【剖析 | SOFARPC 框架】系列之SOFARPC 跨语言支持剖析

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【剖析 | SOFARPC 框架】系列之SOFARPC 跨语言支持剖析

花肉酱 2018-11-08 14:59:04 浏览800
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前言

随着 TIOBE 10月份的编程语言排行 的发布,C++重回第三的位置,新兴的 Swift 和 Go 表现出强劲的上升趋势。与此同时,虽然目前 Java 的领头位置尚未出现有力挑战,我们希望能够在基础设施的建设上预留跨语言的可扩展设计。同时,跨语言的挑战也是工程实际面临的现状,蚂蚁内部如 AI、IoT,算法等缺少 JVM 原生支持的领域,往往不可避免地需要涉及到跨语言调用的问题。

本文将为大家介绍 基于 SOFARPC 的微服务应用在面临跨语言调用时的方案和实现。

总体设计

经过前面几篇对 SOFARPC 的 BOLT 协议和序列化这些的介绍,相信大家已经对 RPC 有了一些自己的理解,提到跨语言,我们会首先想到其他语言调用 Java,Java 调用其他语言,那么这里的跨,体现在代码上,到底跨在哪里?

从跨语言的实现上来说,主要解决两个方面的问题:

  • 跨语言的通讯协议和序列化协议
  • 跨语言服务发现

另外从跨语言的落地来说,还得解决一个平滑兼容的问题。

业界常见的做法是一般是通过 DNS 和 HTTP 来解决跨语言的问题,但是在内部已经有完善技术栈体系的情况下,直接切换一个新的方案显然是不合适的,所以蚂蚁内部是在已有的技术体系基础上进行改进。

蚂蚁内部使用的通讯协议是Bolt,序列化协议是Hessian。我们知道,服务端和客户端在请求和返回之间携带的结构化的业务数据,需要在传输到达对端后,被本地的语言能够易于解析消费。由于语言本身特性的差异,同一对象的在序列化和反序列化的转换后,结构可能有差异,但是需要保证其转换操作是可逆的。以上这点Hessian做的不是很好,其跨语言的兼容性不能满足跨语言的需求,所以另外一个可行的方案就是就是选择其它基于 IDL 的序列化协议,例如Protobuf。

现成的服务注册中心一般都有一些多语言解决方案,像Zookeeper、SOFARegistry、Consul、etcd等都有多语言客户端,所以服务发现这块问题不算太大。

例如下面就是一个基于注册中心 + Bolt协议 + Protobuf序列化的设计图。

跨语言.png | center | 747x440

通讯协议和序列化协议

通讯协议只要跨语言各方约定清楚,大家安装约定实现即可,而序列化协议则需要较多的考量。
序列化的协议选择列出一些考虑要点:

  • 是否采用具备自我描述能力的序列化方案,如不需要借助一些 schema 或者接口描述文件。
  • 是否为语言无关的,包括脚本语言在内。
  • 是否压缩比例足够小,满足网络传输场景的要求。
  • 是否序列化和反序列化的性能均足够优秀。
  • 是否向前/向后兼容,能够处理传输对象的新增属性在服务端和客户端版本不一致的情况。
  • 是否支持加密、签名、压缩以及扩展的上下文。

JSON Over HTTP

首先,说到跨语言,序列化支持,肯定有同学会问,为什么不直接通过 Http的Json来搞定呢?
虽然得益于JSON和HTTP在各个语言的广泛支持,在多语言场景下改造支持非常便捷,能够低成本的解决网络通讯和序列化的问题。服务发现的过程则可以使用最简单的固定URL(协议+域名+端口+路径)的形式,负载均衡依赖于F5或者LVS等实现。
但是这个方案的有明显的局限性:

