RPC简介及框架选择

简单介绍RPC协议及常见框架,对比传统restful api和RPC方式的优缺点。常见RPC框架,gRPC及序列化方式Protobuf等

HTTP协议

http协议是基于tcp协议的,tcp协议是流式协议,包头部分可以通过多出的\r\n来分界,包体部分如何分界呢?这是协议本身要解决的问题。目前一般有两种方式,第一种方式就是在包头中有个content-Length字段,这个字段的值的大小标识了POST数据的长度,服务器收到一个数据包后,先从包头解析出这个字段的值,再根据这个值去读取相应长度的作为http协议的包体数据。
浏览器connect 80端口

RESTful API (http+json)

理解RESTful架构 - 阮一峰
REST 架构该怎么生动地理解? - 覃超的回答 - 知乎

网站即软件,而且是一种新型的软件,这种"互联网软件"采用客户端/服务器模式,建立在分布式体系上,通过互联网通信,具有高延时(high latency)、高并发等特点。
  它首次出现在 2000 年 Roy Fielding 的博士论文中,他是 HTTP 规范的主要编写者之一。Representational State Transfer,翻译是”表现层状态转化”,通俗来讲就是:资源在网络中以某种表现形式进行状态转移。
总结一下什么是RESTful架构:
  (1)每一个URI代表一种资源;
  (2)客户端和服务器之间,传递这种资源的某种表现层,比如用JSON,XML,JPEG等;
  (3)客户端通过四个HTTP动词,对服务器端资源进行操作,实现"表现层状态转化"。

URL定位资源,用HTTP动词(GET,POST,DELETE,DETC)描述操作。
用HTTP协议里的动词来实现资源的添加,修改,删除等操作。即通过HTTP动词来实现资源的状态扭转:
  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。

RPC

进程间通信(IPC,Inter-Process Communication),指至少两个进程或线程间传送数据或信号的一些技术或方法。进程是计算机系统分配资源的最小单位。每个进程都有自己的一部分独立的系统资源,彼此是隔离的。为了能使不同的进程互相访问资源并进行协调工作,才有了进程间通信。这些进程可以运行在同一计算机上或网络连接的不同计算机上。 进程间通信技术包括消息传递、同步、共享内存和远程过程调用。 IPC是一种标准的Unix通信机制。

有两种类型的进程间通信(IPC)。

  • 本地过程调用(LPC)LPC用在多任务操作系统中,使得同时运行的任务能互相会话。这些任务共享内存空间使任务同步和互相发送信息。
  • 远程过程调用(RPC)RPC类似于LPC,只是在网上工作。RPC开始是出现在Sun微系统公司和HP公司的运行UNIX操作系统的计算机中。

为什么RPC呢?就是无法在一个进程内,甚至一个计算机内通过本地调用的方式完成的需求,比如比如不同的系统间的通讯,甚至不同的组织间的通讯。由于计算能力需要横向扩展,需要在多台机器组成的集群上部署应用

RPC的核心并不在于使用什么协议。RPC的目的是让你在本地调用远程的方法,而对你来说这个调用是透明的,你并不知道这个调用的方法是部署哪里。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。简单的实现可以参考spring remoting,复杂的实现可以参考dubbo。

简单的说,

  • RPC就是从一台机器(客户端)上通过参数传递的方式调用另一台机器(服务器)上的一个函数或方法(可以统称为服务)并得到返回的结果。
  • RPC 会隐藏底层的通讯细节(不需要直接处理Socket通讯或Http通讯) RPC 是一个请求响应模型。
  • 客户端发起请求,服务器返回响应(类似于Http的工作方式) RPC 在使用形式上像调用本地函数(或方法)一样去调用远程的函数(或方法)。

RPC通信过程

RPC架构简单理解
远程过程调用(RPC)详解

默认socket通信。本地机器的RPC框架反序列化出执行结果,函数return这个结果


RPC通信过程

RPC和restful api对比

* REST vs JSON-RPC? - stackoverflow
既然有http 请求,为什么还要用rpc调用? - 手不要乱摸的回答 - 知乎
为什么需要RPC,而不是简单的HTTP接口

