深入理解 RPC 消息協(xié)議設(shè)計(jì)

　　本節(jié)我們開始講解 RPC 的消息協(xié)議設(shè)計(jì)背后的基本原理，了解 RPC 的協(xié)議開發(fā)背后有哪些需要考慮的基本點(diǎn)。在通曉原理之后，我們就可以自己設(shè)計(jì)一套協(xié)議來開發(fā)屬于自己的 RPC 系統(tǒng)。

　　本節(jié)主要涉及的知識(shí)點(diǎn)和它們之見的關(guān)系如下圖：

　　對于一串消息流，我們必須能確定消息邊界，提取出單條消息的字節(jié)流片段，然后對這個(gè)片段按照一定的規(guī)則進(jìn)行反序列化來生成相應(yīng)的消息對象。

　　消息表示指的是序列化后的消息字節(jié)流在直觀上的表現(xiàn)形式，它看起來是對人類友好還是對計(jì)算機(jī)友好。文本形式對人類友好，二進(jìn)制形式對計(jì)算機(jī)友好。

　　每個(gè)消息都有其內(nèi)部字段結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)構(gòu)成了消息內(nèi)部的邏輯規(guī)則，程序要按照結(jié)構(gòu)規(guī)則來決定字段序列化的順序。

　　接下來，我們初步詳細(xì)拆解。

　　消息邊界

　　RPC 需要在一條 TCP 鏈接上進(jìn)行多次消息傳遞。在連續(xù)的兩條消息之間必須有明確的分割規(guī)則，以便接收端可以將消息分割開來，這里的接收端可以是 RPC 服務(wù)器接收請求，也可以是 RPC 客戶端接收響應(yīng)。

　　基于 TCP 鏈接之上的單條消息如果過大，就會(huì)被網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧拆分為多個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳送。如果消息過小，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?？赡軙?huì)將多個(gè)消息組合成一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送。對于接收端來說它看到的只是一串串的字節(jié)數(shù)組，如果沒有明確的消息邊界規(guī)則，接收端是無從知道這一串字節(jié)數(shù)組究竟是包含多條消息還是只是某條消息的一部分。

　　比較常用的兩種分割方式是特殊分割符法和長度前綴法。

　　消息發(fā)送端在每條消息的末尾追加一個(gè)特殊的分割符，并且保證消息中間的數(shù)據(jù)不能包含特殊分割符。比如最為常見的分割符是 。當(dāng)接收端遍歷字節(jié)數(shù)組時(shí)發(fā)現(xiàn)了 ，就立即可以斷定 之前的字節(jié)數(shù)組是一條完整的消息，可以傳遞到上層邏輯繼續(xù)進(jìn)行處理。HTTP 和 Redis 協(xié)議就大量使用了 分割符。此種消息一般要求消息體的內(nèi)容是文本消息。

　　消息發(fā)送端在每條消息的開頭增加一個(gè) 4 字節(jié)長度的整數(shù)值，標(biāo)記消息體的長度。這樣消息接受者首先讀取到長度信息，然后再讀取相應(yīng)長度的字節(jié)數(shù)組就可以將一個(gè)完整的消息分離出來。此種消息比較常用于二進(jìn)制消息。

　　基于特殊分割符法的優(yōu)點(diǎn)在于消息的可讀性比較強(qiáng)，可以直接看到消息的文本內(nèi)容，缺點(diǎn)是不適合傳遞二進(jìn)制消息，因?yàn)槎M(jìn)制的字節(jié)數(shù)組里面很容易就冒出連續(xù)的兩個(gè)字節(jié)內(nèi)容正好就是 分割符的 ascii 值。如果需要傳遞的話，一般是對二進(jìn)制進(jìn)行 base64 編碼轉(zhuǎn)變成普通文本消息再進(jìn)行傳送。

　　基于長度前綴法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)同特殊分割符法正好是相反的。長度前綴法因?yàn)檫m用于二進(jìn)制協(xié)議，所以可讀性很差。但是對傳遞的內(nèi)容本身沒有特殊限制，文本和內(nèi)容皆可以傳輸，不需要進(jìn)行特殊處理。HTTP 協(xié)議的 Content-Length 頭信息用來標(biāo)記消息體的長度，這個(gè)也可以看成是長度前綴法的一種應(yīng)用。

　　HTTP 協(xié)議是一種基于特殊分割符和長度前綴法的混合型協(xié)議。比如 HTTP 的消息頭采用的是純文本外加 分割符，而消息體則是通過消息頭中的 Content-Type 的值來決定長度。HTTP 協(xié)議雖然被稱之為文本傳輸協(xié)議，但是也可以在消息體中傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)的，例如音視頻圖像，所以 HTTP 協(xié)議被稱之為「超文本」傳輸協(xié)議。

　　消息的結(jié)構(gòu)

　　每條消息都有它包含的語義結(jié)構(gòu)信息，有些消息協(xié)議的結(jié)構(gòu)信息是顯式的，還有些是隱式的。比如 json 消息，它的結(jié)構(gòu)就可以直接通過它的內(nèi)容體現(xiàn)出來，所以它是一種顯式結(jié)構(gòu)的消息協(xié)議。

　　json 這種直觀的消息協(xié)議的可讀性非常棒，但是它的缺點(diǎn)也很明顯，有太多的冗余信息。比如每個(gè)字符串都使用雙引號(hào)來界定邊界，key/value 之間必須有冒號(hào)分割，對象之間必須使用大括號(hào)分割等等。這些還只是冗余的小頭，最大的冗余還在于連續(xù)的多條 json 消息即使結(jié)構(gòu)完全一樣，僅僅只是 value 的值不一樣，也需要發(fā)送同樣的 key 字符串信息。

