一文入门Nanomsg通信库

转载自本人博客：https://www.jjy2023.cn/2024/06/27/%e4%b8%80%e6%96%87%e5%85%a5%e9%97%a8nanomsg%e9%80%9a%e4%bf%a1%e5%ba%93/

1. Nanomsg介绍

Nanomsg官方在线文档：https://nanomsg.org/index.html

本文全部代码用C++实现。

以前一直在使用ZeroMQ库处理通信，但因为最近需要做一个一对多的双向实时通信，ZeroMQ提供的几种通信模式就难以很好地实现，于是就去寻找其他的库，比如Nanomsg库。

若想了解ZeroMQ和NanoMSG的区别，想要知道如何选择，可以看看我另一篇小文章：ZeroMQ和NanoMSG的选择/对比

按照官方的说明，NanoMsg相当于ZeroMQ的改进升级版。Nanomsg库提供多种常见通信模式，它旨在使网络层快速、可扩展且易于使用。它以C语言实现，适用于广泛的操作系统，没有进一步的依赖关系。

2. Nanomsg通信模式详解

Nanomsg提供了六种可扩展协议，是在网络通信协议上实现的，我觉得理解成通信模式更好。

  • PAIR ：简单的一对一通信
  • BUS：简单的多对多通信
  • REQREP ：允许构建无状态集群来处理用户请求
  • PIPELINE ：汇总来自多个来源的消息，并在许多目的点之间进行负载平衡
  • PUBSUB ：将消息分发给订阅消息的用户
  • SURVEY ：允许一次查询多个应用程序的状态
2.1 PAIR(配对)模式

在两个节点间实现简单的一对一双向通信，允许两个节点互相发送消息让对方接收，对发送、接收都没有限制。

代码实现：

//节点0
#include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/pair.h> //注意PAIR头文件if((node0 = nn_socket(AF_SP, NN_PAIR)) < 0){ // 新建soocket，选择PAIR模式cout << "socket creat error";
}
if(nn_bind(node0, "tcp://127.0.0.1:5555") < 0){ // 绑定地址，用返回值判断结果cout << "connect error";
}
string sendMsg = "node0";
if(nn_send(node0, sendMsg, sendMsg.size(), 0) < 0){cout << "send error";
}
... 
// 多开一个线程可用于同时接收数据
string *recvMsg;
while(true){nn_recv(node0, &recvMsg, NN_MSG, 0);
}
...

//节点1
#include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/pair.h> //注意PAIR头文件if((node1 = nn_socket(AF_SP, NN_PAIR)) < 0){ // 新建soocket，选择PAIR模式cout << "socket creat error";
}
if(nn_connect(node1, "tcp://127.0.0.1:5555") < 0){ // 建立连接cout << "connect error" ;
};
string *recvMsg;
while(true){nn_recv(node1, &recvMsg, NN_MSG, 0);
}
... // 多开一个线程可用于随时发送数据
string sendMsg = "node1";
if(nn_send(node1, sendMsg, sendMsg.size(), 0) < 0){cout << "send error";
}
...
2.2 BUS(总线)模式

此模式是Nanomsg相对于ZeroMQ新增的一个通信模式，所有绑定到一个地址的节点共用一个总线，发送数据都是推送到总线，接收数据也是从总线拉取数据。即某一个节点发送的数据可以被其他节点都收到，同时，这个节点也可以接收到其他节点发送的任意数据。

相比于上面官方的拓扑图，用下图来表示更为贴切：

代码实现：

//节点0
#include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/bus.h> //注意BUS头文件if((node0 = nn_socket(AF_SP, NN_BUS)) < 0){ // 新建soocket，选择BUS模式cout << "socket creat error";
}
if(nn_bind(node0, "tcp://127.0.0.1:5555") < 0){ // 绑定地址，用返回值判断结果cout << "connect error";
}
string sendMsg = "hello";
if(nn_send(node0, sendMsg, sendMsg.size(), 0) < 0){ // 发送数据，用返回值判断结果cout << "send error";
}
... 
// 多开一个线程可用于同时接收数据
// 不用connect也能接收，当然也可以connect
string *recvMsg;
while(true){nn_recv(node0, &recvMsg, NN_MSG, 0);
}
...

