AMQP协议详解

AMQP,即Advanced Message Queuing Protocol,一个提供统一消息服务的应用层标准高级消息队列协议,是应用层协议的一个开放标准,为面向消息的中间件设计。基于此协议的客户端与消息中间件可传递消息,并不受客户端/中间件不同产品,不同的开发语言等条件的限制。Erlang中的实现有 RabbitMQ等。

技术术语

AMQP模型(AMQP Model):一个由关键实体和语义表示的逻辑框架,遵从AMQP规范的服务器必须提供这些实体和语义。为了实现本规范中定义的语义,客户端可以发送命令来控制AMQP服务器。
连接(Connection):一个网络连接,比如TCP/IP套接字连接。
会话(Session):端点之间的命名对话。在一个会话上下文中,保证“恰好传递一次”。
信道(Channel):多路复用连接中的一条独立的双向数据流通道。为会话提供物理传输介质。
客户端(Client):AMQP连接或者会话的发起者。AMQP是非对称的,客户端生产和消费消息,服务器存储和路由这些消息。
服务器(Server):接受客户端连接,实现AMQP消息队列和路由功能的进程。也称为“消息代理”。
端点(Peer):AMQP对话的任意一方。一个AMQP连接包括两个端点(一个是客户端,一个是服务器)。
搭档(Partner):当描述两个端点之间的交互过程时,使用术语“搭档”来表示“另一个”端点的简记法。比如我们定义端点A和端点B,当它们进行通信时,端点B是端点A的搭档,端点A是端点B的搭档。
片段集(Assembly):段的有序集合,形成一个逻辑工作单元。
段(Segment):帧的有序集合,形成片段集中一个完整子单元。
帧(Frame):AMQP传输的一个原子单元。一个帧是一个段中的任意分片。
控制(Control):单向指令,AMQP规范假设这些指令的传输是不可靠的。
命令(Command):需要确认的指令,AMQP规范规定这些指令的传输是可靠的。
异常(Exception):在执行一个或者多个命令时可能发生的错误状态。
类(Class):一批用来描述某种特定功能的AMQP命令或者控制。
消息头(Header):描述消息数据属性的一种特殊段。
消息体(Body):包含应用程序数据的一种特殊段。消息体段对于服务器来说完全透明——服务器不能查看或者修改消息体。
消息内容(Content):包含在消息体段中的的消息数据。
交换器(Exchange):服务器中的实体,用来接收生产者发送的消息并将这些消息路由给服务器中的队列。
交换器类型(Exchange Type):基于不同路由语义的交换器类。
消息队列(Message Queue):一个命名实体,用来保存消息直到发送给消费者。
绑定器(Binding):消息队列和交换器之间的关联。
绑定器关键字(Binding Key):绑定的名称。一些交换器类型可能使用这个名称作为定义绑定器路由行为的模式。
路由关键字(Routing Key):一个消息头,交换器可以用这个消息头决定如何路由某条消息。
持久存储(Durable):一种服务器资源,当服务器重启时,保存的消息数据不会丢失。
临时存储(Transient):一种服务器资源,当服务器重启时,保存的消息数据会丢失。
持久化(Persistent):服务器将消息保存在可靠磁盘存储中,当服务器重启时,消息不会丢失。
非持久化(Non-Persistent):服务器将消息保存在内存中,当服务器重启时,消息可能丢失。
消费者(Consumer):一个从消息队列中请求消息的客户端应用程序。
生产者(Producer):一个向交换器发布消息的客户端应用程序。
虚拟主机(Virtual Host):一批交换器、消息队列和相关对象。虚拟主机是共享相同的身份认证和加密环境的独立服务器域。客户端应用程序在登录到服务器之后,可以选择一个虚拟主机。
下面这些术语在AMQP规范的上下文中没有特别的意义:
主题:通常指发布消息;AMQP规范用一种或多种交换器来实现主题。
服务:通常等同于服务器。AMQP规范使用“服务器”这个术语来兼容IETF的标准术语,并且明确了协议中每个部分的角色(两方也可能是AMQP服务)。
消息代理:等同于服务器。AMQP规范使用术语“客户端”和“服务器”来兼容IETF的标准术语。

AMQP模型

AMQP协议详解_第1张图片
工作过程
发布者(Publisher)发布消息(Message),经由交换机(Exchange)。

交换机根据路由规则将收到的消息分发给与该交换机绑定的队列(Queue)。

最后 AMQP 代理会将消息投递给订阅了此队列的消费者,或者消费者按照需求自行获取。

深入理解
1、发布者、交换机、队列、消费者都可以有多个。同时因为 AMQP 是一个网络协议,所以这个过程中的发布者,消费者,消息代理 可以分别存在于不同的设备上。

2、发布者发布消息时可以给消息指定各种消息属性(Message Meta-data)。有些属性有可能会被消息代理(Brokers)使用,然而其他的属性则是完全不透明的,它们只能被接收消息的应用所使用。

3、从安全角度考虑,网络是不可靠的,又或是消费者在处理消息的过程中意外挂掉,这样没有处理成功的消息就会丢失。基于此原因,AMQP 模块包含了一个消息确认(Message Acknowledgements)机制:当一个消息从队列中投递给消费者后,不会立即从队列中删除,直到它收到来自消费者的确认回执(Acknowledgement)后,才完全从队列中删除。

4、在某些情况下,例如当一个消息无法被成功路由时(无法从交换机分发到队列),消息或许会被返回给发布者并被丢弃。或者,如果消息代理执行了延期操作,消息会被放入一个所谓的死信队列中。此时,消息发布者可以选择某些参数来处理这些特殊情况。

三、Exchange交换机
交换机是用来发送消息的 AMQP 实体。

交换机拿到一个消息之后将它路由给一个或零个队列。

它使用哪种路由算法是由交换机类型和绑定(Bindings)规则所决定的。
交换机可以有两个状态:持久(durable)、暂存(transient)。

持久化的交换机会在消息代理(broker)重启后依旧存在,而暂存的交换机则不会(它们需要在代理再次上线后重新被声明)。

并不是所有的应用场景都需要持久化的交换机。

默认交换机
默认交换机(default exchange)实际上是一个由消息代理预先声明好的没有名字(名字为空字符串)的直连交换机(direct exchange)。

它有一个特殊的属性使得它对于简单应用特别有用处:那就是每个新建队列(queue)都会自动绑定到默认交换机上,绑定的路由键(routing key)名称与队列名称相同。

举个栗子:当你声明了一个名为 “search-indexing-online” 的队列,AMQP 代理会自动将其绑定到默认交换机上,绑定(binding)的路由键名称也是为 “search-indexing-online”。因此,当携带着名为 “search-indexing-online” 的路由键的消息被发送到默认交换机的时候,此消息会被默认交换机路由至名为 “search-indexing-online” 的队列中。换句话说,默认交换机看起来貌似能够直接将消息投递给队列,尽管技术上并没有做相关的操作。
四、Queue队列
AMQP 中的队列(queue)跟其他消息队列或任务队列中的队列是很相似的:它们存储着即将被应用消费掉的消息。

队列属性
队列跟交换机共享某些属性,但是队列也有一些另外的属性。

Name
Durable(消息代理重启后,队列依旧存在)
Exclusive(只被一个连接(connection)使用,而且当连接关闭后队列即被删除)
Auto-delete(当最后一个消费者退订后即被删除)
Arguments(一些消息代理用他来完成类似与 TTL 的某些额外功能)
队列创建
队列在声明(declare)后才能被使用。如果一个队列尚不存在,声明一个队列会创建它。如果声明的队列已经存在,并且属性完全相同,那么此次声明不会对原有队列产生任何影响。如果声明中的属性与已存在队列的属性有差异,那么一个错误代码为 406 的通道级异常就会被抛出。

队列持久化
持久化队列(Durable queues)会被存储在磁盘上,当消息代理(broker)重启的时候,它依旧存在。没有被持久化的队列称作暂存队列(Transient queues)。并不是所有的场景和案例都需要将队列持久化。

持久化的队列并不会使得路由到它的消息也具有持久性。倘若消息代理挂掉了,重新启动,那么在重启的过程中持久化队列会被重新声明,无论怎样,只有经过持久化的消息才能被重新恢复。

五、Consumer消费者
消息如果只是存储在队列里是没有任何用处的。被应用消费掉,消息的价值才能够体现。在 AMQP 0-9-1 模型中,有两种途径可以达到此目的:

1)将消息投递给应用 (“push API”)
2)应用根据需要主动获取消息 (“pull API”)

使用 push API,应用(application)需要明确表示出它在某个特定队列里所感兴趣的,想要消费的消息。如是,我们可以说应用注册了一个消费者,或者说订阅了一个队列。一个队列可以注册多个消费者,也可以注册一个独享的消费者(当独享消费者存在时,其他消费者即被排除在外)。

每个消费者(订阅者)都有一个叫做消费者标签的标识符。它可以被用来退订消息。消费者标签实际上是一个字符串。

六、消息机制
消息确认
消费者应用(Consumer applications) - 用来接受和处理消息的应用 - 在处理消息的时候偶尔会失败或者有时会直接崩溃掉。而且网络原因也有可能引起各种问题。这就给我们出了个难题,AMQP 代理在什么时候删除消息才是正确的?AMQP 0-9-1 规范给我们两种建议:

1)自动确认模式:当消息代理(broker)将消息发送给应用后立即删除。(使用 AMQP 方法:basic.deliver 或 basic.get-ok))
2)显式确认模式:待应用(application)发送一个确认回执(acknowledgement)后再删除消息。(使用 AMQP 方法:basic.ack)

如果一个消费者在尚未发送确认回执的情况下挂掉了,那 AMQP 代理会将消息重新投递给另一个消费者。如果当时没有可用的消费者了,消息代理会死等下一个注册到此队列的消费者,然后再次尝试投递。

拒绝消息
当一个消费者接收到某条消息后,处理过程有可能成功,有可能失败。应用可以向消息代理表明,本条消息由于 “拒绝消息(Rejecting Messages)” 的原因处理失败了(或者未能在此时完成)。

当拒绝某条消息时,应用可以告诉消息代理如何处理这条消息——销毁它或者重新放入队列。

当此队列只有一个消费者时,请确认不要由于拒绝消息并且选择了重新放入队列的行为而引起消息在同一个消费者身上无限循环的情况发生。

在 AMQP 中,basic.reject 方法用来执行拒绝消息的操作。但 basic.reject 有个限制:你不能使用它决绝多个带有确认回执(acknowledgements)的消息。但是如果你使用的是 RabbitMQ,那么你可以使用被称作 negative acknowledgements(也叫 nacks)的 AMQP 0-9-1 扩展来解决这个问题。

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