، مناسب است.

مقایسه Apache Kafka با ETL

خیلی از افراد آپاچی کافکا را به‌عنوان یک ETL با سرعت بالاتر می‌شناسند، در حالی که تفاوت‌های قابل توجهی بین این دو وجود دارد. فناوری‌های ETL یا همان Extract-Transform-Loading زمانی به وجود آمدند که همه محصولات نرم افزاری به شکل مستقیم با دیتابیس‌ها تعامل داشتند. انتقال اطلاعات بین دیتابیس‌ها همواره یک قابلیت کلیدی و اصلی برای ابزارهای ETL بوده است. امروزه برنامه‌های بیشتر و بیشتری به جای نگهداری دیتا با استریم رویدادها سروکار دارند و این مسئله‌ای است که ETL از پس آن بر نمی‌آید.

بسیاری از شرکت‌ها و کسب‌وکارها، برای حل این مشکل، دو فناوری را در کنار هم استفاده می‌کنند که شامل یک ETL و نوعی گذرگاه داده است که به برنامه‌ها اجازه اشتراک‌گذاری آپدیت‌ها و گردش کار را می‌دهد. اما تفاوت و مزیت Apache Kafka چیست؟  آپاچی کافکا این امکان را فراهم می‌کند که تمام جریان‌های داده مرتبط به کاربردهای مختلف را به هم پیوند دهید. در همین حین، توسعه دهندگان ETL ممکن است از پلتفرم دیتا استریم برای بارهای کاری خود (به ویژه در زمان نیاز به تغییرات در لحظه) استفاده کنند. به این ترتیب، به جای آن که یک فرآیند ETL به رقیب کافکا تبدیل شود، به‌عنوان تولید کننده یا مصرف کننده آن تبدیل می‌شود.

تفاوت نرم افزار MQ و Kafka

یکی از محبوب‌ترین کاربردهای آپاچی کافکا، قابلیت پیام رسانی است. کافکا، به‌عنوان یک پلتفرم MQ (صف‌بندی پیام یا Message Queue) مشابه IBM MQ ،ActiveMQ یا RabbitMQ نیز شناخته می‌شود. پس با این وجود، تفاوت آن‌ها با Apache Kafka چیست؟

کافکا عملکرد سریع‌تر و با مقیاس‌پذیری بالاتر ارائه داده و قادر به مدیریت تمام جریان‌های داده در سازمان است. همچنین این پلتفرم قادر است داده‌ها را تا هر زمان که بخواهید، ذخیره کرده و استریم‌ها را به صورت بلادرنگ پردازش کند. البته این مسئله به این معنی نیست که همیشه کافکا می‌تواند انتخاب بهتری باشد. معمولاً در مواقعی که حجم داده‌های روزانه شما کمتر (تا حداکثر چند هزار پیام در روز) است، استفاده از ابزارهای MQ دیگر انتخاب معقول‌تری خواهد بود.

جمع بندی

در این مطلب هر آنچه را که درباره پلتفرم آپاچی کافکا لازم است بدانید، بررسی کردیم. دیدیم که Apache Kafka چیست و نگاهی به معماری و اجزای تشکیل دهنده آن داشتیم. همچنین مزایا و معایب این پلتفرم را تشریح و اشاره کردیم که چه دلایلی باعث می‌شود تا شرکت‌های مختلف و شناخته شده در دنیا آن را انتخاب کنند.