//节点1
#include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/bus.h> //注意BUS头文件if((node1 = nn_socket(AF_SP, NN_BUS)) < 0){ // 新建soocket，选择BUS模式cout << "socket creat error";
}
if(nn_connect(node1, "tcp://127.0.0.1:5555") < 0){ // 建立连接cout << "connect error" ;
};
string *recvMsg;
while(true){nn_recv(node1, &recvMsg, NN_MSG, 0); // 接收数据
}
... // 多开一个线程可用于随时发送数据
string sendMsg = "world";
if(nn_send(node1, sendMsg, sendMsg.size(), 0) < 0){cout << "send error";
}
...
2.3 REQREP(请求/应答)模式

与PAIR模式相似，也是一对一的双向通信，但是由一个节点发送请求后，另一个节点接收请求再返回响应。即传统的C/S模型实现方式，客户端发送请求，服务器接收请求，进行一些处理后返回响应。

一定要注意处理的顺序，发送与接收是成对匹配的，如果不匹配会自动尝试。

代码实现：

//节点0，服务端
#include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/reqrep.h> //注意REQREP头文件if((node0 = nn_socket(AF_SP, NN_REP)) < 0){ // 新建soocket，选择REQ模式cout << "socket creat error";
}
if(nn_bind(node0, "tcp://127.0.0.1:5555") < 0){ // 绑定地址，用返回值判断结果cout << "connect error";
}
while(true){ // send和recv成对使用，注意顺序string *recvMsg;nn_recv(node0, &recvMsg, NN_MSG, 0); // 阻塞在此处，直至接收到数据string sendMsg = "node0";if(nn_send(node0, sendMsg, sendMsg.size(), 0) < 0){cout << "send error";}...nn_freemsg(recvMsg); // 释放缓存
}

//节点1，客户端
#include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/reqrep.h> //注意REQREP头文件if((node1 = nn_socket(AF_SP, NN_REQ)) < 0){ // 新建soocket，选择REQ模式cout << "socket creat error";
}
if(nn_connect(node1, "tcp://127.0.0.1:5555") < 0){ // 建立连接cout << "connect error" ;
};
while(true){ // send和recv成对使用，注意顺序string sendMsg = "node1";if(nn_send(node1, sendMsg, sendMsg.size(), 0) < 0){ // 发送请求cout << "send error";}string *recvMsg;nn_recv(node1, &recvMsg, NN_MSG, 0);...nn_freemsg(recvMsg); // 释放缓存
}
2.4 PIPELINE(管道)模式

是一对一单向的，一般用于处理生产者/消费者问题，有利于负载平衡。两个节点，一个推送数据（PUSH），一个拉取数据（PULL）。

代码实现：

//节点0
#include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/pipeline.h> //注意PIPELINE头文件if((node0 = nn_socket(AF_SP, NN_PULL)) < 0){ // 新建soocket，选择PULL模式cout << "socket creat error";
}
if(nn_bind(node0, "tcp://127.0.0.1:5555") < 0){ // 绑定地址，用返回值判断结果cout << "connect error";
}
string sendMsg = "node0";
if(nn_send(node0, sendMsg, sendMsg.size(), 0) < 0){ // 发送数据cout << "send error";
}
//节点1
#include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/pipeline.h> //注意PIPELINE头文件if((node1 = nn_socket(AF_SP, NN_PUSH)) < 0){ // 新建soocket，选择PUSH模式cout << "socket creat error";
}
if(nn_connect(node1, "tcp://127.0.0.1:5555") < 0){ // 建立连接cout << "connect error" ;
};
while(true){ string *recvMsg;nn_recv(node1, &recvMsg, NN_MSG, 0); // 接收数据...nn_freemsg(recvMsg); // 释放缓存
}
2.5 PUBSUB(订阅)模式

