RPC的使用场景

概念

RPC采用客户机/服务器模式。请求程序就是一个客户机,而服务提供程序就是一个服务器。首先,客户机调用进程发送一个有进程参数的调用信息到服务进程,然后等待应答信息。在服务器端,进程保持睡眠状态直到调用信息的到达为止。当一个调用信息到达,服务器获得进程参数,计算结果,发送答复信息,然后等待下一个调用信息,最后,客户端调用进程接收答复信息,获得进程结果,然后调用执行继续进行。

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完整的RPC框架

在一个典型 RPC 的使用场景中,包含了服务发现、负载、容错、网络传输、序列化等组件,其中“RPC 协议”就指明了程序如何进行网络传输和序列化

RPC的使用场景

工作原理

运行时,一次客户机对服务器的RPC调用,其内部操作大致有如下十步:

1.调用客户端句柄;执行传送参数

2.调用本地系统内核发送网络消息

3.消息传送到远程主机

4.服务器句柄得到消息并取得参数

5.执行远程过程

6.执行的过程将结果返回服务器句柄

7.服务器句柄返回结果,调用远程系统内核

8.消息传回本地主机

9.客户句柄由内核接收消息

10.客户接收句柄返回的数据

RPC核心功能

RPC 的核心功能是指实现一个 RPC 最重要的功能模块,就是上图中的”RPC 协议”部分:

RPC的使用场景

下面分别介绍核心 RPC 框架的重要组成:

  • 客户端(Client):服务调用方。
  • 客户端存根(Client Stub):存放服务端地址信息,将客户端的请求参数数据信息打包成网络消息,再通过网络传输发送给服务端。
  • 服务端存根(Server Stub):接收客户端发送过来的请求消息并进行解包,然后再调用本地服务进行处理。
  • 服务端(Server):服务的真正提供者。
  • Network Service:底层传输,可以是 TCP 或 HTTP。

一次 RPC 调用流程如下:

  • 服务消费者(Client 客户端)通过本地调用的方式调用服务。
  • 客户端存根(Client Stub)接收到调用请求后负责将方法、入参等信息序列化(组装)成能够进行网络传输的消息体。
  • 客户端存根(Client Stub)找到远程的服务地址,并且将消息通过网络发送给服务端。
  • 服务端存根(Server Stub)收到消息后进行解码(反序列化操作)。
  • 服务端存根(Server Stub)根据解码结果调用本地的服务进行相关处理
  • 服务端(Server)本地服务业务处理。
  • 处理结果返回给服务端存根(Server Stub)。
  • 服务端存根(Server Stub)序列化结果。
  • 服务端存根(Server Stub)将结果通过网络发送至消费方。
  • 客户端存根(Client Stub)接收到消息,并进行解码(反序列化)。
  • 服务消费方得到最终结果。

RPC核心之功能实现

接口调用通常包含两个部分,序列化和通信协议。常见的序列化协议包括json、xml、hession、protobuf、thrift、text、bytes等;通信比较流行的是http、soap、websockect,RPC通常基于TCP实现。那么restful使用的序列化协议通常是json,通信协议是http;rpc是一种通信协议,因此如果序列化使用json的话,那么就是json-rpc

RPC 的核心功能主要由 5 个模块组成,如果想要自己实现一个 RPC,最简单的方式要实现三个技术点,分别是:

  • 服务寻址
  • 数据流的序列化和反序列化
  • 网络传输
服务寻址

服务寻址可以使用 Call ID 映射。在本地调用中,函数体是直接通过函数指针来指定的,但是在远程调用中,函数指针是不行的,因为两个进程的地址空间是完全不一样的。

所以在 RPC 中,所有的函数都必须有自己的一个 ID。这个 ID 在所有进程中都是唯一确定的。

客户端在做远程过程调用时,必须附上这个 ID。然后我们还需要在客户端和服务端分别维护一个函数和Call ID的对应表。

当客户端需要进行远程调用时,它就查一下这个表,找出相应的 Call ID,然后把它传给服务端,服务端也通过查表,来确定客户端需要调用的函数,然后执行相应函数的代码。

实现方式:服务注册中心。

Registry(服务发现):借助 JNDI 发布并调用了 RMI 服务。实际上,JNDI 就是一个注册表,服务端将服务对象放入到注册表中,客户端从注册表中获取服务对象。

RMI 服务在服务端实现之后需要注册到 RMI Server 上,然后客户端从指定的 RMI 地址上 Lookup 服务,调用该服务对应的方法即可完成远程方法调用。

