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。

作者：李金葵

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范或協議，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 公布的開源軟件，基于***的 HTTP 2.0 協議，并支持常見的眾多編程語言。RPC 框架是基于 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，應用對于底層的 RPC 通訊等都是透明的。不過這個對于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為出名的 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”就指明了程序如何進行網絡傳輸和序列化。

圖 1：完整 RPC 架構圖

如下是 Dubbo 的設計架構圖，分層清晰，功能復雜：

圖 2：Dubbo 架構圖

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：

圖 3：RPC 核心功能

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。

圖 4：RPC 核心功能圖

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并進行解包，然后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。

Python 自帶 RPC Demo

Server.py：

from SimpleXMLRPCServer import SimpleXMLRPCServer def fun_add(a,b): totle = a + b return totle if __name__ == '__main__': s = SimpleXMLRPCServer(('0.0.0.0', 8080)) #開啟xmlrpcserver s.register_function(fun_add) #注冊函數fun_add print "server is online..." s.serve_forever() #開啟循環等待

Client.py：

from xmlrpclib import ServerProxy #導入xmlrpclib的包 s = ServerProxy("http://17171.5.205:8080") #定義xmlrpc客戶端 print s.fun_add(2,3)

開啟服務端：

開啟客戶端：

Wireshark 抓包分析過程

客戶端去往服務端：

• 客戶端 IP：172.171.4.176
• 服務端 IP：172.171.5.95

通信使用 HTTP 協議，XML 文件傳輸格式。傳輸的字段包括：方法名 methodName，兩個參數 2，3。

圖 5：Request 抓包

服務端返回結果，字段返回值 Value，結果是 5：

圖 6：Response 抓包

在這兩次網絡傳輸中使用了 HTTP 協議，建立 HTTP 協議之間有 TCP 三次握手，斷開 HTTP 協議時有 TCP 四次揮手。

圖 7：基于 HTTP 協議的 RPC 連接過程

詳細調用過程

Python 自帶 RPC 的 Demo 小程序的實現過程，流程和分工角色可以用下圖來表示：

圖 8：RPC 調用詳細流程圖

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)接收到調用請求后負責將方法、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，并且將消息通過網絡發送給服務端。
• 服務端存根(Server Stub)收到消息后進行解碼(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，并進行解碼(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，因為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。然后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，然后把它傳給服務端，服務端也通過查表，來確定客戶端需要調用的函數，然后執行相應函數的代碼。

實現方式：服務注冊中心。

要調用服務，首先你需要一個服務注冊中心去查詢對方服務都有哪些實例。Dubbo 的服務注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。

圖 9：RMI 架構圖

Registry(服務發現)：借助 JNDI 發布并調用了 RMI 服務。實際上，JNDI 就是一個注冊表，服務端將服務對象放入到注冊表中，客戶端從注冊表中獲取服務對象。

RMI 服務在服務端實現之后需要注冊到 RMI Server 上，然后客戶端從指定的 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后，要對外暴露，如果沒有服務注冊，則客戶端是無從調用的，即使服務端的服務就在那里。

序列化和反序列化

客戶端怎么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里，然后讓函數自己去棧里讀就行。

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，傳給服務端后，再把字節流轉成自己能讀取的格式。

只有二進制數據才能在網絡中傳輸，序列化和反序列化的定義是：

• 將對象轉換成二進制流的過程叫做序列化
• 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

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 和序列化后的參數字節流傳給服務端，然后再把序列化后的調用結果傳回客戶端。

只要能完成這兩者的，都可以作為傳輸層使用。因此，它所使用的協議其實是不限的，能完成傳輸就行。

盡管大部分 RPC 框架都使用 TCP 協議，但其實 UDP 也可以，而 gRPC 干脆就用了 HTTP2。

TCP 的連接是最常見的，簡要分析基于 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，調用結束后就立馬斷掉)，也可以是長連接(客戶端和服務器建立起連接之后保持長期持有，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。

圖 10：網絡傳輸

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。

基于 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，并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后傳遞給服務的提供方，服務的提供方反序列化后再利用反射調用相關的方法。

***將結果返回給服務的調用方，整個基于 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。

基于 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。

其大致流程為：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 數據解析后的結果，***返回 JOSN 或者 XML 的數據結果。

由于目前有很多開源的 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

基于 TCP 的協議實現的 RPC 調用，由于 TCP 協議處于協議棧的下層，能夠更加靈活地對協議字段進行定制，減少網絡開銷，提高性能，實現更大的吞吐量和并發數。

但是需要更多關注底層復雜的細節，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。

基于 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 作為通用的格式標準(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。

但是由于 HTTP 協議是上層協議，發送包含同等內容的信息，使用 HTTP 協議傳輸所占用的字節數會比使用 TCP 協議傳輸所占用的字節數更高。

因此在同等網絡下，通過 HTTP 協議傳輸相同內容，效率會比基于 TCP 協議的數據效率要低，信息傳輸所占用的時間也會更長，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。

正是由于使用了 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，這樣做的目的是為了保證 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。

