使用 ZeroMQ 在分散式系統中傳送訊息

使用 ZeroMQ 在分散式系統中傳送訊息

讓我們使用 Python 來發展不同的訊息傳遞模式。

您需要觀看以下影片才能按照逐步命令進行操作。

慢慢來；確保在運行命令之前仔細檢查它們。

• 以下影片示範了本教學中使用的指令。

我在我的 GCP 虛擬機上運行本教程，但也可以在本地運行它 ✅

本教學使用 ZeroMQ 介紹 Python3 中套接字的概念。 ZeroMQ 是一種開發套接字的簡單方法，允許分散式進程透過發送訊息相互通訊。

• 最簡單的形式是，一個套接字（節點）「監聽」特定的 IP 端口，同時另一個套接字伸出來形成連接。使用套接字，我們可以擁有一對一、一對多和多對多連線模式。

我們今天將研究的訊息傳遞模式如下：

• 配對： 排他的、一對一的通信，兩個同伴相互通信。通訊是雙向的，套接字中沒有儲存特定的狀態。伺服器監聽某個端口，客戶端連接到該端口。

• 客戶端 – 伺服器：客戶端連接到一台或多台伺服器。此模式允許請求-回應模式。客戶端發送請求“zmq.REQ”並接收回應。

• 發布/訂閱： 一種傳統的通訊模式，訊息的發送者（稱為發布者）將訊息傳送到特定的接收者（稱為訂閱者）。訊息的發布無需知道該知識的訂閱者是什麼或是否存在。多個訂閱者訂閱由發布者發布的消息/主題，或者一個訂閱者可以連接到多個發布者。

• 推拉套接字（又稱管道）：讓您將訊息分發給排列在管道中的多個工作人員。 Push 套接字會將發送的訊息均勻分發到其 Pull 用戶端。這相當於生產者/消費者模型，但是消費者計算的結果不會發送到上游，而是下游到另一個拉取/消費者套接字。

？ 注意： 使用套接字可能會很棘手，使用相同的連接埠號碼/相同的套接字一次又一次運行相同的程式碼，可能會導致連接「掛起」（伺服器看起來像是正在運行，但它不能接受連接）。發生這種情況是因為我們沒有正確關閉和銷毀之前的連接。

解決這個問題最合適的方法是關閉套接字並銷毀 ZeroMQ 上下文。有關更多詳細信息，請參閱第 2 階段和第 3 階段的 try – catch 區塊。

在本教學中，您可能會遇到此類問題，例如，在同一連接埠中多次執行相同伺服器。如果您遇到掛起問題，建議您終止 Python 進程，清理 TCP 連接埠號碼，然後再次執行伺服器（請參閱步驟 11）。

第 1 階段：將伺服器與客戶端配對

讓我們先建立一個新的虛擬機，然後我們將安裝Python3。

• 保留虛擬機器內部 IP 的副本，在本教學中我們將使用內部 IP 位址。
  1. 開啟一個新的終端連接並執行以下命令（一個接一個）。最後一個指令安裝 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

出現提示時輸入：Y。

如今許多應用程式都包含跨網路的元件，因此訊息傳遞至關重要。今天我們將使用 TCP 進行訊息傳輸。

您可以使用 VSC 存取您的虛擬機，也可以使用 SSH 執行命令並使用 pico 編輯文件，在我的例子中，我將使用 SSH。

？確保仔細複製代碼。

我們需要建立第一個ZeroMQ 伺服器，該伺服器一次只允許與一個客戶端綁定。

• 建立一個名為pair-server.py的新文件，然後輸入以下程式碼。

• 程式碼使用 zmq.PAIR 模式建立一個新套接字，然後將伺服器綁定到特定的 IP 連接埠（我們已經在 GCP 中開啟）。請注意，在我們停止伺服器之前，伺服器不會停止運作。

• 查看評論以了解其工作原理。

• 確保更改 ;這是 GCP 虛擬機器的 內部 IP 位址；用戶端連接埠應與伺服器連接埠相同。
  

# 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)

先不要運行伺服器，首先讓我們建立客戶端。

建立客戶端並花一點時間檢查評論。我將其命名為pair-client.py。

確保更改 ;連接埠應與伺服器中的連接埠相同。

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

我們需要兩個個終端視窗來運作PAIR範例。我們將在一個視窗上運行伺服器，在另一個視窗上運行客戶端。現在，按如下方式運行它。

• 運行伺服器

# 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)

• 運行客戶端

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()

檢查輸出，我們剛剛建立了一個新的 PAIR 套接字。

• 當客戶端完成連線時，腳本將終止。然後停止伺服器（ctrl c）並殺死它。

在再次運行之前，我們需要清除 TCP 連線。為此，請使用以下命令。

$ python3 pair-server.py

？備註：

• 我們一次只能運行一個PAIR，這意味著我們不能有多個客戶端，記住這是一個PAIR，第一個客戶端將鎖定套接字.

• 如果我們運行伺服器一次，客戶端運行兩次，第二個客戶端將“掛起”，這意味著第二個客戶端將等待新伺服器連線。

• 如果我們想要多次運行該對，我們需要終止伺服器並清除 TCP 連線。

• PAIR 當客戶端需要獨佔存取伺服器時是理想的選擇。

• 我們可以將多個伺服器作為一對連接到多個客戶端，但我們需要使用不同的連接埠號碼進行連接。

每個階段都是相互獨立的，因此，停止伺服器，清除 TCP 端口，然後進入下一階段。

第 2 階段：將伺服器與多個客戶端配對

讓我們建立一個客戶端-伺服器連接，其中多個客戶端將連接到單一伺服器。這是最受歡迎的訊息傳遞模式。

• 讓我們在 REP-REQ（回覆請求）模式的上下文中建立一個伺服器。
• 我們將呼叫伺服器rep-server.py，使用連接埠5555。

$ python3 pair-client.py

現在我們將開發兩個功能相同的客戶端。

$ 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()

讓我們建立該客戶端的副本並進行對應的編輯。執行以下命令來製作新副本。

* **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>.

然後編輯req-client2.py並將客戶端1改為客戶端2。

讓我們編輯列印和套接字訊息（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()

要執行此範例，我們需要三個 個終端窗口，一個用於伺服器，兩個用於客戶端。在第一個終端機中執行以下命令。

• 讓我們啟動伺服器

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

• 讓我們啟動第一個客戶端

# 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)

• 讓我們啟動第二個客戶端

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()

檢查視窗的輸出，我們剛剛建立了兩個與一台伺服器通訊的客戶端。您可以擁有任意數量的客戶端，您將需要建立客戶端，即使具有連接到一台伺服器的不同功能。

？ 備註：

• 客戶端-伺服器是最廣泛使用的模式，當我們安裝和執行 Apache HTTP 伺服器時，我們已經在第 1 類中使用了它。

• 停止伺服器並清理 TCP 連接埠 5555

  • 殺死伺服器：

重擊
$ sudo fusion -k 5555/tcp

第 3 階段：將伺服器與客戶端配對

發布-訂閱模式是一種非常常見的方法，用於控制向訂閱上下文的許多客戶端廣播數據，伺服器將數據發送到一個或多個客戶端。

$ python3 pair-server.py

讓我們先建立一個簡單的範例。

$ python3 pair-client.py

讓我們建立一個新文件，命名為 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()

• 該命令將指示 python 以特定的方式運行伺服器

* **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>.

建立一個新檔案 pub_client.py。
* 此腳本接受來自命令列的三個參數（即 IP 和兩個連接埠）。

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()

我們已準備好運行我們的pub-sub應用程式！我們需要三個個終端視窗。在第一個終端機中運作：

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

• 在第二個終端機中運作：

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()

• 每個伺服器都會產生天氣資料。例如：
  • 郵遞區號，例如：10001
  • 溫帶，例如：-68

讓我們運行客戶端以透過郵遞區號連接並訂閱數據，例如 10001 (NYC)。請記住，客戶端腳本訂閱了兩個伺服器實例。執行下一個指令：

$ python3 rep-server.py

• 完成殺死伺服器（ctrl z）並清除 TCP 連接埠後，執行以下命令：

$ python3 req-client1.py

$ python3 req-client2.py

第 4 階段：推/拉：使用管道模式**

推/拉套接字可讓您將訊息分發給排列在管道中的多個工作人員。這對於並行運行程式碼非常有用。 Push 套接字會將訊息均勻分發到其 Pull 用戶端，客戶端將回應傳送到另一個稱為收集器的伺服器。

• 這相當於生產者/消費者模型，但是消費者計算的結果不會發送到上游，而是下游到另一個拉取/消費者套接字。

• 我們將實現以下功能。

• 生產者將向消費者推送 0 到 10 的隨機數。

• 同一消費者的兩個實例將拉取數字並執行繁重的任務。

• 任務可以是任何繁重的計算，例如矩陣乘法。

• 為了簡單起見，我們的「繁重任務」將只傳回相同的數字。

• 消費者會將各個結果（繁重的任務計算）推送到結果收集器，該收集器將匯總結果。

• 為了簡單起見，結果收集器的實例將拉取結果併計算每個消費者的部分總和。如果需要，我們可以輕鬆地將兩個部分和加起來。

• 讓我們來看一個簡單的例子。

  • 生產者生成 [1,2,3,4,5]。
  • 消費者1接收到[2,4]，然後計算一個繁重的任務並將結果轉發給結果收集器。
  • 消費者2收到[1,3,5]，然後計算一個繁重的任務，並將結果轉發給結果收集器。
  • 結果收集器計算計數和部分總和，例如：
  • Consumer1[2,4]，這表示從 Consumer1 收到 2 個數字，它們的總和為 6。
  • Consumer2[1,3,5]，表示從該 Consumer2 收到 3 個數字，其總和為 9。

• 此範例示範了分散式處理並行處理的潛力。

首先，讓我們建立在連接埠 5555 上運行的名為 Producer.py 的生產者，確保您調整了您的 .

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

然後建立consumer.py如下。不要忘記更改程式碼中的兩個 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)

最後，讓我們開發collector.py，再改.

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()

確保沒有縮排錯誤！

$ python3 pair-server.py

首先，我們需要運行collector.py，收集器將等待資料被收集，直到我們啟動生產者。

$ python3 pair-client.py

• 然後，我們將一一啟動消費者，在不同的終端視窗中執行每個命令。

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

• 在另一個終端機中執行相同的命令。

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()

• 最後，我們將啟動生產者，開始將資料傳送到我們的管道。

* **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>.

幹得好！ ？您使用 ZeroMQ 來開發訊息傳遞模式！

以上是使用 ZeroMQ 在分散式系統中傳送訊息的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！