CN114979270B - 适用于rdma网络的消息发布方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于RDMA网络的消息发布方法及系统，涉及消息中间件技术领域，包括：消息中间件采用段链表式的内存存储结构存储消息，通过段地址和段内偏移定位一条消息，推送服务器根据消息地址可通过RDMA单边读获取消息内容，同时使用校验和检查消息完整性。本发明能够使得消息中间件能够利用高性能RDMA网络，从而达到更低的消息传递延迟、更高的传输带宽与节省CPU资源。

Description

适用于RDMA网络的消息发布方法及系统
技术领域
本发明涉及消息中间件技术领域，具体地，涉及一种适用于RDMA网络的消息发布方法及系统。
背景技术
消息中间件是分布式系统中的重要组成部分。消息中间件为分布式系统提供消息传递服务，为构建分布式系统提供了更加高层次的、方便实用的通信抽象。用于传递消息的消息中间件被广泛地应用于社交网络、证券交易和数据分析等数据中心场景中，克服了传统直接使用底层网络系统调用进行通信的紧耦合问题，方便构建和部署大规模分布式系统。
常见的消息中间件有消息队列(如ZeroMQ)和发布订阅系统(如Apache Kafka)。消息队列为用户提供高层的封装，方便用户调用其API进行网络通信，同时提供一定的消息缓存和容错功能。发布订阅系统则为用户提供基于主题(Topic)或内容的消息收集、存储与分发功能，其提供的抽象相较于消息队列更加高级，也更抽象。总之，消息中间件的工作主要包括接收并存储发布者发送的消息和按照一定规则将消息分发传递给订阅者。
近年来，远程直接内存访问技术(RDMA，Remote Direct Memory Access)逐渐成为研究热点，并且常见应用于数据中心内。RDMA技术具有用户态传输的特点，其可以绕过操作系统内核网络栈，由RDMA网卡直接读写远端内存。因而，RDMA网络相较于传统以太网络具有更低的传递延迟，同时也能达到更高的传输带宽。
为了利用RDMA网络来构建低延迟消息中间件，需要使用适用于RDMA单边读写的消息存储结构，同样也需要细致地设计消息传递的数据通路来利用RDMA单边读写的低延迟特点。现有消息中间件，如以ZeroMQ为代表的消息队列和以Apache Kafka为代表的发布订阅系统，虽然可以直接不加修改的运行在IP over InfiniBand网络，但无法直接利用RDMA单边读写。因为现有消息中间件往往基于以太网设计消息存储和传递的数据通路，导致其不适用于RDMA单边读写操作。
因此，设计适用于RDMA网络的消息发布方法及系统对于在消息中间件中利用RDMA实现低延迟消息传递具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种适用于RDMA网络的消息发布方法及系统。
根据本发明提供的一种适用于RDMA网络的消息发布方法及系统，所述方案如下：
第一方面，提供了一种适用于RDMA网络的消息发布方法，所述方法包括：
步骤S1：消息中间件中存储服务器申请连续内存作为存储空间，并将内存空间注册至RDMA网卡；
步骤S2：客户端发送请求至服务端，服务端判断请求类型；若为发布操作，则由存储服务器存储消息，转步骤S3；若为订阅操作，则由推送服务器记录订阅信息，结束流程；
步骤S3：存储服务器计算消息校验和，并将消息与校验和一同插入至段链表式存储结构中；
步骤S4：推送服务器开始从存储服务器中检索并读取消息，推送服务器根据已有订阅信息，将不同消息类别的推送任务分配至不同服务器；
步骤S5：推送服务器根据统计的发布速率以及两次推送时间间隔估算需要读取的字节数，根据保存的读取地址使用RDMA单边读收集存储的消息；
