CWYAlpha

Just another WordPress.com site

Thought this was cool: ZeroMQ的学习和研究

leave a comment »


ZeroMQ,史上最快的消息队列

—– ZMQ的学习和研究

一、ZeroMQ的背景介绍

引用官方的说法: “ZMQ(以下ZeroMQ简称ZMQ)是一个简单好用的传输层,像框架一样的一个socket library,他使得Socket编程更加简单、简洁和性能更高。是一个消息处理队列库,可在多个线程、内核和主机盒之间弹性伸缩。ZMQ的明确目标是“成为标准网络协议栈的一部分,之后进入Linux内核”。现在还未看到它们的成功。但是,它无疑是极具前景的、并且是人们更加需要的“传统”BSD套接字之上的一 层封装。ZMQ让编写高性能网络应用程序极为简单和有趣。”

近几年有关”Message Queue”的项目层出不穷,知名的就有十几种,这主要是因为后摩尔定律时代,分布式处理逐渐成为主流,业界需要一套标准来解决分布式计算环境中节点之间的消息通信。几年的竞争下来,Apache基金会旗下的符合AMQP/1.0标准的RabbitMQ已经得到了广泛的认可,成为领先的MQ项目。

与RabbitMQ相比,ZMQ并不像是一个传统意义上的消息队列服务器,事实上,它也根本不是一个服务器,它更像是一个底层的网络通讯库,在Socket API之上做了一层封装,将网络通讯、进程通讯和线程通讯抽象为统一的API接口。

二、ZMQ是什么?

阅读了ZMQ的Guide文档后,我的理解是,这是个类似于Socket的一系列接口,他跟Socket的区别是:普通的socket是端到端的(1:1的关系),而ZMQ却是可以N:M 的关系,人们对BSD套接字的了解较多的是点对点的连接,点对点连接需要显式地建立连接、销毁连接、选择协议(TCP/UDP)和处理错误等,而ZMQ屏蔽了这些细节,让你的网络编程更为简单。ZMQ用于node与node间的通信,node可以是主机或者是进程。

三、本文的目的

在集群对外提供服务的过程中,我们有很多的配置,需要根据需要随时更新,那么这个信息如果推动到各个节点?并且保证信息的一致性和可靠性?本文在介绍ZMQ基本理论的基础上,试图使用ZMQ实现一个配置分发中心。从一个节点,将信息无误的分发到各个服务器节点上,并保证信息正确性和一致性。

四、ZMQ的三个基本模型

ZMQ提供了三个基本的通信模型,分别是“Request-Reply “,”Publisher-Subscriber“,”Parallel Pipeline”,
我们从这三种模式一窥ZMQ的究竟

ZMQ的hello world!

由Client发起请求,并等待Server回应请求。请求端发送一个简单的hello,服务端则回应一个world。请求端和服务端都可以是 1:N 的模型。通常把 1 认为是 Server ,N 认为是Client 。ZMQ 可以很好的支持路由功能(实现路由功能的组件叫作Device),把 1:N 扩展为N:M (只需要加入若干路由节点)。如图1所示:

图1:ZMQ的Request-Reply 通信

服务端的php程序如下:

<?php
/*
* Hello World server
* Binds REP socket to tcp://*:5555
* Expects "Hello" from client, replies with "World"
* @author Ian Barber &lt;ian(dot)barber(at)gmail(dot)com&gt;
*/
$context = new ZMQContext(1);
// Socket to talk to clients
$responder = new ZMQSocket($context, ZMQ::SOCKET_REP);
$responder-&gt;bind("tcp://*:5555");
while(true) {
// Wait for next request from client
$request = $responder-&gt;recv();
printf ("Received request: [%s]\n", $request);

// Do some 'work'
sleep (1);

// Send reply back to client
$responder-&gt;send("World");
}

Client程序如下:

<?php

/*

 *  Hello World client

 *  Connects REQ socket to tcp://localhost:5555

 *  Sends "Hello" to server, expects "World" back

 * @author Ian Barber &lt;ian(dot)barber(at)gmail(dot)com&gt;

 */
$context = new ZMQContext();

//  Socket to talk to server

echo "Connecting to hello world server...\n";

$requester = new ZMQSocket($context, ZMQ::SOCKET_REQ);

$requester-&gt;connect("tcp://localhost:5555");

for($request_nbr = 0; $request_nbr != 10; $request_nbr++) {

    printf ("Sending request %d...\n", $request_nbr);

    $requester-&gt;send("Hello");

    $reply = $requester-&gt;recv();

    printf ("Received reply %d: [%s]\n", $request_nbr, $reply);

}

从以上的过程,我们可以了解到使用ZMQ写基本的程序的方法,需要注意的是:

a) 服务端和客户端无论谁先启动,效果是相同的,这点不同于Socket。

b) 在服务端收到信息以前,程序是阻塞的,会一直等待客户端连接上来。

c) 服务端收到信息以后,会send一个“World”给客户端。值得注意的是一定是client连接上来以后,send消息给Server,然后Server再rev然后响应client,这种一问一答式的。如果Server先send,client先rev是会报错的。

d) ZMQ通信通信单元是消息,他除了知道Bytes的大小,他并不关心的消息格式。因此,你可以使用任何你觉得好用的数据格式。Xml、Protocol Buffers、Thrift、json等等。

e) 虽然可以使用ZMQ实现HTTP协议,但是,这绝不是他所擅长的。

ZMQ的Publish-subscribe模式

我们可以想象一下天气预报的订阅模式,由一个节点提供信息源,由其他的节点,接受信息源的信息,如图2所示:

图2:ZMQ的Publish-subscribe

示例代码如下 :

Publisher:

<?php
/*
* Weather update server
* Binds PUB socket to tcp://*:5556
* Publishes random weather updates
* @author Ian Barber &lt;ian(dot)barber(at)gmail(dot)com&gt;
*/

// Prepare our context and publisher
$context = new ZMQContext();
$publisher = $context-&gt;getSocket(ZMQ::SOCKET_PUB);
$publisher-&gt;bind("tcp://*:5556");

while (true) {
// Get values that will fool the boss
$zipcode = mt_rand(0, 100000);
$temperature = mt_rand(-80, 135);
$relhumidity = mt_rand(10, 60);

// Send message to all subscribers
$update = sprintf ("%05d %d %d", $zipcode, $temperature, $relhumidity);
$publisher-&gt;send($update);
}</pre>
Subscriber
<pre>&lt;?php
/*
* Weather update client
* Connects SUB socket to tcp://localhost:5556
* Collects weather updates and finds avg temp in zipcode
* @author Ian Barber &lt;ian(dot)barber(at)gmail(dot)com&gt;
*/

$context = new ZMQContext();

// Socket to talk to server
echo "Collecting updates from weather server…", PHP_EOL;
$subscriber = new ZMQSocket($context, ZMQ::SOCKET_SUB);
$subscriber-&gt;connect("tcp://localhost:5556");

// Subscribe to zipcode, default is NYC, 10001
$filter = $_SERVER['argc'] &gt; 1 ? $_SERVER['argv'][1] : "10001";
$subscriber-&gt;setSockOpt(ZMQ::SOCKOPT_SUBSCRIBE, $filter);

// Process 100 updates
$total_temp = 0;
for ($update_nbr = 0; $update_nbr &lt; 100; $update_nbr++) {
$string = $subscriber-&gt;recv();
sscanf ($string, "%d %d %d", $zipcode, $temperature, $relhumidity);
$total_temp += $temperature;
}
printf ("Average temperature for zipcode '%s' was %dF\n",
$filter, (int) ($total_temp / $update_nbr));

