Go语言高并发与微服务实战专题精讲——远程过程调用 RPC——RPC相关的基础知识和原理

远程过程调用 RPC——RPC相关的基础知识和原理

  在微服务架构中，各个服务实例专注于处理特定业务领域的逻辑。为了实现整体业务流程，这些服务实例之间必须进行频繁的交互。它们之间的通信依赖于轻量级的远程调用方式，如RPC（远程过程调用）和HTTP。尽管HTTP是应用层协议，但RPC在网络协议方面具有更大的灵活性和可定制性，其调用方式更接近本地方法调用。因此，在微服务架构中，RPC常被选为远程调用的首选方式。

  RPC，即远程过程调用的英文缩写，允许通过网络从远程计算机程序上请求服务，而无需深入了解底层的网络技术细节。实际上，RPC不仅是一套协议，还是一种框架设计的规范。基于这套规范，有多种RPC框架得以实现，其中Dubbo、Thrift和gRPC都是典型的代表。这些框架使得远程服务调用更加高效且易于管理，从而极大地促进了微服务架构的发展与应用。

一、RPC机制及其历史背景

  RPC，即远程过程调用，是实现远程服务交互的一种重要方式。在RPC中，涉及到调用方和被调用方两个独立进程的交互。这种交互方式被设计得与本地方法调用非常相似，从而为调用方提供了极大的便利。

  对于调用方来说，使用RPC调用远程服务与调用本地方法并没有明显的差异。这种设计使得开发者能够像调用本地函数一样轻松地调用远程服务，而无需关心底层的通信细节和网络传输。这种无缝的集成方式大大提高了开发的效率和代码的可读性。

  具体来说，当调用方需要调用一个远程服务时，它只需要像调用本地方法一样发出调用请求。RPC框架会负责将请求序列化成网络传输的格式，并将其发送到被调用方。被调用方收到请求后，会执行相应的操作，并将结果返回给调用方。这个过程对于调用方来说是透明的，它只需要关心服务的接口和返回的结果，而不需要了解底层的通信机制和数据传输细节。

  因此，RPC为微服务架构中的服务交互提供了一种高效、简洁的方式，使得开发者能够更专注于业务逻辑的实现，而无需过多关注底层的技术细节。

1.1、RPC的诞生历史

1.1.1、起源：

• • • • RPC（Remote Procedure Call，远程过程调用）起源于上世纪80年代初期，实际上其诞生的时间远早于微服务概念的出现。
      • 最早的RPC可以追溯到1974年发布的RFC 674草案，这个草案标志着RPC思想的初步形成。

1.1.2、发展：

• • • 随着计算机网络的发展，特别是互联网的出现和普及，计算服务逐渐从单机转向多机服务，促进了RPC的发展和应用。
    • 在分布式系统中，RPC成为了一种重要的通信协议，用于实现不同计算机间的服务调用。

1.1.3、学术贡献：

• • • • 1984年，Birrell和Nelson在ACM Transactions on Computer Systems上发表了论文《Implementing remote procedure calls》，这篇论文对RPC的机制做了经典的诠释。
      • 该论文详细阐述了RPC的实现原理和设计思路，为RPC的后续发展和应用提供了坚实的理论基础。

二、RPC调用详细步骤

2.1、客户端进程调用客户存根

2.1.1、客户端（Client）发起调用

当客户端（Client）需要调用一个远程服务时，它不会直接与远程服务器通信。相反，它会调用在本地运行的一个小程序或库，即 客户端Stub（客户存根）。

2.1.2、客户存根的作用

客户存根 作为远程服务调用的一个代理或接口，在客户端和远程服务之间起到了桥梁的作用。它的主要任务是屏蔽网络通信的复杂性，使得客户端程序能够像调用本地函数一样轻松地调用远程服务。

2.1.3、调用过程

1. 1. 1. 序列化请求：客户存根首先将客户端的请求数据进行序列化，即将其转换为一种可以通过网络传输的格式，如XML、JSON、Protobuf等。

      2. 网络通信：序列化完成后，客户存根会通过网络（如TCP/IP、HTTP等）将请求数据发送给远程服务器。这个过程中，客户存根处理了所有底层的网络通信细节，如建立连接、发送数据、接收响应等。

