zeroMQ初体验-21.应答模式进阶(七)-云计算

这里给出了一个最近很火的"云计算"案例。

定义：
在各种各样的硬件设备上运行着N多的worker，而任意一个worker都能够独立解决一个问题。每一个集群有这样的设备成千上百个，而同时又有一打这样的集群互相连接交互，于是，这么一个总的集合称为“云”，而其提供的服务称为“云计算”。
在“云中”的任一设备或集群都可以做到"进出自由"、任何崩溃的worker都能被检测和重启，那么，基本上就可以称为靠谱的云计算了。

首先，是一个独立的集群：


是不是很眼熟？其实这里已经有过介绍。

然后，进行扩展到多个集群：


这张图中有一个很明显的问题：两个集群间的client和worker如何互相访问？
此处有两种解决方案：
1.


这个看起来还不错，不过却有"忙者恒忙"的坏处：一个worker说“我ok了”，两个路由都知道了，同一时刻都分配了任务给他.这不是我们想要的。
2.


这个看上去更加简洁，只有中间商之间互相交换资源以达成目标。这其实是一个较"经济人"算法复杂些的算法--“经济人”互相又是"分包商"的角色。

现在，咱们选择第二种方案，那么两个中间件互联的方案选择又会衍生出好几种方式，在这里，先给出最简单的（也是我们一直在用的）“应答方案”，将中间件再组合成类c/s应答形式：


如此，似乎又产生了一个新问题（太过简单本身也是个问题啊）：传统的c/s应答模式一次只能响应一个请求，然后。。就没有然后了。so,这里中间件的连接更靠谱的是使用异步连接。
除此之外，文中还给出了一个类似DNS的方案，中间件之间以“发布/订阅”的方式来交换各自的资源情况，再以“异步应答”来交换task。

在即将的案例前，良好的命名规范是非常必要的。
这里会出现三组“插座”：
1.集群内部的req/res:localfe,localbe
2.集群间的req/res:cloudfe,cloudbe
3.集群间的资源状态：statefe,statebe

最终，这个中间件会是这个样子：


下面，我们会将中间件的插座适当的分离。
1.资源状态：

import zmq
import time
import random

def main(args):

    myself = args[1]
    print "Hello, I am", myself

    context = zmq.Context()

    # State Back-End
    statebe = context.socket(zmq.PUB)

    # State Front-End
    statefe = context.socket(zmq.SUB)
    statefe.setsockopt(zmq.SUBSCRIBE, '')

    bind_address = "ipc://" + myself + "-state.ipc"
    statebe.bind(bind_address)

    for i in range(len(args) - 2):
        endpoint = "ipc://" + args[i + 2] + "-state.ipc"
        statefe.connect(endpoint)
        time.sleep(1.0)

    poller = zmq.Poller()
    poller.register(statefe, zmq.POLLIN)

    while True:

########## Solution with poll() ##########
        socks = dict(poller.poll(1000))

        try:
            # Handle incoming status message
            if socks[statefe] == zmq.POLLIN:
                msg = statefe.recv_multipart()
                print 'Received:', msg

        except KeyError:
            # Send our address and a random value
            # for worker availability
            msg = []
            msg.append(bind_address)
            msg.append(str(random.randrange(1, 10)))
            statebe.send_multipart(msg)
##################################

######### Solution with select() #########
#        (pollin, pollout, pollerr) = zmq.select([statefe], [], [], 1)
#
#        if len(pollin) > 0 and pollin[0] == statefe:
#            # Handle incoming status message
#            msg = statefe.recv_multipart()
#            print 'Received:', msg
#
#        else:
#            # Send our address and a random value
#            # for worker availability
#            msg = []
#            msg.append(bind_address)
#            msg.append(str(random.randrange(1, 10)))
#            statebe.send_multipart(msg)
##################################

    poller.unregister(statefe)
    time.sleep(1.0)

if name == 'main':
    import sys

    if len(sys.argv) < 2:
        print "Usage: peering.py <myself> <peer_1> … <peer_N>"
        raise SystemExit

    main(sys.argv)