RabbitMQ 簡介

以下摘錄自知乎：

對于初學者，舉一個飯店的例子來解釋這三個分別是什么吧。不是***恰當，但是應該足以解釋這三者的區別。

RPC：假設你是一個飯店里的服務員，顧客向你點菜，但是你不會做菜，所以你采集了顧客要點什么之后告訴后廚去做顧客點的菜，這叫 RPC(remote procedure call)，因為廚房的廚師相對于服務員而言是另外一個人(在計算機的世界里就是 Remote 的機器上的一個進程)。廚師做好了的菜就是RPC的返回值。

任務隊列和消息隊列：本質都是隊列，所以就只舉一個任務隊列的例子。假設這個飯店在高峰期顧客很多，而廚師只有很少的幾個，所以服務員們不得不把單子按下單順序放在廚房的桌子上，供廚師們一個一個做，這一堆單子就是任務隊列，廚師們每做完一個菜，就從桌子上的訂單里再取出一個單子繼續做菜。

角色分擔如下圖：

圖 11：RabbitMQ 在 RPC 中角色

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，并且強耦合。使用消息隊列可以輕松將同步請求變成異步請求。
• 低內聚高耦合：解耦，減少強依賴。
• 流量削峰：通過消息隊列設置請求***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 的創建和銷毀開銷大，創建 3 次握手，銷毀 4 次分手，高峰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 采用信道通信，不采用 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***條信道(硬盤容量足夠的話)，不會造成性能瓶頸。

RabbitMQ 的三種類型的交換器

RabbitMQ 使用 Exchange(交換機)和 Queue(隊列)來實現消息隊列。

在 RabbitMQ 中一共有三種交換機類型，每一種交換機類型都有很鮮明的特征。

基于這三種交換機類型，OpenStack 完成兩種 RPC 的調用方式。首先簡單介紹三種交換機。

圖 12：RabbitMQ 架構圖

①廣播式交換器類型(Fanout)

該類交換器不分析所接收到消息中的 Routing Key，默認將消息轉發到所有與該交換器綁定的隊列中去。

圖 13：廣播式交換機

②直接式交換器類型(Direct)

該類交換器需要精確匹配 Routing Key 與 Binding Key，如消息的 Routing Key = Cloud，那么該條消息只能被轉發至 Binding Key = Cloud 的消息隊列中去。

圖 14：直接式交換機

③主題式交換器(Topic Exchange)

該類交換器通過消息的 Routing Key 與 Binding Key 的模式匹配，將消息轉發至所有符合綁定規則的隊列中。

Binding Key 支持通配符，其中“*”匹配一個詞組，“#”匹配多個詞組(包括零個)。

圖 15：主題式交換機

注：以上四張圖片來自博客園，如有侵權，請聯系作者：https://www.cnblogs.com/dwlsxj/p/RabbitMQ.html。

當生產者發送消息 Routing Key=F.C.E 的時候，這時候只滿足 Queue1，所以會被路由到 Queue 中。

如果 Routing Key=A.C.E 這時候會被同時路由到 Queue1 和 Queue2 中，如果 Routing Key=A.F.B 時，這里只會發送一條消息到 Queue2 中。

Nova 基于 RabbitMQ 實現兩種 RPC 調用：

• RPC.CALL(調用)
• RPC.CAST(通知)

其中 RPC.CALL 基于請求與響應方式，RPC.CAST 只是提供單向請求，兩種 RPC 調用方式在 Nova 中均有典型的應用場景。

RPC.CALL

RPC.CALL 是一種雙向通信流程，即 RabbitMQ 接收消息生產者生成的系統請求消息，消息消費者經過處理之后將系統相應結果反饋給調用程序。

圖 16：RPC.CALL 原理圖

一個用戶通過 Dashboard 創建一個虛擬機，界面經過消息封裝后發送給 NOVA-API。

NOVA-API 作為消息生產者，將該消息以 RPC.CALL 方式通過 Topic 交換器轉發至消息隊列。

此時，Nova-Compute 作為消息消費者，接收該信息并通過底層虛擬化軟件執行相應虛擬機的啟動進程。

待用戶虛擬機成功啟動之后，Nova-Compute 作為消息生產者通過 Direct 交換器和響應的消息隊列將虛擬機啟動成功響應消息反饋給 Nova-API。

此時 Nova-API 作為消息消費者接收該消息并通知用戶虛擬機啟動成功。

RPC.CALL 工作原理如下圖：

圖 17：RPC.CALL 具體實現圖

工作流程：

• 客戶端創建 Message 時指定 reply_to 隊列名、correlation_id 標記調用者。
• 通過隊列，服務端收到消息。調用函數處理，然后返回。
• 返回的隊列是 reply_to 指定的隊列，并攜帶 correlation_id。
• 返回消息到達客戶端，客戶端根據 correlation_id 判斷是哪一個函數的調用返回。

如果有多個線程同時進行遠程方法調用，這時建立在 Client Server 之間的 Socket 連接上會有很多雙方發送的消息傳遞，前后順序也可能是隨機的。

Server 處理完結果后，將結果消息發送給 Client，Client 收到很多消息，怎么知道哪個消息結果是原先哪個線程調用的?

