使用 ZeroMQ 在分布式系统中发送消息

使用 ZeroMQ 在分布式系统中发送消息

让我们使用 Python 来开发不同的消息传递模式。

您需要观看以下视频才能按照分步命令进行操作。

慢慢来；确保在运行命令之前仔细检查它们。

• 以下视频演示了本教程中使用的命令。

我在我的 GCP 虚拟机上运行本教程，但也可以在本地运行它 ✅

本教程使用 ZeroMQ 介绍 Python3 中套接字的概念。 ZeroMQ 是一种开发套接字的简单方法，允许分布式进程通过发送消息相互通信。

• 最简单的形式是，一个套接字（节点）“监听”特定的 IP 端口，同时另一个套接字伸出来形成连接。使用套接字，我们可以拥有一对一、一对多和多对多连接模式。

我们今天将研究的消息传递模式如下：

• 配对： 排他性、一对一的通信，两个同伴相互通信。通信是双向的，套接字中没有存储特定的状态。服务器监听某个端口，客户端连接到该端口。

• 客户端 – 服务器：客户端连接到一台或多台服务器。该模式允许请求-响应模式。客户端发送请求“zmq.REQ”并接收回复。

• 发布/订阅： 一种传统的通信模式，消息的发送者（称为发布者）将消息发送到特定的接收者（称为订阅者）。消息的发布无需知道该知识的订阅者是什么或是否存在。多个订阅者订阅由发布者发布的消息/主题，或者一个订阅者可以连接到多个发布者。

• 推拉套接字（又名管道）：让您将消息分发给排列在管道中的多个工作人员。 Push 套接字会将发送的消息均匀分发到其 Pull 客户端。这相当于生产者/消费者模型，但是消费者计算的结果不会发送到上游，而是下游到另一个拉取/消费者套接字。

？ 注意： 使用套接字可能会很棘手，使用相同的端口号/相同的套接字一次又一次运行相同的代码，可能会导致连接“挂起”（服务器看起来像是正在运行，但它不能接受连接）。发生这种情况是因为我们没有正确关闭和销毁之前的连接。

解决这个问题最合适的方法是关闭套接字并销毁 ZeroMQ 上下文。有关更多详细信息，请参阅第 2 阶段和第 3 阶段的 try – catch 块。

在本教程中，您可能会遇到此类问题，例如，在同一端口中多次运行同一服务器。如果您遇到挂起问题，建议您终止 Python 进程，清理 TCP 端口号，然后再次运行服务器（请参阅步骤 11）。

第 1 阶段：将服务器与客户端配对

让我们首先创建一个新的虚拟机，然后我们将安装Python3。

• 保留虚拟机内部 IP 的副本，在本教程中我们将使用内部 IP 地址。
  1. 打开一个新的终端连接并运行以下命令（一个接一个）。最后一个命令安装 ZeroMQ。

$ sudo apt update
$ sudo apt install software-properties-common
$ sudo apt install python3.8
$ sudo apt-get -y install python3-pip
$ pip3 install pyzmq

出现提示时输入：Y。

如今许多应用程序都包含跨网络的组件，因此消息传递至关重要。今天我们将使用 TCP 进行消息传输。

您可以使用 VSC 访问您的虚拟机，也可以使用 SSH 运行命令并使用 pico 编辑文件，在我的例子中，我将使用 SSH。

？确保仔细复制代码。

我们需要创建第一个ZeroMQ 服务器，该服务器一次只允许与一个客户端绑定。

• 创建一个名为pair-server.py的新文件，然后输入以下代码。

• 代码使用 zmq.PAIR 模式创建一个新套接字，然后将服务器绑定到特定的 IP 端口（我们已经在 GCP 中打开）。请注意，在我们停止服务器之前，服务器不会停止运行。