2.异步Req/res:

require"zmq"
require"zmq.poller"
require"zmq.threads"
require"zmsg"

local tremove = table.remove

local NBR_CLIENTS  = 10
local NBR_WORKERS  = 3

local pre_code = [[
    local self, seed = …
    local zmq = require"zmq"
    local zmsg = require"zmsg"
    require"zhelpers"
    math.randomseed(seed)
    local context = zmq.init(1)

]]

--  Request-reply client using REQ socket
--
local client_task = pre_code .. [[
    local client = context:socket(zmq.REQ)
    local endpoint = string.format("ipc://%s-localfe.ipc", self)
    assert(client:connect(endpoint))

    while true do
        --  Send request, get reply
        local msg = zmsg.new ("HELLO")
        msg:send(client)
        msg = zmsg.recv (client)
        printf ("I: client status: %s\n", msg:body())
    end
    --  We never get here but if we did, this is how we'd exit cleanly
    client:close()
    context:term()
]]

--  Worker using REQ socket to do LRU routing
--
local worker_task = pre_code .. [[
    local worker = context:socket(zmq.REQ)
    local endpoint = string.format("ipc://%s-localbe.ipc", self)
    assert(worker:connect(endpoint))

    --  Tell broker we're ready for work
    local msg = zmsg.new ("READY")
    msg:send(worker)

    while true do
        msg = zmsg.recv (worker)
        --  Do some 'work'
        s_sleep (1000)
        msg:body_fmt("OK - %04x", randof (0x10000))
        msg:send(worker)
    end
    --  We never get here but if we did, this is how we'd exit cleanly
    worker:close()
    context:term()
]]

--  First argument is this broker's name
--  Other arguments are our peers' names
--
s_version_assert (2, 1)
if (#arg < 1) then
    printf ("syntax: peering2 me doyouend…\n")
    os.exit(-1)
end
--  Our own name; in practice this'd be configured per node
local self = arg[1]
printf ("I: preparing broker at %s…\n", self)
math.randomseed(os.time())

--  Prepare our context and sockets
local context = zmq.init(1)

--  Bind cloud frontend to endpoint
local cloudfe = context:socket(zmq.XREP)
local endpoint = string.format("ipc://%s-cloud.ipc", self)
cloudfe:setopt(zmq.IDENTITY, self)
assert(cloudfe:bind(endpoint))

--  Connect cloud backend to all peers
local cloudbe = context:socket(zmq.XREP)
cloudbe:setopt(zmq.IDENTITY, self)

local peers = {}
for n=2,#arg do
    local peer = arg[n]
    -- add peer name to peers list.
    peers[#peers + 1] = peer
    peers[peer] = true -- map peer's name to 'true' for fast lookup
    printf ("I: connecting to cloud frontend at '%s'\n", peer)
    local endpoint = string.format("ipc://%s-cloud.ipc", peer)
    assert(cloudbe:connect(endpoint))
end
--  Prepare local frontend and backend
local localfe = context:socket(zmq.XREP)
local endpoint = string.format("ipc://%s-localfe.ipc", self)
assert(localfe:bind(endpoint))

local localbe = context:socket(zmq.XREP)
local endpoint = string.format("ipc://%s-localbe.ipc", self)
assert(localbe:bind(endpoint))

--  Get user to tell us when we can start…
printf ("Press Enter when all brokers are started: ")
io.read('*l')

--  Start local workers
local workers = {}
for n=1,NBR_WORKERS do
    local seed = os.time() + math.random()
    workers[n] = zmq.threads.runstring(nil, worker_task, self, seed)
    workers[n]:start(true)
end
--  Start local clients
local clients = {}
for n=1,NBR_CLIENTS do
    local seed = os.time() + math.random()
    clients[n] = zmq.threads.runstring(nil, client_task, self, seed)
    clients[n]:start(true)
end

--  Interesting part
--  -------------------------------------------------------------
--  Request-reply flow
--  - Poll backends and process local/cloud replies
--  - While worker available, route localfe to local or cloud

