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刘 明,
软件工程师, 上海交通大学通信与电子工程系
来源：http://www.ibm.com/developerworks/cn/opensource/os-cn-qpid1/
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简介：Qpid 是 Apache 开发的一款面向对象的消息中间件，它是一个 AMQP 的实现，可以和其他符合 AMQP 协议的系统进行通信。Qpid 提供了 C++/Python/Java/C# 等主流编程语言的客户端库，安装使用非常方便。相对于其他的 AMQP 实现，Qpid 社区十分活跃，有望成为标准 AMQP 中间件产品。除了符合 AMQP 基本要求之外，Qpid 提供了很多额外的 HA 特性，非常适于集群环境下的消息通信。
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消息中间件 Apache Qpid 简介，第 1 部分
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[size=1.5em]引子，Qpid 使用场景
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通信是一个基本的需求，正如人与人之间需要交流一样，比较大型的软件系统也往往需要内部或者外部通信。
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在系统间通信最基础的通信方式是 socket，但 socket 比较底层。使用起来非常不易。如果需要一些高级特性，需要很多的编程负担。
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与 socket 的原始对应，企业级的应用软件往往有着各种各样从简单到复杂的通信需求，表现为不同的通信模型。常见的有：
点对点：A 发消息给 B。
广播：A 发给所有其他人的消息
组播：A 发给多个但不是所有其他人的消息。
Requester/response：类似访问网页的通信方式，客户端发请求并等待，服务端回复该请求
Pub-sub：类似杂志发行，出版杂志的人并不知道谁在看这本杂志，订阅的人并不关心谁在发表这本杂志。出版的人只管将信息发布出去，订阅的人也只在需要的时候收到该信息。
Store-and-forward：存储转发模型类似信件投递，写信的人将消息写给某人，但在将信件发出的时候，收信的人并不一定在家等待，也并不知道有消息给他。但这个消息不会丢失，会放在收信者的信箱中。这种模型允许信息的异步交换。
其他通信模型。。。
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除了各类不同的通信模型之外，系统间的通信还有其他一些需要考虑的问题。比如企业级应用往往有巨量的数据需要交换，对可靠性的要求也比较高。比如一个分布式的财务处理软件，每时每刻都有成千上万的用户在使用，需要产生难以想象的海量消息，每个消息可能都关乎某人的银行账户等关键信息，如果丢失将带来巨大损失。编写这样一个通信中间件不是一件容易的事情，即使编写出来，假如需要和其他的软件系统交互信息，又需要大量的格式转换，接口迁移等工作。
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为了解决以上这些问题，人们开发出了很多的软件产品和协议。从早期的 RPC，到复杂的面向消息的中间件 (MOM)，再到 JMS，人们取得了很多的进步，但是这些技术还是存在各自的问题。
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RPC,Corba 等技术是同步的，即调用者必须等待对方的回复，这意味着调用者必须了解接收者，是一种紧耦合的模型。紧耦合意味着不灵活，而在软件行业唯一不变的就是变化，当需求和环境发生变化时，紧耦合的应用修改代价非常高。
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为此众多的消息中间件产品应运而生，打破了消息生产者和消费者之间的紧耦合关系。但中间件产品是由各个厂商自行定义和实现的，在整合企业级应用的时候，人们发现各种应用往往采用了不同的技术和中间件产品，要想让这些产品互通消息，又是一件非常困难的事情。
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JMS 是标准化的一种努力，但其缺点在于 JMS 是 J2EE 的标准，假如不是采用 Java 技术实现的产品，想使用 JMS 还是比较麻烦的。
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因此即便到了今天人们还是希望有一款功能强大，平台 / 语言无关，标准化的面向消息的中间件产品。
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假如这正是您时时刻刻所想的问题，那么 Qpid 便是您值得了解的一款开源软件。它实现了可靠复杂的通信中间件，支持多种通信模型，效率高，平台语言无关，而且实现了业界的通信标准 AMQP。
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[size=1.5em]AMQP 和 Qpid
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AMQP 是 Advanced Message Queuing Protocol，即高级消息队列协议。和前面罗列的技术不同，AMQP 是一个标准化的消息中间件协议。她的理想是让不同语言，不同系统的应用互相通信，并提供一个简单统一的模型和编程接口。这样，人们就可以采用各种语言和平台来实现自己的应用，当需要和其他系统通信时，只要承认 AMQP 协议即可。
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举个不太自然的例子吧。。。
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世界各地的人们由于地理和历史的原因，使用着各种不同的语言，相互交流十分不易。AMQP 类似一架自动翻译机，当我用中文对它说了什么之后，假如一个英语世界的人想听的话，可以听到英文版的精确的一字不差的翻译。
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此外这个翻译机还提供其他很多好处，比如中国和美国有 12 小时的时差，假如我现在希望和某个美国人通话，他必须半夜爬起来，或者我必须等到他起床，但通过这台机器，我说完就行了，那个美国人起床后就会听到的。我很放心，这句话绝不会丢掉，也绝不会走样；
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我其实可以不关心有多少人来听，假如有更多的人都想听，那么他们也可以随时听到。
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假如我只想让部分人听到，还可以加密认证；
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假如有些人不想听，有些人想听，那么这台翻译机也能知道谁想听，而不会将我的声音发给不想听到的人。
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这种交流方式和体验，作为一个人类我还不曾享受过，但是 AMQP 已经为 众多的计算机软件提供了这种服务。
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AMQP 来自 JPMorgon，最初只是这个财大气粗的投行内部使用的消息中间件。发起人 John O'Hara 很有气魄，他说“从 1996 年开始到 2003 我一直在等这样一个标准，但始终没有等到，我已经等不下去了”，并且“投行对这类标准的需求最迫切，而银行又从来不缺乏技术专家” ，所以他自己开发了一个。我想一个人如果想成就什么事，就需要这样的英雄气概吧。
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因为他的努力，AMQP 从金融界迅速推广到整个计算机行业，参与者包括了很多 IT 巨头。虽然今天 AMQP 依旧是一个草案，但值得我们拭目以待。
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AMQP 的基本构架如下：
图 1. AMQP 系统构架
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在 AMQP 模型中，消息的 producer 将 Message 发送给 Exchange，Exchange 负责交换 / 路由，将消息正确地转发给相应的 Queue。消息的 Consumer 从 Queue 中读取消息。
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这个过程是异步的，Producer 和 Consumer 没有直接联系甚至可以不知道彼此的存在。
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Exchange 如何进行路由的呢？
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这便依靠 Routing Key，每个消息都有一个 routing Key，而每个 Queue 都可以通过一个 Binding 将自己所感兴趣的 Routing Key 告诉 Exchange，这样 Exchange 便可以将消息正确地转发给相应的 Queue。下表列出了这几个关键概念的定义。
表 1. AMQP 的几个概念
概念描述
Producer
A program that writes messages to anExchange. To do this, the program creates a message, fills the message with content, gives the message aRouting Key, and sends the message to anExchange.
