分布式服务框架设计和实现

1.分布式服务框架设计

分布式服务框架一般可以分为以下几个部分，

（1）RPC基础层：

包括底层通信框架，如NIO框架、通信协议，序列化和反序列化协议，
以及在这几部分上的封装，屏蔽底层通信细节和序列化方式差异

（2）服务发布/消费：

服务提供者根据消费者请求消息中的接口名，方法名，参数列表等信息，通过Java反射，调用本地的接口实现类；
服务消费者将服务提供者发布的接口封装成远程服务调用；

（3）服务调用链：

在服务调用的职责链中，通过在调用链切面的编码完成相关的监控和扩展，如负载均衡，服务调用性能统计，调用完成通知，
失败重发等功能

（4）服务注册中心：

注册中心负责服务的发布和通知，需要支持服务的平滑上线下线等

（5）服务治理中心：

服务治理中心是一个可视化的模块，提供对服务的可视化分析和维护，包括服务运行状态，调用关系和健康度等

 

下面以Dubbo为例来分析分布式服务框架的结构。

2.Dubbo的设计角色

（1）系统角色

Provider: 暴露服务的服务提供方。
Consumer: 调用远程服务的服务消费方。
Registry: 服务注册与发现的注册中心。
Monitor: 统计服务的调用次调和调用时间的监控中心。
Container: 服务运行容器。

（2）调用关系

服务容器负责启动，加载，运行服务提供者。
服务提供者在启动时，向注册中心注册自己提供的服务。
服务消费者在启动时，向注册中心订阅自己所需的服务。
注册中心返回服务提供者地址列表给消费者，如果有变更，注册中心将基于长连接推送变更数据给消费者。
服务消费者，从提供者地址列表中，基于软负载均衡算法，选一台提供者进行调用，如果调用失败，再选另一台调用。
服务消费者和提供者，在内存中累计调用次数和调用时间，定时每分钟发送一次统计数据到监控中心

 

3.Dubbo是如何架构的

Dubbo的总体架构如图所示：

 

框架分层架构中，各个层次的设计要点：

服务接口层（Service）：该层是与实际业务逻辑相关的，根据服务提供方和服务消费方的业务设计对应的接口和实现。
配置层（Config）：对外配置接口，以ServiceConfig和ReferenceConfig为中心，可以直接new配置类，也可以通过spring解析配置生成配置类。
服务代理层（Proxy）：服务接口透明代理，生成服务的客户端Stub和服务器端Skeleton，以ServiceProxy为中心，扩展接口为ProxyFactory。
服务注册层（Registry）：封装服务地址的注册与发现，以服务URL为中心，扩展接口为RegistryFactory、Registry和RegistryService。可能没有服务注册中心，此时服务提供方直接暴露服务。
集群层（Cluster）：封装多个提供者的路由及负载均衡，并桥接注册中心，以Invoker为中心，扩展接口为Cluster、Directory、Router和LoadBalance。将多个服务提供方组合为一个服务提供方，实现对服务消费方来透明，只需要与一个服务提供方进行交互。
监控层（Monitor）：RPC调用次数和调用时间监控，以Statistics为中心，扩展接口为MonitorFactory、Monitor和MonitorService。
远程调用层（Protocol）：封将RPC调用，以Invocation和Result为中心，扩展接口为Protocol、Invoker和Exporter。Protocol是服务域，它是Invoker暴露和引用的主功能入口，它负责Invoker的生命周期管理。Invoker是实体域，它是Dubbo的核心模型，其它模型都向它靠扰，或转换成它，它代表一个可执行体，可向它发起invoke调用，它有可能是一个本地的实现，也可能是一个远程的实现，也可能一个集群实现。
信息交换层（Exchange）：封装请求响应模式，同步转异步，以Request和Response为中心，扩展接口为Exchanger、ExchangeChannel、ExchangeClient和ExchangeServer。
网络传输层（Transport）：抽象mina和netty为统一接口，以Message为中心，扩展接口为Channel、Transporter、Client、Server和Codec。
数据序列化层（Serialize）：可复用的一些工具，扩展接口为Serialization、 ObjectInput、ObjectOutput和ThreadPool。