• 查看评论以了解其工作原理。

• 确保更改 ;这是 GCP 虚拟机的 内部 IP 地址；客户端端口应与服务器端口相同。
  

# import the library
import zmq
import time
# Initialize a new context that is the way to create a socket
context = zmq.Context()
# We will build a PAIR connection
socket = context.socket(zmq.PAIR) # We create a PAIR server
# Do not worry about this for the moment...
socket.setsockopt(zmq.LINGER, 0) 
# Create a new socket and "bind" it in the following address
# Make sure you update the address
socket.bind("tcp://<INTERNAL_VM_ADDRESS>:5555") # IP:PORT
# Keep the socket alive for ever...
while True:
    # Send a text message to the client (send_string)
    socket.send_string("Server message to Client")
    # Receive a message, store it in msg and then print it
    msg = socket.recv()
    print(msg)
    # Sleep for 1 second, so when we run it, we can see the results
    time.sleep(1)

先不要运行服务器，首先让我们创建客户端。

创建客户端并花一点时间检查评论。我将其命名为pair-client.py。

确保更改 ;端口应与服务器中的端口相同。

$ sudo apt update
$ sudo apt install software-properties-common
$ sudo apt install python3.8
$ sudo apt-get -y install python3-pip
$ pip3 install pyzmq

我们需要两个个终端窗口来运行PAIR示例。我们将在一个窗口上运行服务器，在另一个窗口上运行客户端。现在，按如下方式运行它。

• 运行服务器

# import the library
import zmq
import time
# Initialize a new context that is the way to create a socket
context = zmq.Context()
# We will build a PAIR connection
socket = context.socket(zmq.PAIR) # We create a PAIR server
# Do not worry about this for the moment...
socket.setsockopt(zmq.LINGER, 0) 
# Create a new socket and "bind" it in the following address
# Make sure you update the address
socket.bind("tcp://<INTERNAL_VM_ADDRESS>:5555") # IP:PORT
# Keep the socket alive for ever...
while True:
    # Send a text message to the client (send_string)
    socket.send_string("Server message to Client")
    # Receive a message, store it in msg and then print it
    msg = socket.recv()
    print(msg)
    # Sleep for 1 second, so when we run it, we can see the results
    time.sleep(1)

• 运行客户端

import zmq
import time
# Same as before, initialize a socket
context = zmq.Context()
socket = context.socket(zmq.PAIR) # We create a PAIR server
socket.setsockopt(zmq.LINGER, 0)
# Connect to the IP that we already bind in the server
socket.connect("tcp://<INTERNAL_VM_ADDRESS>:5555")
# A counter will help us control our connection
# For example connect until you send 10 messages, then disconnect...
count = 0
while count<10:
    msg = socket.recv()
    print(msg)
    socket.send_string("Hello from Client")
    socket.send_string("This is a client message to server")
    print("Counter: ",count)
    count+=1
    time.sleep(1)
# Destroy the context socket and then close the connection
context.destroy()
socket.close()

检查输出，我们刚刚创建了一个新的 PAIR 套接字。

• 当客户端完成连接时，脚本将终止。然后停止服务器（ctrl c）并杀死它。

在再次运行之前，我们需要清除 TCP 连接。为此，请使用以下命令。

$ python3 pair-server.py

？备注：

• 我们一次只能运行一个PAIR，这意味着我们不能有多个客户端，记住这是一个PAIR，第一个客户端将锁定套接字.

