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字节青训营第十三课之深入浅出RPC框架的笔记与总结.md

2023-10-26

基本概念

本地函数调用

函数调用完整过程如图，藏实际上编译器经常优化，参数和返回值少时直接将其存在寄存器，不需操作栈，直接online不需call：
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  1. 将a和b的值入栈
  2. 经函数指针找到calculate，进入函数取栈中值2和3赋给x和y
  3. 计算x*y并将结果存在z
  4. 将z的值压栈，再从calculate返回
  5. 从栈中取出z返回值付给result

远程函数调用

RPC需解决的问题：

  1. 函数映射

远程调用无法根据函数指针确定函数，因为两进程地址空间完全不同，因此函数都有自己的ID，做RPC时都要附上该ID，且要有ID和函数的对照关系表，以此经ID找到函数并执行

  1. 客户端如何传参给远程函数

本地只需参数入栈，函数自己去栈中读，但远程调用时，客户和服务端进程不同不能经内存传参，需客户端把参数先转成字节流，传给服务端后，在把字节流转成自己能读取的格式

  1. 网络传输

远程调用往往在网络上，需保证网络上高效稳定传输数据

RPC概念模型

RPC最早由Nelson发表的论文<<Implementing Remote Procedure Calls>>中提出，提出RPC过程由5个模型组成：User、User-Stub、RPC-Runtime、Server-Stub、Server
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一次RPC完整过程

一次RPC的完整过程包括IDL文件、生成代码、编解码、通信协议、网络传输。如图：
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  1. IDL文件：通过中立的方式描述接口（方法和参数），使不同平台运行对象和不同语言的程序可相互通信
  2. 生成代码：编译器工具把IDL文件转成语言对应的静态库
  3. 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，也叫序列化和反序列化
  4. 通信协议：规范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，通常还包含额外的元数据
  5. 网络传输：通常基于成熟网络库走TCP/UDP传输

RPC的好处

  1. 单一职责，有利于分工协作和运维开发，开发部署及运维都独立
  2. 可扩展性强，资源使率更优，如压力大时扩展资源，底层基础服务可复用
  3. 故障隔离，某个模块发生故障不影响整体可靠性，服务的整体可靠性更高

RPC带来的问题

当然RPC也带来很多问题：

  1. 假如服务宕机，对方如何处理
  2. 调用过程中发生网络异常，如何保证消息可达性
  3. 请求量突增导致服务无法及时处理，应对措施有哪些

分层设计

以Apache Thrift为例，分层如图：
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编解码层

编解码层中客户端和服务端都依赖IDL文件，生成不同语言的CodeGen，如C++和Golang等

  1. 数据格式包括三种：

    • 语言特定格式：很多编程语言内置的将内存对象编码为字节序列的支持，但通常与特定编程语言深度绑定，其他语言很难读取，同时可能有安全和兼容性问题
    • 文本格式：有较好人类可读性，如json、xml、csv等文本格式，但编码会有歧义，如xml和csv不能区分数字和字符串，json虽然可区分，但不区分整数和浮点数且不能指定精度，json需反射机制故性能较差
    • 二进制编码：跨语言和高效能的优点，实现可有TLV和Varint编码，常用Protobuf和Thrift的BinaryProtocol

  2. 二进制编码

    • TLV编码：Tag标签，理解为类型；Length长度；Value值，也可是个TLV结构。如图：首个byte是类型如string、int、list，其次是field tag而不是字符串如userName等，取代key，后续分别是长和值。尽管TLV简单扩展性好，但增加Type和Length两冗余信息，有内存开销因此也有Varint编码，不详叙
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  3. 选型：从三个层面考虑选型：兼容性、通用性、性能

    • 兼容性：支持自动增加新字段而不影响老服务，这件提高系统灵活度以适应需求的变化
    • 通用性：技术层面是否支持跨平台、跨语言，流程程度，使用少的协议意味着高成本学习，流行度低往往缺乏成熟跨语言、跨平台公共包
    • 性能：空间开销，序列化需在原有数据上加描述字段，以反序列化解析，若开销过高可能导致网络磁盘压力，时间开销，复杂协议解析需较长时间

协议层

协议是双方确定的通信的语义。包括两种：

  • 特殊结束符协议：特殊字符作为协议单元结束的标示，如http协议头以回车和换行符号作为结束标示
  • 变长协议：定长和变长部分组成，定长部分需描述不定长内容长度

下图是变长协议，除长度和内容外，还包括其他内容如版本信息、数据包序列化等：
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协议解析包括以下几部分：

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网络通信层

通信流程

底层通过socket api进行通信：
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socket API

socket创建套接字，bind将套接字绑定到地址，listen监听进来的连接，参数backlog指定挂起的连接队列的长度，当客户端连接时，服务器可能正处理其他逻辑而未调accept接受连接，会导致该连接被挂起，内核维护挂起的连接队列，accept从队列中取出连接请求并接收它，该连接从挂起队列移除。若队列未满，调用connect马上成功，若满可能会阻塞等待队列未满（实际测试并不是这样后面专门研究）。backlog默认128，通常指定128即可。connect客户端向服务器发起连接，accept接收一个连接请求。得到客户端的fd后，可调read，write和客户端通讯，read/write从fd读/写数据，socket默认阻塞，如果对方没有写/读数据，read/write会一直阻塞

对端socket关闭后，这端尝试去读会得到一个EOF并返回0。去写会触发SIGPIPE信号并返回-1和errno=EPIPE,SIGPIPE默认终止程序，故通常应忽略该信号，以免程序终止。但如果这端不读写，可能无法知道对端socket关闭

网络库

  • 提供易用API，封装底层socket API，连接管理和事件分发
  • 协议支持tcp、udp等，支持优雅退出异常处理等功能
  • 应用层buffer减少copy，支持高性能定时器、对象池等以满足性能要求

关键指标

稳定性

保障策略

稳定性是保障策略，包括熔断、限流、超时三方面，某种程度上说，超时、限流、熔断也是服务降级手段：

  • 熔断：保护调用方，防止被调用服务出现问题影响整个链路。如A调服务B时，B又调C，若C响应超时，C超时导致B业务一直等待，A继续调B，服务8就可能堆积大量的请求而导致宕机，由此导致服务雪崩
  • 限流：保护被调用方，防止大流量把服务压垮，当调用端发请求过来时，服务端在执行业务逻辑前先检查限流逻辑，若访问量过大且超出限流条件，就让服务端降级或返回给调用方限流异常
  • 超时：当下游服务因某种原因响应过慢，下游服务主动停掉不太重要的业务，释放服务器资源避免浪废

请求成功率

为提高请求成功率，有负载均衡和重试方法，前者根据服务集群情况，通过算法将请求分发给空闲的服务器，使所有服务器负载处于平衡状态。后者重新请求看是否成功，但重试会加大下游负载，可能放大故障风险，防止重试风暴，应限制单点重试和限制链路重试
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长尾请求

一般指延迟明显高于均值的那部分占比较小的请求。P99标准把单个请求响应耗时从小到大排序，99%后的1％可认为是长尾请求。在复杂系统中，长尾延时总会存在。造成的原因有网络抖动、GC、系统调度
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假定阈值t3（比超时时间小，通常建议是RPC求延时的pct99），Req1发出去后超过t3时间没返回，就直接发起重试Req2，相当于同时两个请求运行。等待请求返回，只要Resp1或Resp2任意返回成功，就可立即结束，整体的耗时是t4，表示首个请求发出到成功返回之间的时间，相比等待超时后再请求，该机制大大减少整体延时

注册中间件

上述提到的策略及请求成功率、长尾请求都可通过中间件实现，Kitex Client和Server的创建接口均采用Option模式，提供极大灵活性，很方便就能实现
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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

Kitex使用Suite来打包自定义功能，提供一键配置基础依赖的体验，简单易用，支持protobuf和thrift，内置功能丰富选项，支持自定义生成代码插件等

扩展性

请求发起会首先经过治理层面，治理相关逻辑被封装在middleware中，这些middleware会被构造成有序调用链逐个执行，如服务发现、路由、负载均衡、超时控制等，执行后进入remote模块，完成通信
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观测性