一个server节点发布（PUB）数据可以给多个client节点订阅（SUB），是一对多单向通信的。另外，允许client通过设置套接字nn_setsockopt()来指定订阅内容，允许他们只接受对应的数据。

当然也允许一个client节点订阅多个server节点发布的数据，实现多对一单向通信。

注：像这样的使用nn_setsockopt()其实也适用于其他模式。

代码实现：

//server
#include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/pubsub.h> //注意PUBSUB头文件if((server = nn_socket(AF_SP, NN_PUB)) < 0){ // 新建soocket，选择PUB模式cout << "socket creat error";
}
if(nn_bind(server, "tcp://127.0.0.1:5555") < 0){ // 绑定地址，用返回值判断结果cout << "connect error";
}
string head; // 发布数据的头部，用于区别发送不同数据
while(true){ if(head == "AAA"){if(nn_send(server, "AAA|message for AAA", sendMsg.size(), 0) < 0){cout << "send AAA message error";}}else if(head == "BBB"){f(nn_send(server, "BBB|message for BBB", sendMsg.size(), 0) < 0){cout << "send BBB message error";}}else{cout << "illegal message head";}...
}

//client
#include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/pubsub.h> //注意PUBSUB头文件if((client = nn_socket(AF_SP, NN_SUB)) < 0){ // 新建soocket，选择SUB模式cout << "socket creat error";
}
// 设置本客户端指定接收的数据，注意各参数，最后一个是"AAA"的长度
nn_setsockopt(client, NN_SUB, NN_SUB_SUBSCRIBE, "AAA", 3);
if(nn_connect(node1, "tcp://127.0.0.1:5555") < 0){ // 建立连接cout << "connect error" ;
};
string *recvMsg;
while(true){ nn_recv(client, &recvMsg, NN_MSG, 0);...nn_freemsg(recvMsg);
}
2.6 SURVEY(调查)模式

SURVEY模式与PUBSUB模式类似，将server（SURVEYOR，调查员）的消息被广播到其他client节点（RESPONDENT，受访者），但不同的是组中的每个节点都需要响应该消息，这一点与REQREP模式类似，调查受访者必须在调查员配置的时间窗口内做出回应，请求与回应是成对匹配的。

代码实现：

//server
#include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/survey.h> //注意SURVEY头文件if((server = nn_socket(AF_SP, NN_SURVEYOR)) < 0){ // 新建soocket，选择SURVEYOR模式cout << "socket creat error";
}
if(nn_bind(server, "tcp://127.0.0.1:5555") < 0){ // 绑定地址，用返回值判断结果cout << "connect error";
}while(true){ if(nn_send(server, "survey", sendMsg.size(), 0) < 0){cout << "send error";}string *recvMsg;nn_recv(client, &recvMsg, NN_MSG, 0); // 阻塞在此处直至接收到回应信息...nn_freemsg(recvMsg);
}

//client
#include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/survey.h> //注意SURVEY头文件if((client = nn_socket(AF_SP, NN_RESPONDENT)) < 0){ // 新建soocket，选择RESPONDENT模式cout << "socket creat error";
}
// 设置本客户端指定接收的数据，注意各参数，最后一个是"AAA"的长度
nn_setsockopt(client, NN_SUB, NN_SUB_SUBSCRIBE, "AAA", 3);
if(nn_connect(node1, "tcp://127.0.0.1:5555") < 0){ // 建立连接cout << "connect error" ;
};
while(true){ string *recvMsg;nn_recv(client, &recvMsg, NN_MSG, 0); // 阻塞在此处直至接收到调查信息if(nn_send(server, "respondent", sendMsg.size(), 0) < 0){cout << "send error";}...nn_freemsg(recvMsg);
}

3. Nanomsg网络协议

上述可扩展协议是在网络通信协议之上实现的，而对于网络协议支持有四种。

具体使用则是在绑定（nn_bind）或连接（nn_connect）的地址中体现的。

如果想看具体的官方介绍，也可以在第四节注出来的官方API文档中查看

  • INPROC：进程内通信（线程、模块等之间）

    #include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/inproc.h>
nn_bind (s1, "inproc://test");
nn_connect (s2, "inproc://test);

