<微服務架構>—RPC入門篇

概念

RPC(Remote Procedure Call)：遠程過程調用,它是一種經過網絡從遠程計算機程序上請求服務，而不須要了解底層網絡技術的思想.RPC 是一種技術思想而非一種規範或協議,常見 RPC 技術和框架有：

• 應用級的服務框架：阿里的 Dubbo/Dubbox、Google gRPC、Spring Boot/Spring Cloud
• 遠程通訊協議：RMI、Socket、SOAP(HTTP XML)、REST(HTTP JSON)
• 通訊框架：MINA 和 Netty

目前流行的開源 RPC 框架仍是比較多的，有阿里巴巴的 Dubbo、Facebook 的 Thrift、Google 的 gRPC、Twitter 的 Finagle 等。

• gRPC：是 Google 公佈的開源軟件，基於HTTP 2.0的協議，並支持常見的衆多編程語言。RPC 框架是基於 HTTP 協議實現的，底層使用到了 Netty 框架的支持。

• Thrift：是 Facebook 的開源 RPC 框架，主要是一個跨語言的服務開發框架。
  用戶只要在其之上進行二次開發就行，應用對於底層的 RPC 通信等都是透明的。不過這個對於用戶來講須要學習特定領域語言這個特性，仍是有必定成本的。

• Dubbo：是阿里集團開源的一個極爲出名的 RPC 框架，在不少互聯網公司和企業應用中普遍使用。協議和序列化框架均可以插拔是極其鮮明的特點。

完整的RPC框架

在一個典型 RPC 的使用場景中，包含了服務發現、負載、容錯、網絡傳輸、序列化等組件，其中「RPC 協議」就指明瞭程序如何進行網絡傳輸和序列化

RPC核心功能

RPC 的核心功能是指實現一個 RPC 最重要的功能模塊，就是上圖中的」RPC 協議」部分：

下面分別介紹核心 RPC 框架的重要組成：

• 客戶端(Client)：服務調用方。
• 客戶端存根(Client Stub)：存放服務端地址信息，將客戶端的請求參數數據信息打包成網絡消息，再經過網絡傳輸發送給服務端。
• 服務端存根(Server Stub)：接收客戶端發送過來的請求消息並進行解包，而後再調用本地服務進行處理。
• 服務端(Server)：服務的真正提供者。
• Network Service：底層傳輸，能夠是 TCP 或 HTTP。

一次 RPC 調用流程以下：

• 服務消費者(Client 客戶端)經過本地調用的方式調用服務。
• 客戶端存根(Client Stub)接收到調用請求後負責將方法、入參等信息序列化(組裝)成可以進行網絡傳輸的消息體。
• 客戶端存根(Client Stub)找到遠程的服務地址，而且將消息經過網絡發送給服務端。
• 服務端存根(Server Stub)收到消息後進行解碼(反序列化操做)。
• 服務端存根(Server Stub)根據解碼結果調用本地的服務進行相關處理
• 服務端(Server)本地服務業務處理。
• 處理結果返回給服務端存根(Server Stub)。
• 服務端存根(Server Stub)序列化結果。
• 服務端存根(Server Stub)將結果經過網絡發送至消費方。
• 客戶端存根(Client Stub)接收到消息，並進行解碼(反序列化)。
• 服務消費方獲得最終結果。

RPC核心之功能實現

接口調用一般包含兩個部分，序列化和通訊協議。常見的序列化協議包括json、xml、hession、protobuf、thrift、text、bytes等；通訊比較流行的是http、soap、websockect，RPC一般基於TCP實現。那麼restful使用的序列化協議一般是json，通訊協議是http；rpc是一種通訊協議，所以若是序列化使用json的話，那麼就是json-rpc

RPC 的核心功能主要由 5 個模塊組成，若是想要本身實現一個 RPC，最簡單的方式要實現三個技術點，分別是：

• 服務尋址
• 數據流的序列化和反序列化
• 網絡傳輸

服務尋址

服務尋址可使用 Call ID 映射。在本地調用中，函數體是直接經過函數指針來指定的，可是在遠程調用中，函數指針是不行的，由於兩個進程的地址空間是徹底不同的。

因此在 RPC 中，全部的函數都必須有本身的一個 ID。這個 ID 在全部進程中都是惟一肯定的。

客戶端在作遠程過程調用時，必須附上這個 ID。而後咱們還須要在客戶端和服務端分別維護一個函數和Call ID的對應表。

當客戶端須要進行遠程調用時，它就查一下這個表，找出相應的 Call ID，而後把它傳給服務端，服務端也經過查表，來肯定客戶端須要調用的函數，而後執行相應函數的代碼。

