架构设计：系统间通信
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架构设计：系统间通信（19）——MQ：消息协议（上）

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 2023-07-29
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原文作者：说好不能打脸 原文地址：https://yinwj.blog.csdn.net/article/details/50698695

1、概述

从本文开始，我们介绍另一类型的系统间通讯及输：MQ消息队列。首先我们将讨论几种常用消息队列协议的基本原理和工作方式，包括MQTT、XMPP、Stomp、AMQP、OpenWire等。然后在这个基础上介绍两款MQ产品：ActiveMQ和RabbitMQ，它们是现在业务系统中应用广泛的消息队列软件。包括他们的安装、运行、支持协议、集群化和调用方式。

当然，在这个过程中我们还会提到其他的消息队列协议（或者实现），例如微软JBossMQ、MSMQ、商业化产品WebSphere MQ、Oracle高级队列（AQ）等。 我们还会讨论这些眼花缭乱的协议、软件、程序库之间的关系 。

随后我们会花一些篇幅，讨论现在新兴的消息队列Kafka和ZeroMQ。它们的应用越来越广泛，尤其在大数据的采集方面。最后我们将使用消息队列搭建一个高性能的日志采集系统，作为实战。

2、基本概念

2-1、消息

首先有三个基本概念在开篇前我们需要进行讨论：消息、消息协议、消息队列。 消息既是信息的载体 这个描述相信各位读者都能够明白。 为了让消息发送者和消息接收者都能够明白消息所承载的信息 （消息发送者需要知道如何构造消息；消息接收者需要知道如何解析消息） ，它们就需要按照一种统一的格式描述消息，这种统一的格式称之为消息协议 。所以， 有效的消息一定具有某一种格式；而没有格式的消息是没有意义的 。

而消息从发送者到接收者的方式也有两种。一种我们可以称为 即时消息通讯 ，也就是说消息从一端发出后（消息发送者）立即就可以达到另一端（消息接收者），这种方式的具体实现就是我们已经介绍过的RPC（当然单纯的http通讯也满足这个定义）；另一种方式称为 延迟消息通讯 ，即 消息从某一端发出后，首先进入一个容器进行临时存储，当达到某种条件后，再由这个容器发送给另一端。 这个容器的一种具体实现就是 消息队列 。

2-2、知识结构

消息队列和已经介绍过的RPC相同的是：无论是RPC也好，消息队列也好他们都建立在网络IO模型基础上（我们已经介绍过多种网络IO模型）。先进的网络IO模型将赋予MQ协议优异的性能表现（当然，性能也不仅仅取决于网络IO模型）。

202307292152447421.png

从上图可以看到， 某一种消息通讯软件（或者叫做程序库）的实现都建立在“协议”基础上 ：RMI程序库建立在RMI协议上（RMI协议是JAVA规范协议的一部分） ，属于一种“即时消息通讯”；RabbitMQ和Qpid消息通讯软件的设计依据是AMQP协议，属于一种“延迟消息通讯”。

虽然消息协议存在“私有协议”和“开放协议”之分（是否向行业开放消息规范文档、是否允许某个组织更改协议），虽然某一个软件（程序库）不一定只支持一种协议（例如ActiveMQ实现了多种消息协议），虽然某一种协议也不一定只有一种软件（程序库）实现（例如能够支持webservice协议的程序库就有Codehaus XFire、Apache CXF、Jboss RESTEasy等）， 但是这并不影响“某一种消息通讯软件（或者叫做程序库）的实现都建立在“协议”基础上”的概念，反而是这个基本概念加强了。

3、消息协议

那么要理解消息队列，我们就应该从这些支持“延迟消息通讯”的消息协议开始讨论。这个小节我们首先为各位读者介绍几种使用的消息协议，他们是XMPP、Stomp和AMQP。为了承接后文我们讲解的MQ软件，这三个协议中我们又着重讲解AMQP协议。

3-1、XMPP协议

3-1-1、定义

XMPP is the Extensible Messaging and Presence Protocol, a set of open technologies for instant messaging, presence, multi-party chat, voice and video calls, collaboration, lightweight middleware, content syndication, and generalized routing of XML data.