除传统的Log、Metric、Tracing三件套外，对于框架来说可能还不够，还有些框架自身状态需暴露出来，如当前环境变量、配置、CIient/Server初始化参数、缓存信息等
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高性能

高性能场景：单机多机、单连接多连接、单/多client 单/多server、不同大小请求包、不同请求类型

目标：高吞吐和低延迟，两者都重要甚至大部分场景下低延迟更重要

手段：连接池、多路复用、高性能编解码协议、高性能网络库

企业实践

以Kitex为例，它是字节内部多年最佳时间沉淀出来的高性能可扩展性的go rpc框架，难能可贵的是以大型互联网公司内部的实践经验为例，拓展技术视野

整体架构

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core是核心组件，是主干逻辑，定义框架层次结构、接口及默认实现，最上面的client和server对用户暴露，下面的是框架治理层面的功能模块和交互元信息，remote是与对端交互的模块，包括编解码和网络通信。右边绿色的byted是字节内部的扩展，集成内部的二方库还有与字节相关的非通用的实现，byted部分是在生成代码中初始化client和server时通过suite集成进来的，方便与字节内部特性解耦，方便后续开源拆分，右边tool则是与生成代码相关的实现，包括id解析、校验、代码生成、插件支持、自更新等

自研网络库

背景

  • 原生库无法感知连接状态：使用连接池时，池中存在失效连接，影响连接池的复用
  • 原生库存在goroutine暴涨的风险
    一个连接一个goroutine的模式，由于连接利用率低下，存在大量goroutine占用调度开销，影响性能

自研网络库Netpoll

Go Net VS Netpool

  • GoNet使用Epoll ET，Netpoll使LT
  • Netpoll在大包场景下占更多的内存
  • GoNet只有一个EpoII事件循环（因为ET模式被唤醒的少，且事件循环内无需负责读写活少），而Netpoll允许有多个事件循环（循环内需要负责读写活多，读写越重，越需要开更多Loops)
  • GoNet一个连接一个Goroutine,Netpoll连接数和Goroutine数量无关，和请求数有关，但是有Gopool
  • GoNet不支持ZeroCopy,甚至若用户想实现BufferdConnection这类缓存读取，还会产生二次拷贝。Netpoll支持管理一个Buffer池直接交给户，且上层用户可不使用Read(p []byte)接口而使用特定零拷贝读取接口，对Buffer管理，实现零拷贝能力的传涕

Netpoll

  • 解决无法感知连接状态问题：Go Net无法感知连接状态，在用长连接池时，池中存在失效连接，严重影响连接池的使和效率。Netpoll引入epoll主动监听机制，感知连接状态
  • 解决goroutine暴涨的风险：Go Net缺乏协程数量的管理，Kite采取一个连接一个goroutine模式，连接利用率低，存在较多无用goroutine，占用调度开销影响性能，Netpoll建立goroutine池，复用goroutine
  • 提升性能：Netpoll基于epoll的Reactor模型，服务端主从Reactor模型，主reactor接受调用端的连接，将建立好的连接注册到某从Reactor上，从Reactor负责监听连接上的读写事件，将事件分发到协程池处理；引入NocopyBuffer,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，也支持灵活自定义协议扩展
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框架内部不强依赖任何协议和网络模块，可基于接口扩展，在传输层上则可集成其他库进行扩展，目前集成有自研的Netpoll，基于netpoll实现http2库

性能优化

  • 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；NocopyBuffer池化，减少GC
  • Pool：引入内存池和对象池，减少GC开销
  • 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Go语言实现的Thrift IDL解析和代码生成器，支持完善的Thrift IDL语法和语义检查，并支持插件机制-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

微服务过微，传输和序列化开销越来越大；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
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  • 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
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    某抖音服务，30%合并流量，服务端CPU减少19%，延迟PCT99减少29%

参考文献

  1. 官方文档 Kitex Netpoll

  2. 字节跳动 Go RPC 框架 KiteX 性能优化实践_架构_字节跳动技术团队_InfoQ精选文章

  3. [字节跳动微服务架构体系演进_架构_字节跳动技术团队_InfoQ精选文章](

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