REST是一种设计风格,它的很多思维方式与RPC是完全冲突的。 RPC的思想是把本地函数映射到API,也就是说一个API对应的是一个function,我本地有一个getAllUsers,远程也能通过某种约定的协议来调用这个getAllUsers。至于这个协议是Socket、是HTTP还是别的什么并不重要; RPC中的主体都是动作,是个动词,表示我要做什么。 而REST则不然,它的URL主体是资源,是个名词。而且也仅支持HTTP协议,规定了使用HTTP Method表达本次要做的动作,类型一般也不超过那四五种。这些动作表达了对资源仅有的几种转化方式。
RPC的根本问题是耦合。RPC客户端以多种方式与服务实现紧密耦合,并且很难在不中断客户端的情况下更改服务实现。RPC更偏向内部调用,REST更偏向外部调用。

Web 服务应该算是 RPC 的一个子集,理论上 RPC 能实现的功能, 用 Web 服务也能实现,甚至很多 RPC 框架选用 HTTP 协议作为传输层。
现在很多网站的 API 都是以 HTTP 服务的形式提供的,这也算是 RPC 的一种形式。

区别主要在这 2 个东西设计的出发点不太一样:

  • HTTP 是面向浏览器设计的应用层协议,操作的核心在资源。我们更多的用 Web 服务在做网站。
  • RPC 是为了在像在本地调用一个函数那样调用远程的代码而设计的,所以更关注减少本地调用和远程调用的差异,像 SOAP(简单对象访问协议) 这种东西是可以把对象当参数传的。

我们讨论 RPC 和 Web 的区别,其实是在谈论 2 个东西:序列化协议和传输协议。序列化协议比如常见的 XML,JSON 和比较现代的 Protocol Buffers、Thrift。 传输协议比如 TCP、UDP 以及更高层的 HTTP 1.1、HTTP 2.0。

一般我们考虑用 RPC 而不是 HTTP 构建自己的服务,通常是考虑到下面的因素:

  • 接口是否需要 Schema 约束
  • 是否需要更高效的传输协议(TCP,HTTP 2.0)
  • 是否对数据包的大小非常敏感

比如 HTTP 是基于文本的协议,头部有非常多冗余(对于 RPC 服务而言)。HTTP 中我们用的最多就是 RESTful ,而 RESTful 是个弱 Schema 约束,大家通过文档沟通,但是如果我就是不在实现的时候对接口文档约定的参数做检查,你也不能把我怎么样。这个时候 Thrift 这种序列化协议的优势就体现出来了,由于 Schema 的存在,可以保证服务端接受的参数和 Schema 保持一致。

RPC框架

谁能用通俗的语言解释一下什么是 RPC 框架? - 洪春涛的回答 - 知乎
常用的跨语言通信方案
深入浅出 RPC - 深入篇

  • Call ID映射。我们怎么告诉远程机器我们要调用Multiply,而不是Add或者FooBar呢?在本地调用中,函数体是直接通过函数指针来指定的,我们调用Multiply,编译器就自动帮我们调用它相应的函数指针。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 <--> Call ID} 的对应表。两者的表不一定需要完全相同,但相同的函数对应的Call ID必须相同。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。
  • 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。甚至有时候客户端和服务端使用的都不是同一种语言(比如服务端用C++,客户端用Java或者Python)。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。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。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。Java的Netty也属于这层的东西。

目前有很多Java的RPC框架,有基于Json的,有基于XML,也有基于二进制对象的。

论复杂度,RPC框架肯定是高于简单的HTTP接口的。但毋庸置疑,HTTP接口由于受限于HTTP协议,需要带HTTP请求头,导致传输起来效率或者说安全性不如RPC


RPC框架封装

常用RPC框架

支持Java最多,golang

  • Netty - Netty框架不局限于RPC,更多的是作为一种网络协议的实现框架,比如HTTP,由于RPC需要高效的网络通信,就可能选择以Netty作为基础。
  • brpc是一个基于protobuf接口的RPC框架,在百度内部称为“baidu-rpc”,它囊括了百度内部所有RPC协议,并支持多种第三方协议,从目前的性能测试数据来看,brpc的性能领跑于其他同类RPC产品。
  • Dubbo是Alibaba开发的一个RPC框架,远程接口基于Java Interface, 依托于Spring框架。
  • gRPC的Java实现的底层网络库是基于Netty开发而来,其Go实现是基于net库。
  • Thrift是Apache的一个项目(http://thrift.apache.org),前身是Facebook开发的一个RPC框架,采用thrift作为IDL (Interface description language)。
  • jsonrpc

JSON-RPC

python web接口实现(restful方式、jsonrpc方式)
区块链项目中用的较多?资料不是很多
JSON-RPC是一种序列化协议。JSON 是 JS 对象的字符串表示法,它使用文本表示一个 JS 对象的信息,本质是一个字符串。
非常简单,方便,速度慢
相关Python 包(直接集成到flask和django)
Flask-JSONRPC,django-json-rpc;jsonrpcserver,jsonrpcclient

thrift

Python RPC 之 Thrift
Facebook开源的跨语言RPC框架。

gRPC

gRPC 官方文档中文版
深入了解gRPC协议-知乎

  1. tensorflow分布式与tensorflow serving底层通信都是是用的grpc
    序列化用protobuf,通信使用http2
  2. latest Google APIs will have gRPC versions of their interfaces, letting you easily build Google functionality into your applications.
  3. 支持 C, C++, Node.js, Python, Ruby, Objective-C,PHP and C#

HTTP2

一文读懂 HTTP2 特性 - 又拍云的文章 - 知乎
HTTP/2 和 HTTP/1 速度对比
http://www.http2demo.io/
HTTP/2
HTTP/2 是 HTTP 协议自 1999 年 HTTP 1.1 发布后的首个更新,主要基于 SPDY 协议。
HTTP/2的主要目标是通过启用完整请求和响应复用来减少延迟,通过有效压缩HTTP头字段来最大限度地降低协议开销,并添加对请求优先级和服务器推送的支持;多路复用(同一tcp,多个流),头部压缩,服务推送。

Protobuf

常用的跨语言通信方案
Google Protocol Buffer 的使用和原理
Protobuf 语法指南
Protocol Buffers 是一种轻便高效的结构化数据存储格式,可以用于结构化数据串行化,或者说序列化。它很适合做数据存储或 RPC 数据交换格式。可用于通讯协议、数据存储等领域的语言无关、平台无关、可扩展的序列化结构数据格式。目前提供了 C++、Java、Python 三种语言的 API。
同 XML 相比, Protobuf 的主要优点在于性能高。它以高效的二进制方式存储,比 XML 小 3 到 10 倍,快 20 到 100 倍。

框架选择

gRPC vs Thrift
RPC框架性能基本比较测试
怎么看待谷歌的开源 RPC 框架 gRPC? - 知乎
微服务的服务间通信与服务治理
最佳实践 | 7大维度看国外企业为啥选择gRPC打造高性能微服务?

如何选择

什么时候应该选择gRPC而不是Thrift
  需要良好的文档、示例
  喜欢、习惯HTTP/2、ProtoBuf
  对网络传输带宽敏感
什么时候应该选择Thrift而不是gRPC
  需要在非常多的语言间进行数据交换
  对CPU敏感
  协议层、传输层有多种控制要求
  需要稳定的版本
  不需要良好的文档和示例

总的来说,Python rpc框架选择较少,thrift性能最好,grpc性能比thrift稍差,原因是多了http2,而thrift直接基于tcp,但grpc序列化方案更通用(protobuf)优秀,文档较好;
jsonrpc 本身基于http/1进行通信,速度最慢,相对于之前速度无提升,只是接口和数据格式更为统一;

gRPC不足

1)GRPC尚未提供连接池
2)尚未提供“服务发现”、“负载均衡”机制
3)因为基于HTTP2,绝大部多数HTTP Server、Nginx都尚不支持,即Nginx不能将GRPC请求作为HTTP请求来负载均衡,而是作为普通的TCP请求。(nginx将会在1.9版本支持)

推荐阅读更多精彩内容