ZeroMQ的学习和研究

摘要:网上看到的，觉得介绍比较全，转摘学习

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socketlibrary，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”MessageQueue”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SocketAPI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“，”ParallelPipeline”,我们从这三种模式一窥ZMQ的究竟

ZMQ的helloworld！

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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

<?php /* *HelloWorldserver *BindsREPsockettotcp://*:5555 *Expects"Hello"fromclient,replieswith"World" *@authorIanBarber<ian(dot)barber(at)gmail(dot)com> */ $context = new ZMQContext(1); //Sockettotalktoclients $responder = new ZMQSocket( $context ,ZMQ::SOCKET_REP); $responder ->bind( "tcp://*:5555" ); while (true){ //Waitfornextrequestfromclient $request = $responder ->recv(); printf( "Receivedrequest:[%s]\n" , $request ); //Dosome'work' sleep(1); //Sendreplybacktoclient $responder ->send( "World" ); }

Client程序如下：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

<?php /* *HelloWorldclient *ConnectsREQsockettotcp://localhost:5555 *Sends"Hello"toserver,expects"World"back *@authorIanBarber<ian(dot)barber(at)gmail(dot)com> */ $context = new ZMQContext(); //Sockettotalktoserver echo "Connectingtohelloworldserver...\n" ; $requester = new ZMQSocket( $context ,ZMQ::SOCKET_REQ); $requester ->connect( "tcp://localhost:5555" ); for ( $request_nbr =0; $request_nbr !=10; $request_nbr ++){ printf( "Sendingrequest%d...\n" , $request_nbr ); $requester ->send( "Hello" ); $reply = $requester ->recv(); printf( "Receivedreply%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、ProtocolBuffers、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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52

<?php /* *Weatherupdateserver *BindsPUBsockettotcp://*:5556 *Publishesrandomweatherupdates *@authorIanBarber<ian(dot)barber(at)gmail(dot)com> */ //Prepareourcontextandpublisher $context = new ZMQContext(); $publisher = $context ->getSocket(ZMQ::SOCKET_PUB); $publisher ->bind( "tcp://*:5556" ); while (true){ //Getvaluesthatwillfooltheboss $zipcode =mt_rand(0,100000); $temperature =mt_rand(-80,135); $relhumidity =mt_rand(10,60); //Sendmessagetoallsubscribers $update =sprintf( "%05d%d%d" , $zipcode , $temperature , $relhumidity ); $publisher ->send( $update ); }</pre> Subscriber <pre><?php /* *Weatherupdateclient *ConnectsSUBsockettotcp: //localhost:5556 *Collectsweatherupdates and findsavgtempinzipcode *@authorIanBarber<ian(dot)barber(at)gmail(dot)com> */ $context = new ZMQContext(); //Sockettotalktoserver echo "Collectingupdatesfromweatherserver…" ,PHP_EOL; $subscriber = new ZMQSocket( $context ,ZMQ::SOCKET_SUB); $subscriber ->connect( "tcp://localhost:5556" ); //Subscribetozipcode,defaultisNYC,10001 $filter = $_SERVER [ 'argc' ]>1? $_SERVER [ 'argv' ][1]: "10001" ; $subscriber ->setSockOpt(ZMQ::SOCKOPT_SUBSCRIBE, $filter ); //Process100updates $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( "Averagetemperatureforzipcode'%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HelloWorld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Slowjoiner。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

ParalleltaskventilatorinPHP

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

<?php /* *Taskventilator *BindsPUSHsockettotcp://localhost:5557 *Sendsbatchoftaskstoworkersviathatsocket *@authorIanBarber<ian(dot)barber(at)gmail(dot)com> */ $context = new ZMQContext(); //Sockettosendmessageson $sender = new ZMQSocket( $context ,ZMQ::SOCKET_PUSH); $sender ->bind( "tcp://*:5557" ); echo "PressEnterwhentheworkersareready:" ; $fp = fopen ( 'php://stdin' , 'r' ); $line = fgets ( $fp ,512); fclose( $fp ); echo "Sendingtaskstoworkers…" ,PHP_EOL; //Thefirstmessageis"0"andsignalsstartofbatch $sender ->send(0); //Send100tasks $total_msec =0; //Totalexpectedcostinmsecs for ( $task_nbr =0; $task_nbr <100; $task_nbr ++){ //Randomworkloadfrom1to100msecs $workload =mt_rand(1,100); $total_msec += $workload ; $sender ->send( $workload ); } printf( "Totalexpectedcost:%dmsec\n" , $total_msec ); sleep(1); //Give0MQtimetodeliver