Client 線程每次通過 Socket 調用一次遠程接口前，生成一個唯一的 ID，即 Request ID(Request ID必需保證在一個 Socket 連接里面是唯一的)，一般常常使用 AtomicLong 從 0 開始累計數字生成唯一 ID。

RPC.CAST

RPC.CAST 的遠程調用流程與 RPC.CALL 類似，只是缺少了系統消息響應流程。

一個 Topic 消息生產者發送系統請求消息到 Topic 交換器，Topic 交換器根據消息的 Routing Key 將消息轉發至共享消息隊列。

與共享消息隊列相連的所有 Topic 消費者接收該系統請求消息，并把它傳遞給響應的服務端進行處理。

其調用流程如圖所示：

圖 18：RPC.CAST 原理圖

連接設計

RabbitMQ 實現的 RPC 對網絡的一般設計思路：消費者是長連接，發送者是短連接。但可以自由控制長連接和短連接。

一般消費者是長連接，隨時準備接收處理消息;而且涉及到 RabbitMQ Queues、Exchange 的 auto-deleted 等沒特殊需求沒必要做短連接。發送者可以使用短連接，不會長期占住端口號，節省端口資源。

Nova 中 RPC 代碼設計：

簡單對比 RPC 和 Restful API

RESTful API 架構

REST ***的幾個特點為：資源、統一接口、URI 和無狀態。

①資源

所謂"資源"，就是網絡上的一個實體，或者說是網絡上的一個具體信息。它可以是一段文本、一張圖片、一首歌曲、一種服務，就是一個具體的實在。

②統一接口

RESTful 架構風格規定，數據的元操作，即 CRUD(Create，Read，Update 和 Delete，即數據的增刪查改)操作，分別對應于 HTTP 方法：GET 用來獲取資源，POST 用來新建資源(也可以用于更新資源)，PUT 用來更新資源，DELETE 用來刪除資源，這樣就統一了數據操作的接口，僅通過 HTTP 方法，就可以完成對數據的所有增刪查改工作。

③URL

可以用一個 URI(統一資源定位符)指向資源，即每個 URI 都對應一個特定的資源。

要獲取這個資源，訪問它的 URI 就可以，因此 URI 就成了每一個資源的地址或識別符。

④無狀態

所謂無狀態的，即所有的資源，都可以通過 URI 定位，而且這個定位與其他資源無關，也不會因為其他資源的變化而改變。有狀態和無狀態的區別，舉個簡單的例子說明一下。

如查詢員工的工資，如果查詢工資是需要登錄系統，進入查詢工資的頁面，執行相關操作后，獲取工資的多少，則這種情況是有狀態的。

因為查詢工資的每一步操作都依賴于前一步操作，只要前置操作不成功，后續操作就無法執行。

如果輸入一個 URI 即可得到指定員工的工資，則這種情況是無狀態的，因為獲取工資不依賴于其他資源或狀態。

且這種情況下，員工工資是一個資源，由一個 URI 與之對應，可以通過 HTTP 中的 GET 方法得到資源，這是典型的 RESTful 風格。

RPC 和 Restful API 對比

面對對象不同：

• RPC 更側重于動作。
• REST 的主體是資源。

RESTful 是面向資源的設計架構，但在系統中有很多對象不能抽象成資源，比如登錄，修改密碼等而 RPC 可以通過動作去操作資源。所以在操作的全面性上 RPC 大于 RESTful。

傳輸效率：

• RPC 效率更高。RPC，使用自定義的 TCP 協議，可以讓請求報文體積更小，或者使用 HTTP2 協議，也可以很好的減少報文的體積，提高傳輸效率。

復雜度：

• RPC 實現復雜，流程繁瑣。
• REST 調用及測試都很方便。

RPC 實現(參見***節)需要實現編碼，序列化，網絡傳輸等。而 RESTful 不要關注這些，RESTful 實現更簡單。

靈活性：

• HTTP 相對更規范，更標準，更通用，無論哪種語言都支持 HTTP 協議。
• RPC 可以實現跨語言調用，但整體靈活性不如 RESTful。

總結

RPC 主要用于公司內部的服務調用，性能消耗低，傳輸效率高，實現復雜。

HTTP 主要用于對外的異構環境，瀏覽器接口調用，App 接口調用，第三方接口調用等。

RPC 使用場景(大型的網站，內部子系統較多、接口非常多的情況下適合使用 RPC)：

• 長鏈接。不必每次通信都要像 HTTP 一樣去 3 次握手，減少了網絡開銷。
• 注冊發布機制。RPC 框架一般都有注冊中心，有豐富的監控管理;發布、下線接口、動態擴展等，對調用方來說是無感知、統一化的操作。
• 安全性，沒有暴露資源操作。
• 微服務支持。就是最近流行的服務化架構、服務化治理，RPC 框架是一個強力的支撐。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的第三十四期:花了一个星期，我终于把RPC框架整明白了！的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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