Routing Key
A string that theExchangecan use to determine to whichQueuesthe message should be delivered.
Exchange
Accepts messages fromProducersand routes them toQueuesif the message meets the criteria expressed in a binding.
Binding
Defines the relationship between anExchangeand aQueue, specifying which messages should be routed to a givenQueue
Queue
Holds messages and delivers them to theConsumersthat subscribe to theQueue.
Consumer
A program that reads messages from aQueue. AConsumercan create, subscribe to, share, use, or destroyQueueand theirBindings(as long as it has have permission to do so).
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为了支持各种常见的通信模型，AMQP 定义了不同的 Exchange 类型，如下表所示 :
表 2. AMQP 定义的 Exchange 类型
Exchange 类型路由行为
Fan-Out
Messages are routed to every Queue bound to the Exchange, ignoring the Routing Key
Direct
A message is routed only if aQueue'sBinding Keyis the same as the message'sRouting Key
Topic
Similar to a Direct Exchange, but it supports multipart keys that contain multiple words separated by the "." delimiter; for instance, a message Producer can create messages with Routing Keys like usa.news, usa.weather, europe.news,
and europe.weather.
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AMQP 目前还是一个草案，最新版本是 0.10。
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QPID 是 Apache Foundation 的一个开源项目，是一个 AMQP 实现。它提供了 C++ 和 Java 两个版本的 broker，并支持多种语言的客户端，它还包括一个配置工具集。
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除了完全实现了 AMQP 的基本功能之外，Qpid 还提供了一些额外的特性：
采用 Corosync 来保证了集群环境下的 Fault-tolerant 特性
支持 XML 类型的 Exchange，当消息格式为 XML 时，可以利用 Xquery 进行过滤
支持 plugin，用户可以方便地增加新的功能，比如新的 exchange 类型
提供了安全认证特性，任何 producer/consumer 需要和 broker 通信时，都需要提供身份认证，以便防止恶意的不相干的程序进入消息体系。QPID 的安全认证使用 SSL 协议。
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[size=1.5em]使用 Qpid 编程
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目前 Qpid 的最新版本是 0.10。从 0.6 版本开始，Qpid 的编程接口有了很大变化，之前的编程接口虽然继续支持但已经过时。所以本文将掠过 0.5 的 API，直接介绍 Qpid Messaging API。
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首先需要搭建一个实验环境。
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[size=1.2em]安装
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第一次看到 Qpid 的下载主页时，我有点儿不知所措。过去，当我需要试用一个开源软件时，在它的下载页面上通常会看到一个 tar 包，最多不过是根据目标操作系统的不同，分成几个 tar 包，只管下载相应的便可。但是 Qpid 的下载页面却有些让我困惑，竟有众多的按编程语言分类的 tar 包，一时之间也不知道下载哪个好。。。
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如今似乎有些明白了，Qpid 是一个消息中间件，它大体分为两部分：broker 和 client 库。
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先来看 Client 库，不同的编程语言，比如 Python，Ruby 等都需要其单独的 client 包。这个很容易理解。
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但 broker，Qpid 竟也有两种实现 :C++ 和 Java。
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Client 的选择比较容易，您熟悉哪种语言便选择哪个。但选择 Java 的 Broker 还是 C++ 的 broker 却会让新手有些犹豫，相比之下选择 KFC 还是麦当劳竟然是一件容易的事了。
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java 版 broker 和 C++ 版 broker 各有优缺点，选择也是因人而异。他们之间大部分特性相同，但也有不同，比如 Java 版的支持更多的 AMQP 版本；而 C++ 版本则支持 RDMA。QPID 社区将逐渐消除这些差异，但正如可口可乐和百事可乐共同存在这个世界上一样，这两个 broker 也终究会各有个的拥趸。Qpid 社区的资深开发者 Gordon Sim 回答某初学者的帖子对此应该很有帮助：http://fossplanet.com/f13/re-why-use-c-broker-versus-java-broker-71322/
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本人对 java 基本上没有什么了解，对 C++ 和 python 则非常偏爱，所以打算使用 C++ 版本的 broker，client 端则采用 C++ 和 Python。
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下载 Qpid broker 的安装包，解压，编译，安装：
tar xzvf
./configure
make
make install
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经过以上几步折腾，我们已经有了 C++ 的 broker 和 C++ 的 client 库了。如果您想用 Python 编写应用，那还需要下载 pyhonn 客户端的 tar 包。
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可喜的是 Python 无需编译，因此所谓安装只是设置一些环境变量而已。
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这里要提一下：如果您下载的是那个 full package，恐怕又需要费一点儿周折。该 package 包含了所有的东西 ( 各种语言的 broker 和 client)，其中虽然也有 C++ 的 broker，但竟然和单独下载的 C++ 包有所不同。到 cpp 目录下，您看不到 configure 可执行文件。需要首先运行 bootstrap，初始化 autotools。
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Bootstrap 之后，autoconfig 所需的条件便准备好了，之后便是常规的几条安装命令，总的来说如下：
./bootstrap
./configure
make
make install
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希望您的安装一切顺利。
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[size=1.2em]启动 broker
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最简单的启动方式为
qpidd --port=60302 --no-data-dir --auth=no
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以上启动方式指定了三个主要的选项
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--port 参数指定了 qpidd 监听的端口号，默认为 5672。
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--no-data-dir 说明不需要指定数据持久化的目录；当然您也可以指定一个目录来存放持久化消息。
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--auth=no 说明 qpidd 对所有的链接请求都不进行安全验证。
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其他的启动参数在此不做详细说明，读者可以自行阅读 help 信息。
