Брокеры сообщений: как происходит взаимодействие в рамках распределенной инфраструктуры

Распределенные системы – неотъемлемая часть IT-инфраструктуры. Однако, во время их реализации возникает проблема обмена данными между отдельными компонентами, которые могут быть развернуты на нескольких серверах. В этом случае на помощь приходят брокеры сообщений.

В этой статье рассмотрим, что такое брокеры сообщений, как они работают и какие преимущества предоставляют компаниям.

Что такое распределенные системы 

Распределенные системы представляют собой комплекс компьютеров, которые работают вместе, чтобы обрабатывать данные и решать задачи. Такие системы являются ключевым инструментом для масштабирования вычислительных мощностей, повышения отказоустойчивости и расширения способов хранения данных. Однако, при работе с распределенной информацией могут возникать сложности в ее обмене и передаче. Чтобы справиться с этими сложностями, компании прибегают к использованию брокеров сообщений.

Все о брокерах сообщений

Брокер сообщений — это программный компонент, который служит посредником между различными компонентами распределенной системы. В его работе используются две основные сущности: producer (отправитель) и consumer (потребитель/подписчик). Он обрабатывает сообщения, полученные от отправителей, и перенаправляет к соответствующим потребителям. Такое ПО реализуется как часть общей архитектуры системы, либо как отдельный сервис.

Топик, или тема, — это логическая единица, которая объединяет сообщения по некоторому критерию. Например, если происходит обработка данных из различных источников, то каждый источник может иметь собственный топик для обмена сообщениями. Это совершенствует управление данными. 

Каждый компонент системы, который хочет отправить или получить данные, подписывается на топик, используя специальный протокол (например, MQTT). В зависимости от используемого протокола обмена данными, брокеры могут поддерживать различные типы сообщений, такие как текстовые, бинарные данные или даже графические изображения.

Когда отправитель передает сообщение, оно направляется к брокеру, который принимает его и размещает в соответствующем топике. Затем программный компонент сообщает о наличии нового письма всем подписчикам данного топика. Каждый подписчик получает его копию, которую может обработать или проигнорировать в зависимости от потребностей. Этот процесс называется публикацией-подпиской и используется в различных системах, таких как интернет-чаты, социальные сети, системы мониторинга и управления ресурсами и т.д.

Брокеры сообщений могут использоваться для реализации различных сценариев. Некоторые из них приведем ниже:

• Отправка уведомлений. Используется для отправки уведомлений между компонентами системы. Например, когда происходит изменение данных, система может отправить уведомление другому компоненту о необходимости обновления данных.
• Обработка событий. Используется для обработки событий, которые происходят в системе. Например, когда пользователь совершает действие на сайте, система может отправить событие брокеру, который обработает его и выполнит соответствующее действие.
• Интеграция приложений. Используется для интеграции различных приложений и сервисов. Например, когда одно приложение генерирует данные, другое приложение может подписаться на топик и получать эти данные для дальнейшей обработки.

Преимущества и недостатки использования брокеров сообщений

Ниже рассмотрим основные преимущества использования брокеров сообщений:

1. Отказоустойчивость и масштабируемость: Способствует созданию отказоустойчивых и масштабируемых систем благодаря асинхронной обработке данных и возможности использовать кластеры брокеров.
2. Разделение слоев: Допускает разделение слоев приложения, уменьшая связность между ними, что предоставляет возможность сделать приложение более модульным, гибким и удобным в разработке. Также будет полезен при организации микросервисной системы.

3. Гарантии доставки сообщений: Обеспечивают гарантии доставки сообщений. Если получатель не готов обработать полученную информацию в данный момент, она будет сохранена в очереди, и получатель сможет обработать ее позже.
4. Безопасность. Предоставляют механизмы шифрования и аутентификации, обеспечивая безопасность обмена данными.
5. Повышение производительности: Использование брокеров может повысить производительность благодаря асинхронной обработке сообщений.

А теперь рассмотрим существующие недостатки:

1. Усложнение системы: Использование брокеров повлечет за собой увеличение сложности системы за счет добавления нового элемента в нее.
2. Сложность в освоении: Изучение данного программного компонента займет  длительный период времени из-за сложности архитектуры.
3. Дополнительная нагрузка на сеть: Использование брокеров может повлечь за собой дополнительную нагрузку на сеть из-за передачи данных.

Примеры брокеров сообщений

Существует множество различных программных решений, которые могут использоваться в распределенных системах. По этой ссылке представлен полный список. Ниже приведем в пример некоторые из них:

• Apache Kafka

Это распределенный брокер сообщений, который может обрабатывать большое сообщений в секунду, а также поддерживает множество протоколов обмена, включая HTTP, MQTT и WebSocket. 