  • IPC：单台机器上的流程之间传输

    #include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/ipc.h>
nn_bind (s1, "ipc:///tmp/test.ipc");
nn_connect (s2, "ipc:///tmp/test.ipc");

  • TCP：通过TCP协议的网络通信

    #include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/tcp.h>
nn_bind (s1, "tcp://*:5555");
nn_connect (s2, "tcp://myserver:5555");

  • WS：通过TCP协议的WebSocket通信

    #include <nanomsg/nn.h>
#include <nanomsg/ws.h>
s1 = nn_socket (AF_SP, NN_PAIR);
nn_connect (s1, "ws://example.com/path?query=value");

4. Nanomsg常用函数

全部函数和关键字可以见官方API文档（国外）：https://nanomsg.org/v1.1.5/nanomsg.html

序号函数简单介绍
1nn_socket创建一个套接字
2nn_setsockopt设置套接字的选项
3nn_getsockopt获取套接字的选项
4nn_bind绑定地址
5nn_connect连接另一个套接字
6nn_close关闭套接字
7nn_send发送数据
8nn_recv接收数据
4.1 nn_socket
int nn_socket (int domain, int protocol);

新建一个套接字，是int类型的，后续操作都针对这个int类型的套接字。

domin：一般用AF_SP创建全功能套接字，还有可以创建原始全功能套接字的AF_SP_RW，但省略了端到端功能，可用于SP布局中实现中间设备；protocol：指定的通信模式，见第二节。

4.2 nn_setsockopt（重要）
int nn_setsockopt (int s, int level, int option, const void *optval, size_t optvallen);

