ZeroMQ研究与应用分析

2016-01-09 rainbowzc dotNET跨平台

1 ZeroMQ概述

ZeroMQ是一种基于消息队列的多线程网络库，其对套接字类型、连接处理、帧、甚至路由的底层细节进行抽象，提供跨越多种传输协议的套接字。ZeroMQ是网络通信中新的一层，介于应用层和传输层之间（按照TCP/IP划分），其是一个可伸缩层，可并行运行，分散在分布式系统间。

2 系统架构

2.1总体架构

ZeroMQ几乎所有的I/O操作都是异步的，主线程不会被阻塞。ZeroMQ会根据用户调用zmq_init函数时传入的接口参数，创建对应数量的I/O Thread。每个I/O Thread都有与之绑定的Poller，Poller采用经典的Reactor模式实现，Poller根据不同操作系统平台使用不同的网络I/O模型（select、poll、epoll、devpoll、kequeue等）。主线程与I/O线程通过Mail Box传递消息来进行通信。Server开始监听或者Client发起连接时，在主线程中创建zmq_connecter或zmq_listener，通过Mail Box发消息的形式将其绑定到I/O线程，I/O线程会把zmq_connecter或zmq_listener添加到Poller中用以侦听读/写事件。Server与Client在第一次通信时，会创建zmq_init来发送identity，用以进行认证。认证结束后，双方会为此次连接创建Session，以后双方就通过Session进行通信。每个Session都会关联到相应的读/写管道，主线程收发消息只是分别从管道中读/写数据。Session并不实际跟kernel交换I/O数据，而是通过plugin到Session中的Engine来与kernel交换I/O数据。

图1总体架构

2.2所处层次

ZeroMQ不是单独的服务或者程序，仅仅是一套组件，其封装了网络通信、消息队列、线程调度等功能，向上层提供简洁的API，应用程序通过加载库文件，调用API函数来实现高性能网络通信。

图2所处层次

2.3消息模型

ZeroMQ将消息通信分成4种模型，分别是一对一结对模型（Exclusive-Pair）、请求回应模型（Request-Reply）、发布订阅模型（Publish-Subscribe）、推拉模型（Push-Pull）。这4种模型总结出了通用的网络通信模型，在实际中可以根据应用需要，组合其中的2种或多种模型来形成自己的解决方案。

2.3.1 一对一结对模型

最简单的1:1消息通信模型，可以认为是一个TCP Connection，但是TCP Server只能接受一个连接。数据可以双向流动，这点不同于后面的请求回应模型。

2.3.2 请求回应模型

由请求端发起请求，然后等待回应端应答。一个请求必须对应一个回应，从请求端的角度来看是发-收配对，从回应端的角度是收-发对。跟一对一结对模型的区别在于请求端可以是1~N个。该模型主要用于远程调用及任务分配等。Echo服务就是这种经典模型的应用。

图3请求回应模型

2.3.3 发布订阅模型

发布端单向分发数据，且不关心是否把全部信息发送给订阅端。如果发布端开始发布信息时，订阅端尚未连接上来，则这些信息会被直接丢弃。订阅端未连接导致信息丢失的问题，可以通过与请求回应模型组合来解决。订阅端只负责接收，而不能反馈，且在订阅端消费速度慢于发布端的情况下，会在订阅端堆积数据。该模型主要用于数据分发。天气预报、微博明星粉丝可以应用这种经典模型。

图4发布订阅模型

2.3.4 推拉模型

Server端作为Push端，而Client端作为Pull端，如果有多个Client端同时连接到Server端，则Server端会在内部做一个负载均衡，采用平均分配的算法，将所有消息均衡发布到Client端上。与发布订阅模型相比，推拉模型在没有消费者的情况下，发布的消息不会被消耗掉；在消费者能力不够的情况下，能够提供多消费者并行消费解决方案。该模型主要用于多任务并行。

图5 推拉模型

2.4通信协议

提供进程内、进程间、机器间、广播等四种通信协议。通信协议配置简单，用类似于URL形式的字符串指定即可，格式分别为inproc://、ipc://、tcp://、pgm://。ZeroMQ会自动根据指定的字符串解析出协议、地址、端口号等信息。

3 工作流程

图6 基本流程

4 性能分析

目前，市面上类似的产品不少，主要有4种：MSMQ（微软产品）、ActiveMQ（Java）、RabbitMQ(Erlang)、ZeroMQ（C++）。除ZeroMQ外，其它3款产品都是一个单独服务或者进程，需要单独安装和运行，且对环境有一定依赖。其中，MSMQ在非Windows平台下安装非常复杂，ActiveMQ需要目标机器上已经安装了Java，RabbitMQ需要Erlang环境。而ZeroMQ是以库的形式存在，由应用程序加载、运行即可。但是ZeroMQ仅提供非持久性的消息队列。

图7是来自于Internet的性能测试数据。显示的是每秒钟发送和接受的消息数。整个过程共产生1百万条1K的消息，测试环境为Windows Vista。从测试数据可以看出，ZeroMQ的性能远远高于其它3个MQ。

但是测试数据仅供参考，因为缺少必须的环境参数和性能指标，比如：CPU参数、内存参数、消息模型、通信协议、极限时消耗CPU百分比、极限时消耗内存百分比等。

图7性能测试

5 应用场景

应用ZeroMQ的Push-Pull模型实现联众游戏服务器的“热插拔”、负载均衡和消息派发。按照如图8部署服务器，Push端充当Gateway，作为一组游戏服务器集群最上层的一个Proxy，起负载均衡的作用，所有Gameserver作为Pull端。当一个请求到达Push端（Gateway）时，Push端根据一定的分配策略将任务派发到Pull端（Gameserver）。以联众某款游戏A为例，游戏A刚上线时，预计最大同时在线人数是10W，单台Gameserver并发处理能力为1W，需要10台Gameserver，由于游戏A可玩性非常好，半个月后最大同时在线人数暴增到50W，那么不需要在某天的凌晨将Gateway和Gameserver停机，只需要随时在机房新添加40台Gameserver，启动并连接到Gateway即可。

ZeroMQ中对Client和Server的启动顺序没有要求，Gameserver之间如果需要通信的话，Gameserver的应用层不需要管理这些细节，ZeroMQ已经做了重连处理。