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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 <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com> */ $context = new ZMQContext (1); // Socket to talk to clients $responder = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_REP); $responder->bind ("tcp://*:5555"); while(true) { // Wait for next request from client $request = $responder->recv (); printf ("Received request: [%s]\n", $request); // Do some 'work' sleep (1); // Send reply back to client $responder->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 <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com> */ $context = new ZMQContext (); // Socket to talk to server echo "Connecting to hello world server...\n"; $requester = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_REQ); $requester->connect ("tcp://localhost:5555"); for($request_nbr = 0; $request_nbr != 10; $request_nbr++) { printf ("Sending request %d...\n", $request_nbr); $requester->send ("Hello"); $reply = $requester->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 <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com> */ // Prepare our context and publisher $context = new ZMQContext (); $publisher = $context->getSocket (ZMQ::SOCKET_PUB); $publisher->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); $publisher->send ($update); }</pre> Subscriber <pre><?php /* * Weather update client * Connects SUB socket to tcp://localhost:5556 * Collects weather updates and finds avg temp in zipcode * @author Ian Barber <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com> */ $context = new ZMQContext (); // Socket to talk to server echo "Collecting updates from weather server…", PHP_EOL; $subscriber = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_SUB); $subscriber->connect ("tcp://localhost:5556"); // Subscribe to zipcode, default is NYC, 10001 $filter = $_SERVER['argc'] > 1 ? $_SERVER['argv'][1] : "10001"; $subscriber->setSockOpt (ZMQ::SOCKOPT_SUBSCRIBE, $filter); // Process 100 updates $total_temp = 0; for ($update_nbr = 0; $update_nbr < 100; $update_nbr++) { $string = $subscriber->recv (); sscanf ($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 <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com> */ $context = new ZMQContext (); // Socket to send messages on $sender = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_PUSH); $sender->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->send (0); // Send 100 tasks $total_msec = 0; // Total expected cost in msecs for ($task_nbr = 0; $task_nbr < 100; $task_nbr++) { // Random workload from 1 to 100msecs $workload = mt_rand(1, 100); $total_msec += $workload; $sender->send ($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 <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com> */ $context = new ZMQContext (); // Socket to receive messages on $receiver = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_PULL); $receiver->connect ("tcp://localhost:5557"); // Socket to send messages to $sender = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_PUSH); $sender->connect ("tcp://localhost:5558"); // Process tasks forever while (true) { $string = $receiver->recv (); // Simple progress indicator for the viewer echo $string, PHP_EOL; // Do the work usleep($string * 1000); // Send results to sink $sender->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 <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com> */ // Prepare our context and socket $context = new ZMQContext (); $receiver = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_PULL); $receiver->bind ("tcp://*:5558"); // Wait for start of batch $string = $receiver->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 < 100; $task_nbr++) { $string = $receiver->recv (); if($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 <ian (dot) barber (at) gmail (dot) com> */ // Prepare our context and sockets $context = new ZMQContext (); $frontend = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_ROUTER); $backend = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_DEALER); $frontend->bind ("tcp://*:5559"); $backend->bind ("tcp://*:5560"); // Initialize poll set $poll = new ZMQPoll (); $poll->add ($frontend, ZMQ::POLL_IN); $poll->add ($backend, ZMQ::POLL_IN); $readable = $writeable = array(); // Switch messages between sockets while(true) { $events = $poll->poll ($readable, $writeable); foreach($readable as $socket) { if($socket === $frontend) { // Process all parts of the message while(true) { $message = $socket->recv (); // Multipart detection $more = $socket->getSockOpt (ZMQ::SOCKOPT_RCVMORE); $backend->send ($message, $more ? ZMQ::MODE_SNDMORE : null); if(!$more) { break; // Last message part } } } else if($socket === $backend) { $message = $socket->recv (); // Multipart detection $more = $socket->getSockOpt (ZMQ::SOCKOPT_RCVMORE); $frontend->send ($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->connect ("ipc://step2.ipc"); $sender->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->bind ("ipc://step2.ipc"); // Wait for signal sleep(10); $strings = $receiver->recv (); echo "step2 receiver is $strings". PHP_EOL; sleep(10); // Signal downstream to step 3 $sender = new ZMQSocket ($context, ZMQ::SOCKET_PAIR); $sender->connect ("ipc://step3.ipc"); $sender->send ($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->bind ("ipc://step3.ipc"); // Wait for signal $sr = $receiver->recv (); echo "the result is {$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'] > 1 ? $_SERVER['argv'][1] : "s1"; $context = new ZMQContext (2); $sub = new ZMQSocket ($context,ZMQ::SOCKET_SUB); $sub->connect ("tcp://localhost:5561"); //$subscriber->setSockOpt (ZMQ::SOCKOPT_IDENTITY, $hostname); $sub->setSockOpt (ZMQ::SOCKOPT_SUBSCRIBE,""); $client = $context->getSocket (ZMQ::SOCKET_REQ); $client->connect ("tcp://localhost:5562"); while(1) { //$client->connect ("tcp://localhost:5562"); $client->send ($hostname); $version = $client->recv (); echo $version."\r\n"; if (!empty($version)) { $recive = $sub->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->bind ("tcp://*:5561"); //Socket to publish message $server = new ZMQSocket ($context,ZMQ::SOCKET_REP); $server->bind ("tcp://*:5562"); while(count($clients)!=0) { $client_name = $server->recv (); echo "{$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->send ("Version is 2.0"); } else { $server->send ("You are a stranger!"); } } $publisher->send ($string); ?>
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。