RPC框架GPRC浅析

Posted 2020-11-22 hushida66

RPC框架中数据的传输通常有两种：二进制传输，和文本类传输 。
二进制传输的优点是：传输性能好，因为要写协议文件，所以更严谨。
缺点是：二进制难以跨语言，

文本类传输的优点是：可以跨语言，而且由于不用写协议文件，使用更灵活 。
缺点是：传输性能稍微要差一些。

GRPC的特点是不仅采用了二进制传输，保证了传输性能，还满足跨语言，保证了灵活性。

序列化

GPRC的二进制序列化协议是Protocol Buffers。
Protocol Bufers 是一款压缩效率极高的序列化协议，有很多设计精巧的序列化方法。
对于 int 类型 32 位的，一般都需要 4 个 Byte 进行存储。在 Protocol Bufers 中，使用的是变长整数的形式。对于每一个 Byte 的 8 位，最高位都有特殊的含义。

如果该位为 1 ，表示这个数字没完，后续的 Byte 也属于这个数字；如果该位为 0 ，则这个数字到此结束。其他的 7 个 Bit才是用来表示数字的内容。因此，小于 128 的数字都可以用一个 Byte 表示；大于 128 的数字，比如 130 ，会用两个字节来表示。

对于每一个字段，使用的是 TLV （ Tag ， Length ， Value ）的存储办法。
其中 Tag = (feld_num << 3) | wire_type 。 feld_num 就是在 proto 文件中，给每个字段指定唯一的数字标识，而 wire_type 用于标识后面的数据类型。

网络传输

如果是 Java 技术栈， GRPC 的客户端和服务器之间通过 Netty Channel 作为数据通道，每个请求都被封装成 HTTP 2.0 的 Stream 。Netty是一个高效的基于异步IO的网络传输框架

HTTP 2.0协议将一个TCP的连接，切分成多个流，每个流都
有自己的 ID ，而且流是有优先级的。流可以是客户端发往服务端，也可以是服务端发往客户端。它其实只是一个虚拟的通道。
HTTP 2.0 还将所有的传输信息分割为更小的消息和帧，并对它们采用二进制格式编码。
通过这两种机制， HTTP 2.0 的客户端可以将多个请求分到不同的流中，然后将请求内容拆成帧，进行二进制传输。这些帧可以打散乱序发送， 然后根据每个帧首部的流标识符重新
组装，并且可以根据优先级，决定优先处理哪个流的数据。

由于基于 HTTP 2.0 ， GRPC 和其他的 RPC 不同，可以定义四种服务方法。
第一种，也是最常用的方式是 单向RPC ，即客户端发送一个请求给服务端，从服务端获取一个应答，就像一次普通的函数调用。

rpc SayHello(HelloReques) returns (HelloResponse){}

第二种方式是 服务端流式RPC ，即服务端返回的不是一个结果，而是一批。客户端发送一个请求给服务端，可获取一个数据流用来读取一系列消息。客户端从返回的数据流里一直读
取，直到没有更多消息为止。

rpc LotsOfReplies(HelloReques) returns (sream HelloResponse){}

第三种方式为 客户端流式RPC ，也即客户端的请求不是一个，而是一批。客户端用提供的一个数据流写入并发送一系列消息给服务端。一旦客户端完成消息写入，就等待服务端读取这
些消息并返回应答。

rpc LotsOfGreetings(sream HelloReques) returns (HelloResponse) {}

第四种方式为 双向流式 RPC ，即两边都可以分别通过一个读写数据流来发送一系列消息。这两个数据流操作是相互独立的，所以客户端和服务端能按其希望的任意顺序读写，服务端
可以在写应答前等待所有的客户端消息，或者它可以先读一个消息再写一个消息，或者读写相结合的其他方式。每个数据流里消息的顺序会被保持。

rpc BidiHello(sream HelloReques) returns (sream HelloResponse){}

如果基于 HTTP 2.0 ，客户端和服务器之间的交互方式要丰富得多，不仅可以单方向远程调用，还可以实现当服务端状态改变的时候，主动通知客户端。
至此，传输问题得到了解决。

服务治理

GRPC 本身没有提供服务发现的机制，需要借助其他的组件，发现要访问的服务端，在多个服务端之间进行容错和负载均衡。
其实负载均衡本身比较简单， LVS 、 HAProxy 、 nginx 都可以做，关键问题是如何发现服务端，并根据服务端的变化，动态修改负载均衡器的配置。

有一种对于 GRPC 支持比较好的负载均衡器 Envoy 。其实 Envoy 不仅仅是负载均衡器，它还是一个高性能的 C++ 写的 Proxy 转发器，可以配置非常灵活的转发规则。
这些规则可以是静态的，放在配置文件中的，在启动的时候加载。要想重新加载，一般需要重新启动，但是 Envoy 支持热加载和热重启，这在一定程度上缓解了这个问题。
当然，最好的方式是将规则设置为动态的，放在统一的地方维护。这个统一的地方在 Envoy 眼中被称为服务发现（ Discovery Service ），过一段时间去这里拿一下配置，就修改了
转发策略。
无论是静态的，还是动态的，在配置里面往往会配置四个东西。
第一个是 listener 。 Envoy 既然是 Proxy ，专门做转发，就得监听一个端口，接入请求，然后才能够根据策略转发，这个监听的端口就称为 listener 。
第二个是 endpoint ，是目标的 IP 地址和端口。这个是 Proxy 最终将请求转发到的地方。
第三个是 cluster 。一个 cluster 是具有完全相同行为的多个 endpoint ，也即如果有三个服务端在运行，就会有三个 IP 和端口，但是部署的是完全相同的三个服务，它们组成一
个 cluster ，从 cluster 到 endpoint 的过程称为负载均衡，可以轮询。
第四个是 route 。有时候多个 cluster 具有类似的功能，但是是不同的版本号，可以通过 route 规则，选择将请求路由到某一个版本号，也即某一个 cluster 。
如果是静态的，则将后端的服务端的 IP 地址拿到，然后放在配置文件里面就可以了。

参考资料

极客时间的《趣谈网络协议》