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[size=1.2em]管理 qpid
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默认情况下，Broker 启动之后，会自动创建一些 Exchange（交换器），对应 AMQP 标准定义的那几个标准的 exchange 类型。分别叫做
amp.topic
amp.direct
amp.fanout
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应用程序可以建立 queue 并绑定到这些默认的 exchange 上进行信息收发。不过在真实的应用环境下，人们往往需要更多的 exchange，queue 以及 binding 来满足各种各样的需求。或者在一些复杂的网络中还需要配置 broker 的联邦，即一个相互路由的 broker 网络。
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凡此种种都需要对 broker 进行各种配置，比如添加新的 exchange，queue，添加 broker 路由等等，这些便需要使用 Qpid 提供的各种管理工具。除配置管理之外，Qpid 的管理工具还提供了监控功能。常用的工具有三个：
Qpid-config
Qpid-route
Qpid-tool
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Qpid-config 用来完成诸如添加 / 删除 Queue，添加 / 删除 Exchange 等关于 broker 内部的配置工作；Qpid-route 用来配置 broker Federation；Qpid-tool 用来对 Qpid Broker 进行实时监控。罗列他们的 help 信息对读者没有意义，我将在后面的例子中演示他们的一些用法。
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[size=1.2em]程序代码的基本框架
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在一个采用了消息中间件的通信体系中有三个基本的角色，一个是发送消息的进程，一个是接受消息的进程，他们彼此之间通过 broker 连接起来，传递消息。
图 2. 基本 Qpid 通信系统的几个组件
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Broker 无需编写，如前所述，Qpid 实现了两种 Broker，您只需要根据需要启动其中之一既可。Sender 和 Receiver 则是需要用户编写的应用程序。这两类程序都有一些基本的框架，在此简要介绍一下。
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首先他们都是 client，需要和 broker 进行连接。链接成功后便生成一个会话 Session。基本代码如下：
清单 1. 基本的 Qpid 程序框架
Connection connection(broker, connectionOptions);
try {
connection.open();
Session session = connection.createSession();
。。。
connection.close();
return 0;
} catch(const std::exception& error) {
std::cerr << error.what() << std::endl;
connection.close();
return 1;
}
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在 0.5 版本之前，QPID 编程接口和 AMQP 的基本概念一一对应，比如需要创建 queue,exchange，用 routing key 进行绑定，等等。必须对 AMQP 的模型完全理解才能自如地动手写程序。
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新的 Messaging API 将复杂的 AMQP 的细节全部都隐藏了起来，极大地简化了编程。
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应用程序从而可以将注意力专注于如何处理他们接收到或者将要发出的消息本身，将 AMPQ 模型处理的细节交给 Qpid 库。如图 2 所示，在一个消息通信系统中只有 3 个基本角色，除了 broker 之外，就只有一个 Sender 一个 Receiver。应用程序看不到 Exchange 或者 Queue 这些细节。与此相应，在 Qpid 的 Messaging API 编程接口中，只有两个基本对象：Sender 和 Receiver。Sender 类，或者叫
Producer 生产者。即消息的发送方。Receiver 类自然就是信息的接收者，也叫做 Consumer。
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这种抽象带来更好的功能可扩展性：各种各样的通信模型都经由修改 Sender 和 Receiver 的地址来实现，当需要修改通信模型时，也只需要修改 Address 和 broker 的配置，而无需修改应用的代码。
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下面将详细介绍 Address 类。
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[size=1.2em]Address 地址
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写信的时候，人们需要地址。类似地在 Qpid 中，表示消息的目的地，或者源。
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Qpid Address 表示一个节点，有两种节点：一种是 queue，另外一种是 topic。Queue 节点能够缓存消息，直到被读取走为止；而 topic 节点则即时进行转发，比如假如有 4 个 consumer 对某消息感兴趣，当消息到达节点时，有 3 个 consumer 正在运行，那么 topic 节点会将消息转发给这 3 个 consumer，然后就将该消息丢弃。剩下的那个 consumer 再运行时，则收不到这个消息。
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Qpid 的地址 Address 是一个带格式的字符串，其语法如下：
address_string ::= <address> [ / <subject> ] [ ; <options> ]
options ::= { <key> : <value>, ... }
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其中 address，subject 和 key 都是字符串。
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Subject 类似 email 的主题。每个消息都可以有一个主题，接收者可以通过主题对消息进行过滤。
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Option 的具体含义有点儿复杂，可以参考 Qpid 的编程手册获取完整的描述。
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了解了以上这些概念，就可以开始具体的编程了。和学习其他技术一样，我们从研究例子程序开始。Qpid 源代码包的 example 目录下有大量的例子程序，Messaging 目录下面是新的 Message API。我们主要研究 Message API 提供的 Spout 和 Drain 这两个例子程序。
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[size=1.2em]Spout 和 Drain 的代码
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将 Spout 的主要代码精简一下如下：
清单 2. Spout 代码
int main(int argc, char** argv)
{
Connection connection(options.url, options.connectionOptions);
connection.open();
Session session = connection.createSession();
Sender sender = session.createSender(options.address);
sender.send(message);
session.sync();
connection.close();
return 0;
}
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可以看到 spout 首先用命令行参数 Address 初始化一个 Sender 对象，然后用 Sender 的 send 方法发送消息。
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对 Drain 做一些类似的事情：
清单 3. Drain 代码
int main(int argc, char** argv)
{
Connection connection(options.url, options.connectionOptions);
connection.open();
Session session = connection.createSession();
Receiver receiver = session.createReceiver(options.address);
receiver.fetch(message, timeout))
session.acknowledge();
receiver.close();
session.close();
connection.close();
return 0;
}