• 如果我们运行服务器一次，客户端运行两次，第二个客户端将“挂起”，这意味着第二个客户端将等待新服务器连接。

• 如果我们想要多次运行该对，我们需要终止服务器并清除 TCP 连接。

• PAIR 当客户端需要独占访问服务器时是理想的选择。

• 我们可以将多个服务器作为一对连接到多个客户端，但我们需要使用不同的端口号进行连接。

每个阶段都是相互独立的，因此，停止服务器，清除 TCP 端口，然后进入下一阶段。

第 2 阶段：将服务器与多个客户端配对

让我们创建一个客户端-服务器连接，其中多个客户端将连接到单个服务器。这是最流行的消息传递模式。

• 让我们在 REP-REQ（回复请求）模式的上下文中创建一个服务器。
• 我们将调用服务器rep-server.py，使用端口5555。

$ python3 pair-client.py

现在我们将开发两个功能相同的客户端。

$ sudo fuser -k 5555/tcp # 5555 refers to your port number

import zmq
import time
try: # Try to create a new connection
    context = zmq.Context()
    socket = context.socket(zmq.REP) # We create a REP server
    # Here we set a linger period for the socket
    # Linger 0: no waiting period for new messages
    socket.setsockopt(zmq.LINGER, 0)
    socket.bind("tcp://<INTERNAL_VM_ADDRESS>:5555")
    while True: # Wait for next request from client
        message = socket.recv()
        print("Received request: ", message)
        time.sleep (1)  
        socket.send_string("Hi from Server")
except KeyboardInterrupt: # “ctr+c” to break and close the socket!
    context.destroy()
    socket.close()

让我们创建该客户端的副本并进行相应的编辑。运行以下命令来制作新副本。

* **Client 1** will send a “Client 1 Hello world” request

* **Client 2** will send a “Client 2 Hello world” request to the server. 
* Let us create a file called `req-client1.py`, then edit as follows, again make sure you change the <INTERNAL_VM_ADDRESS>.

然后编辑req-client2.py并将客户端1更改为客户端2。

让我们编辑打印和套接字消息（第 8 行和第 9 行）

import zmq
import time
context = zmq.Context()
socket = context.socket(zmq.REQ) # We create a REQ client (REQUEST)
socket.setsockopt(zmq.LINGER, 0)
socket.connect("tcp://<INTERNAL_VM_ADDRESS>:5555")
for request in range (1,10):
    print("Sending request Client 1 ", request,"...")
    socket.send_string("Hello from client 1")
    message = socket.recv()
    print("Received reply ", request, "[", message, "]")
socket.close()
context.destroy()

要运行此示例，我们需要三个 个终端窗口，一个用于服务器，两个用于客户端。在第一个终端中运行以下命令。

• 让我们启动服务器

$ sudo apt update
$ sudo apt install software-properties-common
$ sudo apt install python3.8
$ sudo apt-get -y install python3-pip
$ pip3 install pyzmq

• 让我们启动第一个客户端

# import the library
import zmq
import time
# Initialize a new context that is the way to create a socket
context = zmq.Context()
# We will build a PAIR connection
socket = context.socket(zmq.PAIR) # We create a PAIR server
# Do not worry about this for the moment...
socket.setsockopt(zmq.LINGER, 0) 
# Create a new socket and "bind" it in the following address
# Make sure you update the address
socket.bind("tcp://<INTERNAL_VM_ADDRESS>:5555") # IP:PORT
# Keep the socket alive for ever...
while True:
    # Send a text message to the client (send_string)
    socket.send_string("Server message to Client")
    # Receive a message, store it in msg and then print it
    msg = socket.recv()
    print(msg)
    # Sleep for 1 second, so when we run it, we can see the results
    time.sleep(1)

• 让我们启动第二个客户端

import zmq
import time
# Same as before, initialize a socket
context = zmq.Context()
socket = context.socket(zmq.PAIR) # We create a PAIR server
socket.setsockopt(zmq.LINGER, 0)
# Connect to the IP that we already bind in the server
socket.connect("tcp://<INTERNAL_VM_ADDRESS>:5555")
# A counter will help us control our connection
# For example connect until you send 10 messages, then disconnect...
count = 0
while count<10:
    msg = socket.recv()
    print(msg)
    socket.send_string("Hello from Client")
    socket.send_string("This is a client message to server")
    print("Counter: ",count)
    count+=1
    time.sleep(1)
# Destroy the context socket and then close the connection
context.destroy()
socket.close()