實現方式：服務註冊中心。

Registry(服務發現)：藉助 JNDI 發佈並調用了 RMI 服務。實際上，JNDI 就是一個註冊表，服務端將服務對象放入到註冊表中，客戶端從註冊表中獲取服務對象。

RMI 服務在服務端實現以後須要註冊到 RMI Server 上，而後客戶端從指定的 RMI 地址上 Lookup 服務，調用該服務對應的方法便可完成遠程方法調用。

Registry 是個很重要的功能，當服務端開發完服務以後，要對外暴露，若是沒有服務註冊，則客戶端是無從調用的，即便服務端的服務就在那裏

序列化和反序列化

客戶端怎麼把參數值傳給遠程的函數呢?在本地調用中，咱們只須要把參數壓到棧裏，而後讓函數本身去棧裏讀就行。

可是在遠程過程調用時，客戶端跟服務端是不一樣的進程，不能經過內存來傳遞參數。

這時候就須要客戶端把參數先轉成一個字節流，傳給服務端後，再把字節流轉成本身能讀取的格式。

只有二進制數據才能在網絡中傳輸，序列化和反序列化的定義是：

• 將對象轉換成二進制流的過程叫作序列化
• 將二進制流轉換成對象的過程叫作反序列化

這個過程叫序列化和反序列化。同理，從服務端返回的值也須要序列化反序列化的過程。

網絡傳輸

網絡傳輸：遠程調用每每用在網絡上，客戶端和服務端是經過網絡鏈接的。

全部的數據都須要經過網絡傳輸，所以就須要有一個網絡傳輸層。網絡傳輸層須要把 Call ID 和序列化後的參數字節流傳給服務端，而後再把序列化後的調用結果傳回客戶端。

只要能完成這二者的，均可以做爲傳輸層使用。所以，它所使用的協議實際上是不限的，能完成傳輸就行。

儘管大部分 RPC 框架都使用 TCP 協議，但其實 UDP 也能夠，而 gRPC 乾脆就用了 HTTP2。

TCP 的鏈接是最多見的，簡要分析基於 TCP 的鏈接：一般 TCP 鏈接能夠是按需鏈接(須要調用的時候就先創建鏈接，調用結束後就立馬斷掉)，也能夠是長鏈接(客戶端和服務器創建起鏈接以後保持長期持有，無論此時有無數據包的發送，能夠配合心跳檢測機制按期檢測創建的鏈接是否存活有效)，多個遠程過程調用共享同一個鏈接。

因此，要實現一個 RPC 框架，只須要把如下三點實現了就基本完成了：

• Call ID 映射：能夠直接使用函數字符串，也可使用整數 ID。映射表通常就是一個哈希表。
• 序列化反序列化：能夠本身寫，也可使用 Protobuf 或者 FlatBuffers 之類的。
• 網絡傳輸庫：能夠本身寫 Socket，或者用 Asio，ZeroMQ，Netty 之類。

RPC 核心之網絡傳輸協議

在 RPC 中可選的網絡傳輸方式有多種，能夠選擇 TCP 協議、UDP 協議、HTTP 協議。

基於 TCP 協議的 RPC 調用

由服務的調用方與服務的提供方創建 Socket 鏈接，並由服務的調用方經過 Socket 將須要調用的接口名稱、方法名稱和參數序列化後傳遞給服務的提供方，服務的提供方反序列化後再利用反射調用相關的方法。

將結果返回給服務的調用方，整個基於 TCP 協議的 RPC 調用大體如此。

可是在實例應用中則會進行一系列的封裝，如 RMI 即是在 TCP 協議上傳遞可序列化的 Java 對象。

基於 HTTP 協議的 RPC 調用

該方法更像是訪問網頁同樣，只是它的返回結果更加單一簡單。

其大體流程爲：由服務的調用者向服務的提供者發送請求，這種請求的方式多是 GET、POST、PUT、DELETE 等中的一種，服務的提供者可能會根據不一樣的請求方式作出不一樣的處理，或者某個方法只容許某種請求方式。

而調用的具體方法則是根據 URL 進行方法調用，而方法所須要的參數多是對服務調用方傳輸過去的 XML 數據或者 JSON 數據解析後的結果，返回 JOSN 或者 XML 的數據結果。

因爲目前有不少開源的 Web 服務器，如 Tomcat，因此其實現起來更加容易，就像作 Web 項目同樣

兩種方式對比

基於 TCP 的協議實現的 RPC 調用，因爲 TCP 協議處於協議棧的下層，可以更加靈活地對協議字段進行定製，減小網絡開銷，提升性能，實現更大的吞吐量和併發數。

可是須要更多關注底層複雜的細節，實現的代價更高。同時對不一樣平臺，如安卓，iOS 等，須要從新開發出不一樣的工具包來進行請求發送和相應解析，工做量大，難以快速響應和知足用戶需求。

