gRPC基础讲解

news2024/12/28 18:02:26

一、gRPC原理

1、什么是RPC

RPC 即远程过程调用协议（Remote Procedure Call Protocol），可以让我们像调用本地函数一样发起远程调用。RPC 凭借其强大的治理功能，成为解决分布式系统通信问题的一大利器。

gRPC是一个现代的、高性能、开源的和语言无关的通用 RPC 框架（g就是谷歌的意思），基于 HTTP2 协议设计，序列化使用 PB(Protocol Buffer)，PB 是一种语言无关的高性能序列化框架，基于 HTTP2+PB 保证了的高性能。

上面的图就是一个客户端远程连接一个服务器，调用它的函数。由于使用了 PB 所以双方都要有 PB 序列化和反序列化。那么上面的操作就是通过PB序列化后，通过网络HTTP2发送给服务端，然后解析并执行，最后返回。

2、gRPC的特性

1. gRPC基于服务的思想：定义一个服务，描述这个服务的方法以及入参出参，服务器端有这个服务的具体实现，客户端保有一个存根，提供与服务端相同的服务。

2. gRPC默认采用protocol buffer作为IDL(Interface Description Lanage)接口描述语言,服务之间通信的数据序列化和反序列化也是基于protocol buffer的，因为protocol buffer的特殊性，所以gRPC 框架是跨语言的通信框架(与编程语言无关性)，也就是说用Java开发的基于gRPC的服务，可以用 GoLang编程语言调用。

3. gRPC同时支持同步调用和异步调用，同步RPC调用时会一直阻塞直到服务端处理完成返回结果，异步RPC是客户端调用服务端时不等待服务段处理完成返回，而是服务端处理完成后主动回调客户端告诉客户端处理完成。

4. gRPC是基于http2协议实现的，http2协议提供了很多新的特性，并且在性能上也比http1提搞了许多，所以gRPC的性能是非常好的。

5. gRPC并没有直接实现负载均衡和服务发现的功能，但是已经提供了自己的设计思路。已经为命名解析和负载均衡提供了接口。

6. 基于http2协议的特性：gRPC允许定义如下四类服务方法：

1. 一元RPC：客户端发送一次请求，等待服务端响应结构，会话结束，就像一次普通的函数调用这样简单。

2. 服务端流式RPC：客户端发起一起请求，服务端会返回一个流，客户端会从流中读取一系列消息，直到没有结果为止。

3. 客户端流式RPC：客户端提供一个数据流并写入消息发给服务端，一旦客户端发送完毕，就等待服务器读取这些消息并返回应答。

4. 双向流式RPC：客户端和服务端都一个数据流，都可以通过各自的流进行读写数据，这两个流是相互独立的，客户端和服务端都可以按其希望的任意顺序读写。

3、gRPC的使用场景

服务间通信：gRPC非常适合用于微服务架构中，为服务之间的通信提供高性能、类型安全和易于维护的通信机制。它支持多种编程语言，使得不同微服务可以使用不同的编程语言实现，同时轻松地进行跨语言通信。

分布式系统通信：在分布式系统中，gRPC可用于不同节点之间的通信，包括数据同步、任务分发和集群管理等场景。

4、gRPC设计的动机

1、协议可插拔：不同的服务可能需要使用不同的消息通信类型和编码机制，例如，JSON、XML和 Thirft,所以协议应允许可插拔机制，还有负载均衡，服务发现，日志，监控等都支持可插拔机制。

2、阻塞和非阻塞：支持客户端和服务器交换的消息序列的异步和同步处理。这对于在某些平台上扩展和处理至关重要。

3、流处理：存储系统依靠流和流控制来表达大型数据集，其他服务，如语音到文本或股票行情，依赖于流来表示与时间相关的消息序列。

4、流控制：计算能力和网络容量在客户端和服务器之间通常是不平衡的。流控制允许更好的缓冲区管理，以及过度活跃的对等体提供对DOS的保护。

5、互通性：报文协议必须遵循普通互联网基础框架。

二、数据封装和数据传输问题

1、网络传输中的内容封装数据体积问题

我们都知道json格式，json格式更利于人的观看，而Protobuf是二进制数据，更加利于机器。

JSON

优点：在body中用JSON对内容进行编码，极易跨语言，不需要约定特定的复杂编码格式和Stub文件。在版本兼容性上非常友好，扩展也很容易。

缺点：JSON难以表达复杂的参数类型，如结构体等；数据冗余和低压缩率使得传输性能差。

因此gRPC丢弃json、xml这种传统策略，使用 Protocol Buffer，gRPC是Google开发的一种跨语言、跨平台、可扩展的用于序列化数据协议。

2、HTTP效率

HTTP1.0：每个请求都需要与服务器建立一个新的TCP连接，并且在请求完成后立即关闭连接。这意味着如果需要发送多个请求，就需要建立多个TCP连接，这会增加网络开销和延迟。尽管HTTP1.0默认使用无连接，但通过在请求头中设置Connection字段为Keep-Alive，可以保持TCP连接不断开，从而减少网络开销和延迟。

HTTP1.1 Pipeline（顺序）：默认支持长连接，允许在同一个TCP连接中发送多个请求和接收多个响应，但是在同一个TCP连接中，没办法区分response是属于哪个请求，一旦多个请求返回的文本内容混在一起，则没法区分数据归属于哪个请求，所以请求只能一个个串行排队发送（管道化技术）。这直接导致了TCP资源的闲置。虽然服务器仍然需要按照请求的顺序发送响应，但管道化技术可以减少网络延迟和提高传输效率。

HTTP2.0 Duplexing （谁快谁先）：提出了流的概念，每一次请求对应一个流，有一个唯一ID，用来区分不同的请求。基于流的概念，进一步提出了帧，一个请求的数据会被分成多个帧，方便进行数据分割传输，每个帧都唯一属于某一个流ID，将帧按照流ID进行分组，即可分离出不同的请求。这样同一个TCP连接中就可以同时并发多个请求，不同请求的帧数据可穿插在一起，根据流ID分组即可。HTTP2.0基于这种二进制协议的乱序模式 (Duplexing)，直接解决了HTTP1.1的核心痛点，通过这种复用TCP连接的方式，不用再同时建多个连接，提升了TCP的利用效率。

gRPC采用HTTP2.0，相对于HTTP1.0 在更快的传输和更低的成本两个目标上做了改进。有以下几个基本点：

HTTP2 未改变HTTP的语义(如GET/POST等)，只是在传输上做了优化。

引入帧、流的概念，在TCP连接中，可以区分出多个request/response。

一个域名只会有一个TCP连接，借助帧、流可以实现多路复用，降低资源消耗。

引入二进制编码，降低header带来的空间占用。

三、gPRC四种模式

1、一元RPC模式

一元 RPC 模式也被称为简单 RPC 模式。在该模式中，当客户端调用服务器端的远程方法时，客户端发送请求至服务器端并获得一个响应，与响应一起发送的还有状态细节以及 trailer 元数据。

2、服务器端流RPC模式

在一元 RPC 模式中，gRPC 服务器端和 gRPC 客户端在通信时始终只有一个请求和一个响应。在服务器端流 RPC 模式中，服务器端在接收到客户端的请求消息后，会发回一个响应的序列。这种多个响应所组成的序列也被称为“流”。在将所有的服务器端响应发送完毕之后，服务器端会以 trailer 元数据的形式将其状态发送给客户端，从而标记流的结束。

比如我们搜索一块地方的全部旅游景点，我们发送一个请求，那么会返回多个旅游景点。