4.Dubbo的底层实现

（1）协议支持

Dubbo支持多种协议，如下所示：
Dubbo协议 Hessian协议
HTTP协议 RMI协议
WebService协议
Thrift协议 Memcached协议 Redis协议
在通信过程中，不同的服务等级一般对应着不同的服务质量，那么选择合适的协议便是一件非常重要的事情。你可以根据你应用的创建来选择。例如，使用RMI协议，一般会受到防火墙的限制，所以对于外部与内部进行通信的场景，就不要使用RMI协议，而是基于HTTP协议或者Hessian协议。

（2）默认使用Dubbo协议

连接个数：单连接
连接方式：长连接
传输协议：TCP
传输方式：NIO异步传输
序列化：Hessian二进制序列化
适用范围：传入传出参数数据包较小（建议小于100K），消费者比提供者个数多，单一消费者无法压满提供者，尽量不要使用dubbo协议传输大文件或超大字符串
使用场景：常规远程服务方法调用
从上面的适用范围总结，dubbo适合小数据量大并发的服务调用，以及消费者机器远大于生产者机器数的情况，不适合传输大数据量的服务比如文件、视频等，除非请求量很低。

（3）Dubbo源码模块图

Dubbo以包结构来组织各个模块，各个模块及其关系，如图所示：

可以通过Dubbo的代码（使用Maven管理）组织，与上面的模块进行比较。简单说明各个包的情况：
dubbo-common 公共逻辑模块，包括Util类和通用模型。
dubbo-remoting 远程通讯模块，相当于Dubbo协议的实现，如果RPC用RMI协议则不需要使用此包。
dubbo-rpc 远程调用模块，抽象各种协议，以及动态代理，只包含一对一的调用，不关心集群的管理。
dubbo-cluster 集群模块，将多个服务提供方伪装为一个提供方，包括：负载均衡、容错、路由等，集群的地址列表可以是静态配置的，也可以是由注册中心下发。
dubbo-registry 注册中心模块，基于注册中心下发地址的集群方式，以及对各种注册中心的抽象。
dubbo-monitor 监控模块，统计服务调用次数，调用时间的，调用链跟踪的服务。
dubbo-config 配置模块，是Dubbo对外的API，用户通过Config使用Dubbo，隐藏Dubbo所有细节。
dubbo-container 容器模块，是一个Standalone的容器，以简单的Main加载Spring启动，因为服务通常不需要Tomcat/JBoss等Web容器的特性，没必要用Web容器去加载服务。

5.服务暴露和消费的详细过程

（1）服务提供者暴露一个服务的详细过程

服务提供者暴露服务的主过程：

首先ServiceConfig类拿到对外提供服务的实际类ref(如：HelloWorldImpl),然后通过ProxyFactory类的getInvoker方法使用ref生成一个AbstractProxyInvoker实例，

到这一步就完成具体服务到Invoker的转化。接下来就是Invoker转换到Exporter的过程。

Dubbo处理服务暴露的关键就在Invoker转换到Exporter的过程(如上图中的红色部分)，下面我们以Dubbo和RMI这两种典型协议的实现来进行说明：

Dubbo的实现

Dubbo协议的Invoker转为Exporter发生在DubboProtocol类的export方法，它主要是打开socket侦听服务，并接收客户端发来的各种请求，通讯细节由Dubbo自己实现。

RMI的实现

RMI协议的Invoker转为Exporter发生在RmiProtocol类的export方法，
它通过Spring或Dubbo或JDK来实现RMI服务，通讯细节这一块由JDK底层来实现，这就省了不少工作量。

（2）服务消费者消费一个服务的详细过程

服务消费的主过程：

首先ReferenceConfig类的init方法调用Protocol的refer方法生成Invoker实例(如上图中的红色部分)，这是服务消费的关键。

接下来把Invoker转换为客户端需要的接口(如：HelloWorld)。

 

参考自 

Dubbo官方文档

Dubbo架构设计详解

阿里架构之旅（二）——Dubbo解析