  1. HTTP 作为无状态的应用层协议,在性能上相比基于传输层协议(TCP)的方案处于劣势。HTTP/1.1后可以通过设置keep-alive使用长连接,可以一定程度上规避建立连接的时间损耗;然而最大的问题是,客户端线程采用了 request-response 的模式,在发送了 request 之后被阻塞,直到拿到 response 之后才能继续发送。这一问题直到 HTTP/2.0 才被解决。
  2. JSON 是基于明文的序列化,较二进制的序列化方案,其序列化的结果可读性强,但是压缩率和性能仍有差距,这种对于互联网高并发业务场景下,意味着硬件成本的提升。
  3. 对于网络变化的响应。订阅端处理不够强大。

Hessian Over BOLT

在否决了上一个方案后,我们继续看,蚂蚁内部,最开始的时候,SOFARPC 还没有支持 Protobuf 作为序列化方式,当时为了跨语言,NodeJs的同学已经在此基础上,用 js 重写了一个 hessian 的版本,完成了序列化。也已经在线上平稳运行。但是当我们要扩展给其他语言的时候,重写 hessian 的成本太高。而且 Java语言提供的接口和参数信息,其他语言也需要自己理解一遍,对应地转换成自己的语言对象。因此该方案在特定场景下是可行的。但不具备推广至其他语言的优势。

Node的实现版本可以参考:https://github.com/alipay/sofa-rpc-node

Protobuf Over BOLT

Protobuf 基于IDL,本身具备平台无关、跨语言的特性,是一个理想的序列化方案。但是需要先编写proto文件,结构化地描述传输的业务对象,并生成中间代码。

由于要重点介绍一下这种方案,因此再次回顾一下SOFABolt的协议规范部分,便于后面的解释。

Request command protocol for v1
0     1     2           4           6           8          10           12          14         16
+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
|proto| type| cmdcode   |ver2 |   requestId           |codec|        timeout        |  classLen |
+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+
|headerLen  | contentLen            |                             ... ...                       |
+-----------+-----------+-----------+                                                           +
|               className + header  + content  bytes                                            |
+                                                                                               +
|                               ... ...                                                         |
+-----------------------------------------------------------------------------------------------+

codec: code for codec 序列化,hessian 是1,pb 是11,java 是2

Response command protocol for v1
0     1     2     3     4           6           8          10           12          14         16
+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
|proto| type| cmdcode   |ver2 |   requestId           |codec|respstatus |  classLen |headerLen  |
+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+-----------+
| contentLen            |                  ... ...                                              |
+-----------------------+                                                                       +
|                         className + header  + content  bytes                                  |
+                                                                                               +
|                               ... ...                                                         |
+-----------------------------------------------------------------------------------------------+
respstatus: response status 服务端响应结果状态

对于现有的通信协议,我们改进时,将 content部分存储为入参对象和返回值,他们都是 pb序列化之后的值。这样将直接对接到现在的协议上。又利用了 BOLT的通信协议。

以下描述了跨语言中对 Protobuf协议的使用:

pb 序列化.png | center | 747x433

首先我们看 header 部分,是简单的扁平化的 KV。默认会增加以下三个 Entry:

Key Value 备注
sofa_head_method_name 对方方法名 对应 SofaRequest#methodName
sofa_head_target_app 对方的应用名 对应 SofaRequest#targetAppName
sofa_head_target_service 对方的服务唯一命名 对应 SofaRequest#targetServiceUniqueName
sofa_head_response_error true/false 仅在响应中出现

我们再看 body 部分,根据 Protobuf 的实现,所有被序列化的对象均实现了 MessageLite 接口,然而由于多个Classloader 存在的可能,代码上为了避免强转 MessageList 接口的失败,并未直接调用 toByteArray 方法,而是通过反射机制调用 toByteArray 获得 byte 数组。

针对SofaRequest这个 RPC中的传输对象,由于 Protobuf 仅支持对于单个对象的序列化,因此 SofaRequest 类型的对象进行序列化,实际支持的是 SofaRequest#methodArgs 数组中的首个元素对象进行的序列化,也就是说目前我们仅支持一个入参对象。