步骤S6：推送服务器对收集到的消息计算并对比校验和，将校验完整的消息整合；若校验发现消息不完整或发现尚未读取所有新消息，则转步骤S5重复读取；
步骤S7：推送服务器将整合后的消息推送给订阅者，流程结束。
优选地，所述步骤S1中存储服务器申请的内存用于作为消息存储结构，包括索引结构和段链表存储结构。
优选地，所述步骤S2中用户请求使用传统以太网或者RDMA形式发送至服务器，由服务器解析请求并处理，所有消息均为用户设定的固定长度，若消息长度不足则会被填充至设定长度。
优选地，所述步骤S3中存储服务器使用任意校验和算法生成消息的校验和，存储服务器将消息与校验和按固定顺序插入至段链表结构中存储。
优选地，所述步骤S4中推送服务器根据不同消息类别订阅数量以及推送速率需求不同，使用任意调度算法将不同消息类别的推送任务调度至不同的推送服务器，以达到并行推送的效果。
优选地，所述步骤S5中推送服务器根据存储服务器定期更新的各类别发布速率以及相邻两次推送时间间隔估算本次推送所需读取的字节数，估算公式为：
读取字节数＝固定消息长度*消息发布速率*推送时间间隔；
若估算结果偏小，则将估算结果乘以一个放大系数用于适配实际值，同时增大放大系数；若估算结果偏大，则乘以缩小系数，或减小缩小系数。
优选地，所述推送服务器根据段地址与段内偏移从存储服务器中以RDMA单边读的方式读取消息；
推送服务器中保存上次读取的段地址与段内偏移，当下次读取时从上次读到的位置继续读取；
若完整读完一个段，需要获取下一个段地址，则向存储服务器发送请求获取；若估算不准确导致单次RDMA单边读没有读取所有新消息，则重复进行多次读取操作。
优选地，所述步骤S6中推送服务器为收集到的消息计算校验和，并且与消息本身自带校验和对比；
若校验完整则整合为推送消息，若校验发现消息不完整，则说明在读取过程中存储服务器正在写入消息，需要重新读取。
优选地，所述步骤S7中推送服务器将使用传统以太网或者RDMA网络将整合好的消息推送至订阅者。
第二方面，提供了一种适用于RDMA网络的消息发布系统，所述系统包括：
模块M1：消息中间件中存储服务器申请连续内存作为存储空间，并将内存空间注册至RDMA网卡；
模块M2：客户端发送请求至服务端，服务端判断请求类型；若为发布操作，则由存储服务器存储消息，转模块M3；若为订阅操作，则由推送服务器记录订阅信息，结束流程；
模块M3：存储服务器计算消息校验和，并将消息与校验和一同插入至段链表式存储结构中；
模块M4：推送服务器开始从存储服务器中检索并读取消息，推送服务器根据已有订阅信息，将不同消息类别的推送任务分配至不同服务器；
模块M5：推送服务器根据统计的发布速率以及两次推送时间间隔估算需要读取的字节数，根据保存的读取地址使用RDMA单边读收集存储的消息；
模块M6：推送服务器对收集到的消息计算并对比校验和，将校验完整的消息整合；若校验发现消息不完整或发现尚未读取所有新消息，则转模块M5重复读取；
模块M7：推送服务器将整合后的消息推送给订阅者，流程结束。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明在消息中间件中使用RDMA网络，相较于使用传统以太网具有更低的延迟和更高的带宽；
2、本发明在消息中间件中使用RDMA单边读操作收集消息，可以避免存储服务器上的CPU介入，从而节省存储服务器的CPU资源，避免CPU竞争；
3、本发明使用段链表式存储结构可以兼顾访存局部性和内存利用率，在读取同一段内消息时有较好的局部性，另外以段为单位分配内存可以避免内存资源浪费，从而获得良好的内存利用率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明适用于RDMA网络的消息发布方法及系统的软件流程图；