这段代码讲的是,服务器端生成随机数zipcode、temperature、relhumidity分别代表城市代码、温度值和湿度值。然后不断的广播信息,而客户端通过设置过滤参数,接受特定城市代码的信息,收集完了以后,做一个平均值。

a) 与Hello World不同的是,Socket的类型变成SOCKET_PUB和SOCKET_SUB类型。

b) 客户端需要$subscriber->setSockOpt(ZMQ::SOCKOPT_SUBSCRIBE, $filter);设置一个过滤值,相当于设定一个订阅频道,否则什么信息也收不到。

c) 服务器端一直不断的广播中,如果中途有Subscriber端退出,并不影响他继续的广播,当Subscriber再连接上来的时候,收到的就是后来发送的新的信息了。这对比较晚加入的,或者是中途离开的订阅者,必然会丢失掉一部分信息,这是这个模式的一个问题,所谓的Slow joiner。稍后,会解决这个问题。

d) 但是,如果Publisher中途离开,所有的Subscriber会hold住,等待Publisher再上线的时候,会继续接受信息。

ZMQ的PipeLine模型

想象一下这样的场景,如果需要统计各个机器的日志,我们需要将统计任务分发到各个节点机器上,最后收集统计结果,做一个汇总。PipeLine比较适合于这种场景,他的结构图,如图3所示。

图3:ZMQ的PipeLine模型

Parallel task ventilator in PHP

<?php
/*
* Task ventilator
* Binds PUSH socket to tcp://localhost:5557
* Sends batch of tasks to workers via that socket
* @author Ian Barber &lt;ian(dot)barber(at)gmail(dot)com&gt;
*/

$context = new ZMQContext();

// Socket to send messages on
$sender = new ZMQSocket($context, ZMQ::SOCKET_PUSH);
$sender-&gt;bind("tcp://*:5557");

echo "Press Enter when the workers are ready: ";
$fp = fopen('php://stdin', 'r');
$line = fgets($fp, 512);
fclose($fp);
echo "Sending tasks to workers…", PHP_EOL;

// The first message is "0" and signals start of batch
$sender-&gt;send(0);

// Send 100 tasks
$total_msec = 0; // Total expected cost in msecs
for ($task_nbr = 0; $task_nbr &lt; 100; $task_nbr++) {
// Random workload from 1 to 100msecs
$workload = mt_rand(1, 100);
$total_msec += $workload;
$sender-&gt;send($workload);

}
printf ("Total expected cost: %d msec\n", $total_msec);
sleep (1); // Give 0MQ time to deliver

Parallel task worker in PHP

<?php
/*
* Task worker
* Connects PULL socket to tcp://localhost:5557
* Collects workloads from ventilator via that socket
* Connects PUSH socket to tcp://localhost:5558
* Sends results to sink via that socket
* @author Ian Barber &lt;ian(dot)barber(at)gmail(dot)com&gt;
*/

$context = new ZMQContext();

// Socket to receive messages on
$receiver = new ZMQSocket($context, ZMQ::SOCKET_PULL);
$receiver-&gt;connect("tcp://localhost:5557");

// Socket to send messages to
$sender = new ZMQSocket($context, ZMQ::SOCKET_PUSH);
$sender-&gt;connect("tcp://localhost:5558");

// Process tasks forever
while (true) {
$string = $receiver-&gt;recv();

// Simple progress indicator for the viewer
echo $string, PHP_EOL;

// Do the work
usleep($string * 1000);

// Send results to sink
$sender-&gt;send("");
}

Parallel task sink in PHP

<?php
/*
* Task sink
* Binds PULL socket to tcp://localhost:5558
* Collects results from workers via that socket
* @author Ian Barber &lt;ian(dot)barber(at)gmail(dot)com&gt;
*/

// Prepare our context and socket
$context = new ZMQContext();
$receiver = new ZMQSocket($context, ZMQ::SOCKET_PULL);
$receiver-&gt;bind("tcp://*:5558");

// Wait for start of batch
$string = $receiver-&gt;recv();