      3. 等待响应：发送完请求后，客户存根会等待服务器的响应。一旦收到响应，它会进行必要的处理，如反序列化响应数据，然后将其返回给客户端程序。

2.1.4、客户端接收响应

客户端程序从客户存根接收处理后的响应数据，就像从本地函数调用中返回值一样。这样，客户端程序就无需关心网络通信的复杂性，只需关注业务逻辑的实现。

2.1.5、异常处理

如果在调用过程中发生任何网络错误或远程服务错误，客户存根通常会捕获这些异常，并将其转换为客户端程序可以理解的错误码或异常对象，以便客户端程序进行适当的错误处理。

2.1.6、透明性 

由于客户存根的存在，客户端程序可以像调用本地函数一样调用远程服务，这种透明性使得开发人员能够更专注于实现业务逻辑，而无需过多关注底层的网络通信细节。

2.2、客户存根生成消息

在RPC（远程过程调用）框架中，当客户端进程调用客户存根（Stub）时，客户存根需要生成一个包含详细调用信息的消息，以便发送给远程服务器。以下是关于这一步骤的详细说明：

2.2.1、收集调用信息

客户存根首先会从客户端进程的调用中收集必要的信息，这通常包括要调用的远程服务的名称、具体的方法名（或函数名）、以及传递给该方法的参数。

2.2.2、构建消息结构

根据所使用的RPC协议和规范，客户存根会构建一个标准化的消息结构。这个消息结构通常包括消息头（可能包含服务名、方法名、消息ID等）和消息体（包含具体的参数数据）。

2.2.3、序列化消息

  为了让消息能够通过网络进行传输，客户存根需要将构建好的消息对象序列化成字节流。序列化是将数据结构或对象状态转换为可以存储或传输的格式的过程。在RPC中，常用的序列化格式包括XML、JSON、Protobuf等，具体选择哪种格式取决于系统的需求和性能考虑。

2.2.4、准备网络传输

序列化完成后，客户存根会准备将序列化后的字节流通过网络发送给远程服务器。这通常涉及到选择合适的网络通信协议（如TCP/IP、HTTP等）和相关的传输机制。

2.2.5、错误处理和日志记录

在生成和准备发送消息的过程中，客户存根还需要进行错误处理，以确保在出现问题时能够提供有用的调试信息和日志记录。这对于后续的故障排查和系统维护至关重要。

2.2.6、发送消息

最后，客户存根会将序列化后的消息通过网络发送给远程服务器。这一步通常由底层的网络通信库或框架来处理，客户存根只需确保消息被正确打包并传递给发送函数。

2.3、调用本地操作系统的网络通信模块

在RPC（远程过程调用）过程中，当客户存根（Stub）生成了包含调用信息的序列化消息后，下一步就是将这些消息发送给远程服务器。为了实现这一步，客户存根需要调用本地操作系统的网络通信模块。以下是关于这一步骤的详细说明：

2.3.1、选择网络通信协议

客户存根首先会根据RPC框架的配置或默认设置，选择一个网络通信协议（如TCP、UDP、HTTP等）来进行数据传输。这个选择会影响到后续的网络通信方式和性能。

2.3.2、建立网络连接

使用选定的通信协议，客户存根会尝试与远程服务器建立网络连接。这通常涉及到解析服务器的地址信息（如IP地址和端口号），并通过网络通信模块发起连接请求。

2.3.3、发送序列化消息

一旦网络连接建立成功，客户存根就会将之前序列化好的消息发送给远程服务器。这个过程可能需要将数据分割成多个数据包进行传输，具体取决于数据量的大小和网络通信协议的限制。

2.3.4、等待响应与超时处理

在发送完数据后，客户存根会进入等待状态，期望从远程服务器接收到响应。为了防止无限期的等待，通常会设置一个超时时间。如果在超时时间内没有收到响应，客户存根会进行相应的超时处理，如重试或报错。

2.3.5、错误处理和日志记录

在调用网络通信模块的过程中，客户存根还需要进行错误处理，以确保在出现网络故障或其他问题时能够提供有用的调试信息和日志记录。这对于后续的故障排查和系统维护至关重要。

