一文带你了解RPC框架和实现原理

一、介绍

RPC（Remote Procedure Call）：远程过程调用，它是一种通过网络从远程计算机程序上请求服务，而不需要了解底层网络技术的思想。

RPC 是一种技术思想而非一种规范或协议，常见RPC技术和框架有：

• 应用级的服务框架：阿里的 Dubbo/Dubbox、Google gRPC、Spring Boot/Spring Cloud。
• 远程通信协议：RMI、Socket、SOAP(HTTP XML)、REST(HTTP JSON)。
• 通信框架：MINA 和Netty。

下面重点介绍三种：

• gRPC：是 Google 公布的开源软件，基于最新的 HTTP 2.0协议，并支持常见的众多编程语言。RPC框架是基于 HTTP协议实现的，底层使用到了Netty 框架的支持。
• Thrift：是 Facebook的开源RPC框架，主要是一个跨语言的服务开发框架。 用户只要在其之上进行二次开发就行，应用对于底层的 RPC 通讯等都是透明的。不过这个对于用户来说需要学习特定领域语言这个特性，还是有一定成本的。
• Dubbo：是阿里集团开源的一个极为出名的 RPC框架，在很多互联网公司和企业应用中广泛使用。协议和序列化框架都可以插拔是极其鲜明的特色。

二、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。

1、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：

2、RPC组成部分

一个 RPC 的核心功能主要有 5个部分组成，分别是：客户端、客户端Stub、网络传输模块、服务端 Stub、服务端等。

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。

如果网络传输中使用的是HTTP协议，建立HTTP协议之间有 TCP三次握手，断开HTTP协议时有TCP四次挥手:

3、详细调用过程

RPC 实现流程和分工角色可以用下图来表示：

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。

4、RPC 核心之功能实现

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

4.1、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。

要调用服务，首先你需要一个服务注册中心去查询对方服务都有哪些实例。Dubbo的服务注册中心是可以配置的，官方推荐使用Zookeeper。

实现案例：RMI（Remote Method Invocation，远程方法调用）也就是RPC本身的实现方式。

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。

4.2、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。

• 对象转换为有序字节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。

4.3、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

要实现一个 RPC，需要选择网络传输的方式。

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。

每一种协议对整体的性能和效率都有不同的影响，如何选择一个正确的网络传输协议呢？首先要搞明白各种传输协议在RPC 中的工作方式。

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。

最后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，最后返回 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。