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Drain 接收消息，用命令行参数中的 Address 初始化一个 Receiver 对象，然后调用 Receiver 的 fetch() 方法接收消息。收到消息后需要调用 session 的 acknowledge() 方法确认。
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[size=1.2em]点对点通信小例子
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PTP 通信类似写信。
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其一，这种通信是异步的，人们把信发出去之后并不清楚何时能送到收信人的手中。在 Qpid 中，Sender 将消息发给 Broker，并不要求 Receiver 在消息发送的时候也有一个和 Broker 的链接并准备接受该消息。Sender 只管将消息发给 Broker，就可以放手去做其他的事情了；
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其二，信是唯一的，您写给朋友的信一定不希望其他人也收到吧。在 Qpid 的 PTP 通信中，一个 Receiver 收到消息后，该消息就被消除，其他 Receiver 不能再收到。
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下面用例子来说明这种通信模型。首先要建立一个 Queue 节点。如之前在 Address 一节所讲，Qpid 目前有两种 Address，一种叫做 Queue，一种叫做 Topic，我们这里就要用 Queue 这种节点。Queue 节点满足前面所说的两个重要的 PTP 通信的特征，存储转发和只接收一次。
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创建一个 queue：
qpid-config add queue hello-world
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现在我们建立了一个叫做 hello-world 的 queue。
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用 spout 发送消息给地址 hello-world：
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这就相当于将信发给了 hello-world。您已经看到，此时接收者 drain 还没有启动，但 Queue 的存储转发特性保证 drain 还是可以收到这条消息：
./drain hello-world
Message(properties={spout-id:fbb93f3 … :0 … )
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当我们打开另外一个 shell 窗口执行 drain，会发现不会再收到这条消息了。
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[size=1.2em]Browse 模式 vs Consume 模式
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一个有趣的的例子是如果我们修改一下 Address 的 Option，上面的通信模型就变成另外一种样子。之前我们看到，第二次执行 ./drain hello-world 将得不到任何信息，因为信息已经被第一次执行 ./drain 消费掉了。或者说这个 message 已经从 queue 里面移除了。这在 Qpid 中被称为消费模式 (Consume)。
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有时候人们可能需要另外一种模式，叫做 Browse，即浏览。正如我们浏览网页上的新闻一样，一条新闻并不会因为第一个人阅读了它之后就被消费掉，从网页中消失了。而是一直在那里供人浏览。假如我们希望实现类似这种通信模式，不需要修改 spout 和 Drain 的代码，只需要稍微修改 Address 即可。Address 的选项 mode 可以用来设置 Browse 和 Consume 模式。如下例所示：
$ qpid-config add queue my-queue
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建立一个 queue。
$ ./spout my-queue --content one
$ ./spout my-queue --content two
$ ./spout my-queue --content three
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发送了三条消息，接着我们用 drain 来接收这些消息吧。请注意，我们对 Address 字符串进行了小小的修改，在名字之后加了一个分号，后面用花括号添加了一个 mode 选项，并设置该地址为 Browse 模式。
$ ./drain 'my-queue; {mode: browse}'
Message(properties={spout-id:fbb93f3 … :0}, content='one')
Message(properties={spout-id:ab9e7c3 … :0}, content='two')
Message(properties={spout-id:ea75d6e … :0}, content='three')
再运行一次：
$ ./drain 'my-queue; {mode: browse}'
Message(properties={spout-id:fbb93f … :0}, content='one')
Message(properties={spout-id:ab9e76 … :0}, content='two')
Message(properties={spout-id:ea75d6 … :0}, content='three')
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仅仅修改了Address的Option，我们就发现用spout和Drain可以实现另外一种通信模型了，这真是非常令人着迷的一个特性啊。
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[size=1.2em]编写 sub-pub 通信的例子
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Pub-sub 是另一种很有用的通信模型。恐怕它的名字就源于出版发行这种现实中的信息传递方式吧，publisher 就是出版商，subscriber 就是订阅者。
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这种模型的特点在于：其一，消息可以根据订阅的信息而转发给不同的订阅者；其二，消息并不存储，broker 收到消息后立即将其转发给当时正在注册的订阅者，假如某个订阅者当时并没有链接到 broker，那么它就不能再收到该消息了。没有多少人愿意购买几天前的旧报纸吧？这是和 Queue 的一个区别。
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创建一个 Topic 节点：
qpid-config add exchange topic hello-world
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还是用 spout 和 drain 来演示，先运行 spout：
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再运行 drain
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哦，什么也没有收到。这说明消息没有被 broker 缓存。
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Pub-sub 的主要优点在于订阅消息的灵活性，broker 会根据消息的主题分发给不同的 subscriber。比如我们创建一个 news-service 的 exchange：
qpid-config add exchange topic hello-world
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打开两个 shell 窗口，一个运行 drain 并订阅 news-service/sport，体育新闻；另一个订阅 news-service/ent 娱乐新闻：
$ ./drain -t 30 news-service/#.news
$ ./drain -t 30 news-service/#.ent
$ ./spout news-service/news
$ ./spout news-service/sports
$ ./spout news-service/usa.news
$ ./spout news-service/usa.sports
$ ./spout news-service/usa.faux.news
$ ./spout news-service/usa.faux.sports
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可以看到不同的消息被自动分发给不同的订阅者。第一个 shell 接收 sport 的 drain 将打印：
Message(properties={qpid.subject:news, spout-id:cbd42b0f...
Message(properties={qpid.subject:usa.news, spout-id:234a78d7...
Message(properties={qpid.subject:usa.faux.news, spout-id:6029...
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可另外一个接收 news 的 drain 程序将打印 :
Message(properties={qpid.subject:sports, spout-id:cbd42b0f...
Message(properties={qpid.subject:usa.sports, spout-id:234a78d7...