// Start our clock now
$tstart = microtime(true);

// Process 100 confirmations
$total_msec = 0; // Total calculated cost in msecs
for ($task_nbr = 0; $task_nbr &lt; 100; $task_nbr++) {
$string = $receiver-&gt;recv();
if($task_nbr % 10 == 0) {
echo ":";
} else {
echo ".";
}
}

$tend = microtime(true);

$total_msec = ($tend - $tstart) * 1000;
echo PHP_EOL;
printf ("Total elapsed time: %d msec", $total_msec);
echo PHP_EOL;

从程序中,我们可以看到,task ventilator使用的是SOCKET_PUSH,将任务分发到Worker节点上。而Worker节点上,使用SOCKET_PULL从上游接受任务,并使用SOCKET_PUSH将结果汇集到Slink。值得注意的是,任务的分发的时候也同样有一个负载均衡的路由功能,worker可以随时自由加入,task ventilator可以均衡将任务分发出去。

五、其他扩展模式

通常,一个节点,即可以作为Server,同时也能作为Client,通过PipeLine模型中的Worker,他向上连接着任务分发,向下连接着结果搜集的Sink机器。因此,我们可以借助这种特性,丰富的扩展原有的三种模式。例如,一个代理Publisher,作为一个内网的Subscriber接受信息,同时将信息,转发到外网,其结构图如图4所示。

图4:ZMQ的扩展模式

六、多个服务器

ZMQ和Socket的区别在于,前者支持N:M的连接,而后者则只是1:1的连接,那么一个Client连接多个Server的情况是怎样的呢,我们通过图5来说明。

图5:ZMQ的N:1的连接情况

我们假设Client有R1,R2,R3,R4四个任务,我们只需要一个ZMQ的Socket,就可以连接四个服务,他能够自动均衡的分配任务。如图5所示,R1,R4自动分配到了节点A,R2到了B,R3到了C。如果我们是N:M的情况呢?这个扩展起来,也不难,如图6所示。

图6:N:M的连接

我们通过一个中间结点(Broker)来进行负载均衡的功能。我们通过代码了解,其中的Client和我们的Hello World的Client端是一样的,而Server端的不同是,他不需要监听端口,而是需要连接Broker的端口,接受需要处理的信息。所以,我们重点阅读Broker的代码:

<?php
/*
* Simple request-reply broker
* @author Ian Barber &lt;ian(dot)barber(at)gmail(dot)com&gt;
*/

// Prepare our context and sockets
$context = new ZMQContext();
$frontend = new ZMQSocket($context, ZMQ::SOCKET_ROUTER);
$backend = new ZMQSocket($context, ZMQ::SOCKET_DEALER);
$frontend-&gt;bind("tcp://*:5559");
$backend-&gt;bind("tcp://*:5560");

// Initialize poll set
$poll = new ZMQPoll();
$poll-&gt;add($frontend, ZMQ::POLL_IN);
$poll-&gt;add($backend, ZMQ::POLL_IN);
$readable = $writeable = array();

// Switch messages between sockets
while(true) {
$events = $poll-&gt;poll($readable, $writeable);

foreach($readable as $socket) {
if($socket === $frontend) {
// Process all parts of the message
while(true) {
$message = $socket-&gt;recv();
// Multipart detection
$more = $socket-&gt;getSockOpt(ZMQ::SOCKOPT_RCVMORE);
$backend-&gt;send($message, $more ? ZMQ::MODE_SNDMORE : null);
if(!$more) {
break; // Last message part
}
}
}
else if($socket === $backend) {
$message = $socket-&gt;recv();
// Multipart detection
$more = $socket-&gt;getSockOpt(ZMQ::SOCKOPT_RCVMORE);
$frontend-&gt;send($message, $more ? ZMQ::MODE_SNDMORE : null);
if(!$more) {
break; // Last message part
}
}
}
}