检查窗口的输出，我们刚刚创建了两个与一台服务器通信的客户端。您可以拥有任意数量的客户端，您将需要创建客户端，即使具有连接到一台服务器的不同功能。

？ 备注：

• 客户端-服务器是最广泛使用的模式，当我们安装和运行 Apache HTTP 服务器时，我们已经在第 1 类中使用了它。

• 停止服务器并清理 TCP 端口 5555

  • 杀死服务器：

重击
$ sudo fusion -k 5555/tcp

第 3 阶段：将服务器与客户端配对

发布-订阅模式是一种非常常见的方法，用于控制向订阅上下文的许多客户端广播数据，服务器将数据发送到一个或多个客户端。

$ python3 pair-server.py

让我们首先创建一个简单的示例。

$ python3 pair-client.py

让我们创建一个新文件，命名为 pub_server.py。

$ sudo fuser -k 5555/tcp # 5555 refers to your port number

import zmq
import time
try: # Try to create a new connection
    context = zmq.Context()
    socket = context.socket(zmq.REP) # We create a REP server
    # Here we set a linger period for the socket
    # Linger 0: no waiting period for new messages
    socket.setsockopt(zmq.LINGER, 0)
    socket.bind("tcp://<INTERNAL_VM_ADDRESS>:5555")
    while True: # Wait for next request from client
        message = socket.recv()
        print("Received request: ", message)
        time.sleep (1)  
        socket.send_string("Hi from Server")
except KeyboardInterrupt: # “ctr+c” to break and close the socket!
    context.destroy()
    socket.close()

• 该命令将指示 python 以特定的方式运行服务器

* **Client 1** will send a “Client 1 Hello world” request

* **Client 2** will send a “Client 2 Hello world” request to the server. 
* Let us create a file called `req-client1.py`, then edit as follows, again make sure you change the <INTERNAL_VM_ADDRESS>.

创建一个新文件 pub_client.py。
* 该脚本接受来自命令行的三个参数（即 IP 和两个端口）。

import zmq
import time
context = zmq.Context()
socket = context.socket(zmq.REQ) # We create a REQ client (REQUEST)
socket.setsockopt(zmq.LINGER, 0)
socket.connect("tcp://<INTERNAL_VM_ADDRESS>:5555")
for request in range (1,10):
    print("Sending request Client 1 ", request,"...")
    socket.send_string("Hello from client 1")
    message = socket.recv()
    print("Received reply ", request, "[", message, "]")
socket.close()
context.destroy()

我们已准备好运行我们的pub-sub应用程序！我们需要三个个终端窗口。在第一个终端中运行：

$ cp req-client1.py req-client2.py

• 在第二个终端中运行：

import zmq
import time
context = zmq.Context()
socket = context.socket(zmq.REQ) # We create a REQ client (REQUEST)
socket.setsockopt(zmq.LINGER, 0)
socket.connect("tcp://<INTERNAL_VM_ADDRESS>:5555")
for request in range (1,10):
    print("Sending request Client 2 ", request,"...")
        socket.send_string("Hello from client 2")
    message = socket.recv()
    print("Received reply ", request, "[", message, "]")
socket.close()
context.destroy()

• 每个服务器都会生成天气数据。例如：
  • 邮政编码，例如：10001
  • 温带，例如：-68

让我们运行客户端以通过邮政编码连接并订阅数据，例如 10001 (NYC)。请记住，客户端脚本订阅了两个服务器实例。运行下一个命令：

$ python3 rep-server.py

• 完成杀死服务器（ctrl z）并清除 TCP 端口后，运行以下命令：

$ python3 req-client1.py

$ python3 req-client2.py

第 4 阶段：推/拉：使用管道模式**

推/拉套接字可让您将消息分发给排列在管道中的多个工作人员。这对于并行运行代码非常有用。 Push 套接字会将消息均匀分发到其 Pull 客户端，客户端将响应发送到另一个称为收集器的服务器。