ParalleltaskworkerinPHP

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

<?php /* *Taskworker *ConnectsPULLsockettotcp://localhost:5557 *Collectsworkloadsfromventilatorviathatsocket *ConnectsPUSHsockettotcp://localhost:5558 *Sendsresultstosinkviathatsocket *@authorIanBarber<ian(dot)barber(at)gmail(dot)com> */ $context = new ZMQContext(); //Sockettoreceivemessageson $receiver = new ZMQSocket( $context ,ZMQ::SOCKET_PULL); $receiver ->connect( "tcp://localhost:5557" ); //Sockettosendmessagesto $sender = new ZMQSocket( $context ,ZMQ::SOCKET_PUSH); $sender ->connect( "tcp://localhost:5558" ); //Processtasksforever while (true){ $string = $receiver ->recv(); //Simpleprogressindicatorfortheviewer echo $string ,PHP_EOL; //Dothework usleep( $string *1000); //Sendresultstosink $sender ->send( "" ); }

ParalleltasksinkinPHP

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

<?php /* *Tasksink *BindsPULLsockettotcp://localhost:5558 *Collectsresultsfromworkersviathatsocket *@authorIanBarber<ian(dot)barber(at)gmail(dot)com> */ //Prepareourcontextandsocket $context = new ZMQContext(); $receiver = new ZMQSocket( $context ,ZMQ::SOCKET_PULL); $receiver ->bind( "tcp://*:5558" ); //Waitforstartofbatch $string = $receiver ->recv(); //Startourclocknow $tstart =microtime(true); //Process100confirmations $total_msec =0; //Totalcalculatedcostinmsecs 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( "Totalelapsedtime:%dmsec" , $total_msec ); echo PHP_EOL;

从程序中，我们可以看到，taskventilator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，taskventilator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HelloWorld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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47

<?php /* *Simplerequest-replybroker *@authorIanBarber<ian(dot)barber(at)gmail(dot)com> */ //Prepareourcontextandsockets $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" ); //Initializepollset $poll = new ZMQPoll(); $poll ->add( $frontend ,ZMQ::POLL_IN); $poll ->add( $backend ,ZMQ::POLL_IN); $readable = $writeable = array (); //Switchmessagesbetweensockets while (true){ $events = $poll ->poll( $readable , $writeable ); foreach ( $readable as $socket ){ if ( $socket === $frontend ){ //Processallpartsofthemessage while (true){ $message = $socket ->recv(); //Multipartdetection $more = $socket ->getSockOpt(ZMQ::SOCKOPT_RCVMORE); $backend ->send( $message , $more ?ZMQ::MODE_SNDMORE:null); if (! $more ){ break ; //Lastmessagepart } } } else if ( $socket === $backend ){ $message = $socket ->recv(); //Multipartdetection $more = $socket ->getSockOpt(ZMQ::SOCKOPT_RCVMORE); $frontend ->send( $message , $more ?ZMQ::MODE_SNDMORE:null); if (! $more ){ break ; //Lastmessagepart } } } }

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

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<?php function step1(){ $context = new ZMQContext(); //Signaldownstreamtostep2 $sender = new ZMQSocket( $context ,ZMQ::SOCKET_PAIR); $sender ->connect( "ipc://step2.ipc" ); $sender ->send( "hello,iamstep1" ); } function step2(){ $pid =pcntl_fork(); if ( $pid ==0){ step1(); exit (); } $context = new ZMQContext(); //Bindtoipc:endpoint,thenstartupstreamthread $receiver = new ZMQSocket( $context ,ZMQ::SOCKET_PAIR); $receiver ->bind( "ipc://step2.ipc" ); //Waitforsignal sleep(10); $strings = $receiver ->recv(); echo "step2receiveris$strings" .PHP_EOL; sleep(10); //Signaldownstreamtostep3 $sender = new ZMQSocket( $context ,ZMQ::SOCKET_PAIR); $sender ->connect( "ipc://step3.ipc" ); $sender ->send( $strings ); } //Startupstreamthreadthenbindtoicp:endpoint $pid =pcntl_fork(); if ( $pid ==0){ step2(); exit (); } $context = new ZMQContext(); $receiver = new ZMQSocket( $context ,ZMQ::SOCKET_PAIR); $receiver ->bind( "ipc://step3.ipc" ); //Waitforsignal $sr = $receiver ->recv(); echo "theresultis{$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（Slowjoiner）。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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39

<?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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

<?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); //Sockettalktoclients $publisher = new ZMQSocket( $context ,ZMQ::SOCKET_PUB); $publisher ->bind( "tcp://*:5561" ); //Sockettopublishmessage $server = new ZMQSocket( $context ,ZMQ::SOCKET_REP); $server ->bind( "tcp://*:5562" ); while ( count ( $clients )!=0){ $client_name = $server ->recv(); echo "{$client_name}isconnect!\r\n" ; if (in_array( $client_name , $clients )){ //comingoneclient $key = array_search ( $client_name , $clients ); unset( $clients [ $key ]); echo "$client_namehascomein!\r\n" ; $server ->send( "Versionis2.0" ); } else { $server ->send( "Youareastranger!" ); } } $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outofmemoryandcrash。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