Принцип работы Kafka заключается в создании топиков (категорий), в которых могут быть опубликованы данные. Каждое сообщение представляет собой пару «ключ-значение». Когда происходит публикация в топик, оно сохраняется внутри Kafka. Подписчики (или потребители) могут подписаться на топики и получать данные, которые были опубликованы в этих топиках.

Kafka предоставляет несколько API для отправки и получения сообщений, в том числе Java, C++, Python, Ruby, Perl и другие. Кроме того, Kafka интегрируется с многими другими инструментами и технологиями, такими как Apache Storm, Apache Spark или Apache Flume.

Kafka используется во многих отраслях, включая финансы, медиа, телекоммуникации, социальные сети или интернет-магазины.

• RabbitMQ

Это брокер сообщений на основе протокола AMQP (Advanced Message Queuing Protocol), который предоставляет надежный и гибкий механизм обмена данными между разными компонентами.

Одна из главных особенностей RabbitMQ — это его способность обрабатывать большое количество информации в режиме реального времени и обеспечивать гарантированную доставку сообщений с высокой степенью надежности. Данное программное решение также предоставляет возможность маршрутизации данных на основе различных параметров, таких как тип сообщения, идентификатор отправителя и т.д.

Кроме того, RabbitMQ содержит множество дополнительных функций, таких как возможность создавать топики для мультикастинга сообщений, использование SSL для безопасной передачи данных, возможность кластеризации и масштабирования системы и многое другое.

• Apache ActiveMQ

Это брокер сообщений на основе протокола JMS (Java Message Service), который обеспечивает надежный обмен данными между разными компонентами Java-приложений. Кроме Java, ActiveMQ также может быть использован в других языках программирования, таких как .NET, Си, C++, Delphi, а также в различных скриптовых языках, включая Perl, Python, PHP и Ruby, используя специальные «кроссязыковые клиенты».

Одно из ключевых преимуществ ActiveMQ — это его масштабируемость. Данное программное решение может быть использовано как для маленьких приложений, так и для крупных систем с высокими нагрузками. ActiveMQ также может работать в распределенной среде с несколькими брокерами, что способствует созданию высокодоступных систем.

При выборе брокера необходимо учитывать ряд факторов, таких как производительность, масштабируемость, надежность, гибкость и безопасность. Не менее важно выбирать тот, который лучше всего подходит для конкретного приложения.

Кроме того, необходимо учитывать различные критерии, такие как наличие документации и поддержки, стоимость и лицензионные условия.

Рекомендации по использованию

При использовании брокеров следует учитывать некоторые рекомендации:

• Определите цели и требования системы заранее. Рассмотрите вопросы масштабирования, надежности, производительности, безопасности и т.д.
• Используйте надежные и проверенные брокеры, такие как Apache Kafka, RabbitMQ или Apache ActiveMQ. Преимущество перечисленных программных компонентов заключается в том, что они обеспечивают высокую производительность, масштабируемость и надежность, а также имеют широкую поддержку и сообщество пользователей.
• Определите размер и частоту передачи сообщений. Убедитесь, что выбранный брокер может обрабатывать такой объем данных.
• Убедитесь, что у компании есть достаточное количество ресурсов для обработки сообщений на стороне отправителя и получателя. Например, при использовании RabbitMQ может потребоваться установка отдельного сервера, чтобы обрабатывать данные.
• Разработайте надежный механизм мониторинга и отслеживания ошибок. Настройте логирование, чтобы можно было отследить ошибки и события.
• Используйте специализированные инструменты для тестирования нагрузки и симуляции отказов. Например, Apache JMeter и Chaos Monkey могут помочь определить проблемы с производительностью и надежностью системы.
• Разработайте стратегию обновления системы с использованием брокеров. Убедитесь, что обновление не приведет к потере или повторной отправке данных.
• Учитывайте факторы безопасности при использовании брокеров. Например, используйте шифрование и авторизацию для защиты сообщений и предотвращения несанкционированного доступа.

Заключение

В статье было рассказано о том, что такое брокеры сообщений, как они работают и какие преимущества могут принести вашей компании. Брокеры сообщений позволяют обмениваться данными между различными компонентами распределенной системы. Они обеспечивают высокую производительность, масштабируемость и надежность системы, а также упрощают ее разработку и обслуживание. Однако, чтобы использование брокеров было более действенным, следует учитывать рекомендации по их использованию и выбирать надежные и проверенные инструменты.