针对 SofaResponse 这个响应对象,当出现框架异常或者返回对象是一个 Throwable 代表的业务异常时,直接将错误消息字符串序列化;并在响应头中设置 sofa_head_response_error=true,其他情况才序列化业务返回对象。这样可以避免比如 Java 语言的错误栈,由于含有 一些线程类和异常类,其他语言是无法解析的。

反序列化的过程稍复杂一些,上游调用传入SofaRequest/SofaResponse的实例,先要在空白的SofaRequest对象中填入前文中在 header 反序列化中的解析的头部信息,接着根据Header中接口+方法名找到等待反序列化对象的 class,并借助反射调用 parseFrom 接口生成对象,成为 SofaRequest#MethodArgs 的首个元素对象。

Others Over BOLT

在上一个方案的基础上,我们也可以支持更多的语言,对JSON、Kyro的支持也分别处于开发和规划中。 JSON的支持已经开发完成待合并。这里不再做过多说明。

服务发现

跨语言各方约定了通讯协议和序列化协议后,就可以完成各自的服务端和客户端实现,跨语言已经能完成点对点的调用了。但在实际的线上场景下,我们还是需要通过注册中心等服务发现的形式,来保证跨语言调用的可用性。目前,有两种可选的方案。

各语言对接注册中心

对于服务发现,前面说到的最早进行跨语言的 NodeJs 实现了对接 SOFA Registry 的能力。直接通过对 Java原生序列化和一些 hessian 的重写,来操作完成了。在蚂蚁内部,这种方案在只有 Node的情况下是可以的,但是更通用的场景下。如果我们有了新的注册中心,要对接更多的注册中心,其他语言在语言表达上的差异性,使得这种方案很难推广到其他项目。NodeJs 版本的 hessian:https://github.com/alipay/sofa-hessian-node

各语言对接SOFAMosn

由于每个语言都去对接对接中心存在一定的难度,也不具备可推广性,而在蚂蚁内部,我们已经在一些跨语言的场景下,运行 SOFAMosn,通过 SOFAMosn,我们对接了站内的注册中心,其他的语言,仅需要将自己需要订阅和发布的信息,通过 Http的接口形式,通知 SOFAMosn,SOFAMosn 将会将这些信息和注册中心进行注册和订阅,并维持地址信息。

这样对于其他语言来说,仅需要非常简单的 json请求,就完成了跨语言的服务注册和订阅。后续新注册中心的对接等等。其他语言都不再需要理解。相关的 sdk。我们已经开发并实现完成。对于 SOFAMosn 的更多介绍,可以参看 SOFAMosn官网:http://www.sofastack.tech/sofa-mosn/docs/README

语言 实现
python https://github.com/alipay/sofa-bolt-python
node https://github.com/alipay/sofa-rpc-node
c++ https://github.com/alipay/sofa-bolt-cpp

当然如果你并不需要进行服务寻址,或者能够接受硬负载或者固定 IP的调用方式。也可以直接使用。

参考资料

SOFA 微服务多语言演进 https://mp.weixin.qq.com/s/kfbDIq4GgdSU7KC2jqSRAw
SOFARPC 框架之总体设计与扩展机制 https://mp.weixin.qq.com/s/ZKUmmFT0NWEAvba2MJiJfA
蚂蚁通信框架实践 https://mp.weixin.qq.com/s/JRsbK1Un2av9GKmJ8DK7IQ
JVM Serializers https://github.com/eishay/jvm-serializers/wiki

结语

至此,我们介绍了 SOFARPC 中对于 Protobuf 的跨语言实现,并介绍了一些 NodeJs 对跨语言的支持,最后介绍了我们用 SOFAMosn 实现通用的服务发现。

在大多数场景下,我们更推荐是使用 SOFAMosn来做服务寻址,这样之后 Mosn 层面的一些限流熔断。也可以在多语言上进行使用。

而对一些场景比较简单,能够容忍固定 IP调用,或者使用硬件负载均衡设备的。也可以直接使用各个跨语言客户端,进行直接开发调用。

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