Registry 是个很重要的功能,当服务端开发完服务之后,要对外暴露,如果没有服务注册,则客户端是无从调用的,即使服务端的服务就在那里

序列化和反序列化

客户端怎么把参数值传给远程的函数呢?在本地调用中,我们只需要把参数压到栈里,然后让函数自己去栈里读就行。

但是在远程过程调用时,客户端跟服务端是不同的进程,不能通过内存来传递参数。

这时候就需要客户端把参数先转成一个字节流,传给服务端后,再把字节流转成自己能读取的格式。

只有二进制数据才能在网络中传输,序列化和反序列化的定义是:

  • 将对象转换成二进制流的过程叫做序列化
  • 将二进制流转换成对象的过程叫做反序列化

这个过程叫序列化和反序列化。同理,从服务端返回的值也需要序列化反序列化的过程。

网络传输

网络传输:远程调用往往用在网络上,客户端和服务端是通过网络连接的。

所有的数据都需要通过网络传输,因此就需要有一个网络传输层。网络传输层需要把 Call ID 和序列化后的参数字节流传给服务端,然后再把序列化后的调用结果传回客户端。

只要能完成这两者的,都可以作为传输层使用。因此,它所使用的协议其实是不限的,能完成传输就行。

尽管大部分 RPC 框架都使用 TCP 协议,但其实 UDP 也可以,而 gRPC 干脆就用了 HTTP2。

TCP 的连接是最常见的,简要分析基于 TCP 的连接:通常 TCP 连接可以是按需连接(需要调用的时候就先建立连接,调用结束后就立马断掉),也可以是长连接(客户端和服务器建立起连接之后保持长期持有,不管此时有无数据包的发送,可以配合心跳检测机制定期检测建立的连接是否存活有效),多个远程过程调用共享同一个连接。

所以,要实现一个 RPC 框架,只需要把以下三点实现了就基本完成了:

  • Call ID 映射:可以直接使用函数字符串,也可以使用整数 ID。映射表一般就是一个哈希表。
  • 序列化反序列化:可以自己写,也可以使用 Protobuf 或者 FlatBuffers 之类的。
  • 网络传输库:可以自己写 Socket,或者用 Asio,ZeroMQ,Netty 之类。

RPC 核心之网络传输协议

在 RPC 中可选的网络传输方式有多种,可以选择 TCP 协议、UDP 协议、HTTP 协议。

基于 TCP 协议的 RPC 调用

由服务的调用方与服务的提供方建立 Socket 连接,并由服务的调用方通过 Socket 将需要调用的接口名称、方法名称和参数序列化后传递给服务的提供方,服务的提供方反序列化后再利用反射调用相关的方法。

将结果返回给服务的调用方,整个基于 TCP 协议的 RPC 调用大致如此。

但是在实例应用中则会进行一系列的封装,如 RMI 便是在 TCP 协议上传递可序列化的 Java 对象。

基于 HTTP 协议的 RPC 调用

该方法更像是访问网页一样,只是它的返回结果更加单一简单。

其大致流程为:由服务的调用者向服务的提供者发送请求,这种请求的方式可能是 GET、POST、PUT、DELETE 等中的一种,服务的提供者可能会根据不同的请求方式做出不同的处理,或者某个方法只允许某种请求方式。

而调用的具体方法则是根据 URL 进行方法调用,而方法所需要的参数可能是对服务调用方传输过去的 XML 数据或者 JSON 数据解析后的结果,返回 JOSN 或者 XML 的数据结果。

由于目前有很多开源的 Web 服务器,如 Tomcat,所以其实现起来更加容易,就像做 Web 项目一样

两种方式对比

基于 TCP 的协议实现的 RPC 调用,由于 TCP 协议处于协议栈的下层,能够更加灵活地对协议字段进行定制,减少网络开销,提高性能,实现更大的吞吐量和并发数。

但是需要更多关注底层复杂的细节,实现的代价更高。同时对不同平台,如安卓,iOS 等,需要重新开发出不同的工具包来进行请求发送和相应解析,工作量大,难以快速响应和满足用户需求。

基于 HTTP 协议实现的 RPC 则可以使用 JSON 和 XML 格式的请求或响应数据。

而 JSON 和 XML 作为通用的格式标准(使用 HTTP 协议也需要序列化和反序列化,不过这不是该协议下关心的内容,成熟的 Web 程序已经做好了序列化内容),开源的解析工具已经相当成熟,在其上进行二次开发会非常便捷和简单。