Broker监听了两个端口,接受从多个Client端发送过来的数据,并将数据,转发给Server。在Broker中,我们监听了两个端口,使用了两个Socket,那么对于多个Socket的情况,我们是不需要通过轮询的方式去处理数据的,在之前,我们可以使用libevent实现,异步的信息处理和传输。而现在,我们只需要使用ZMQ的$poll->poll以实现多个Socket的异步处理。

七、进程间的通信

ZMQ不仅能通过TCP完成节点间的通信,也可以通过Socket文件完成进程间的通信。如图7所示,我们fork三个PHP进程,将进程1的数据,通过Socket文件发送到进程3。

图7:进程间的通信

<?php

function step1() {

        $context = new ZMQContext();

        // Signal downstream to step 2

        $sender = new ZMQSocket($context, ZMQ::SOCKET_PAIR);

        $sender-&gt;connect("ipc://step2.ipc");

        $sender-&gt;send("hello ,i am step1");

}

function step2() {

        $pid = pcntl_fork();

        if($pid == 0) {

                step1();

                exit();

        }

        $context = new ZMQContext();

        //  Bind to ipc: endpoint, then start upstream thread

        $receiver = new ZMQSocket($context, ZMQ::SOCKET_PAIR);

        $receiver-&gt;bind("ipc://step2.ipc");

        // Wait for signal   

        sleep(10);

        $strings = $receiver-&gt;recv();

        echo "step2 receiver is $strings". PHP_EOL;

        sleep(10);

        // Signal downstream to step 3

        $sender = new ZMQSocket($context, ZMQ::SOCKET_PAIR);

        $sender-&gt;connect("ipc://step3.ipc");

        $sender-&gt;send($strings);

}

// Start upstream thread then bind to icp: endpoint

$pid = pcntl_fork();

if($pid == 0) {

        step2();

        exit();

}

$context = new ZMQContext();

$receiver = new ZMQSocket($context, ZMQ::SOCKET_PAIR);

$receiver-&gt;bind("ipc://step3.ipc");

// Wait for signal

$sr = $receiver-&gt;recv();

echo "the result is {$sr}".PHP_EOL;

在运行中,我们可以看到多了两个文件,如图8所示。

图8:运行过程中生成的文件

八、利用ZeroMQ实现一个配置推送中心

当我们将WEB代码部署到集群上的时候,如果需要实时的将最新的配置信息,主动的推送到各个机器节点。在此过程中,我们一定要保证,各个节点收到的信息的一致性和正确性,如果使用HTTP,由于他的无状态性,我们无法保证信息的一致性,当然,你可以使用HTTP来实现,只是更复杂,为什么不用ZMQ?他能让你更简单的实现这些功能。

我们使用ZMQ的信息订阅模式。在那个模式中,我们注意到,对于后来的加入节点,始终会丢失在他加入之前,已经发送的信息(Slow joiner)。我们可以开启另外一个ZMQ的通信通道,用于报告当前节点的情况(节点的身份、准备状态等),其结构如图9所示。

图9:扩展ZMQ的订阅者模式

我们通过$context->getSocket(ZMQ::SOCKET_REQ);设置一个新的Request-Reply连接,来用于Subscriber向Publisher报告自己的身份信息,而Publisher则等待所有的Subscriber都连接上的时候,再选择Publish自己的信息。

Subscriber端的程序如下:

<?php

$hostname = $_SERVER['argc'] &gt; 1 ? $_SERVER['argv'][1] : "s1";

$context = new ZMQContext(2);

$sub = new ZMQSocket($context,ZMQ::SOCKET_SUB);

$sub-&gt;connect("tcp://localhost:5561");

//$subscriber-&gt;setSockOpt(ZMQ::SOCKOPT_IDENTITY, $hostname);

$sub-&gt;setSockOpt(ZMQ::SOCKOPT_SUBSCRIBE,"");

$client = $context-&gt;getSocket(ZMQ::SOCKET_REQ);