图2为本发明适用于RDMA网络的消息发布方法及系统的架构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种适用于RDMA网络的消息发布方法，为了改进现有消息中间件消息传递数据通路，该消息中间件采用段链表式的内存存储结构存储消息，通过段地址和段内偏移定位一条消息，推送服务器根据消息地址可通过RDMA单边读获取消息内容，同时使用校验和检查消息完整性。参照图1所示，该方法具体包括：
步骤S1：消息中间件中存储服务器申请连续内存作为存储空间，并将内存空间注册至RDMA网卡。
具体地，在步骤S1中存储服务器申请的大块内存用于作为消息存储结构，由索引结构和段链表存储结构组成。索引结构一般使用哈希表将消息分类至不同的段链表。存储服务器在初始化时也需要向RDMA网卡注册申请的内存。存储服务器将申请的空闲连续内存空间按固定大小(常见段大小为4KB，4MB等)划分为多个空闲段，等待插入消息时分配。
步骤S2：客户端发送请求至服务端，服务端判断请求类型；若为发布操作，则由存储服务器存储消息，转步骤S3；若为订阅操作，则由推送服务器记录订阅信息，结束流程。
在该步骤S2中用户请求可以使用传统以太网或者RDMA形式发送至服务器，由服务器解析请求并处理。为了使消息读取适用于RDMA单边读，所有消息均为用户设定的固定长度，若消息长度不足则会被填充至设定长度。
步骤S3：存储服务器计算消息校验和，并将消息与校验和一同插入至段链表式存储结构中。
在步骤S3中存储服务器可使用任意校验和算法(例如Knuth哈希)生成消息的校验和。校验和用于在推送服务器处判断消息的完整性。存储服务器将消息与校验和按固定顺序插入至段链表结构中存储。一条消息在段链表中可由段地址加段内偏移地址定位，此时推送服务器即可使用RDMA单边读读取该消息。若段链表中没有空闲位置，则从空闲段中分配出一个新段连接至链表末尾。
步骤S4：推送服务器开始从存储服务器中检索并读取消息，推送服务器根据已有订阅信息，将不同消息类别的推送任务分配至不同服务器。
在步骤S4中推送服务器根据不同消息类别订阅数量以及推送速率需求不同，可使用任意调度算法(如最小完成时间调度)将不同消息类别的推送任务调度至不同的推送服务器，以达到并行推送的效果。
步骤S5：推送服务器根据统计的发布速率以及两次推送时间间隔估算需要读取的字节数，根据保存的读取地址使用RDMA单边读收集存储的消息。
具体地，在步骤S5中推送服务器根据存储服务器定期更新的各类别发布速率以及相邻两次推送时间间隔估算本次推送所需读取的字节数，估算公式为：读取字节数＝固定消息长度*消息发布速率*推送时间间隔。若估算结果过小，则可将估算结果乘以一个放大系数(略大于1)用于适配实际值，同时可适当增大放大系数。若估算结果过大，则乘以缩小系数，也可适当减小缩小系数(范围在0到1之间)。
推送服务器根据段地址与段内偏移从存储服务器中以RDMA单边读的方式读取消息。推送服务器中保存上次读取的段地址与段内偏移，当下次读取时从上次读到的位置继续读取。若完整读完一个段，需要获取下一个段地址，则向存储服务器发送请求获取。若估算不准确导致单次RDMA单边读没有读取所有新消息，则重复进行多次读取操作。
步骤S6：推送服务器对收集到的消息计算并对比校验和，将校验完整的消息整合；若校验发现消息不完整或发现尚未读取所有新消息，则转步骤S5重复读取。
在该步骤S6中，推送服务器为收集到的消息计算校验和，并且与消息本身自带校验和对比。若校验完整则整合为推送消息，若校验发现消息不完整，则说明在读取过程中存储服务器正在写入消息，需要重新读取。
步骤S7：推送服务器将使用传统以太网或者RDMA网络将整合好的消息推送至订阅者，流程结束。
本发明还提供了一种适用于RDMA网络的消息发布系统，该系统包括：
模块M1：消息中间件中存储服务器申请连续内存作为存储空间，并将内存空间注册至RDMA网卡；
模块M2：客户端发送请求至服务端，服务端判断请求类型；若为发布操作，则由存储服务器存储消息，转模块M3；若为订阅操作，则由推送服务器记录订阅信息，结束流程；
模块M3：存储服务器计算消息校验和，并将消息与校验和一同插入至段链表式存储结构中；
模块M4：推送服务器开始从存储服务器中检索并读取消息，推送服务器根据已有订阅信息，将不同消息类别的推送任务分配至不同服务器；
模块M5：推送服务器根据统计的发布速率以及两次推送时间间隔估算需要读取的字节数，根据保存的读取地址使用RDMA单边读收集存储的消息；
模块M6：推送服务器对收集到的消息计算并对比校验和，将校验完整的消息整合；若校验发现消息不完整或发现尚未读取所有新消息，则转模块M5重复读取；
模块M7：推送服务器将整合后的消息推送给订阅者，流程结束。
系统中具体包含服务端和客户端，服务端包括若干个存储服务器和推送服务器。存储服务器负责将存储用户发送的消息，推送服务器负责保存订阅信息、使用RDMA单边读从存储服务器收集消息以及推送消息给订阅者等。客户端和服务端采用客户机/服务器(C/S)模式，将计算机组建成局域网络。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，为本发明适用于RDMA网络的消息发布方法的流程图。如图2所示，为客户端和服务端节点部署的拓扑示意图。以下结合图1对适用于RDMA网络的消息发布方法进行详细描述：
在初始化阶段，服务端的存储服务器进行初始化，将申请大块连续空闲内存，并且将内存注册到RDMA网卡。存储服务器将按照用户设定的固定段大小将内存划分为多个段，组成空闲内存池。
在步骤S1中，存储服务器接收发布者发送的消息，发送者在发送消息时会一同告知消息类别，例如消息类别为A。
在步骤S2中，存储服务器为消息计算校验和，例如使用Knuth哈希算法，以消息整体为输入，得到一个32位整数作为消息的校验和。存储服务器以消息类别A作为索引，在相应的段链表中插入消息和消息校验和。若段链表中无空余空间，则从空闲内存池中分配出新的空闲段。
在步骤S3中，以订阅信息作为调度算法的输入，得到将不同类别推送任务分配至各个推送服务器的调度结果。例如使用最小完成时间调度获得近似最优调度结果。
在步骤S4中，推送服务器根据消息发布速率与相邻两次推送时间间隔估算读取字节数。推送服务器使用段地址和段内偏移作为RDMA单边读的地址，从存储服务器中收集消息。例如段地址为消息类别A第一个段所在的内存地址，段内偏移为0，此时可以从消息类别A第一个段内的第一条消息开始读。每次读取结束后，推送服务器更新本地段内偏移，例如读取了32字节的数据，则段内偏移增加32。
在步骤S5中，推送服务器对收集到的消息采用与存储服务器相同的算法计算消息校验和，例如Knuth哈希算法。检查校验和，若不一致则重新读取。若没有读取完所有新消息，则重复读取。
在步骤S6中，推送服务器将检查过校验和的消息推送给订阅者，推送可以通过以太网或者RDMA网络，流程结束。
本发明实施例提供了一种适用于RDMA网络的消息发布方法及系统，采用段链表式存储结构，分别存储不同类别的消息，在方便RDMA单边读取的同时提高内存利用率。消息中间件系统存储订阅者订阅不同消息类别的信息，并通过段地址与段内偏移定位消息所在地址，使用RDMA单边读操作收集消息。与现有技术相比，该方法可使得消息中间件能够利用高性能RDMA网络，从而达到更低的消息传递延迟、更高的传输带宽与节省CPU资源。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适用于RDMA网络的消息发布方法，其特征在于，包括：
步骤S1：消息中间件中存储服务器申请连续内存作为存储空间，并将内存空间注册至RDMA网卡；
步骤S2：客户端发送请求至服务端，服务端判断请求类型；若为发布操作，则由存储服务器存储消息，转步骤S3；若为订阅操作，则由推送服务器记录订阅信息，结束流程；
步骤S3：存储服务器计算消息校验和，并将消息与校验和一同插入至段链表式存储结构中；
步骤S4：推送服务器开始从存储服务器中检索并读取消息，推送服务器根据已有订阅信息，将不同消息类别的推送任务分配至不同服务器；
步骤S5：推送服务器根据统计的发布速率以及两次推送时间间隔估算需要读取的字节数，根据保存的读取地址使用RDMA单边读收集存储的消息；
步骤S6：推送服务器对收集到的消息计算并对比校验和，将校验完整的消息整合；若校验发现消息不完整或发现尚未读取所有新消息，则转步骤S5重复读取；
步骤S7：推送服务器将整合后的消息推送给订阅者，流程结束。
2.根据权利要求1所述的适用于RDMA网络的消息发布方法，其特征在于，所述步骤S1中存储服务器申请的内存用于作为消息存储结构，包括索引结构和段链表存储结构。
3.根据权利要求1所述的适用于RDMA网络的消息发布方法，其特征在于，所述步骤S2中用户请求使用传统以太网或者RDMA形式发送至服务器，由服务器解析请求并处理，所有消息均为用户设定的固定长度，若消息长度不足则会被填充至设定长度。
4.根据权利要求1所述的适用于RDMA网络的消息发布方法，其特征在于，所述步骤S3中存储服务器使用任意校验和算法生成消息的校验和，存储服务器将消息与校验和按固定顺序插入至段链表结构中存储。
5.根据权利要求1所述的适用于RDMA网络的消息发布方法，其特征在于，所述步骤S4中推送服务器根据不同消息类别订阅数量以及推送速率需求不同，使用任意调度算法将不同消息类别的推送任务调度至不同的推送服务器，以达到并行推送的效果。
6.根据权利要求1所述的适用于RDMA网络的消息发布方法，其特征在于，所述步骤S5中推送服务器根据存储服务器定期更新的各类别发布速率以及相邻两次推送时间间隔估算本次推送所需读取的字节数，估算公式为：
读取字节数＝固定消息长度*消息发布速率*推送时间间隔；
若估算结果偏小，则将估算结果乘以一个放大系数用于适配实际值，同时增大放大系数；若估算结果偏大，则乘以缩小系数，或减小缩小系数。
7.根据权利要求6所述的适用于RDMA网络的消息发布方法，其特征在于，所述推送服务器根据段地址与段内偏移从存储服务器中以RDMA单边读的方式读取消息；
推送服务器中保存上次读取的段地址与段内偏移，当下次读取时从上次读到的位置继续读取；
若完整读完一个段，需要获取下一个段地址，则向存储服务器发送请求获取；若估算不准确导致单次RDMA单边读没有读取所有新消息，则重复进行多次读取操作。
8.根据权利要求1所述的适用于RDMA网络的消息发布方法，其特征在于，所述步骤S6中推送服务器为收集到的消息计算校验和，并且与消息本身自带校验和对比；
若校验完整则整合为推送消息，若校验发现消息不完整，则说明在读取过程中存储服务器正在写入消息，需要重新读取。
9.根据权利要求1所述的适用于RDMA网络的消息发布方法，其特征在于，所述步骤S7中推送服务器将使用传统以太网或者RDMA网络将整合好的消息推送至订阅者。
10.一种适用于RDMA网络的消息发布系统，其特征在于，包括：
模块M1：消息中间件中存储服务器申请连续内存作为存储空间，并将内存空间注册至RDMA网卡；
模块M2：客户端发送请求至服务端，服务端判断请求类型；若为发布操作，则由存储服务器存储消息，转模块M3；若为订阅操作，则由推送服务器记录订阅信息，结束流程；
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模块M7：推送服务器将整合后的消息推送给订阅者，流程结束。
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