--  Queue of available workers
local worker_queue = {}
local backends = zmq.poller(2)

local function send_reply(msg)
    local address = msg:address()
    -- Route reply to cloud if it's addressed to a broker
    if peers[address] then
        msg:send(cloudfe) -- reply is for a peer.
    else
        msg:send(localfe) -- reply is for a local client.
    end
end

backends:add(localbe, zmq.POLLIN, function()
    local msg = zmsg.recv(localbe)

    --  Use worker address for LRU routing
    worker_queue[#worker_queue + 1] = msg:unwrap()
    -- if reply is not "READY" then route reply back to client.
    if (msg:address() ~= "READY") then
        send_reply(msg)
    end
end)

backends:add(cloudbe, zmq.POLLIN, function()
    local msg = zmsg.recv(cloudbe)
    --  We don't use peer broker address for anything
    msg:unwrap()
    -- send reply back to client.
    send_reply(msg)
end)

local frontends = zmq.poller(2)
local localfe_ready = false
local cloudfe_ready = false

frontends:add(localfe, zmq.POLLIN, function() localfe_ready = true end)
frontends:add(cloudfe, zmq.POLLIN, function() cloudfe_ready = true end)

while true do
    local timeout = (#worker_queue > 0) and 1000000 or -1
    --  If we have no workers anyhow, wait indefinitely
    rc = backends:poll(timeout)
    assert (rc >= 0)

    --  Now route as many clients requests as we can handle
    --
    while (#worker_queue > 0) do
        rc = frontends:poll(0)
        assert (rc >= 0)
        local reroutable = false
        local msg
        --  We'll do peer brokers first, to prevent starvation
        if (cloudfe_ready) then
            cloudfe_ready = false -- reset flag
            msg = zmsg.recv (cloudfe)
            reroutable = false
        elseif (localfe_ready) then
            localfe_ready = false -- reset flag
            msg = zmsg.recv (localfe)
            reroutable = true
        else
            break;      --  No work, go back to backends
        end

        --  If reroutable, send to cloud 20% of the time
        --  Here we'd normally use cloud status information
        --
        local percent = randof (5)
        if (reroutable and #peers > 0 and percent == 0) then
            --  Route to random broker peer
            local random_peer = randof (#peers) + 1
            msg:wrap(peers[random_peer], nil)
            msg:send(cloudbe)
        else
            --  Dequeue and drop the next worker address
            local worker = tremove(worker_queue, 1)
            msg:wrap(worker, "")
            msg:send(localbe)
        end
    end
end
--  We never get here but clean up anyhow
localbe:close()
cloudbe:close()
localfe:close()
cloudfe:close()
context:term()

注意：
这里是lua代码，官方没有给出Python,改天补齐～

3.合并：

require"zmq"
require"zmq.poller"
require"zmq.threads"
require"zmsg"

local tremove = table.remove

local NBR_CLIENTS  = 10
local NBR_WORKERS  = 5

local pre_code = [[
    local self, seed = …
    local zmq = require"zmq"
    local zmsg = require"zmsg"
    require"zhelpers"
    math.randomseed(seed)
    local context = zmq.init(1)

]]

--  Request-reply client using REQ socket
--  To simulate load, clients issue a burst of requests and then
--  sleep for a random period.
--
local client_task = pre_code .. [[
    require"zmq.poller"

    local client = context:socket(zmq.REQ)
    local endpoint = string.format("ipc://%s-localfe.ipc", self)
    assert(client:connect(endpoint))

    local monitor = context:socket(zmq.PUSH)
    local endpoint = string.format("ipc://%s-monitor.ipc", self)
    assert(monitor:connect(endpoint))

    local poller = zmq.poller(1)
    local task_id = nil

    poller:add(client, zmq.POLLIN, function()
        local msg = zmsg.recv (client)
        --  Worker is supposed to answer us with our task id
        assert (msg:body() == task_id)
        -- mark task as processed.
        task_id = nil
    end)
    local is_running = true
    while is_running do
        s_sleep (randof (5) * 1000)

        local burst = randof (15)
        while (burst > 0) do
            burst = burst - 1
            --  Send request with random hex ID
            task_id = string.format("%04X", randof (0x10000))
            local msg = zmsg.new(task_id)
            msg:send(client)