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[size=1.2em]编写 Request/Response 模型的应用
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在很多 P2P 和 Pub-Sub 应用中，Sender 和 Reciever 可以见面也不相识。他们多数情况下根本不关心对方是否存在。然而在现实中还有一种典型的通信模型：Request/Response。这种模型由 client 和 server 两部分组成，即人们常说的 C/S 模型。
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Server 必须知道是谁发送了请求，以便回复给正确的 Requester。这是通过解析 Requester 发过来的消息中的 ReplyTo 字段得到的。
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代码清单 4 展示的是 Server 的例子代码。
清单 4. Server 代码
Sender sender = session.createSender("service_queue");
Address responseQueue("#response-queue; {create:always, delete:always}");
Receiver receiver = session.createReceiver(responseQueue);
Message request;
request.setReplyTo(responseQueue);
request.setContent("ping");
sender.send(request);
Message response = receiver.fetch();
std::cout << request.getContent() << " -> " << response.getContent() << std::endl;
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代码清单 5 展示的是 Client 的例子代码。
清单 5. Client 代码
Sender sender = session.createSender("service_queue");
Address responseQueue("#response-queue; {create:always, delete:always}");
Receiver receiver = session.createReceiver(responseQueue);
Message request;
request.setReplyTo(responseQueue);
request.setContent("ping");
sender.send(request);
Message response = receiver.fetch();
std::cout << request.getContent() << " -> " << response.getContent() << std::endl;
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在 client 代码中，我们需要调用 Message 的 setReplyTo 方法，设置回复的地址。
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代码清单展示的是 Client 的例子代码。
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回页首
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[size=1.5em]小结
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至此，我们看到了 Qpid 最基本的一些使用方法。演示了人们通常所使用的两类通信模式，传统的面向消息的中间件就实现了这两个通信模型。但 Qpid 提供了一种更简洁灵活的编程接口，仅通过修改 Address，无需修改代码就可以改变应用程序的通信模型。
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Qpid 是一个 AMQP 的实现，这意味这它不是一个私有的产品，使用 Qpid，您可以和其他任何符合 AMQP 协议的软件系统进行通信。
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不过假如这就是 Qpid 的全部，相信您一定也不以为然，如果这些还不足以打动您，那么我力图在下一部分中向您介绍 Qpid 的一些高级特性。
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[size=1.5em]参考资料
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学习
参考面向消息的中间件，了解相关信息。
参考 AMQP 官方网站http://www.openamq.org/doc:amqp-background。
Qpid C++ Broker 文档也是不错的参考。
关于 Qpid 编程，请参考Qpid 编程手册。
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消息中间件 Apache Qpid 简介，第 2 部分
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[size=1.5em]引子
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前一部分介绍了 Qpid 的概括，希望您已经了解什么是 Qpid，可以下载安装它，并自己亲手实验几个小例子。在第二部分，我想稍微深入 Qpid 内部，澄清一些概念，加深理解，并介绍 Qpid 的几个高级特性。
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作为一个消息中间件，最重要的就是性能（吞吐量）和可靠性。
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为了提高性能，Qpid 可以建立 Broker Federation 来进行负载均衡，C++ 版本的 Broker 还可以利用 RDMA 来提高信息传输的性能。
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Qpid 采用了很多种技术来提高可靠性。比如将消息持久化，采用 broker 集群等。
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这些特性使得 Qpid 成为集群环境下的一个高性能，高可靠性的消息中间件。
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[size=1.5em]查看 Queue 节点和 Topic 节点的背后
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首先，我打算澄清几个概念。
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如前所述，使用 Qpid 编程时，使用两类地址节点：一种是 Queue，另外一种是 Topic。假如您没有使用过 Qpid0.5 版本的 API，可能对此并没有什么特别的疑问。但对于 Qpid 的老用户，熟悉了 AMQP 模型的人来说，可能会在这里有些困惑。在介绍一些高级特性之前，我觉得应该首先澄清这个困扰我很久的问题，因为它或许也是您的疑问吧。但假如您对此不感兴趣或没有疑问，请跳过本节。
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Qpid 的文档中有如下介绍：Queue 映射到 AMQP 概念就是 Queue；而 Topic 则映射到 Exchange。
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不知道您如何感觉，反正我花了很长的时间来理解这句话。因为按照 AMQP，Consumer 程序总是绑定到一个 Queue 上的，而不应该直接从 Exchange 接收消息。
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语言有点儿贫乏，不如画张图吧，Qpid 的模型如下图所示：
图 1. Qpid 模型
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在这个模型中，假如您想和 AMPQ 模型相比较对应，就会发现 Qpid 的 Queue 节点和 AMQP 的 Queue 相对应，这尚可以理解，
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但 Topic 节点和 Exchange 对应就让人费解。在 AMQP 术语中，Topic 只是 Exchange 的一种，况且 Application 也不应该直接从 Exchange 中收发消息。难道 Qpid 不符合 AMQP 么？、
图 2. AMQP 模型
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可以通过 Qpid-tool 来查看这两种 Node 背后的具体实现，进而理解 Qpid 的术语和 AMQP 术语的对应关系，因为毕竟 Qpid 是 AMQP 的一个实现。
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先创建一个叫做 Hello-world 的 Queue：
bash-3.2$ ./qpid-config add queue hello-world
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再用 Qpid-tool 查看到底新创建了什么东西？
bash-3.2$ qpid-tool
qpid: list queue
Object Summary:
ID Created Destroyed Index
================================================================
。。。在此省略一些输出
148 05:30:22 05:30:24 135.topic-sqws29.23936.1
160 05:30:24 - 135.hello-world
。。。在此省略一些输出
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[size=0.76em]
可以看到名为”hello-world”的 Queue 被建立了。再查看 binding 的情况：
qpid: list binding active
Object Summary:
ID Created Destroyed Index
==============================================================
。。。在此省略一些输出
301 05:40:31 - 115.314.hello-world
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[size=0.76em]
用 show 命令查看 bind ID 为 301 的详细情况：
qpid: show 301
Attribute 301
==========================
exchangeRef 115
queueRef 314
bindingKey hello-world
arguments {}
origin None
msgMatched 0
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可以看到 Queue Hello-World 绑定到了 Exchange ID 为 115 的 Exchange。用 show 命令看看这个 exchange 吧：
qpid: show 115
Attribute 115
===========================
vhostRef 135
name
type direct
durable False
。。。在此省略一些输出
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这是一个 direct 类型的 exchange。
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至此，对于 Qpid 的 Queue 节点我们有了一个完整的认识。当创建一个 Queue 节点时，Qpid 会创建一个 AMQP Queue，和一个 Binding。缺省情况下用 Queue 的名字作为 RouteKey 和一个 Direct Exchange 进行绑定。
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应用程序通过 Queue 进行消息收发操作。
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这样我们就把 Qpid 的 Queue 和 AMQP 完全对应了起来。
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那么 Topic 节点是怎么回事儿呢？
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首先建立一个 Topic Exchange。看看会发生什么？
$qpid-config add exchange topic hello-world
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[size=0.76em]
用 qpid-tool 查看 exchange 的列表：
qpid: list exchange acrive
Object Summary:
ID Created Destroyed Index
==================================================
115 05:25:13 - 135.
116 05:25:13 - 135.amq.direct
。。。在此省略一些输出
123 05:33:14 - 135.hello-world
|
[size=0.76em]
可以看到此时多了一个新的名字为 hello-world 的 exchange。
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但假如您用 list queue，会发现并没有新的 queue 建立起来。难道应用程序真的直接和 Exchange 通信么？
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当然不可能，启动一个应用程序看看吧：
./drain – t 60 hello-world
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启动一个 Consumer 应用 Drain，其 Address 是一个 Topic 节点 hello-world。因为我们不发送消息，因此用 -t 选项指定了 60 秒的 timeout 时间，否则 Drain 会立即返回，我们没有时间查看 queue 和 exchange 的情况了。
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在 drain 没有返回之前，我再次用 qpid-tool 查看了 queue 的情况：
qpid: list queue
Object Summary:
ID Created Destroyed Index
================================================================
。。。在此省略一些输出
148 05:30:22 05:30:24 135.topic-sqws29.23936.1
160 05:30:24 - 135.hello-world
146 05:48:07 - 142.hello-world_4be25。。。d27b569
。。。在此省略一些输出
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可以看到在 drain 运行期间，Qpid 建立了一个临时的 queue（上图的最后一行）。
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并绑定到了 hello-world 这个 exchange 上。
qpid: list binding active
Object Summary:
ID Created Destroyed Index
===================================
143 05:48:07 - 118.146.hello-world_4be25022-5956-4873-886d-76d59d27b569
144 05:48:07 - 123.146.#
。。。在此省略一些输出
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Binding 信息显示 Qpid 将 ID 为 123 的 exchange 和 ID 为 146 的 queue 通过 # 作为 RouteKey 绑定到了一起。
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这下问题清楚了，当使用所谓 Topic 节点作为 Address 时，在底层，Qpid Client 库会自动建立所需要的 AMQP Queue 和 Binding。其底层依然符合 AMQP 的模型。只不过类似建立 binding，创建 Queue 等工作由 Qpid 的 client 库代劳了，应用程序无需考虑这些。
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此外，通过这个例子，希望您也已经对 Qpid-tool 的使用有了一定的认识，在实践中，它将是 troubleshooting 的首要工具。
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顺便说一下，这些工具都是 python 写的，在使用之前，需要配置 PYTHONPATH：
export PYTHONPATH=$qpid_dir/python: =$qpid_dir/extras/qmf/src/py
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[size=1.5em]Broker Federation
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最简单的情况下，一个系统中有一个 broker 和众多的 producer 以及 consumer，这很简单。不过当 client 的数目增加，消息的数目增加，或者网络的复杂性增加之后，一个中心的 broker 可能会有很多问题：
比如负载过重，一个 broker 已经无法支撑众多的 client 和大量的消息
比如通信组件所在的网络在地理上分布很广，而人们希望本地消息可以被本地的 consumer 接受，以便更快速地有所反馈
等等
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这些问题都可以采用 Federation 来解决。
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Federation 就是一个 broker 的”云”，消息在 broker 云内部路由和分发负载，从而提高了吞吐率，也能够灵活配置路由达到消息分区的目的。
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在本文中，我打算构建如下这样一个 Broker Federation:
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在这个集群中，一共有 16 个节点。每个节点都将发送以下两类消息：
关于体育 Sport 的消息：这类消息的数量很多，订阅者 (Consumer) 也很多
关于文学欣赏的消息：这类消息的数量非常少，订阅者极少
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我们可以采用单个 Broker 来处理转发所有的消息：
图 3. 单一 Broker 的构架
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这么做的缺点在于 Node1 上的 Qpidd 将非常繁忙，如果消息继续增加，将出现丢包甚至停止服务的情况。这种情况下，我们可以采用 Federation 来均衡负载。
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均衡负载的第一件事情是要详细分析这个消息系统，看看如何将消息处理均衡负载，划分出小的通信系统，将消息控制在小系统的合理范围内。
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经过一些分析，人们会发现一些有趣的现象，比如消息本身的性质有很大不同：关于体育的消息非常多，而且每个 Node 上都有该消息的发布和接收者；而关于文学的则非常少，且只有少数节点上有对文学感兴趣的读者。让我们假设只有 Node2 上有对文学感兴趣的读者，也只有 Node2 上有对文学感兴趣的发送消息者。
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针对这样一个系统，我们可以设计一个 Broker Federation 来均衡消息负载。
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假设一个 Qpid Broker 能处理 2 个节点上的所有 sport 消息，那么我们可以让每两个 Node 共享一个处理 sport 消息的 broker。对于文学类的消息，则可以只在对文学感兴趣的 Node2 上启动 broker。这样就将负载均衡到多个不同的 Broker 上了。
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但这样一个 Broker 的分布结构对 16 个节点上的 client 来说是不容易管理的，因为这意味这每个应用程序都必须知道相应的 broker 在哪个节点上。
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一个通常的解决方法是在每个节点上设置一个 local node，client 只需要将消息发给 local node。而无需知道诸如文学 broker 在节点 2 上这样的条件。
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Local node 通过 Federation 配置，将消息路由到正确的 broker。假如某一天网络拓扑需要改变，各个 client 程序无需修改。只需要重新配置路由即可。
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这样的一个 Federation 如下图所示：
图 4. Broker Federation 的配置
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底层灰白色的小方框代表对 Sport 感兴趣的应用程序，他们分布在所有的节点上。他们和同节点的 Node Broker 进行信息收发。Node broker 会把关于 Sport 的消息路由到相应的 Sport Broker 上。在这个 Federation 中，每两个节点共用一个 Sport broker，换句话说，一个 Sport broker 需要处理来自两个 Node 上的 Sports 消息，这比处理 16 个 Node 上所有的消息来说负载轻了很多。黑色的小方块代表少数几个对文学感兴趣的应用程序，他们目前都分布在
Node2 上。
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采用这样的 Federation，可以实现各种各样的功能和网络拓扑，最终所有的 Broker 组成了一个 Broker 云为各种各样的应用提供消息转发服务。