以上内容引用自XMPP官网，这个定义已经可以清楚表明XMPP协议的用途和特性。XMPP的前身是Jabber，一个开源形式组织制定的网络即时通信协议。XMPP目前被IETF国际标准组织完成了标准化工作。

XMPP基于XML，用于IM系统的开发。国内比较流行的XMPP服务器叫做Openfire，它使用MINA作为下层的网络IO框架（不是MINA2是MINA1）；国外用的比较多的XMPP服务器叫做Tigase，它的官网号称单节点可以支撑50万用户在线，集群可以支持100万用户在线：（http://projects.tigase.org/）

Cluster with over 1mn online users . 500k online users on a single machine

当然如果读者所在公司需要开发IM系统，除了使用现成的XMPP服务器以外，还需要实现了XMPP协议的客户端或者开发包（以便进行扩展开发）。您可以在XMPP官网查看到XMPP官方推荐的开发包，各种语言的支持基本上都有：http://xmpp.org/software/libraries.html

笔者曾参与过某几款IM系统的开发（包括自己创业的项目），总的来说XMPP协议本身是不错的选择，但是学习起来会耗费相当的时间，并且某些XMPP客户端、服务器端或者程序库并没有这些开发团队宣传的那么稳定好用。 所以如果您的公司需要进行IM系统的开发，那么创立私有的消息协议也会是一个不错的选择 。

3-1-2、协议通讯过程示例

为了让各位读者对XMPP协议有一个感性认识，这里我们给出一个XMPP协议处理“IM用户登录”操作的过程（XMPP的登录方式分为有用户密码和无用户密码两种方式，这里我们介绍无密码登录方式）。

XMPP协议本身细节比较丰富，这里我们只讨论登录操作，如果读者有兴趣可以下载全套的XMPP官方规范文档进行研究（http://xmpp.org/）：

202307292152458732.png

通过上图可以看到，XMPP协议中的xml片段。这里出现了几个XMPP协议中的关键信息，例如：

  • stream标记：通讯流标记，是指XMPP的客户端或者服务器端向对方发起的通讯请求（或者响应）。通讯流并不携带正真的内容信息，指示表明客户端和服务器端发生了一次交互。stream的属性包括：to、from、id、xml:lang、version等。
  • iq标记：iq标记是Info/Query的简称（你可以理解成查询信息请求），一般是一组的形式出现，由客户端发起查询请求，由服务器端返回查询结果。由于查询请求的类型不一样，iq标记中可以嵌入的子标记就有很多。例如，可以嵌入bind标记，表明某个用户和jid的绑定关系；可以嵌入多个item标记，表明查询得到的这个用户的好友信息（如下）。
    <iq to='somenode@example.com/someresource' type='result' id='roster'>  
        <query xmlns='jabber:iq:roster'>  
            <item jid='friend1@example.com' name='someone1'/>  
            <item jid='friend2@example.com' name='someone2'/>  
        </query>  
    </iq>
  • jid标记：jid（JabberID）是XMPP协议中标示，它用来标示XMPP网络中的各个XMPP实体（实体可以是某一个用户、某一个服务器、某一个聊天室），规范格式如下：
    jid = [ node "@" ] domain [ "/" resource ]
  • 还有未出现的message、presence标记：message是实体内容标记，记录了聊天的真实内容；presence标记表示了XMPP用户的服务状态（离线，在线、忙碌等）。示例如下：
    <message to="somenode@example.com/someresource" type="chat"> 
        <body>helloword。。。</body> 
    </message>

3-2、Stomp协议

3-2-1、定义

Stomp协议，英文全名Streaming Text Orientated Message Protocol，中文名称为 ‘流文本定向消息协议’。是一种以纯文本为载体的协议（以文本为载体的意思是它的消息格式规范中没有类似XMPP协议那样的xml格式要求，你可以将它看作‘半结构化数据’）。目前Stomp协议有两个版本：V1.1和V1.2。

一个标准的Stomp协议包括以下部分：命令/信息关键字、头信息、文本内容。如下图所示：

202307292152468773.png

以下为一段简单的协议信息示例：

    CONNECT
    accept-version:1.2
    someparam1:value1
    someparam2:value2
    
    this is conntecon ^@

上面的示例中，我们使用了Stomp协议的CONNECT命令，它的意思为连接到Stomp代理端，并且携带了要求代理端的版本信息和两个自定义的K-V信息（请注意’^@’符号，STOMP协议中用它来表示NULL）。

Stomp协议中有两个重要的角色：STOMP客户端与任意STOMP消息代理（Broker）。如下图所示：

202307292152475744.png

看了上面的示意图后有的读者可能会问：为什么称为Stomp消息代理，而不称为Stomp消息服务？因为Stomp Broker只是负责接受和存储客户端发来的消息、只是按照客户端要求的路径转发消息，只是管理客户端连接和订阅：它并不负责根据消息内容做任何业务处理。所以将它称为消息代理端更贴切。

由于Stomp协议的结构如此简单，以至于任何理解Stomp协议命令格式的技术人员都可以开发Stomp的代理端或者Stomp的客户端，并将自己满足Stomp协议的系统轻松接入另一个同样满足Stomp协议的第三方系统（例如activeMQ） 。