但是由于 HTTP 协议是上层协议,发送包含同等内容的信息,使用 HTTP 协议传输所占用的字节数会比使用 TCP 协议传输所占用的字节数更高。

因此在同等网络下,通过 HTTP 协议传输相同内容,效率会比基于 TCP 协议的数据效率要低,信息传输所占用的时间也会更长,当然压缩数据,能够缩小这一差距。

使用 RabbitMQ 的 RPC 架构

在 OpenStack 中服务与服务之间使用 RESTful API 调用,而在服务内部则使用 RPC 调用各个功能模块。

正是由于使用了 RPC 来解耦服务内部功能模块,使得 OpenStack 的服务拥有扩展性强,耦合性低等优点。

OpenStack 的 RPC 架构中,加入了消息队列 RabbitMQ,这样做的目的是为了保证 RPC 在消息传递过程中的安全性和稳定性。

下面分析 OpenStack 中使用 RabbitMQ 如何实现 RPC 的调用。

使用 RabbitMQ 的好处:

  • 同步变异步:可以使用线程池将同步变成异步,但是缺点是要自己实现线程池,并且强耦合。使用消息队列可以轻松将同步请求变成异步请求。
  • 低内聚高耦合:解耦,减少强依赖。
  • 流量削峰:通过消息队列设置请求值,超过阀值的抛弃或者转到错误界面。
  • 网络通信性能提高:TCP 的创建和销毁开销大,创建 3 次握手,销毁 4 次分手,高峰时成千上万条的链接会造成资源的巨大浪费,而且操作系统每秒处理 TCP 的数量也是有数量限制的,必定造成性能瓶颈。
  • RabbitMQ 采用信道通信,不采用 TCP 直接通信。一条线程一条信道,多条线程多条信道,公用一个 TCP 连接。

简单对比 RPC 和 Restful API

REST API的几个特点为:
  • 资源:就是网络上的一个实体,或者说是网络上的一个具体信息。它可以是一段文本、一张图片、一首歌曲、一种服务,就是一个具体的实在
  • 统一接口:RESTful 架构风格规定,数据的元操作,即 CRUD(Create,Read,Update 和 Delete,即数据的增删查改)操作,分别对应于 HTTP 方法:GET 用来获取资源,POST 用来新建资源(也可以用于更新资源),PUT 用来更新资源,DELETE 用来删除资源,这样就统一了数据操作的接口,仅通过 HTTP 方法,就可以完成对数据的所有增删查改工作。
  • URL:可以用一个 URI(统一资源定位符)指向资源,即每个 URI 都对应一个特定的资源。
    要获取这个资源,访问它的 URI 就可以,因此 URI 就成了每一个资源的地址或识别符
  • 无状态:所谓无状态的,即所有的资源,都可以通过 URI 定位,而且这个定位与其他资源无关,也不会因为其他资源的变化而改变
RPC 和 Restful API 对比
  • 面对对象不同:RPC 更侧重于动作,REST 的主体是资源
  • 传输效率:RPC 效率更高。RPC,使用自定义的 TCP 协议,可以让请求报文体积更小,或者使用 HTTP2 协议,也可以很好的减少报文的体积,提高传输效率
  • 复杂度:RPC 实现复杂,流程繁琐,REST 调用及测试都很方便
  • 灵活性:HTTP 相对更规范,更标准,更通用,无论哪种语言都支持 HTTP 协议;RPC 可以实现跨语言调用,但整体灵活性不如 RESTful

总结

RPC 主要用于公司内部的服务调用,性能消耗低,传输效率高,实现复杂

RESTful API 主要用于对外的异构环境,浏览器接口调用,App 接口调用,第三方接口调用等

RPC 使用场景(大型的网站,内部子系统较多、接口非常多的情况下适合使用 RPC):

  • 长链接。不必每次通信都要像 HTTP 一样去 3 次握手,减少了网络开销。
  • 注册发布机制。RPC 框架一般都有注册中心,有丰富的监控管理;发布、下线接口、动态扩展等,对调用方来说是无感知、统一化的操作。
  • 安全性,没有暴露资源操作。
  • 微服务支持。就是最近流行的服务化架构、服务化治理,RPC 框架是一个强力的支撑。

标题名称:RPC的使用场景
文章转载:http://scyanting.com/article/gdchps.html