            --  Wait max ten seconds for a reply, then complain
            rc = poller:poll(10 * 1000000)
            assert (rc >= 0)

            if task_id then
                local msg = zmsg.new()
                msg:body_fmt(
                    "E: CLIENT EXIT - lost task %s", task_id)
                msg:send(monitor)
                -- exit event loop
                is_running = false
                break
            end
        end
    end
    --  We never get here but if we did, this is how we'd exit cleanly
    client:close()
    monitor:close()
    context:term()
]]

--  Worker using REQ socket to do LRU routing
--
local worker_task = pre_code .. [[
    local worker = context:socket(zmq.REQ)
    local endpoint = string.format("ipc://%s-localbe.ipc", self)
    assert(worker:connect(endpoint))

    --  Tell broker we're ready for work
    local msg = zmsg.new ("READY")
    msg:send(worker)

    while true do
        --  Workers are busy for 0/1/2 seconds
        msg = zmsg.recv (worker)
        s_sleep (randof (2) * 1000)
        msg:send(worker)
    end
    --  We never get here but if we did, this is how we'd exit cleanly
    worker:close()
    context:term()
]]

--  First argument is this broker's name
--  Other arguments are our peers' names
--
s_version_assert (2, 1)
if (#arg < 1) then
    printf ("syntax: peering3 me doyouend…\n")
    os.exit(-1)
end
--  Our own name; in practice this'd be configured per node
local self = arg[1]
printf ("I: preparing broker at %s…\n", self)
math.randomseed(os.time())

--  Prepare our context and sockets
local context = zmq.init(1)

--  Bind cloud frontend to endpoint
local cloudfe = context:socket(zmq.XREP)
local endpoint = string.format("ipc://%s-cloud.ipc", self)
cloudfe:setopt(zmq.IDENTITY, self)
assert(cloudfe:bind(endpoint))

--  Bind state backend / publisher to endpoint
local statebe = context:socket(zmq.PUB)
local endpoint = string.format("ipc://%s-state.ipc", self)
assert(statebe:bind(endpoint))

--  Connect cloud backend to all peers
local cloudbe = context:socket(zmq.XREP)
cloudbe:setopt(zmq.IDENTITY, self)

for n=2,#arg do
    local peer = arg[n]
    printf ("I: connecting to cloud frontend at '%s'\n", peer)
    local endpoint = string.format("ipc://%s-cloud.ipc", peer)
    assert(cloudbe:connect(endpoint))
end
--  Connect statefe to all peers
local statefe = context:socket(zmq.SUB)
statefe:setopt(zmq.SUBSCRIBE, "", 0)

local peers = {}
for n=2,#arg do
    local peer = arg[n]
    -- add peer name to peers list.
    peers[#peers + 1] = peer
    peers[peer] = 0 -- set peer's initial capacity to zero.
    printf ("I: connecting to state backend at '%s'\n", peer)
    local endpoint = string.format("ipc://%s-state.ipc", peer)
    assert(statefe:connect(endpoint))
end
--  Prepare local frontend and backend
local localfe = context:socket(zmq.XREP)
local endpoint = string.format("ipc://%s-localfe.ipc", self)
assert(localfe:bind(endpoint))

local localbe = context:socket(zmq.XREP)
local endpoint = string.format("ipc://%s-localbe.ipc", self)
assert(localbe:bind(endpoint))

--  Prepare monitor socket
local monitor = context:socket(zmq.PULL)
local endpoint = string.format("ipc://%s-monitor.ipc", self)
assert(monitor:bind(endpoint))

--  Start local workers
local workers = {}
for n=1,NBR_WORKERS do
    local seed = os.time() + math.random()
    workers[n] = zmq.threads.runstring(nil, worker_task, self, seed)
    workers[n]:start(true)
end
--  Start local clients
local clients = {}
for n=1,NBR_CLIENTS do
    local seed = os.time() + math.random()
    clients[n] = zmq.threads.runstring(nil, client_task, self, seed)
    clients[n]:start(true)
end

--  Interesting part
--  -------------------------------------------------------------
--  Publish-subscribe flow
--  - Poll statefe and process capacity updates
--  - Each time capacity changes, broadcast new value
--  Request-reply flow
--  - Poll primary and process local/cloud replies
--  - While worker available, route localfe to local or cloud