2.3.6、关闭网络连接

当远程服务器返回响应后，或者当确定无法收到响应并进行了相应的错误处理后，客户存根会关闭与远程服务器的网络连接，以释放资源。

2.4、客户端操作系统发送网络信息

在RPC调用过程中，客户端操作系统负责将序列化后的消息通过网络发送给远程服务器。以下是关于这一步骤的详细说明：

2.4.1、数据包封装

客户端操作系统首先会将客户存根传来的序列化消息封装成网络数据包。这些数据包会按照所选的网络通信协议（如TCP/IP）进行格式化，以便在网络中传输。

2.4.2、网络传输

封装好的数据包通过客户端操作系统的网络通信接口发送到网络上，这些接口负责将数据包转换为适合在网络上传输的电信号或光信号。

2.4.3、连接管理

如果是面向连接的协议（如TCP），客户端操作系统还需要管理与服务器的连接状态，确保数据的可靠传输。

2.4.4、流量控制与错误检测

在发送过程中，客户端操作系统可能会实施流量控制，以避免网络拥堵，并且会进行错误检测，以确保数据的完整性。

2.5、远程操作系统接收网络信息

在RPC调用过程中，远程服务器端的操作系统负责接收来自客户端的网络信息。以下是关于这一步骤的详细说明：

2.5.1、数据包捕获

远程服务器的网络接口会监听网络上的数据包，一旦有数据包到达，就会被捕获并传递给操作系统的网络栈。

2.5.2、协议解析

服务器的操作系统会根据网络通信协议解析数据包，提取出其中的有效数据。

2.5.3、数据传递

解析后的数据会被传递给服务端存根（Server Stub），准备进行后续处理。

2.5.4、连接管理与确认

如果是面向连接的协议，服务器还会管理与客户端的连接状态，并发送确认信息以确保数据的可靠接收。

2.6、服务端存根调用服务端程序

在RPC（远程过程调用）的场景中，服务端存根扮演着桥梁的角色，连接着网络传输和服务端程序。当服务端存根接收到来自客户端的请求后，它会执行一系列操作来确保正确地调用服务端程序，并处理可能出现的任何错误。以下是关于这一步骤的详细说明：

2.6.1、反序列化

服务端存根首先需要对接收到的数据进行反序列化。因为数据在网络传输过程中是以字节流的形式存在的，为了能够在服务端程序中正确使用这些数据，需要将其转换回原始的调用信息。反序列化就是将这些字节流转换回数据结构或对象的过程。这一步是确保后续操作能够正确理解并执行客户端请求的关键。

2.6.2、方法解析

反序列化完成后，服务端存根会解析调用信息，确定客户端想要调用的具体服务端方法和参数。这通常涉及到解析消息头中的服务名、方法名等信息，并提取出传递给该方法的参数。方法解析的准确性对于后续的服务端程序调用至关重要。

2.6.3、调用服务端程序

根据方法解析的结果，服务端存根会调用相应的服务端程序或方法。这一步是RPC调用的核心，因为它实际执行了客户端请求的操作。服务端存根需要确保调用的方法和服务端程序中定义的方法完全匹配，并且传递的参数也是正确的。

2.6.4、错误处理

在调用服务端程序的过程中，可能会遇到各种问题，如方法不存在、参数错误、服务端程序内部异常等。服务端存根需要进行适当的错误处理，以确保系统的稳定性和可靠性。这可能包括记录错误信息、返回错误码给客户端、触发警报或进行其他必要的操作。

2.7、返回结果给服务端存根

在RPC调用过程中，服务端程序执行完客户端请求的操作后，会将结果返回给服务端存根。这一过程也是RPC调用中非常重要的一环，因为它确保了客户端能够接收到服务端程序的执行结果。以下是关于这一步骤的详细说明：

2.7.1、获取结果

服务端程序执行完毕后，会将执行结果返回给服务端存根。这个结果可能是一个返回值、一个数据结构或者一个对象，具体取决于服务端程序的实现和客户端的请求。

2.7.2、结果序列化

为了将执行结果发送回客户端，服务端存根需要对结果进行序列化操作。序列化是将数据结构或对象转换为字节流的过程，以便在网络上进行传输。这一步是确保客户端能够正确解析和处理服务端返回结果的关键。

2.7.3、准备发送

序列化完成后，服务端存根会准备好序列化后的结果，准备通过网络发送回客户端。这通常涉及到选择合适的网络通信协议和相关的传输机制。在发送之前，服务端存根可能还会进行一些额外的处理，如添加消息头、进行加密或压缩等操作，以确保数据的完整性和安全性。

2.8、服务端操作系统发送网络信息

在RPC调用的过程中，当服务端程序执行完客户端请求的操作，并通过服务端存根将结果序列化之后，下一步就是由服务端操作系统将这些序列化后的数据发送回客户端。以下是关于这一步骤的详细说明：

2.8.1、选择网络通信协议

服务端操作系统首先会根据配置或默认设置选择一个网络通信协议（比如TCP、UDP等）来传输数据。这个选择会影响到数据传输的效率、可靠性和安全性。

2.8.2、建立或复用网络连接

如果之前已经与客户端建立了持久的网络连接，服务端操作系统会复用这个连接。如果没有现成的连接，它需要根据客户端的地址信息（如IP地址和端口号）来建立一个新的网络连接。

2.8.3、发送序列化数据

一旦网络连接准备好，服务端操作系统就会将服务端存根提供的序列化数据发送给客户端。这个过程可能包括将数据分割成网络数据包，以及处理网络层的各种细节，如流量控制、错误检测和重传机制等。

2.8.4、确认数据发送

在数据发送后，服务端操作系统可能会等待客户端的确认信息，以确保数据已经被成功接收。这在使用可靠传输协议（如TCP）时尤为重要，因为这类协议要求接收方确认数据的接收情况。

2.8.5、错误处理和日志记录

在发送数据的过程中，服务端操作系统还需要进行错误处理。如果遇到网络故障或其他问题，系统会记录错误信息并提供相应的日志，以便后续的故障排查和系统维护。

2.9、客户端操作系统接收网络信息

在RPC调用的过程中，当服务端发送回序列化后的结果时，客户端操作系统负责接收这些信息，并将其正确地传递给客户存根。以下是这一步骤的详细说明：

2.9.1、监听网络连接

客户端操作系统会持续监听与服务端建立的网络连接，等待数据的到来。这通常是通过网络接口的中断或轮询机制来实现的。

2.9.2、接收数据包

一旦有数据到达，客户端操作系统会捕获这些数据包，并根据使用的网络通信协议进行必要的处理，如数据包的重组、顺序的保证等。

2.9.3、数据完整性校验

在接收数据后，客户端操作系统会进行数据完整性校验，以确保在传输过程中数据没有被篡改或丢失。这可以通过校验和、序列号或其他机制来实现。

2.9.4、传递数据给客户存根

一旦确认数据的完整性和正确性，客户端操作系统会将接收到的数据传递给客户存根进行进一步处理。

2.10、客户存根反序列化结果并返回给客户端进程

在RPC调用的过程中，客户存根在接收到来自客户端操作系统的数据后，会执行以下操作来将结果返回给客户端进程。以下是这一步骤的详细说明：

2.10.1、反序列化数据

客户存根首先将接收到的序列化数据进行反序列化操作，将其转换回原始的数据结构或对象。这是为了能够让客户端进程以正常的方式处理这些数据。

2.10.2、结果验证

在反序列化之后，客户存根可能会对结果进行验证，以确保其符合预期的格式和范围。这有助于防止潜在的错误或恶意数据对客户端进程造成不良影响。

2.10.3、返回结果给客户端进程

最后，客户存根会将反序列化并验证后的结果以正常的方式返回给客户端进程。这通常涉及到调用客户端进程提供的回调函数或设置相应的状态标志来通知进程数据的到达。

  至此，一个完整的RPC远程调用过程就完成了。从客户端发起请求到服务端处理请求并返回结果，再到客户端接收到结果并进行后续处理，整个过程中涉及了多个组件和步骤的协同工作。RPC框架通过抽象和封装这些复杂的通信和数据处理细节，为开发者提供了一种简洁、高效的方式来实现分布式系统中的远程过程调用。