RPC 原理与实践 ｜ 青训营笔记

陌路森
71 阅读7分钟

这是我参与「第五届青训营 」伴学笔记创作活动的第 15 天

一、本堂课重点内容

  1. RPC 相关的基本概念
  2. RPC 框架的分层设计
  3. 衡量 RPC 框架的一些核心指标
  4. RPC 框架 Kitex 实践分享

二、详细知识点介绍

基本概念

远程函数调用

RPC需要解决的问题：

  • 函数映射
  • 数据转换成字节流
  • 网络传输

RPC概念模型

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一次完整的RPC过程

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  • IDL (Interface description language)文件:IDL通过—种中立的方式来描述接口，使得在不同平台上运行的对象和用不同语言编写的程序可以相互通信
  • 生成代码:通过编译器工具把IDL文件转换成语言对应的静态库
  • 编解码:从内存中表示到字节序列的转换称为编码，反之为解码，也常叫做序列化和反序列化
  • 通信协议:规范了数据在网络中的传输内容和格式。除必须的请求/响应数据外，通常还会包含额外的元数据
  • 网络传输:通常基于成熟的网络库走TCP/UDP传输

RPC优势

  • 单一职责，有利于分工协作和运维开发
  • 可扩展性强，资源使用率更优
  • 故障隔离，服务的整体可靠性更高

RPC带来的问题

  • 服务宕机，对方应该如何处理?
  • 在调用过程中发生网络异常，如何保证消息的可达性?
  • 请求量突增导致服务无法及时处理，有哪些应对措施?

分层设计

Thrift

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编解码层

生成代码

Client与Server依赖同一份IDL文件生成不同语言的CodeGen

数据格式

  • 语言特定的格式。许多编程语言都内建了将内存对象编码为字节序列的支持，例如Java有java.io.Serializable
  • 文本格式。JSON、XML、CSV等文本格式，具有人类可读性
  • 二进制编码。具备跨语言和高性能等优点，常见有Thrift 的 BinaryProtocol，Protobuf等

二进制编码

TLV编码

  • Tag:标签，可以理解为类型
  • Lenght:长度
  • Value:值，Value 也可以是个TLV结构

选型

  • 兼容性：支持自动增加新的字段，而不影响老的服务，这将提高系统的灵活度
  • 通用性：支持跨平台、跨语言
  • 性能：从空间和时间两个维度来考虑，也就是编码后数据大小和编码耗费时长

协议层

概念

  • 特殊结束符：一个特殊字符作为每个协议单元结束的标示
  • 变长协议：以定长加不定长的部分组成，其中定长的部分需要描述不定长的内容长度

协议构造

  • LENGTH:数据包大小，不包含自身
  • HEADER MAGIC:标识版本信息，协议解析时候快速校验
  • SEQUENCE NUMBER:表示数据包的seqID,可用于多路复用，单连接内递增
  • HEADER SIZE:头部长度，从第14个字节开始计算一直到PAYLOAD前
  • PROTOCOL ID:编解码方式，有Binary和Compact两种
  • TRANSFORM ID:压缩方式，如zlib 和snappy
  • INFO ID:传递一些定制的meta信息
  • PAYLOAD:消息体

协议解析

MagicNumber->PayloadCodec->Payload

网络通信层

Socket API

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网络库

提供易用API

  • 封装底层Socket APl
  • 连接管理和事件分发

功能

  • 协议支持: tcp、udp 和uds 等
  • 优雅退出、异常处理等

性能

  • 应用层 buffer 减少copy
  • 高性能定时器、对象池等

关键指标

稳定性

保障策略

  • 熔断:保护调用方，防止被调用的服务出现问题而影响到整个链路
  • 限流:保护被调用方，防止大流量把服务压垮
  • 超时控制:避免浪费资源在不可用节点上

请求成功率

防止重试风暴，限制单点重试和限制链路重试

长尾请求

长尾请求一般是指明显高于均值的那部分占比较小的请求。 业界关于延迟有一个常用的P99标准， P99 单个请求响应耗时从小到大排列，顺序处于99%位置的值即为P99 值，那后面这 1%就可以认为是长尾请求。