$client-&gt;connect("tcp://localhost:5562");

while(1) {

//$client-&gt;connect("tcp://localhost:5562");

$client-&gt;send($hostname);

$version = $client-&gt;recv();

echo $version."\r\n";

if (!empty($version)) {

$recive = $sub-&gt;recv();

$vars = json_decode($recive);

var_dump($vars);

}

}

Publisher端的程序如下:

<?php

$CONFIG["TAOKE_BTS"]["ENABLE"] = true;

$CONFIG["QP_BTS"]["ENABLE"] = true;

$CONFIG["QP_BTS"]["TK_TEST"] = 13;

$string = json_encode($CONFIG);

$clients = array("s2","s1","s3");

$context = new ZMQContext(10);

//Socket talk to clients

$publisher = new ZMQSocket($context,ZMQ::SOCKET_PUB);

$publisher-&gt;bind("tcp://*:5561");

//Socket to publish message

$server = new ZMQSocket($context,ZMQ::SOCKET_REP);

$server-&gt;bind("tcp://*:5562");

while(count($clients)!=0) {

      $client_name = $server-&gt;recv();

        echo "{$client_name} is connect!\r\n";

if (in_array($client_name, $clients)) { //coming one client

        $key = array_search($client_name, $clients);

        unset($clients[$key]);

        echo "$client_name has come in!\r\n";

        $server-&gt;send("Version is 2.0");

} else {

        $server-&gt;send("You are a stranger!");

}

}

$publisher-&gt;send($string);

?&gt;

每个节点通过5562端口,使用Rep模式和Publisher连接,通过这个连接告之Publisher自己的机器名,而Publisher端通过白名单的方式,维护一个机器列表,当机器列表中所有的机器连接上来以后,通过5561端口,将最新的配置信息发送出去。

后续的处理,Subscriber可以选择将配置信息写入到APC缓存,程序将始终从缓存中读取部分配置信息,Subscriber并将更新后的状态信息,实时的通过5562报告给Publisher。

虽然,在本示例中不会出现,但是,如果需要发布的信息量过大,在接受信息的过程中,Subscriber端突然中断网络(或者是程序崩溃),那么当他在连接上来的时候,有部分信息就会丢失?ZMQ考虑到这个问题,通过$subscriber->setSockOpt(ZMQ::SOCKOPT_IDENTITY, $hostname);设置一个id,当这个id的Subscriber重新连接上来的时候,他可以从上次中断的地方,继续接受信息,当然,节点的中断,不会影响其他的节点继续的接受信息。

那么ZMQ是怎么实现断线重连后,继续发送信息呢 ?他会将断开的Subscriber应该接受到的信息发到内存中,等待他重新上线后,将缓存的信息,继续发送给他。当然,内存必然是有限的,过多就会出现内存溢出。ZMQ通过

SetSockOpt(ZMQ::SOCKOPT_SWAP, 250000)设置Swap空间的大小,来防止out of memory and crash。最终,我们的程序运行结果,如图10所示。

图10:配置中心的运行结果

当然,这只是一个大体的思路,如果应用到实际的成产环境中,还需要考虑更多的问题,包含稳定性,容错等等。然而,ZMQ由于高并发,以及稳定性和易用性,前景不错,他的目标是进入Linux内核,我们期待那一天的到来。

参考资料 :

http://www.infoq.com/cn/news/2010/09/introduction-zero-mqInfoq对zeromq的简介

http://zguide.zeromq.org/page:allZeroMQ的guide文档


0

   

0

IT 牛人博客聚合网站(udpwork.com) 聚合
|
评论: 0
|
10000+ 本编程/Linux PDF/CHM 电子书下载

from IT牛人博客聚合网站: http://www.udpwork.com/item/7944.html

Written by cwyalpha

八月 15, 2012 在 3:29 上午

发表在 Uncategorized

发表评论

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / 更改 )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / 更改 )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / 更改 )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / 更改 )

Connecting to %s

%d 博主赞过: