openstack的RPC机制之AMQP协议

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一、openstack RPC通信

Openstack 的主要组件有 Nova、Cinder、Neutron、Glance 等，分别负责云平台的计算、存储、网络资源管理。OpenStack 各组件之间是通过 REST 接口进行相互通信，而各组件内部则采用了RPC通信。

1、什么是RPC

RPC即Remote Procedure Call(远程方法调用)，是Openstack中一种用来实现跨进程(或者跨机器)的通信机制。Openstack中同项目内(如nova, neutron, cinder…)各服务(service)均通过RPC实现彼此间通信。Openstack中还有另外两种跨进程的通信方式：数据库和Rest API。
Openstack中服务主要以进程的形式实现。也可以以线程的形式实现，但是Python中的线程是协作模型，无法发挥系统中多CPU(或多CPU核心)的能力。RCP只定义了一个通信接口，其底层的实现可以各不相同。目前Openstack中的主要采用AMQP的实现满足组件内部的松耦合性。

2、什么是AMQP

AMQP即Advanced Message Queuing Protocol()是一种基于队列的可靠消息服务协议，具体可参考http://en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Message_Queuing_Protocol。作为一种通信协议，AMQP同样存在多个实现，如Apache Qpid、RabbitMQ、ZeroMQ等。

二、AMQP模型

1、AMQP概念

AMQP 是一个定义了在应用或者组织之间传送消息的协议的开放标准 （an open standard for passing business messages between applications or organizations），它最新的版本是 1.0。AMQP 目标在于解决在两个应用之间传送消息存在的下列问题：

网络是不可靠的 =>消息需要保存后再转发并有出错处理机制

与本地调用相比，网络速度慢 =>得异步调用

应用之间是不同的（比如不同语言实现、不同操作系统等） =>得与应用无关

应用会经常变化 =>同上

AMQP 使用异步的、应用对应用的、二进制数据通信来解决这些问题。
2、AMQP 模型有几个重要的概念：

Publisher：消息发送者，将消息发送到Exchange并指明Routing Key，以便Message Queue可以正确的收到消息

Exchange：交换器，从Producer接受消息, 根据Bindings中配置的Routing key, 把消息分派到对应的Message Queue中

Routing key：路由键，用于Exchange判断哪些消息需要发送对应的Message Queue

Bindings: 描述了Exchange和Queue之间的关系。Exchange 根据消息内容 (routing key), 和Binding配置来决定把消息分派到哪个Queue中

Message Queue: 存储消息, 并把消息传递给最终的 Consumer

Consumer：消息接受者，从Message Queue获取消息，一个Consumer可以订阅多个Queue, 来接受Queue中的消息

3、AMQP 定义了三种类型的 Exchange，不同类型 Exchange 实现不同的 routing 算法：

Direct Exchange：Point-to-Point 消息模式，消息点对点的通信模式，Direct Exchange 根据 Routing Key 进行精确匹配，只有对应的 Message Queue 会接受到消息

Topic Exchange：Publish-Subscribe(Pub-sub)消息模式，Topic Exchange 根据 Routing Key 进行模式匹配，只要符合模式匹配的 Message Queue 都会收到消息

Fanout Exchange：广播消息模式，Fanout Exchange 将消息转发到所有绑定的 Message Queue

4、AMQP工作原理：

消息发布者Publisher将Message发送给Exchange并且说明Routing Key。Exchange 负责根据 Message 的Routing Key和binding 的Message Queue进行路由，将 Message 正确地转发给相应的 Message Queue。监听在 Message Queue 上的 Consumer 将会从 Queue 中读取消息。
   Routing Key 是 Exchange 转发信息的依据，因此每个消息都有一个 Routing Key 表明可以接受消息的目的地址，而每个 Message Queue 都可以通过将自己想要接收的 Routing Key 告诉 Exchange 进行 binding，这样 Exchange 就可以将消息正确地转发给相应的 Message Queue。下面的图显示了整体AMQP模型： 

Server就是中间件服务器：它是一个接受消息的数据服务器，并主要做两件事情，依据条件将消息路由给不同的消费者,当消费者消费速度不够快时，它会把消息缓存在内存或磁盘上。
    在AMQP之前的服务器中，它们会通过实现了特定类型路由和缓存的庞大引擎来完成. AMQ模块使用较小的模块结合更多样和稳健的方案来实现. 它把这些任务分成了两个不同角色:

交换器, 它接受来自生产者的消息并将它们路由到消息队列

消息队列, 它存储消息消息并把它们转发给消费者应用程序

在交换器和消息队列之间有一个明显的界面，称为绑定(binding)。

5、消息流

下面的图展示了通过AMQ模块服务器的消息流：

一个AMQP消息由一组属性和不透明的内容组成。一个新消息是由生产者应用程序通过使用AMQP client API来创建的.生产者将“内容”附着在消息中，并对其设置一些消息“属性”。生产者使用路由信息来标记消息，其表面上类似于地址，但几乎可以创建任何模式。然后，生产者将消息发送到服务器上的交换器中。
    当消息到达服务器时,交换器通常会将消息路由到一级存在于服务器上的消息队列中.如果消息不能路由,交换器会默默地丢弃或者将其返回给生产者. 生产者可以选择如何来处理未路由消息。
    单个消息可存在于多个消息队列. 服务器可以不同方式进行处理,如通过拷贝消息或通过引用计数器等. 这不影响互操作性。然而，当一个消息被路由到多个消息队列时，它在每个消息队列上都是一样的。没有独特的标识符来区分不同的副本。
当消息到达消息队列时，消息队列会通过AMQP，立即尝试将消息传递给消费者应用程序.如果不行,消息队列会存储消息(按发布者要求存储在内存或磁盘中)，并等待消费者准备好.如果没有消费者，消息队列通过AMQP将消息返回给生产者(再次地，如果生产者对此有要求的话)。
    当消息队列把消息投递给消费者后，它会从内部缓冲区中删除消息.这有可能立即发生，也有可能在消费者应答它已成功处理之后删除.消费者可选择如何以及何时来应答消息.同样地， 消费者也可以拒绝消息(一个否定应答)。
    生产者消息和消费者应答可以组成事务. 当一个应用程序同时扮演两种角色时，通常它会做混合工作:发送消息和发送应答,然后提交或回滚事务。
从服务器投递消息给消费者，这个过程不是事务的，它只能通过消息应答来处理。

6、交换器Exchange功能说明

交换器是一个虚拟主机内的消息路由代理。交换器实例（我们通常称之为“交换器”）接受消息和路由信息-主要是一个路由键-或者将消息传递到消息队列，或到内部服务。交换器是基于每个虚拟主机命名的。
    应用程序可以在权限范围内自由地创建、共享、使用和销毁交换器实例。交换器可能是持久的、临时的或自动删除的。持久化的交换器会持续到他们被删除，临时的交换器会持续到服务器关闭。自动删除的交换器直到他们不再使用。服务器提供了一组特定的交换器类型。每个交换器类型都实现了一个特定的匹配和算法，如下一节中定义的。AMQP只要求少量的交换器类型，并推荐了一些。此外，每个服务器实现可以添加自己的交换类型。
交换器可以将单个消息并发地路由到的消息队列中。这将创建一个独立消息的多个实例。

Direct交换器类型

direct 交换器按如下方式来工作:
1. 消息队列使用路由键K来绑定交换器
2. 发布者使用路由键R来向交换器发送消息
3. 在K=R时，消息会传递到消息队列中

Direct 类似于我们生活中的快递, 填写对方的地址, 邮局会根据唯一地址, 来投递邮件。
1) [Producer] 在消息体中, 填写 Routing key
2) [Exchange] 根据Routing key, 在 Binding 中查找和Routing key绑定的 Queue
3) [Exchange] 发送消息到Queue

Topic交换器类型

topic交换器类型按如下方式来工作:
1. 消息队列使用路由模式P来绑定到交换器
2. 发布者使用路由键R来向交换器发送消息
3. 当R匹配P时，消息将被传递到消息队列
用于topic交换器的路由键必须由0个或多个由点号.分隔的单词组成。每个单词必须包含字母A-Z和a-z 以及数字0-9。路由模式与路由键遵循相同的规则，* 用于匹配单个单词，# 用于匹配0个或多个单词。
因此路由模式*.stock.# 会匹配路由键usd.stock 和eur.stock.db 但不匹配stock.nasdaq。

Topic Exchange 和Direct Exchange比较类似, 但是Topic Exchange支持模糊匹配 (#, * 等等)。
Topic 类似于我们生活中的报刊订阅. 使用关键字”体育”订阅杂志后, 邮局会把”体育周刊” 和”体育日报” 都发送给你。
1) [Producer] 在消息体中, 填写 Routing key
2) [Exchange] 根据Routing key, 在 Binding 中, 通过模糊匹配, 查找和Routing key绑定的 Queue
3) [Exchange] 发送消息到Queue

Fanout 交换器类型

fanout交换器类型按如下方式来工作:
1. 消息队列不使用参数来绑定交换器
2. 发布者向交换器发送消息
3. 消息无条件传递给消息队列

Fanout Exchange 不需要任何 Routing key
Fanout 类似于我们生活中的广播. 任何人无需订阅, 都可以收听到
Fanout Exchange 接收到消息之后, 会把消息发送给所有绑定的Queue中

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