设置套接字选项，包括收发缓存区大小、收发时间限制、收发数据优先级等等。

s：指定需要设置的套接字；level：选项所在协议的级别，见下表；option：level的操作参数，见下表；optval：操作字符；

optvallen：操作字符的长度。

根据使用场景的协议级别选择level，根据level选择需要设置的选项option，设置选项值optval。

level参数说明
NN_SOL_SOCKET通用套接字级别选项
NN_SUB特定的套接字类型的选项，用套接字作为level参数
NN_TCP对于特定于传输的选项，使用传输的id作为level参数
NN_SOL_SOCKET操作参数说明
NN_SNDBUF发送缓冲区的大小，单位为字节。为了防止对大于缓冲区的消息进行阻塞，除了发送缓冲区中的数据之外，还可以缓冲正好一个消息。这个选项的类型是 int。默认值是128kb
NN_RCVBUF接收缓冲区的大小，单位为字节。为了防止对大于缓冲区的消息进行阻塞，除了发送缓冲区中的数据之外，还可以缓冲正好一个消息。这个选项的类型是 int。默认值是128kb
NN_RCVMAXSIZE可接收的最大消息大小(以字节为单位)。负值意味着接收的大小仅受可用可寻址内存的限制。这个选项的类型是 int。默认值是1024kb。
NN_SNDTIMEO套接字上发送操作的超时，以毫秒为单位。如果无法在指定的超时内发送消息，则返回原始输出错误。负值表示无限超时。选项的类型是 int。默认值是 -1。
NN_RCVTIMEO套接字上 recv 操作的超时，以毫秒为单位。如果在指定的超时内无法接收消息，则返回原始输出错误。负值表示无限超时。选项的类型是 int。默认值是 -1。
NN_RECONNECT_IVL对于基于连接的传输协议(如 tcp) ，此选项指定在尝试重新建立连接之前，当连接中断时等待的时间(毫秒)。请注意，实际的重新连接间隔可能在一定程度上是随机的，以防止严重的重新连接风暴。选项的类型是 int。默认值为100(0.1秒)。
NN_RECONNECT_IVL_MAX此选项仅用于NN_RECONNECT_IVL选项。它指定了最大重新连接间隔。每次重新连接尝试时，前一个间隔会加倍，直到到达NN_RECONNECT_IVL_MAX。值为零意味着没有执行截断二进制指数避退算法重新连接，重新连接间隔只基于NN_RECONNECT_IVL。如果重新连接最大值小于NN_RECONNECT_IVL_MAX，它将被忽略。选项的类型是 int。默认值是0。
NN_SNDPRIO为随后添加到套接字的端点设置出站优先级。此选项对向所有对等点发送消息的套接字类型没有影响。但是，如果套接字类型将每个消息发送到单个对等点(或有限的对等点集) ，具有高优先级的对等点优先于具有低优先级的对等点。选项的类型是 int。最高优先级是1最低优先级是16。默认值是8。
NN_RCVPRIO设置随后添加到套接字的端点的入站优先级。此选项对无法接收消息的套接字类型没有影响。在接收消息时，从优先级较高的对等点接收消息，然后再从优先级较低的对等点接收消息。选项的类型是 int。最高优先级是1最低优先级是16。默认值是8。
NN_IPV4ONLY如果设置为1，则只使用 ipv4地址。如果设置为0，则使用 ipv4和 ipv6地址。选项的类型是 int。默认值是1。
NN_SOCKET_NAME用于错误报告和统计的套接字名称。选项的类型是 string。默认值是“socket.n”，其中 n 是套接字整数。
NN_MAXTTL设置消息在被删除之前可以通过的最大“跃点”数。每次接收到消息时(例如通过 nn _ device (3)函数)计为单跳。这提供了一种防止无意中发生循环的保护形式。
NN_LINGER此选项未实现，不应在新代码中使用。如果应用程式需要确保其讯息已传送至远端对端，则应使用确认(在 NN_REQ sockets 上收到回覆时暗示) ，或在调用 nn_close或退出应用程式前插入适当的延迟。

示例：

// 设置最大接收数据大小
// 默认的接收数据大小有限，不利于接收大型文件，就需要手动设置
int maxSize = 100*1024*1024; // 100MB
nn_setsockopt(node, NN_SOL_SOCKET, NN_RCVTIMEO, &maxSize, sizeof(maxSize));

// 通过数据包前缀指定接收数据，见2.5client
nn_setsockopt(client, NN_SUB, NN_SUB_SUBSCRIBE, "AAA", 3);
4.3 nn_getsockopt
int nn_getsockopt (int s, int level, int option, void *optval, size_t *optvallen);

获取套接字选项的值，可以用它来知道套接字的各种状态，包括错误代码。

s：指定需要设置的套接字；level：选项所在协议的级别；option：level的操作参数；optval：操作字符；

optvallen：操作字符的长度。

与nn_setsockopt()是对应的。

有一篇文章讲的细一点，但我也没怎么看，因为用的不多：深入理解非阻塞 TCP 连接：getsockopt 的关键作用

4.4 nn_bind
int nn_bind (int s, const char *addr);

绑定地址，主要是绑定协议、端口，一般用在发送方。

s：指定需要连接的socket连接；addr：指定地址，包括协议类型、IP地址、端口号信息。

4.5 nn_connect
int nn_connect (int s, const char *addr);

连接上指定地址，一般用在接收方。

s：指定需要连接的socket连接；addr：指定地址，包括协议类型、IP地址、端口号信息。

4.6 nn_close
int nn_close (int s);

关闭套接字连接。

s：指定需要关闭的socket连接

4.7 nn_send
int nn_send (int s, const void *buf, size_t len, int flags);

发送数据。

s：指定的socket；buf：发送的数据内容；len：发送的数据大小；flags：一般用0，表示非阻塞。

4.8 nn_recv
int nn_recv (int s, void *buf, size_t len, int flags);

接收数据。

s：指定的socket；buf：接收的数据缓存区；len：指定接收的数据大小，不指定用NN_MSG；flags：一般用0，表示非阻塞

注：在不使用buf时，一般会用**nn_freemsg(buf);**释放缓存

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