• 这相当于生产者/消费者模型，但是消费者计算的结果不会发送到上游，而是下游到另一个拉取/消费者套接字。

• 我们将实现以下功能。

• 生产者将向消费者推送 0 到 10 的随机数。

• 同一消费者的两个实例将拉取数字并执行繁重的任务。

• 任务可以是任何繁重的计算，例如矩阵乘法。

• 为了简单起见，我们的“繁重任务”将只返回相同的数字。

• 消费者会将各个结果（繁重的任务计算）推送到结果收集器，该收集器将汇总结果。

• 为了简单起见，结果收集器的实例将拉取结果并计算每个消费者的部分总和。如果需要，我们可以轻松地将两个部分和相加。

• 让我们看一个简单的例子。

  • 生产者生成 [1,2,3,4,5]。
  • 消费者1接收到[2,4]，然后计算一个繁重的任务并将结果转发给结果收集器。
  • 消费者2收到[1,3,5]，然后计算一个繁重的任务，并将结果转发给结果收集器。
  • 结果收集器计算计数和部分总和，例如：
  • Consumer1[2,4]，这意味着从 Consumer1 收到 2 个数字，它们的总和为 6。
  • Consumer2[1,3,5]，表示从该 Consumer2 收到 3 个数字，其总和为 9。

• 此示例演示了分布式处理并行处理的潜力。

首先，让我们创建在端口 5555 上运行的名为 Producer.py 的生产者，确保您调整了您的 .

$ sudo apt update
$ sudo apt install software-properties-common
$ sudo apt install python3.8
$ sudo apt-get -y install python3-pip
$ pip3 install pyzmq

然后创建consumer.py如下。不要忘记更改代码中的两个 s。

# import the library
import zmq
import time
# Initialize a new context that is the way to create a socket
context = zmq.Context()
# We will build a PAIR connection
socket = context.socket(zmq.PAIR) # We create a PAIR server
# Do not worry about this for the moment...
socket.setsockopt(zmq.LINGER, 0) 
# Create a new socket and "bind" it in the following address
# Make sure you update the address
socket.bind("tcp://<INTERNAL_VM_ADDRESS>:5555") # IP:PORT
# Keep the socket alive for ever...
while True:
    # Send a text message to the client (send_string)
    socket.send_string("Server message to Client")
    # Receive a message, store it in msg and then print it
    msg = socket.recv()
    print(msg)
    # Sleep for 1 second, so when we run it, we can see the results
    time.sleep(1)

最后，让我们开发collector.py，再次更改.

import zmq
import time
# Same as before, initialize a socket
context = zmq.Context()
socket = context.socket(zmq.PAIR) # We create a PAIR server
socket.setsockopt(zmq.LINGER, 0)
# Connect to the IP that we already bind in the server
socket.connect("tcp://<INTERNAL_VM_ADDRESS>:5555")
# A counter will help us control our connection
# For example connect until you send 10 messages, then disconnect...
count = 0
while count<10:
    msg = socket.recv()
    print(msg)
    socket.send_string("Hello from Client")
    socket.send_string("This is a client message to server")
    print("Counter: ",count)
    count+=1
    time.sleep(1)
# Destroy the context socket and then close the connection
context.destroy()
socket.close()

确保没有缩进错误！

$ python3 pair-server.py

首先，我们需要运行collector.py，收集器将等待数据被收集，直到我们启动生产者。

$ python3 pair-client.py

• 然后，我们将一一启动消费者，在不同的终端窗口中运行每个命令。

$ sudo fuser -k 5555/tcp # 5555 refers to your port number

• 在另一个终端中运行相同的命令。

import zmq
import time
try: # Try to create a new connection
    context = zmq.Context()
    socket = context.socket(zmq.REP) # We create a REP server
    # Here we set a linger period for the socket
    # Linger 0: no waiting period for new messages
    socket.setsockopt(zmq.LINGER, 0)
    socket.bind("tcp://<INTERNAL_VM_ADDRESS>:5555")
    while True: # Wait for next request from client
        message = socket.recv()
        print("Received request: ", message)
        time.sleep (1)  
        socket.send_string("Hi from Server")
except KeyboardInterrupt: # “ctr+c” to break and close the socket!
    context.destroy()
    socket.close()

• 最后，我们将启动生产者，开始将数据发送到我们的管道。

* **Client 1** will send a “Client 1 Hello world” request

* **Client 2** will send a “Client 2 Hello world” request to the server. 
* Let us create a file called `req-client1.py`, then edit as follows, again make sure you change the <INTERNAL_VM_ADDRESS>.

干得好！ ？您使用 ZeroMQ 来开发消息传递模式！

以上是使用 ZeroMQ 在分布式系统中发送消息的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章！