RPC（Remote Procedure Call）框架詳解

RPC（Remote Procedure Call）框架

RPC（Remote Procedure Call）：遠程過程調用，它是一種通過網絡從遠程計算機程序上請求服務，而不需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。
遠程通信協議：RMI、Socket、SOAP(HTTP XML)、REST(HTTP JSON)。
通信框架：MINA 和 Netty。
目前流行的開源 RPC 框架還是比較多的，有阿里巴巴的 Dubbo、Facebook 的 Thrift、Google 的 gRPC、Twitter 的 Finagle 等。

下面重點介紹三種：

• gRPC：是 Google 公佈的開源軟件，基於最新的 HTTP 2.0 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
  通訊等都是透明的。不過這個對於用戶來說需要學習特定領域語言這個特性，還是有一定成本的。
• Dubbo：是阿里集團開源的一個極爲出名的 RPC 框架，在很多互聯網公司和企業應用中廣泛使用。協議和序列化框架都可以插拔是極其鮮明的特色。

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。
在這裏插入圖片描述

如下是 Dubbo 的設計架構圖，分層清晰，功能複雜：

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：

一個 RPC 的核心功能主要有 5 個部分組成，分別是：客戶端、客戶端 Stub、網絡傳輸模塊、服務端 Stub、服務端等。

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，再通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，然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，可以是 TCP 或 HTTP。

一次 RPC 調用流程如下：

• 服務消費者（Client 客戶端）通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）成能夠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，並且將消息通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（反序列化操作）。
• 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）將結果通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）。
• 服務消費方得到最終結果。
  

RPC 核心之功能實現

RPC 的核心功能主要由 5 個模塊組成，如果想要自己實現一個 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

服務尋址可以使用 Call ID 映射。在本地調用中，函數體是直接通過函數指針來指定的，但是在遠程調用中，函數指針是不行的，因爲兩個進程的地址空間是完全不一樣的。

所以在 RPC 中，所有的函數都必須有自己的一個 ID。這個 ID 在所有進程中都是唯一確定的。

客戶端在做遠程過程調用時，必須附上這個 ID。然後我們還需要在客戶端和服務端分別維護一個函數和Call ID的對應表。

當客戶端需要進行遠程調用時，它就查一下這個表，找出相應的 Call ID，然後把它傳給服務端，服務端也通過查表，來確定客戶端需要調用的函數，然後執行相應函數的代碼。

實現方式：服務註冊中心。

要調用服務，首先你需要一個服務註冊中心去查詢對方服務都有哪些實例。Dubbo 的服務註冊中心是可以配置的，官方推薦使用 Zookeeper。

實現案例：RMI（Remote Method Invocation，遠程方法調用）也就是 RPC 本身的實現方式。

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 服務在服務端實現之後需要註冊到 RMI Server 上，然後客戶端從指定的 RMI 地址上 Lookup 服務，調用該服務對應的方法即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之後，要對外暴露，如果沒有服務註冊，則客戶端是無從調用的，即使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，我們只需要把參數壓到棧裏，然後讓函數自己去棧裏讀就行。

但是在遠程過程調用時，客戶端跟服務端是不同的進程，不能通過內存來傳遞參數。

這時候就需要客戶端把參數先轉成一個字節流，傳給服務端後，再把字節流轉成自己能讀取的格式。

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

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

網絡傳輸：遠程調用往往用在網絡上，客戶端和服務端是通過網絡連接的。

所有的數據都需要通過網絡傳輸，因此就需要有一個網絡傳輸層。網絡傳輸層需要把 Call ID 和序列化後的參數字節流傳給服務端，然後再把序列化後的調用結果傳回客戶端。

只要能完成這兩者的，都可以作爲傳輸層使用。因此，它所使用的協議其實是不限的，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 也可以，而 gRPC 乾脆就用了 HTTP2。