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设置 federation 的命令叫 Qpid-route。
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Qpid 支持两类路由：Queue routes 和 Exchange Routes。
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Queue route：目的地必须是 Exchange，源是一个 Queue。此类路由将源地址 Queue 收到的所有消息都转发到目的 Exchange 去
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Exchange Route：目的地依然必须是一个 Exchange，源也是一个 Exchange。此类路由允许将源 Exchange 上收到的，拥有指定 RouteKey 的消息转发到目的 Exchange 上去。
[size=0.76em]
Qpid 路由是单向的，但是可以配置为”pull route”或者”push route”。如果是”pull route”，那么实际上是目的地 Broker 需要不断地主动接收 (receive) 源 Broker 的消息；反之就是源 Broker 主动将消息发送 (Send) 到目的 Broker 去。这取决于谁更加空闲，因为主动发送 / 接收的一方需要更多的资源。在上面的例子中，每个 Node 上的 Broker 相对于处理 Sports 的 Broker
负载更低，因此应该选择”push route”，由 Node broker 主动将消息转发给 Sports broker。
[size=0.76em]
为了配置上图所示的 Federation，我们需要运行下面这些假想的命令：
$ qpid-route – s route add node1:10001 node1:10002 amq.topic sports.#
$ qpid-route – s route add node2:10001 node1:10002 amq.topic sports.#
$ qpid-route – s route add node3:10001 node3:10002 amq.topic sports.#
…
$ qpid-route – s route add node16:10001 node15:10002 amq.topic sports.#
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[size=0.76em]
配置关于文学的路由：
$ qpid-route – s route add node2:10001 node2:10003 amq.topic novel.#
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以上配置假设 Node broker 运行在端口 10001 上；Sports broker 运行在端口 10002 上；Novel Broker 运行在端口 10003 上。我们采用 Exchange 路由，采用源地址为 node broker 的”push route”方式。
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[size=1.5em]RDMA
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RDMA 全称为“Remote Direct Memory Access”，它是一种协议，将数据从一台计算机的内存直接传输到另外一台计算机的内存中，而无需 CPU 的参与。类似 CPU 与外设之间的 DMA 传输，RDMA 将 DMA 的概念扩展到了网络。
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显然 RDMA 技术将提高节点间信息传输的效率。采用 TCP/IP 进行网络传输时，数据需要在用户态和内核 buffer 之间进行拷贝，还需要经过很多协议处理，大量的 CPU 计算之后再到网络硬件上进行传输，而 RDMA 采用零拷贝技术将 CPU 解放出来，避免了内核 / 用户态的内存拷贝，从而提高了传输的吞吐量。
[size=0.76em]
Qpid 作为消息中间件，需要大量的网络信息通信。C++ 版本的 Qpid broker 除了使用传统的 TCP/IP 作为网络通信机制之外，在拥有 infiniband 设备的集群上 Qpid 还可以使用 RDMA 进行网络通信。
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目前，Qpid 基于 OFED 来实现 RDMA。当底层硬件支持 infiniband 等 RDMA 技术时，Qpid 便可以直接使用 RDMA 来进行网络信息传递。
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利用 Qpid 使用 RDMA 非常简单，在启动 Broker 的时候需要 load rdma.so 这个模块，而客户端程序则需要修改环境变量来加载 rdmaconnector.so，
export QPID_LOAD_MODULE=<path to rdmaconnector.so>
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此后客户端程序便可以修改连接字符串来使用 rdma 进行通信了，比如：
url = “n001:5672”;
Connection connection(url, “"{protocol: rdma}”);
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使用 RDMA 需要在 Linux 中预留相当大的固定内存，因为 RDMA 要求 DMA 的 buffer 必须存在在 RAM 中，不能被交换到磁盘 swap 空间上去。
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每一个 RDMA 连接需要 8M 的固定内存，假如您的 broker 需要支持 64 个连接，则需要在 /etc/security/limits.conf 中加入类似如下的配置行：
qpidd soft memlock 524288
qpidd hard memlock 52428
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目前 Qpid 采用 IPoIB 的方式提供 RDMA 通信，因此您必须为 Infiniband 卡配置 IP 地址。
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[size=1.5em]持久化消息
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消息从一个 client 发送出来，交给 Broker，然后 Broker 将其转发给相应的接收者。在这个过程中，假如 broker 进程被中断，那么保存在 Queue 中的消息就会丢失。为了避免这类信息丢失，人们可以选择将消息持久化。Broker 将收到的消息暂存在磁盘等可以永久保存信息的地方备用，这样，即使 Broker 因为某种意外而中断，当其再次重新启动之后，还是可以将保持在永久存储介质中的消息读出来并继续进行转发。
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在我写这篇文章的时候，Qpid 正式版本为 0.8 版本。在这个版本的源代码中，还没有实现 persistent 存储的 plugin。必须从第三方下载相应的 plug-in。
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在 Linux 下，可以使用 QpidComponents 项目提供的 plugin。这个插件，采用 Berkeley DB 作为后台数据库存储 Qpid 需要持久化的数据，在 License 方面和 Qpid 有所冲突，因此不能随 Qpid 一同发布。根据 Qpid 邮件列表中的讨论，已经有开发人员采用 MS SQL 写了插件，并将随 Qpid 源代码一同发布，让我们拭目以待吧。
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但现在，我们必须先用 SVN 将代码 checkout 出来，然后编译，编译的前提条件是系统已经安装了以下几个软件：
- libaio-devel libs
- qpid broker headers and libraries (see below)
- all prerequisites for qpid (see qpid's cpp/INSTALL file)
- berkeley db4 (tested with version 4.3.29)
- python (to run system tests)
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其中 2 和 3 在本文的第一部分介绍过安装方法，其他的几个第三方软件的安装则超出了本文的范围，您可以自行搜索。
svn checkout http://anonsvn.jboss.org/repos/rhmessaging/store/ -r 4411
./bootstrap
./configure --with-qpid-checkout=qpid-dir
make
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[size=0.76em]
其中 qpid-dir 就是完全版本 qpid 的顶层源代码目录。
[size=0.76em]
现在我们就可以做实验了：
[size=0.76em]
首先启动 Broker：
qpidd --load-module=/$path/msgstore.so --data-dir=/$pathd/store-files ...