　　消息的結(jié)構(gòu)在同一條消息通道上是可以復(fù)用的，比如在建立鏈接的開始 RPC 客戶端和服務(wù)器之間先交流協(xié)商一下消息的結(jié)構(gòu)，后續(xù)發(fā)送消息時(shí)只需要發(fā)送一系列消息的 value 值，接收端會(huì)自動(dòng)將 value 值和相應(yīng)位置的 key 關(guān)聯(lián)起來，形成一個(gè)完成的結(jié)構(gòu)消息。在 Hadoop 系統(tǒng)中廣泛使用的 avro 消息協(xié)議就是通過這種方式實(shí)現(xiàn)的，在 RPC 鏈接建立之處就開始交流消息的結(jié)構(gòu)，后續(xù)消息的傳遞就可以節(jié)省很多流量。

　　消息的隱式結(jié)構(gòu)一般是指那些結(jié)構(gòu)信息由代碼來約定的消息協(xié)議，在 RPC 交互的消息數(shù)據(jù)中只是純粹的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，由代碼來確定相應(yīng)位置的二進(jìn)制是屬于哪個(gè)字段。比如下面的這段代碼

　　如果純粹看消息內(nèi)容是無法知道節(jié)點(diǎn)消息內(nèi)容中的哪些字節(jié)的含義，它的消息結(jié)構(gòu)是通過代碼的結(jié)構(gòu)順序來確定的。這種隱式的消息的優(yōu)點(diǎn)就在于節(jié)省傳輸流量，它完全不需要傳輸結(jié)構(gòu)信息。

　　消息壓縮

　　如果消息的內(nèi)容太大，就要考慮對消息進(jìn)行壓縮處理，這可以減輕網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力。但是這同時(shí)也會(huì)加重 CPU 的負(fù)擔(dān)，因?yàn)閴嚎s算法是 CPU 計(jì)算密集型操作，會(huì)導(dǎo)致操作系統(tǒng)的負(fù)載加重。所以，最終是否進(jìn)行消息壓縮，一定要根據(jù)業(yè)務(wù)情況加以權(quán)衡。

　　如果確定壓縮，那么在選擇壓縮算法包時(shí)，務(wù)必挑選那些底層用 C 語言實(shí)現(xiàn)的算法庫，因?yàn)?Python 的字節(jié)碼執(zhí)行起來太慢了。比較流行的消息壓縮算法有 Google 的 snappy 算法，它的運(yùn)行性能非常好，壓縮比例雖然不是最優(yōu)的，但是離最優(yōu)的差距已經(jīng)不是很大。阿里的 SOFA RPC 就使用了 snappy 作為協(xié)議層壓縮算法。

　　流量的極致優(yōu)化

　　開源的流行 RPC 消息協(xié)議往往對消息流量優(yōu)化到了極致，它們通過這種方式來打動(dòng)用戶，吸引用戶來使用它們。比如對于一個(gè)整形數(shù)字，一般使用 4 個(gè)字節(jié)來表示一個(gè)整數(shù)值。

　　但是經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，消息傳遞中大部分使用的整數(shù)值都是很小的非負(fù)整數(shù)，如果全部使用 4 個(gè)字節(jié)來表示一個(gè)整數(shù)會(huì)很浪費(fèi)。所以就發(fā)明了一個(gè)類型叫變長整數(shù)varint。數(shù)值非常小時(shí)，只需要使用一個(gè)字節(jié)來存儲(chǔ)，數(shù)值稍微大一點(diǎn)可以使用 2 個(gè)字節(jié)，再大一點(diǎn)就是 3 個(gè)字節(jié)，它還可以超過 4 個(gè)字節(jié)用來表達(dá)長整形數(shù)字。

　　其原理也很簡單，就是保留每個(gè)字節(jié)的最高位的 bit 來標(biāo)識(shí)是否后面還有字節(jié)，1 表示還有字節(jié)需要繼續(xù)讀，0 表示到讀到當(dāng)前字節(jié)就結(jié)束。

　　那如果是負(fù)數(shù)該怎么辦呢?-1 的 16 進(jìn)制數(shù)是 0xFFFFFFFF，如果要按照這個(gè)編碼那豈不是要 6 個(gè)字節(jié)才能存的下。-1 也是非常常見的整數(shù)啊。

　　于是 zigzag 編碼來了，專門用來解決負(fù)數(shù)問題。zigzag 編碼將整數(shù)范圍一一映射到自然數(shù)范圍，然后再進(jìn)行 varint 編碼。

　　zigzag 將負(fù)數(shù)編碼成正奇數(shù)，正數(shù)編碼成偶數(shù)。解碼的時(shí)候遇到偶數(shù)直接除 2 就是原值，遇到奇數(shù)就加 1 除 2 再取負(fù)就是原值。

作者：傳智播客JavaEE培訓(xùn)學(xué)院
首發(fā)：http://java.itcast.cn/