TCP 的連接是最常見的，簡要分析基於 TCP 的連接：通常 TCP 連接可以是按需連接（需要調用的時候就先建立連接，調用結束後就立馬斷掉），也可以是長連接（客戶端和服務器建立起連接之後保持長期持有，不管此時有無數據包的發送，可以配合心跳檢測機制定期檢測建立的連接是否存活有效），多個遠程過程調用共享同一個連接。

所以，要實現一個 RPC 框架，只需要把以下三點實現了就基本完成了：

• Call ID 映射：可以直接使用函數字符串，也可以使用整數 ID。映射表一般就是一個哈希表。
• 序列化反序列化：可以自己寫，也可以使用 Protobuf 或者 FlatBuffers 之類的。
• 網絡傳輸庫：可以自己寫 Socket，或者用 Asio，ZeroMQ，Netty 之類。

RPC 核心之網絡傳輸協議

在第三節中說明了要實現一個 RPC，需要選擇網絡傳輸的方式。

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

每一種協議對整體的性能和效率都有不同的影響，如何選擇一個正確的網絡傳輸協議呢？首先要搞明白各種傳輸協議在 RPC 中的工作方式。

基於 TCP 協議的 RPC 調用

由服務的調用方與服務的提供方建立 Socket 連接，並由服務的調用方通過 Socket 將需要調用的接口名稱、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。

最後將結果返回給服務的調用方，整個基於 TCP 協議的 RPC 調用大致如此。

但是在實例應用中則會進行一系列的封裝，如 RMI 便是在 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一樣，只是它的返回結果更加單一簡單。

其大致流程爲：由服務的調用者向服務的提供者發送請求，這種請求的方式可能是 GET、POST、PUT、DELETE 等中的一種，服務的提供者可能會根據不同的請求方式做出不同的處理，或者某個方法只允許某種請求方式。

而調用的具體方法則是根據 URL 進行方法調用，而方法所需要的參數可能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，最後返回 JOSN 或者 XML 的數據結果。

由於目前有很多開源的 Web 服務器，如 Tomcat，所以其實現起來更加容易，就像做 Web 項目一樣。

兩種方式對比

基於 TCP 的協議實現的 RPC 調用，由於 TCP 協議處於協議棧的下層，能夠更加靈活地對協議字段進行定製，減少網絡開銷，提高性能，實現更大的吞吐量和併發數。

但是需要更多關注底層複雜的細節，實現的代價更高。同時對不同平臺，如安卓，iOS 等，需要重新開發出不同的工具包來進行請求發送和相應解析，工作量大，難以快速響應和滿足用戶需求。

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

而 JSON 和 XML 作爲通用的格式標準（使用 HTTP 協議也需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 程序已經做好了序列化內容），開源的解析工具已經相當成熟，在其上進行二次開發會非常便捷和簡單。

但是由於 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。

因此在同等網絡下，通過 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，當然壓縮數據，能夠縮小這一差距。

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。

正是由於使用了 RPC 來解耦服務內部功能模塊，使得 OpenStack 的服務擁有擴展性強，耦合性低等優點。

OpenStack 的 RPC 架構中，加入了消息隊列 RabbitMQ，這樣做的目的是爲了保證 RPC 在消息傳遞過程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：可以使用線程池將同步變成異步，但是缺點是要自己實現線程池，並且強耦合。使用消息隊列可以輕鬆將同步請求變成異步請求。
• 低內聚高耦合：解耦，減少強依賴。
• 流量削峯：通過消息隊列設置請求最大值，超過閥值的拋棄或者轉到錯誤界面。
• 網絡通信性能提高：TCP 的創建和銷燬開銷大，創建 3 次握手，銷燬 4
  次分手，高峯時成千上萬條的鏈接會造成資源的巨大浪費，而且操作系統每秒處理 TCP 的數量也是有數量限制的，必定造成性能瓶頸。
  RabbitMQ 採用信道通信，不採用 TCP 直接通信。一條線程一條信道，多條線程多條信道，公用一個 TCP 連接。 一條 TCP
  連接可以容納無限條信道（硬盤容量足夠的話），不會造成性能瓶頸。

原文作者：李金葵
原文鏈接：https://www.sohu.com/a/320599994_463994