基於 HTTP 協議實現的 RPC 則可使用 JSON 和 XML 格式的請求或響應數據。

而 JSON 和 XML 做爲通用的格式標準(使用 HTTP 協議也須要序列化和反序列化，不過這不是該協議下關心的內容，成熟的 Web 程序已經作好了序列化內容)，開源的解析工具已經至關成熟，在其上進行二次開發會很是便捷和簡單。

可是因爲 HTTP 協議是上層協議，發送包含同等內容的信息，使用 HTTP 協議傳輸所佔用的字節數會比使用 TCP 協議傳輸所佔用的字節數更高。

所以在同等網絡下，經過 HTTP 協議傳輸相同內容，效率會比基於 TCP 協議的數據效率要低，信息傳輸所佔用的時間也會更長，固然壓縮數據，可以縮小這一差距。

使用 RabbitMQ 的 RPC 架構

在 OpenStack 中服務與服務之間使用 RESTful API 調用，而在服務內部則使用 RPC 調用各個功能模塊。

正是因爲使用了 RPC 來解耦服務內部功能模塊，使得 OpenStack 的服務擁有擴展性強，耦合性低等優勢。

OpenStack 的 RPC 架構中，加入了消息隊列 RabbitMQ，這樣作的目的是爲了保證 RPC 在消息傳遞過程當中的安全性和穩定性。

下面分析 OpenStack 中使用 RabbitMQ 如何實現 RPC 的調用。

使用 RabbitMQ 的好處：

• 同步變異步：可使用線程池將同步變成異步，可是缺點是要本身實現線程池，而且強耦合。使用消息隊列能夠輕鬆將同步請求變成異步請求。
• 低內聚高耦合：解耦，減小強依賴。
• 流量削峯：經過消息隊列設置請求值，超過閥值的拋棄或者轉到錯誤界面。
• 網絡通訊性能提升：TCP 的建立和銷燬開銷大，建立 3 次握手，銷燬 4 次分手，高峯時成千上萬條的連接會形成資源的巨大浪費，並且操做系統每秒處理 TCP 的數量也是有數量限制的，一定形成性能瓶頸。
• RabbitMQ 採用信道通訊，不採用 TCP 直接通訊。一條線程一條信道，多條線程多條信道，公用一個 TCP 鏈接。

簡單對比 RPC 和 Restful API

REST API的幾個特色爲：

• 資源:就是網絡上的一個實體，或者說是網絡上的一個具體信息。它能夠是一段文本、一張圖片、一首歌曲、一種服務，就是一個具體的實在
• 統一接口:RESTful 架構風格規定，數據的元操做，即 CRUD(Create，Read，Update 和 Delete，即數據的增刪查改)操做，分別對應於 HTTP 方法：GET 用來獲取資源，POST 用來新建資源(也能夠用於更新資源)，PUT 用來更新資源，DELETE 用來刪除資源，這樣就統一了數據操做的接口，僅經過 HTTP 方法，就能夠完成對數據的全部增刪查改工做。
• URL:能夠用一個 URI(統一資源定位符)指向資源，即每一個 URI 都對應一個特定的資源。
  要獲取這個資源，訪問它的 URI 就能夠，所以 URI 就成了每個資源的地址或識別符
• 無狀態:所謂無狀態的，即全部的資源，均可以經過 URI 定位，並且這個定位與其餘資源無關，也不會由於其餘資源的變化而改變

RPC 和 Restful API 對比

• 面對對象不一樣：RPC 更側重於動做,REST 的主體是資源
• 傳輸效率:RPC 效率更高。RPC，使用自定義的 TCP 協議，可讓請求報文體積更小，或者使用 HTTP2 協議，也能夠很好的減小報文的體積，提升傳輸效率
• 複雜度:RPC 實現複雜，流程繁瑣,REST 調用及測試都很方便
• 靈活性:HTTP 相對更規範，更標準，更通用，不管哪一種語言都支持 HTTP 協議;RPC 能夠實現跨語言調用，但總體靈活性不如 RESTful

總結

RPC 主要用於公司內部的服務調用，性能消耗低，傳輸效率高，實現複雜

RESTful API 主要用於對外的異構環境，瀏覽器接口調用，App 接口調用，第三方接口調用等

RPC 使用場景(大型的網站，內部子系統較多、接口很是多的狀況下適合使用 RPC)：

• 長連接。沒必要每次通訊都要像 HTTP 同樣去 3 次握手，減小了網絡開銷。
• 註冊發佈機制。RPC 框架通常都有註冊中心，有豐富的監控管理;發佈、下線接口、動態擴展等，對調用方來講是無感知、統一化的操做。
• 安全性，沒有暴露資源操做。
• 微服務支持。就是最近流行的服務化架構、服務化治理，RPC 框架是一個強力的支撐。