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[size=0.76em]
创建一个 durable 的 Queue。就叫做 abc 吧。
./qpid-config add queue abc --durable
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[size=0.76em]
除了 Queue 需要 durable 之外，我们还必须保证发送的消息有 durable 属性。为此我们必须对 spout 例子程序进行一点儿修改，假如下面这一行代码，将消息设置为 durable 消息。
message.setDurable(true);
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[size=0.76em]
用 spout 发送数据。
[lm@ovispoly messaging]$ ./spout abc
|
[size=0.76em]
现在将 qpidd 进程杀掉。然后重新启动 broker，最后再运行 drain 接受数据。
[lm@ovispoly messaging]$ ./drain abc
Message(properties={spout-id:cece972c-f194-4597-b0f4-7131f7bcb768:0,\
x-amqp-0-10.routing-key:abc}, content='')
|
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可以看到，数据在 Qpidd 重启之后没有丢失。
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持久化消息，提供了某种程度上的可靠性，但是在真正的 HA 环境下，这种简单的保护还无法满足要求。因为通信恢复的前提条件是被中断的 Broker 又重新启动。在生产环境中，有 HA 要求的系统往往对 downtime 也有很高的要求，对于用户来说 Broker 的中断应该是透明的。这便需要 Qpid 的 HA 特性，Broker 集群。
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[size=1.5em]采用集群 broker 提供高可用性
[size=0.76em]
作为消息中间件，Qpid broker 能高效地完成信息的转发任务，并提供极高的吞吐量，它采用多种设计来提高信息系统的可用性。然而，假如运行 Broker 的物理节点发生故障，比如掉电或者网络中断等事故，那么自然在该节点上运行的 broker 也无法继续提供服务了。
[size=0.76em]
对于追求 HA 的用户，可以考虑采用 Qpid broker 集群来避免这类故障导致的服务中断。在一个 Qpid broker 集群中，所有的 broker 都互相备份，进行 fail over 的必要准备工作。每个 broker 的内部对象都同步到其他集群中的 Broker，保持一致，这样在单一 Broker 无法工作的情况下，client 可以切换到其他 Broker，而避免信息的丢失和服务中断。
[size=0.76em]
Qpid 采用 Corosync 作为通信层，利用 Corosync，集群中的每一个 broker 都采用组播通信将自己的状态同步给集群中的其他 broker。
[size=0.76em]
此外，Qpid 和 RHCS 紧密集成，它可以采用 CMAN 防止集群中的“脑裂”问题，也可以使用 rgmanager 自动重启 failed 的 Qpid。当然，不一定非要使用 RHCS 来搭建您的集群，也可以使用其他的 CRM 集群管理软件来管理 Qpidd。Qpidd 本身只是使用了 Corosync 来完成同步通信，可以使用 CMAN 来防止“脑裂”问题。
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工作模式如下：
图 5. Qpid 和 Corosync 的工作模式
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Qpidd A 和 QpiddB 通过 Corsync 同步，假如 Qpidd B 新建了一个 Queue，那么这个状态改变将通过 Corosync 发送给集群中的其他 broker，上图中的 Qpidd A 收到 Qpidd B 的状态改变消息，于是也添加一个新的 queue，保证和 Qpidd B 同步。这样，假如 Qpidd B 停止工作了，Qpidd A 可以继续提供同样的服务。
[size=0.76em]
Qpid 还通过 CMAN 来防止集群中的”split brain”问题，CMAN 提供了 quorum 算法，Qpidd 利用 CMAN 的接口，知道自己是否能够达到法定人数，是否能够加入集群工作。
[size=0.76em]
在一个 Qpid 集群中，每个 Qpid broker 都有自己独立的存储空间，并不像某些集群方案那样共享存储。Queue，Exchange 等都保存在每个 Broker 自己的存储空间中，通过 Corosync 同步彼此的状态。因为不需要共享存储，因此在 broker 集群中并不需要 Fence Device。
[size=0.76em]
Qpid 集群是一个 Active/Active 模式的集群。客户端可以使用任意一个 broker。如下图所示：
图 6. Client 连接一个 Broker
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当 client 连接到一个集群中的 broker 时，该 broker 返回给 Client 相应的 Broker URL 列表。在上图中，Client 将得到 [QpiddA,QpiddB] 这样一个列表。当 QpiddA 的连接断开时，客户端可以自动重新连接到 QpiddB 继续服务：
图 7. Client failover
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在集群中启动一个 broker:
[size=0.76em]
启动集群中的 broker 只需要多设置几个命令行参数即可：
[size=0.76em]
--cluster-name：指定 cluster 的名字，即 Corosync 中的 CPG 的名字。每个参加集群的 broker 都必须用同一个 cluster-name，以便假如同一个集群。
[size=0.76em]
--cluster-size：指定 cluster 中节点的数目，假如指定了这个数字，在 broker 数目未达到的情况下，所有的 broker 都不能开始工作。
[size=0.76em]
--cluster-url：返回给 client 端的 broker 列表。缺省情况下，broker 将返回集群中所有 broker 的列表，但假如指定了本参数，那么将只返回这里指定的 broker 列表。
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--cluster-cman：指定使用 CMAN 来防止"split-brain"
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让 client 支持 failover
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让 client 支持 failover 十分容易，只需要在初始化的时候加入以下几行代码即可，Qpid 的客户端代码库，能够自动从 server 返回的消息中知道其他 active broker 的 url，当正在连接的 broker 失效时，Qpid 客户端能够自动连接其他的 broker。
清单 1. failover 代码
#include <qpid/messaging/FailoverUpdates.h>
...
Connection connection("localhost:5672");
connection.setOption("reconnect", true);
try {
connection.open();
std::auto_ptr<FailoverUpdates> updates(new FailoverUpdates(connection));
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修改 Client 端代码，设置连接属性 reconnect，并构造一个 FailoverUpdates 对象。这样当一个 node 失效后，client 能够自动连接到其他的 broker 上。从而保证服务的连续。
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回页首
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[size=1.5em]结束语
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本文并非编程手册，也不是一部傻瓜书。我只是想写下自己在学习 Qpid 过程中的一些心得，因为我困惑过，放弃过，经历了漫长的过程终于开始慢慢理解，这过程中的一些迷茫便促使我写下了这些东西。假如您想学习 Qpid，还须找一个 Qpid 的教程进行参考，不过在学习过程中，假如您遇到了相似的困惑，或许会觉得本文还有一点儿帮助。
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写文章也有松耦合的优点，我就是一个 producer，将这篇文章发送出去，但绝不可能强迫您来读它。作为一个 subscriber，假如您不喜欢，便不需要读它，可以丢到垃圾桶里面。但假如您喜欢，那么我将非常欣慰！
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[size=1.5em]参考资料
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学习
参考面向消息的中间件。
参考 AMQP 官方网站http://www.openamq.org/doc:amqp-background。
参考 Qpid C++Broker 文档。
参考 Qpid 编程手册。
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发表于 2017-1-7 11:18:07
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