AMQP协议学习

最近在阅读AMQP协议。AMQP协议算是消息队列里无法绕开的一个协议，通过阅读该协议来学习消息队列以及自有协议设计。该协议的阅读体验非常好，协议本身没有过于复杂，规范里也会解释各个地方的设计思路。

该文章是基于AMQP 0.9.1编写，AMQP 0.9.1规范发布于2008年。所以后面提到的很多特性在当时是先进的，但放到现在可能就习以为常了。比如Kafka于2011年发布第一版，RTMP协议1.0版本于2012年发布，HTTP/2于2015年发布，

AMQP协议中的各个概念和组件

AMQP的全称为：Advanced Message Queuing Protocol（高级消息队列协议）

AMQP所覆盖的内容包含了网络协议以及服务端服务

• 一套被称作”高级消息队列协议模型(AMQ Model)“的消息能力定义。该模型涵盖了Broker服务中用于路由和存储消息的组件，以及把这些组件连在一起的规则。
• 一个网络层协议AMQP。能够让客户端程序与实现了AMQ Model的服务端进行通信。

AMQP像是一个把东西连在一起的语言，而不是一个系统。其设计目标是：让服务端可通过协议编程。理解了AMQP的这个设计目标，也就能够理解其协议的设计思路了。

AMQP协议是一个二进制协议，具有一些现代特性：多通道（multi-channel），可协商（negotiated），异步、安全、便携、语言中立、高效的。其协议主要分成两层：

功能层（Functional Layer）：定义了一系列的命令

传输层（Transport Layer）：携带了从应用 → 服务端的方法，用于处理多路复用、分帧、编码、心跳、data-representation、错误处理。

这样分层之后，可以把传输层替换为其它传输协议，而不需要修改功能层。同样，也可以使用同样的传输层，基于此实现不同的上层协议。可能RabbitMQ也是因为类似的原因，能够比较容易的支持MQTT、STOMP等协议的吧。

AMQ Model的设计是由以下需求驱动的：

• 确保符合标准的实现之间的互操作性。
• 提供清晰且直接的方式控制QoS
• 保持一致和明确的命名
• 通过协议能够修改服务端的各种配置
• 使用可以轻松映射到应用程序级API的命令符号
• 清晰，每个操作只能做一件事。

AMQP传输层是由以下需求驱动的

• 紧凑。能够快速封包和解包
• 可以携带任意大小的消息，没有明显的限制
• 同一个连接可以承载多个通道（Channel）
• 长时间存活，没有显著的限制
• 允许异步命令流水线
• 容易扩展。易于处理新需求、或者变更需求
• 使用强大的断言模型，可修复
• 对编程语言保持中立
• 适合代码生成过程

在设计过程中，希望能够支持不同的消息架构：

• 先存后发模型。有多个Writer，只有一个Reader
• 分散工作负载。有多个Writer和多个Reader
• 发布订阅模型，多个Writer和多个reader
• 基于消息内容的路由，多个Writer，多个Reader
• 队列文件传输，多个Writer，多个Reader
• 两个节点之间点对点连接
• 市场数据（Market data）分发。多个数据源，多个Reader

AMQ Model

主要包含了三个主要的组件：

• exchange（交换器）：从Publisher程序中收取消息，并把这些消息根据一些规则路由到消息队列（Message Queue）中
• message queue（消息队列）：存储消息。直到消息被安全的投递给了消费者。
• binding ：定义了 message queue 和 exchange 之间的关系，提供了消息路由的规则。

AMQ Model的整体架构

可以把AMQP的架构理解为一个邮件服务：

• 一个AMQP消息类似于一封邮件信息
• 消息队列类似于一个邮箱（Mailbox）
• 消费者类似一个邮件客户端，能够拉取和删除邮件。
• 交换器类似一个MTA（邮件服务器）。检查邮件，基于邮件里的路由信息、路由表，来决定如何把邮件发送到一个或多个邮箱里。
• Routing Key类似于邮件中的To:，Cc:， Bcc: 的地址。不包含服务端信息。
• 每一个交换器实例，类似于各个MTA进程。用于处理不同子域名的邮件，或者特定类型的邮件。
• Binding 类似于MTA中的路由表。

在AMQP里，生产者直接把消息发到服务端，服务端再把这些消息路由到邮箱中。消费者直接从邮箱里取消息。但在AMQP之前的很多中间件中，发布者是把消息直接发到对应的邮箱里（类似于存储发布队列），或者直接发到邮件列表里（类似topic订阅）。

这里的主要区别在于，用户可以控制消息队列和交换器的绑定规则，而不是依赖中间件自身的代码。这样就可以做很多有趣的事情。比如定义一个这样的规则：把所有包含这样和这样Header的消息，都复制一份到这个消息队列中。“

而这一点也是我认为AMQP和其他一些消息队列最重要的差异。

消息的生命周期

1. 消息由生产者产生。生产者把内容放到消息里，并设置一些属性以及消息的路由。然后生产者把消息发给服务端。
2. 服务端收到消息，交换器（大部分情况）把消息路由到若干个该服务器上的消息队列中。如果这个消息找不到路由，则会丢弃或者退回给生产者（生产者可自行决定）。
3. 一条消息可以存在于许多消息队列中。 服务器可以通过复制消息，引用计数等方式来实现。这不会影响互操作性。 但是，将一条消息路由到多个消息队列时，每个消息队列上的消息都是相同的。 没有可以区分各种副本的唯一标识符。
4. 消息到达消息队列。消息队列会立即尝试通过AMQP将其传递给消费者。 如果做不到，消息队列将消息存储（按生产者的要求存储在内存中或磁盘上），并等待消费者准备就绪。 如果没有消费者，则消息队列可以通过AMQP将消息返回给生产者（同样，如果生产者要求这样做）。
5. 当消息队列可以将消息传递给消费者时，它将消息从其内部缓冲区中删除。 可以立即删除，也可以在使用者确认其已成功处理消息之后删除(ack)。 由消费者选择“确认”消息的方式和时间。消费者也可以拒绝消息（否定确认）。
6. 生产者发消息与消费者确认，被分组成一个事务。当一个应用同时扮演多个角色时：发消息，发ack，commit或者回滚事务。消息从服务端投递给消费者这个过程不是事务的。消费者对消息进行确认就够了。

在这个过程中，生产者只能把所有消息发到一个单点（交换器），而不能直接把消息发到某个消息队列(message-queue)中。

交换器(exchange)的生命周期

每个AMQP服务端都会自己创建一些交换器，这些不能被销毁。AMQP程序也可以创建其自己的交换器。AMQP并不使用 create 这个方法，而是使用 declare 方法来表示：如果不存在，则创建，存在了则继续。程序可以创建交换器用于私有使用，并在任务完成后销毁它们。虽然AMQP提供了销毁交换器的方法，但一般来讲程序不需要销户它。

队列(queue)的生命周期

队列分为两种，

• 持久化消息队列：由很多消费者共享。当消费者都退出后，队列依然存在，并会继续收集消息。
• 临时消息队列：临时消息队列对于消费者是私有和绑定的。当消费者断开连接，则消息队列被删除。

绑定(Bindings)

绑定是交换器和消息队列之间的关系，告诉交换器如何路有消息。

// 绑定命令的伪代码
Queue.Bind <queue> TO <exchange> WHERE <condition>

几个经典的使用案例：共享队列、私有的回复队列、发布-订阅。

构造一个共享队列

Queue.Declare queue=app.svc01 // 声明一个叫做 app.svc01 的队列

// Comsumer
Basic.Consume queue=app.svc01 // 消费者消费该队列

// Producer
Basic.Publish routing-key=app.svc01 // 生产者发布消息。routingKey为队列名称

构造一个私有回复队列

一般来讲，回复队列是私有的、临时的、由服务端命名、只有一个消费者。（没有直接使用AMQP协议中的例子，而是使用了RabbitMQ的例子）

Queue.Declare queue=rpc_queue // 调用的队列

// Server
Basic.Consume queue=rpc_queue

// Client
Queue.Declare queue=<empty> exclusive=TRUE
S:Queue.Declare-Ok queue=amq.gen-X... // AMQP服务端告诉队列名称
Basic.Publish queue=rpc_queue reply_to=amq_gen-X... // 客户端向服务端发送请求

// Server
handleMessage()
// 服务端处理好消息后，向消息列的reply-to字段中的队列发送响应
Basic.Publish exchange=<empty> routing-key={message.replay_to}

构造一个发布-订阅队列

在传统的中间件中，术语 subscription 含糊不清。至少包含两个概念：匹配消息的条件集，和一个临时队列用于存放匹配的消息。AMQP把这两部分拆成：binding和message queus。在AMQP中，并没有一个实体叫做 subscription

AMQP的发布订阅模型为：

• 给一个消费者保留消息（一些场景下是多个消费者）
• 从多个源收集消息，比如匹配Topic、消息的字段、或者内容等方式

订阅队列与命名队列或回复队列之间的关键区别在于，订阅队列名称与路由目的无关，并且路由是根据抽象的匹配条件完成的，而不是路由键字段的一对一匹配。

// Consumer
Queue.Declare queue=<empty> exclusive=TRUE
// 这里是使用服务端下发的队列名称，并设置为独占。
// 也可以使用约定的队列名称。这样就相当于把发布-订阅模型与共享队列组合使用了
S:Queue.Declare-Ok queue=tmp.2
Queue.Bind queue=tmp.2 TO exchange=amq.topic WHERE routing-key=*.orange.*
Basic.Consume queue=tmp.2

// Producer
Basic.Publish exchange=amq.topic routing-key=quick.orange.rabbit

AMQP命令架构

中间件复杂度很高，所以设计协议时的挑战是要驯服其复杂性。AMQP采用方法是基于类来建立传统API模型。类中包含方法，并定义了方法明确应该做什么。

AMQP中有两种不同的方式进行对话：

• 同步请求-响应。一个节点发送请求，另一个阶段发送响应。适用于性能不重要的方法。发送同步请求时，该节点直到收到回复后，才能发送下一个请求
• 异步通知。一个节点发送数据，但是不期待回复。一般用于性能很重要的地方。异步请求会尽可能快的发送消息，不等待确认。只在需要的时候在更上层（比如消费者层）实现限流等功能。AMQP中可以没有确认，要么成功，要么就会收到关闭Channel或者连接的异常。如果需要明确的追踪成功或者失败，那么应该使用事务。

AMQP中的类

Connection类

AMQP是一个长连接协议。Connection被设计为长期使用的，可以携带多个Channel。Connection的生命周期是：

1. 客户端打开到服务端的TCP/IP连接，发送协议头。这是客户端发送的数据里，唯一不能被解析为方法的数据。
2. 服务端返回其协议版本、属性（比如支持的安全机制列表）。 the Start method
3. 客户端选择安全机制 Start-Ok
4. 服务端开始认证过程, 它使用SASL的质询-响应模型（challenge-response model）。它向客户端发送一个质询 Secure
5. 客户端向服务端发送一个认证响应Secure-Ok。比如，如果使用 plain 认证机制，则响应会包含登录名和密码
6. 客户端重复质询Secure或转到协商步骤，发送一系列参数，如最大帧大小 Tune
7. 客户端接受，或者调低这些参数 Tune-Ok
8. 客户端正式打开连接，并选择一个Vhost Open
9. 服务端确认VHost有效 Open-Ok
10. 客户端可以按照预期使用连接
11. 当一个节点打算结束连接 Close
12. 另一个节点需要结束握手 Close-Ok
13. 服务端和客户端关闭Socket连接。

如果在发送或者收到 Open 或者 Open-Ok 之前，某一个节点发现了一个错误，则必须直接关闭Socket，且不发送任何数据。

Channel类

AMQP是一个多通道协议。Channel提供了一种方式，在比较重的TCP/IP连接上建立多个轻量级的连接。这会让协议对防火墙更加友好，因为端口使用是可预知的。它也意味着很容易支持流量调整和其他QoS特性。

Channels相互是独立的，可以同步执行不同的功能。可用带宽会在当前活动之间共享。

这里期望也鼓励多线程客户端程序应该使用 每个线程一个channel 的模型。不过，一个客户端在一个或多个AMQP服务端上打开多个连接也是可以的。

Channel的生命周期为：

1. 客户端打开一个新通道 Open
2. 服务端确认新通道准备就绪 Open-Ok
3. 客户端和服务端按预期来使用通道.
4. 一个节点关闭了通道 Close
5. 另一个节点对通道关闭进行握手 Close-Ok

Exchange类

Exchange类能够让应用操作服务端的交换器。这个类能够让程序自己设置路由，而不是通过某些配置。不过大部分程序并不需要这个级别的复杂度，过去的中间件也不只支持这个语义。

Exchange的生命周期为：

1. 客户端让服务端确保该exchange存在Declare。客户端可以细化为：“如果交换器不存在则进行创建” 或 “如果交换器不存在，警告我，不需要创建”
2. 客户端向Exchange发消息
3. 客户端也可以选择删掉Exchange Delete

Queue类

该类用于让程序管理服务端上的消息队列。几乎所有的消费者应用都是基本步骤，至少要验证使用的消息队列是否存在。

一个持久化消息队列的生命周期非常简单

1. 客户端断言这个消息队列存在 Declare（设置 passive 参数）
2. 服务端确认消息队列存在 Declare-Ok
3. 客户端消息队列中读消息

一个临时消息队列的生命周期会更有趣些：

1. 客户端创建消息队列 Declare(不提供队列名称，服务器会分配一个名称)。服务端确认 Declare-Ok
2. 客户端在消息队列上启动一个消费者
3. 客户端取消消费，可以是显示取消，也可以是通过关闭通道或者连接连接隐式取消的
4. 当最后一个消费者从消息队列中消失的时候，在过了礼貌性超时后，服务端会删除消息队列

AMQP实现了Topic订阅的分发模型。这可以让订阅在合作的订阅者间进行负载均衡。涉及到额外的绑定阶段的生命周期：

1. 客户端创建一个队列Declare，服务端确认Declare-Ok
2. 客户端绑定消息队列到一个topic exchange上Bind，服务端确认Bind-Ok
3. 客户端像之前一样使用消息队列。

Basic类

Basic实现本规范中描述的消息功能。支持如下语义：

• 从客户端→服务端发消息。异步Publish
• 开始或者停止消费Consume，Cancel
• 从服务端到客户端发消息。异步Deliver，Return
• 确认消息Ack，Reject
• 同步的从消息队列中读取消息Get

事务类：

AMQP支持两种类型的事务：

1. 自动事务。每个发布的消息和应答都处理为独立事务．
2. 服务端本地事务：服务器会缓存发布的消息和应答，并会根据需要由client来提交它们．

Transaction 类(“tx”) 使应用程序可访问第二种类型，即服务器事务。这个类的语义是：

1. 应用程序要求服务端事务，在需要的每个channel里Select
2. 应用程序做一些工作Publish， Ack
3. 应用程序提交或回滚工作Commit，Roll-back
4. 应用程序正常工作，循环往复。

事务包含发布消息和ack，不包含分发。所以，回滚并不能重入队列或者重新分发任何消息。客户端有权在事务中确认这些消息。

AMQP的功能描述，一定程度上也是RabbitMQ的功能描述，不过RabbitMQ基于AMQP做了一些扩展

消息和内容

消息会携带一些属性，以及具体内容（二进制数据）

消息是可被持久化的。持久化消息是可以安全的存在硬盘上的，即使发生了验证的网络错误、服务端崩溃溢出等情况，也可以确保被投递。

消息可以有优先级。同一个队列中，高优先级的消息会比低优先级的消息先被发送。当消息需要被丢弃时（比如服务端内存不足等），将会优先丢弃低优先级消息

服务端一定不能修改消息的内容。但服务端可能会在消息头上添加一些属性，但一定不会移除或者修改已经存在的属性。

虚拟主机（VHost）

虚拟主机是服务端的一个数据分区。在多租户使用是，可以方便进行管理。

虚拟主机有自己的命名空间、交换器、消息队列等等。所有连接，只可能和一个虚拟主机建立。

交换器（Exchange）

交换器是一个虚拟主机内的消息路由Agent。用于处理消息的路由信息（一般是Routing-Key），然后将其发送到消息队列或者内部服务中。交换器可能是持久化的、临时的、自动删除的。交换器把消息路由到消息队列时可以是并行的。这会创建一个消息的多个实例。

Direct 交换器

1. 一个消息队列使用RoutingKey K 绑定到交换器
2. 生产者向交换器发送RoutingKey为R的消息
3. 当 K=R时，消息被转发到该消息队列中

Fanout 交换器

1. 一个消息队列没有使用任何参数绑定交换器
2. 生产者向交换器发了一条消息
3. 这个消息无条件的发送到该消息队列

Topic 交换器

1. 消息队列使用路由规则 P 绑定到交换器
2. 生产者使用RoutingKey R 发送消息到交换器
3. 如果R 能够匹配 P，则把消息发到该消息队列。

RoutingKey必须由若干个被点.分隔的单词组成。每个单词只能包含字母和数字。其中 * 匹配一个单词，# 匹配0个或者多个单词。比如 *.stock.# 匹配 usd.stock 和 eur.stock.db 但是不匹配 stock.nasdaq

Headers 交换器

1. 消息队列使用Header的参数表来绑定。不适用RoutingKey
2. 生产者向交换器发送消息，Header中包含了指定的键值对
3. 如果匹配，则传给消息队列。

format=json,type=log,x-match=all
format=line,type=log,x-match=any

如果 x-match 为all，则必须都匹配才行。如果x-match为any，则有任意一个header匹配即可。

系统交换器

这个平时应该用不到，这里略过。感兴趣的可以直接查看AMQP0.9.1的3.1.3.5章节。

AMQP的传输架构

解释了命令如何映射到传输层的。在设计自有协议时，可以参考一下它的设计思路，以及中间需要注意的问题。

AMQP是一个二进制协议。有不同类型的帧frame 构成。帧会携带协议的方法以及其他信息。所有的帧都有相同的基本结构，即：帧头，payload，帧尾。payload格式取决于帧的类型。

我们假设使用的是面向流的可靠网络层（比如TCP/IP）。单个Socket连接上可以有多个独立的控制线程，也就是通道Channel。不同的通道共享一个连接，每个通道上的帧都是按严格的顺序排列，这样可以用一个状态机来解析协议。

传输层（wire-level）的格式被设计为扩展性强、且足够通用，可以用于任何更高层的协议（不仅仅是AMQP）。我们假设AMQP是会被扩展、优化的。

主要涉及这几个部分：数据类型、协议协商、分帧方式、帧细节、方法帧、内容帧、心跳帧、错误处理、通道与连接的关闭。

AMQP的数据类型用于方法帧中，他们有

• 整数（1-8个字节），表示大小，数量，范围等。全都是无符号整数
• Bits。用于表示为开/关值，会被封包为字节。
• 短字符串。用于存放短的文本属性。最多255字节，解析时不用担心缓冲区溢出。
• 长字符串：用于存放二进制数据块
• 字段表（Field Table），用于存放键值对

客户端连接时，和服务端协商可接受的配置。当两个节点达成一致后，连接才能继续使用。通过协商，可以让我们断言假设和前提条件。主要协商这几方面的信息

• 实现的协议和版本。服务端可能会在同一端口提供多种协议的支持
• 加密参数和验证
• 最大帧尺寸、Channel的数量、某些操作的限制。

如果协商达成一致，双方会根据协商预分配缓冲区避免死锁。传入的帧如果满足协商条件，则认为其实安全的。如果超过了，那么另一方必须断开连接。

TCP/IP是流协议。没有内置的分帧机制。现有的协议一般有这几种方式进行分帧：

• 每个连接只发送一个帧。简单，但是慢。
• 在流中加入分隔符来分帧。简单，但是解析较慢（因为需要不断的读取，去寻找分隔符）
• 计算帧的尺寸，并在每个帧之前发送尺寸。简单且快速。也是AMQP的选择

帧头包括：帧类型、通道、尺寸。帧尾包含错误检测信息。

处理一个帧的步骤：

1. 读帧头，检查帧类型和Channel
2. 根据帧类型，读取payload并处理
3. 读帧尾校验

在实现时，性能很重要的时候，我们会使用 read-ahead buffering 或者 gathering reads 去避免读帧时进行三次系统调用。

方法帧

处理方式：

1. 读取方法帧的payload
2. 解包为结构
3. 检查方法在当前上下文中是否允许
4. 检查参数是否有效
5. 执行方法。

方法帧是由AMQP数据字段组成。编码代码可以直接从协议规范中生成，速度非常快。

内容帧

内容是端到端直接发送的应用数据。内容由一系列属性和二进制数据组成。其中一系列的属性组成了 ”内容帧的帧头“。而二进制数据，可以是任意大小，它可能被拆分成多个块发送，每个块是一个 content-body帧

一些方法（比如 Basic.Publish，Basic.Deliver）是会携带内容的。一个内容帧的帧头如下结构：

这里把 content-body 作为单独的帧，这样就可以支持Zero-copy技术，这部分内容就不需要被编码。把内容属性放到自己的帧里，这样收件人就可以选择性的丢弃不想处理的内容。

通道与连接的关闭

对于客户端，只要发送了 Open 就认为连接和通道是打开的。对于服务端则是Open-Ok。如果一个节点想要关闭通道和连接必须要进行握手。

如果突然或者意外关闭，没办法立刻被检测到，可能会导致丢失返回值。所以需要在关闭之前进行握手。在一个节点发送 Close 后，另一个节点必须发送 Close-Ok 来回复。然后双方可以关闭通道或者连接。如果节点忽略了 Close 操作，当双方同时发送 Close 时，可能会导致死锁。

最后，更多细节可以查看AMQP的官方规范，以及RabbitMQ在其基础上扩充的其它特性。