--  Queue of available workers
local local_capacity = 0
local cloud_capacity = 0
local worker_queue = {}
local backends = zmq.poller(2)

local function send_reply(msg)
    local address = msg:address()
    -- Route reply to cloud if it's addressed to a broker
    if peers[address] then
        msg:send(cloudfe) -- reply is for a peer.
    else
        msg:send(localfe) -- reply is for a local client.
    end
end

backends:add(localbe, zmq.POLLIN, function()
    local msg = zmsg.recv(localbe)

    --  Use worker address for LRU routing
    local_capacity = local_capacity + 1
    worker_queue[local_capacity] = msg:unwrap()
    -- if reply is not "READY" then route reply back to client.
    if (msg:address() ~= "READY") then
        send_reply(msg)
    end
end)

backends:add(cloudbe, zmq.POLLIN, function()
    local msg = zmsg.recv(cloudbe)

    --  We don't use peer broker address for anything
    msg:unwrap()
    -- send reply back to client.
    send_reply(msg)
end)

backends:add(statefe, zmq.POLLIN, function()
    local msg = zmsg.recv (statefe)
    -- TODO: track capacity for each peer
    cloud_capacity = tonumber(msg:body())
end)

backends:add(monitor, zmq.POLLIN, function()
    local msg = zmsg.recv (monitor)
    printf("%s\n", msg:body())
end)

local frontends = zmq.poller(2)
local localfe_ready = false
local cloudfe_ready = false

frontends:add(localfe, zmq.POLLIN, function() localfe_ready = true end)
frontends:add(cloudfe, zmq.POLLIN, function() cloudfe_ready = true end)

local MAX_BACKEND_REPLIES = 20

while true do
    -- If we have no workers anyhow, wait indefinitely
    local timeout = (local_capacity > 0) and 1000000 or -1
    local rc, err = backends:poll(timeout)
    assert (rc >= 0, err)

    --  Track if capacity changes during this iteration
    local previous = local_capacity

    --  Now route as many clients requests as we can handle
    --  - If we have local capacity we poll both localfe and cloudfe
    --  - If we have cloud capacity only, we poll just localfe
    --  - Route any request locally if we can, else to cloud
    --
    while ((local_capacity + cloud_capacity) > 0) do
        local rc, err = frontends:poll(0)
        assert (rc >= 0, err)

        if (localfe_ready) then
            localfe_ready = false
            msg = zmsg.recv (localfe)
        elseif (cloudfe_ready and local_capacity > 0) then
            cloudfe_ready = false
            -- we have local capacity poll cloud frontend for work.
            msg = zmsg.recv (cloudfe)
        else
            break;      --  No work, go back to primary
        end

        if (local_capacity > 0) then
            --  Dequeue and drop the next worker address
            local worker = tremove(worker_queue, 1)
            local_capacity = local_capacity - 1
            msg:wrap(worker, "")
            msg:send(localbe)
        else
            --  Route to random broker peer
            printf ("I: route request %s to cloud…\n",
                msg:body())
            local random_peer = randof (#peers) + 1
            msg:wrap(peers[random_peer], nil)
            msg:send(cloudbe)
        end
    end
    if (local_capacity ~= previous) then
        --  Broadcast new capacity
        local msg = zmsg.new()
        -- TODO: send our name with capacity.
        msg:body_fmt("%d", local_capacity)
        --  We stick our own address onto the envelope
        msg:wrap(self, nil)
        msg:send(statebe)
    end
end
--  We never get here but clean up anyhow
localbe:close()
cloudbe:close()
localfe:close()
cloudfe:close()
statefe:close()
monitor:close()
context:term()

ok,终于，一个完整的“云端”呈现了出来（虽然只用了一个进程）。不过从代码中，可以很清晰的划分各个模块。
不过，这里还是不可避免的涉及到了数据的安全性：如果其他的集群down了怎么办？通过更短时间的状态更新？似乎并不治本。或许一个回复链路可以解决。好吧，那是之后要解决的问题了。

（未完待续）