3-2-2、基本命令/返回信息

和介绍XMPP协议的方式类似，为了让读者对Stomp协议有进一步的认识，本小节我们介绍Stomp协议的基本命令和代理端返回的信息种类，并且列举一些实例进行使用讲解。

在Stomp协议中，主要有以下命令/返回信息（有的文章中也称一个完整的信息为帧）。这些命令/返回信息构成了Stomp协议的主体，并能够支持您的Stomp客户端和Stomp代理端完成连接、发送、订阅、事务、响应的整个操作过程。这些命令/返回是：

  • CONNECT/STOMP命令 ： 客户端通过使用CONNECT命令，连接到Stomp代理端。如果使用STOMP命令，那么Stomp代理端的版本必须是1.2。
  • CONNECTED信息 ：当Stomp代理端收到客户端发送来的Connect命令并且处理成功后，将向这个客户端返回CONNECTED状态信息；如果这个过程中出现任何问题，还可能返回ERROR信息
  • SEND 发送命令 ：客户端使用SEND命令，向某个指定位置（代理端上的一个虚拟路径）发送内容。这样在这个路径上订阅了消息事件的其它客户端，将能够收到这个消息。
  • SUBSCRIBE 订阅命令 ：客户端使用SUBSCRIBE订阅命令，向Stomp服务代理订阅某一个虚拟路径上的监听。这样当其它客户端使用SEND命令发送内容到这个路径上时，这个客户端就可以收到这个消息。在使用SUBSCRIBE时，有一个重要的ACK属性。这个ACK属性说明了Stomp服务代理端发送给这个客户端的消息是否需要收到一个ACK命令，才认为这个消息处理成功了。如下所示：
    SUBSCRIBE
    id:XXXXXXXXX
    destination:/test
    ack:client
    
    ^@

以上SUBSCRIBE命令信息说明，客户端订阅的虚拟位置是test。且命令信息中ack属性为client，说明当客户端收到消息时，必须向代理端发送ack命令，代理端才认为这个消息处理成功了（ack的值只有三种：auto（默认）、client和client-individual）。

  • UNSUBSCRIBE 退订命令 ：客户端使用这个命令，取消对某个路径上消息事件的监听。如果客户端给出的路径之前就没有被这个客户端订阅，那么这个命令执行无效。
  • MESSAGE 信息 ：当客户端在某个订阅的位置收到消息时，这个消息将通过MESSAGE关键字进行描述。类似以下信息就是从代理端拿到的消息描述：
    MESSAGE
    redelivered:true
    message-id:ID:localhost-34450-1457321490460-4:24:-1:1:1
    destination:/test
    timestamp:1457331607873
    expires:0
    priority:4
    
    2345431457331607861
  • BEGIN 开始事务命令 ： Stomp协议支持事务模式，在这种模式下，使用Send命令从某个客户端发出的消息，在没有使用COMMIT正式提交前，这些消息是不会真正发送给Stomp代理端的。 BEGIN命令就是用于开启事务。注意，一个事务中可以有一条消息，也可以有多条消息 。
  • COMMIT 提交命令 ： 当完成事务中的信息定义后，使用该命令提交事务。 只有使用COMMIT命令后，在某一个事务中的一条或者多条消息才会进入Stomp代理端的队列 （订阅了事件的其它客户端才能收到这些消息）。
  • ABORT 取消/终止事务命令 ：很明显，这个命令用于取消/终止当前还没有执行COMMIT命令的事务。
  • ACK 确认命令 ：当客户端使用SUBSCRIBE命令进行订阅时，如果在SUBSCRIBE命令中制定ack属性为client，那么这个客户端在收到某条消息（id为XXXX）后，必须向Stomp代理端发送ACK命令，这样代理端才会认为消息处理成功了； 如果Stomp客户端在断开连接之前都没有发送ACK命令，那么Stomp代理端将在这个客户端断开连接后，将这条消息发送给其它客户端 。
    ACK
    id:MESSAGE ID
    
    ^@

请注意head部分的id属性，传递的id属性是之前收到的MESSAGE信息的id标示。

  • NACK 不确认命令 ：同样是以上的SUBSCRIBE命令的状态下，如果这时Stomp客户端向Stomp代理端发送NACK信息，证明这条消息在这个客户端处理失败。 Stomp代理端将会把这条消息发送给另一个客户端（无论当前的客户端是否断开连接） 。
  • DISCONNECT 断开命令 ：这个命令将断开Stomp客户端与Stomp代理端的连接。
                    （接下文）
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文章标签： 系统通信架构设计