如何分析原理及应用

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01 背景

    对于一个电商平台而言， 往往涉及购物车，订单，支付，商品等多个模块，这就需要多个人员进行维护，如果采用单机系统，就会导致这样的问题：

    1、某人在维护自己模块代码时，需要将所有代码编译打包，其余模块可能需要回归测试；

    2、其中一个模块出问题，可能导致整个系统故障。

这就出现了远程过程调用RPC，它使得我们可以像调用本地函数一样调用远程服务器的函数。

    RPC是分布式的基石。

    从单机走向分布式，产生了很多分布式的通信方式：

    1、TCP/UDP二进制传输：最古老，也是最有效的，事实上所有的通信方式归根结底都是TCP/UDP；

    2、CORBA（Common Object Request Broker Architecture）：古老而复杂，支持面向对象的通信协议；

    3、Web Service（SOA SOAP RDDI WSDL）：基于http+xml的标准化Web API；

    4、RestFul（Reprensentational State Transfer）：http+json；

    5、RMI（Remote Method Invocation）：Java内部的分布式通信协议；

    6、JMS（Java Message Service）：JavaEE的消息框架标准，很多MQ支持；

    7、RPC（Remote Procedure Call）：远程过程调用，这只是一个统称，重点在于方法调用，具体实现甚至可以用RMI RestFul等去实现，但一般不用，因为RMI不能跨语言，而ResuFul效率太低。

    多用于服务器集群间的通信（分布式或微服务架构），因此常使用更加高效、短小精悍的传输模式以提高效率。

02 概述

    RPC (Remote Procedure Call)即远程过程调用，是分布式系统常见的一种通信方法。除RPC之外，常见的多系统数据交互方案还有分布式消息队列、HTTP请求调用、数据库和分布式缓存等。

    RPC是一种概念，HTTP也是RPC实现的一种方式。

    通过RPC能解耦服务，这才是使用RPC的真正目的。RPC的原理主要用到了动态代理模式，至于HTTP协议，只是传输协议而已。

2.1 RPC与HTTP

    和一般基于Message的分布式框架（如MPI）相比，RPC更加抽象，也更方便理解。不过在底层，无论是RPC还是MPI，终究还是要转化成TCP/UDP包发来发去的。

    对比：

    RPC适用于公司内部使用，性能消耗低，传输效率高，服务治理方便，但是不建议传输较大的文本、视频等。

    HTTP适用于对外的技术，公司上下游的调用可以使用MQ。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。

2.2 RPC与IPC

    我们通常所说管道、FIFO等是同一机器的进程间通信方式（IPC），RPC是不同机器之间进程通信方式。

2.3 RPC与Socket

    RPC(Remote Procedure Call，远程过程调用)是建立在Socket之上的，在一台机器上运行的主程序，可以调用另一台机器上准备好的子程序，就像LPC(本地过程调用)。RPC协议假定某些传输协议的存在，如TCP或UDP，为通信程序之间携带信息数据。在OSI网络通信模型中，RPC跨越了传输层和应用层。RPC使得开发包括网络分布式多程序在内的应用程序更加容易。

    RPC作为普遍的C/S开发方法，开发效率高效，可靠。但RPC方法的基本原则是：以模块调用的简单性忽略通讯的具体细节，以便程序员不用关心C/S之间的通讯协议，集中精力对付实现过程。这就决定了RPC生成的通讯包不可能对每种应用都有最恰当的处理办法，与Socket方法相比，传输相同的有效数据，RPC占用更多的网络带宽。

2.4 RPC与MQ

    区别：

    1、在架构上，MQ有一个中间结点，可以把消息存储。

    2、同步调用：对于要立即等待返回处理结果的场景，RPC是首选。

    3、MQ的使用，一方面是基于性能的考虑，比如服务端不能快速的响应客户端（或客户端也不要求实时响应），需要在队列里缓存。另外一方面，它更侧重数据的传输，因此方式更加多样化，除了点对点外，还有订阅发布等功能。

    4、随着业务增长，处理端出现性能瓶颈，此时会进行同步调用改造为异步调用，可以考虑使用MQ。

    由此可知，二者最大的区别是，RPC没有broker, 而消息队列是需要管理消息的存储的，RPC没有存储，只有通信。

    总结：

    异步MQ，同步RPC。

03 分类

    常见的RPC技术有Cobra、RMI、.NET Remoting、WebService、JSON-RPC、XML-RPC、Hessian、Thrift、Protocol Buffer、gRPC等等。

    按照序列化机制的特点，我们可以把RPC技术分为文本的（WebService、JSON-RPC、XML-RPC等）和二进制的（RMI、Hessian、Thrift、Protocol Buffer等）。

    按照常见的通信协议来看，我们又可以分为基于HTTP的（WebService、Hessian等）和基于TCP的（RMI、.NET Remoting等）。

    按照是否可以用于多个不同平台，又可以分为平台特定的（RMI是Java平台特定的、.NET Remoting是.NET平台特定的）和平台无关的（比如WebService、JSON-RPC、Hessian等）。

