Kafka的Producer、Broker和Consumer之间采用的是一套自行设计的基于TCP层的协议。Kafka的这套协议完全是为了Kafka自身的业务需求而定制的，而非要实现一套类似于Protocol Buffer的通用协议。
基本数据类型
定长数据类型：int8,int16,int32和int64，对应到Java中就是byte, short, int和long。
变长数据类型：bytes和string。变长的数据类型由两部分组成，分别是一个有符号整数N(表示内容的长度)和N个字节的内容。其中，N为-1表示内容为null。bytes的长度由int32表示，string的长度由int16表示。
数组：数组由两部分组成，分别是一个由int32类型的数字表示的数组长度N和N个元素。
Kafka支持下面几种压缩方式，
压缩方式 编码
不压缩 0
Gzip 1
Snappy 2
LZ4 3
Kafka中读写message有如下特点:
写message
消息从java堆转入page cache(即物理内存)。
由异步线程刷盘,消息从page cache刷入磁盘。
读message
消息直接从page cache转入socket发送出去。
当从page cache没有找到相应数据时，此时会产生磁盘IO,从磁
盘Load消息到page cache,然后直接从socket发出去
Kafka高效文件存储设计特点
Kafka把topic中一个parition大文件分成多个小文件段，通过多个小文件段，就容易定期清除或删除已经消费完文件，减少磁盘占用。
通过索引信息可以快速定位message和确定response的最大大小。
通过index元数据全部映射到memory，可以避免segment file的IO磁盘操作。
通过索引文件稀疏存储，可以大幅降低index文件元数据占用空间大小。
Kafka判断一个节点是否活着有两个条件：
1. 节点必须可以维护和ZooKeeper的连接，Zookeeper通过心跳机制检查每个节点的连接。
2. 如果节点是个follower,他必须能及时的同步leader的写操作，延时不能太久。
Leader会追踪所有“同步中”的节点，一旦一个down掉了，或是卡住了，或是延时太久，leader就会把它移除。至于延时多久算是“太久”，是由参数replica.lag.max.messages决定的，怎样算是卡住了，怎是由参数replica.lag.time.max.ms决定的。
只有当消息被所有的副本加入到日志中时，才算是“committed”，只有committed的消息才会发送给consumer，这样就不用担心一旦leader down掉了消息会丢失。Producer也可以选择是否等待消息被提交的通知，这个是由参数request.required.acks决定的。
Kafka保证只要有一个“同步中”的节点，“committed”的消息就不会丢失。
Kafaka动态维护了一个同步状态的副本的集合（a set of in-sync replicas），简称ISR，在这个集合中的节点都是和leader保持高度一致的，任何一条消息必须被这个集合中的每个节点读取并追加到日志中了，才回通知外部这个消息已经被提交了。因此这个集合中的任何一个节点随时都可以被选为leader.ISR在ZooKeeper中维护。ISR中有f+1个节点，就可以允许在f个节点down掉的情况下不会丢失消息并正常提供服。ISR的成员是动态的，如果一个节点被淘汰了，当它重新达到“同步中”的状态时，他可以重新加入ISR.这种leader的选择方式是非常快速的，适合
是什么原因导致分区的副本与leader不同步
一个副本可以不同步Leader有如下几个原因
慢副本：在一定周期时间内follower不能追赶上leader。最常见的原因之一是I / O瓶颈导致follower追加复制消息速度慢于从leader拉取速度。
卡住副本：在一定周期时间内follower停止从leader拉取请求。follower replica卡住了是由于GC暂停或follower失效或死亡。
新启动副本：当用户给主题增加副本因子时，新的follower不在同步副本列表中，直到他们完全赶上了leader日志。
一个partition的follower落后于leader足够多时，被认为不在同步副本列表或处于滞后状态。在Kafka-0.8.2.x中,副本滞后判断依据是副本落后于leader最大消息数量(replica.lag.max.messages)或replicas响应partition leader的最长等待时间(replica.lag.time.max.ms)。前者是用来检测缓慢的副本,而后者是用来检测失效或死亡的副本
复制（Replication）
1）一个partition的复制个数（replication factor）包括这个partition的leader本身。
2）所有对partition的读和写都通过leader。
3）Followers通过pull获取leader上log（message和offset）
4）如果一个follower挂掉、卡住或者同步太慢，leader会把这个follower从”in sync replicas“（ISR）列表中删除。
5）当所有的”in sync replicas“的follower把一个消息写入到自己的log中时，这个消息才被认为是”committed“的。
6）如果针对某个partition的所有复制节点都挂了，Kafka选择最先复活的那个节点作为leader（这个节点不一定在ISR里）。
负载均衡
1）producer可以自定义发送到哪个partition的路由规则。默认路由规则：hash(key)%numPartitions，如果key为null则随机选择一个partition。
2）自定义路由：如果key是一个user id，可以把同一个user的消息发送到同一个partition，这时consumer就可以从同一个partition读取同一个user的消息。
异步批量发送
批量发送：配置不多于固定消息数目一起发送并且等待时间小于一个固定延迟的数据。
副本配置规则
真正重要的事情是检测卡或慢副本,这段时间follower replica是“out-of-sync”落后于leader。在服务端现在只有一个参数需要配置replica.lag.time.max.ms。这个参数解释replicas响应partition leader的最长等待时间。检测卡住或失败副本的探测——如果一个replica失败导致发送拉取请求时间间隔超过replica.lag.time.max.ms。Kafka会认为此replica已经死亡会从同步副本列表从移除。检测慢副本机制发生了变化——如果一个replica开始落后leader超过replica.lag.time.max.ms。Kafka会认为太缓慢并且会从同步副本列表中移除。除非replica请求leader时间间隔大于replica.lag.time.max.ms，因此即使leader使流量激增和大批量写消息。Kafka也不会从同步副本列表从移除该副本。