Backup Request：我们预先设定一个阈值 t3（比超时时间小，通常建议是 RPC 请求延时的 pct99 ），当 Req1 发出去后超过 t3 时间都没有返回，那我们直接发起重试请求 Req2 ，这样相当于同时有两个请求运行。然后等待请求返回，只要 Resp1 或者 Resp2 任意一个返回成功的结果，就可以立即结束这次请求，这样整体的耗时就是 t4 ，它表示从第一个请求发出到第一个成功结果返回之间的时间，相比于等待超时后再发出请求，这种机制能大大减少整体延时。

注册中间件

Kitex Client 和 Server 的创建接口均采用 Option 模式，提供了极大的灵活性，很方便就能注入这些稳定性策略

易用性

  • 开箱即用：合理的默认参数选项、丰富的文档
  • 周边工具：生成代码工具、脚手架工具

扩展性

  • Middleware
  • Option
  • 编解码层
  • 协议层
  • 网络传输层
  • 代码生成工具插件扩展

观测性

  • Log、Metric、Tracing
  • 内置观测性服务

高性能

目标

  • 高吞吐
  • 低延迟

手段

  • 连接池
  • 多路复用
  • 高性能编解码协议
  • 高性能网络库

三、实践练习例子

Kitex

整体框架

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  • Kitex Core:核心组件
  • Kitex Byted:与公司内部基础设施集成
  • Kitex Tool:代码生成工具

背景

  • 原生库无法感知连接状态
  • 原生库存在goroutine暴涨的风险

自研网络库netpoll

  • 解决无法感知连接状态问题，引入epoll主动监听机制，威知连接状太1871
  • 解决goroutine暴涨的风险，建立goroutine 池，复用goroutine
  • 提升性能，引入Nocopy Buffer，向上层提供NoCopy的调用接口，编解码层面零拷贝

扩展性设计

支持多协议，也支持灵活的自定义协议扩展

性能优化

网络库优化

调度优化

  • epoll_wait在调度上的控制
  • gopool重用goroutine 降低同时运行协程数

LinkBuffer

  • 读写并行无锁，支持nocopy地流式读写
  • 高效扩缩容
  • Nocopy Buffer 池化，减少GC

Pool

  • 引入内存池和对象池，减少GC开销

编码优化

Codegen

  • 预计算并预分配内存，减少内存操作次数，包括内存分配和拷贝
  • lnline减少函数调用次数和避免不必要的反射操作等
  • 自研了Go 语言实现的Thrift IDL解析和代码生成器，文持元普的 TnIt ilL 白i么们a人L查，并支持了插件机制– Thriftgo

JIT

  • 使用JIT编译技术改善用户体验的同时带来更强的编解码性能，减轻用户维护生成代码的负担
  • 基于JIT编译技术的高性能动态Thrift 编解码器–Frugal

合并部署

背景

  • 微服务过微，传输和序列化开销越来越大
  • 需要将亲和性强的服务实例尽可能调度到同一个物理机，远程RPC调用优化为本地IPC调用

措施

  • 中心化的部署调度和流量控制
  • 基于共享内存的通信协议
  • 定制化的服务发现和连接池实现
  • 定制化的服务启动和监听逻辑

四、课后个人总结

RPC也是后端开发中十分重要的基础架构，KiteX 是字节跳动框架组研发的下一代高性能、强可扩展性的 Go RPC 框架。目前已经在 Github 开源。作为字节跳动内部原有的 RPC 框架 Kite 的升级版，虽然开源时间不是很长，但其实从性能和扩展性上来说都已经在字节上万微服务的场景下做了充分的验证。这也是我第一次接触，其中，RPC稳定性的种种知识和Kitex框架的使用还需要进一步去学习。

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