04 模式

    按照调用方式来看，RPC有四种模式：

    RR（Request-Response）模式，又叫请求响应模式，指每个调用都要有具体的返回结果信息。

    Oneway模式，又叫单向调用模式，调用即返回，没有响应的信息。

    Future模式，又叫异步模式，返回拿到一个Future对象，然后执行完获取到返回结果信息。

    Callback模式，又叫回调模式，处理完请求以后，将处理结果信息作为参数传递给回调函数进行处理。

    这四种调用模式中，RR和Oneway最常见。

    从本质上看，RPC一般对于客户端的来说是一种同步的远程服务调用技术。与其相对应的，一般来说MQ是一种异步的调用技术。

    而对于MQ，根据消息处理的特点，我们又可以总结两种消息模式：

    点对点模式（Point to Point，PTP），一个生产者发送的每一个消息，都只能有一个消费者能消费，看起来消息就像从一个点传递到了另外一个点。

    发布订阅模式，（Publish-Subscribe，PubSub），一个生产者发送的每一个消息，都会发送到所有订阅了此队列的消费者。

05 原理

    RPC的一般需要经历4个步骤：

    1、建立通信

    A机器想要调用B机器，首先得在客户端和服务器之间建立TCP连接。

    2、服务寻址

    要解决寻址的问题，A服务器上如何连接到B服务器（如主机或IP地址）以及特定的端口，方法的名称是什么。

    3、网络传输

    1）序列化

    当A服务器上的应用发起一个RPC调用时，调用方法和参数数据都需要先进行序列化。

    2）反序列化

    当B服务器接收到A服务器的请求之后，又需要对接收到的参数等信息进行反序列化操作。

    4、服务调用

    B服务器进行本地调用（通过代理Proxy）之后得到了返回值，此时还需要再把返回值发送回A服务器，同样也需要经过序列化操作，然后再经过网络传输将二进制数据发送回A服务器。

    通常，一次完整的PRC调用需要经历如上4个步骤。

5.1 组件

    一个RPC框架一般包含以下几个组件：

 

    RPC Server：负责导出（export）远程接口

    RPC Client：负责导入（import）远程接口的代理实现

    RPC Proxy：远程接口的代理实现

    RPC Invoker：

    客户方实现：负责编码调用信息和发送调用请求到服务方并等待调用结果返回；

    服务方实现：负责调用服务端接口的具体实现并返回调用结果

    RPC Protocol：负责协议编/解码

    RPC Connector：负责维持客户方和服务方的连接通道和发送数据到服务方

    RPC Acceptor：负责接收客户方请求并返回请求结果

    RPC Processor：负责在服务方控制调用过程，包括管理调用线程池、超时时间等

    RPC Channel：数据传输通道

5.2 序列化

    RPC实现另一台机器的调用通信，本质上是借助底层TCP/IP协议，通过序列化和反序列化实现的。

    序列化把对象转换为可传输的二进制。可以采用JDK（仅适用于Java），JSON（跨语言，文本化，比二进制包大，性能稍差），Hessian，Protobuf（使用IDL文件，对数据类型做了约定，跨语言能力强）。

    反序列化安全问题，采用白名单：

    1、扫描接口类声明的类型

    2、系统内置白名单

    3、用户定义白名单

5.3 服务发现

    服务发现：

    调用方和提供方通过注册中心实现函数（地址）的发布和订阅，提供方将自己的函数注册到注册中心，调用方到注册中心订阅相应的函数。

    健康检查：

 

    通过状态机实现节点假死的转移。

    通过心跳机制将亚健康的节点转换为死亡状态，然后还可以通过探活机制实现节点状态的检查。

5.4 负载方式

    负载均衡：

    负载方式：

    1、随机负载

    2、一致性hash负载

    3、自适应负载（计算TPS，利用率等计算出权重）

    集群策略：

 

    集群策略：快速失败，失败重试，定点调用

5.5 流量控制

    服务端流量控制：

 

    流量控制方案：

    1、识别调用来源

    2、单节点限流：平滑限流算法

    3、集群限流

5.6 分组部署

5.7 安全认证

 

06 特点

    优点：

    1、长链接，不必每次通信都要像http一样去3次握手什么的，减少了网络开销；

    2、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；

    3、提升系统可扩展性；

    4、提升系统可维护性和持续交付能力；

    5、实现系统高可用。

    缺点：

    1、一个完善的RPC框架开发难度大；

    2、RPC框架调用成功率受限于网络状况；

    3、调用远程方法对初学者来说难度大。

07 框架

    Dubbo

    Dubbo是阿里巴巴开源的一个Java高性能优秀的服务框架，可以和Spring框架无缝集成。

    Montan

    Montana是新浪微博开源的一个Java框架。

    Spring Cloud

    rpcx

    rpcx是go语言生态圈的Dubbo。

    gRPC

    gRPC是Google开发的高性能、通用的开源RPC框架。

    gsaop

    gsoap更适合C/C++程序，重量级应用。

    Thrift

    适合Java程序，中量级应用。

    rest

    适合脚本语言，轻量级应用。

    对比

 

08 应用

    RPC在我们熟悉的各种中间件中都有它的身影。我们这里说的RPC指的是广义的RPC，即分布式系统的通信技术。

8.1 Nginx与RPC

Nginx和后端服务之间的交互在本质上也可以理解为RPC数据交互。

8.2 Hadoop与RPC

    Hadoop文件系统HDFS，一般包括一个NameNode和多个DataNode，NameNode和DataNode之间就是通过一种称为Hadoop RPC的二进制协议进行通讯。

8.3 TensorFlow与RPC

    Tensorflow Cluster的RPC通讯框架使用了Google内部自研的gRPC框架。

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