【C++项目】Rpc通信框架设计

目录

Rpc远程调用的思想

项目框架设计

服务端模块划分

网络通信模块 Network

应用层通信协议模块 Protocol

消息分发处理模块 Dispatcher

远程调用路由功能模块 RpcRouter

​编辑

发布订阅功能模块 Publish-Subscribe

服务注册/发现/上线/下线功能模块 Registry-Discovery

服务端模块 Server

客户端模块划分

网络通信模块 Network

应用层通信协议模块 Protocol

消息分发处理模块 Dispatcher

请求管理模块 Requestor

远程调用功能模块 RpcCaller

发布订阅功能模块 Publish-Subscribe

服务注册/发现/上线/下线功能模块 Registry-Discovery

框架设计

抽象层

具象层 

业务层

---

Rpc远程调用的思想

        节省本地计算机的算力，通过远程调用服务器方法来实现，但是这种多对一的方法（如下图）存在一个健壮性问题，当远程服务器出现故障，所有客户端将无法正常调用方法。

        因此我们需要引入分布式架构的rpc，我们因该将客户端和服务器之间的关系改为多对多的关系，以此来提高健壮性和稳定性。

如下，引入一个中转中心，进行服务发现和服务注册：

        当然，客户端与这个中转中心服务器也形成了多对一的关系，但是我们可以通过升级某个rpc服务器，使其当作备用中转中心服务器，这样系统的健壮性和稳定性便有了保障。

        所谓的服务发布订阅，也就是一个客户端提供某种服务，便在服务器上注册一个，也就是服务注册，服务器按功能划分主题，当一个客户端需要某个功能，就订阅哪个某个功能对应的主题，如下图：

        那么客户端如何知道服务端有哪些功能主题呢？这里就需要引入服务发现，客户端先通过服务发现来发现服务器上有哪些功能主题，然后按需订阅。

这个项目的三个主要功能：

1. rpc调用
2. 服务注册与发现以及服务的下线/上线通知
3. 消息的发布订阅

项目框架设计

服务端模块划分

服务端的功能需求：

1. 基于网络通信接收客户端的请求，提供rpc服务。
2. 基于网络通信接收客户端的请求，提供服务注册与发现，服务上线与下线通知。
3. 基于网络通信接收客户端的请求，提供主题操作（创建/删除/订阅/取消订阅），消息发布。

我们按服务端的功能需求，将服务端的功能划分为以下几个模块：

1. Network：网络通信模块
2. Protocol：应用层通信协议模块
3. Dispatcher：消息分发处理模块
4. RpcRouter：远程调用路由功能模块
5. Publish-Subscribe：发布订阅功能模块
6. Registry-Discovery：服务注册/发现/上线/下线功能模块
7. Server：基于以上模块整合而出的服务端模块

网络通信模块 Network

        该模块为网络通信模块，实现底层的网络通信功能，使用Muduo库来进行搭建。

应用层通信协议模块 Protocol

        应用层通信协议模块存在的意义：解析数据，解决通信中可能存在的粘包的问题，能够获取一条完整的消息。

        该模块就是网络通信模块的设计，在网络通信中，我们是基于Tcp协议的，可能会存在粘包问题，因此我们必须设计一个应用层的网络通信协议，解决粘包问题又三种方式：特殊字符间隔（要处理转义问题）、定长（本项目中的消息有长也有短，不适合）、LV格式。这里我们使用LV格式来定义应用层的通信协议格式，如下：

首先是定长的长度（Length），变长的主体，主体又分为两大部分：

1. 消息的类型（MType）（本项目使用数字来表示消息的类型，因此只需要4字节）
2. 描述消息ID部分（IDLength、MID、Body）

        消息的ID（每一条消息都有对应的ID，具有唯一性，客户端接收到返回的服务响应消息ID要与请求的消息ID对应，以此区分不同的服务响应）

        因为消息的ID需要具有唯一性，因此我们这里ID使用字符串进行表示，因此需要三个部分表示，为了方便扩展，这里ID使用变长的，使用IDLength描述MID的长度，而MID是描述消息的ID的长度。

         

消息分发处理模块 Dispatcher

        消息分发处理模块存在的意义：区分消息类型，根据不同的类型，调用不同的业务处理函数进行消息处理。（发出对应的rpc请求）

        该模块主要是一个表，描述消息的类型和对应的回调函数，将这两者之间进行映射。

        Protocol模块的onMessage接口是对接收原生的数据进行应用层协议的处理，并将获取的完整的消息内容交给Dispatcher模块，Dispatcher模块的onMessage接口来区分是什么消息类型和对应的业务处理函数（也就是查看map），然后再调用muduo库中的onMessageCallback接口。

        而Dispatcher模块中通过registerHandler()接口来注册消息类型和回调函数之间的映射关系。

消息的类型：

1. rpc请求和响应
2. 服务注册/发现/上线/下线请求和响应
3. 主题创建/删除/订阅/取消订阅请求和响应，消息发布的请求和响应

远程调用路由功能模块 RpcRouter

        RpcRouter模块存在的意义：提供rpc请求的处理回调函数，内部所要实现的功能，分辨出客户端请求的服务进行处理得到结果进行响应。（）

        rpc请求中，最关键的两个点：

1. 请求方法名称
2. 请求对应要处理的参数信息

        在一个rpc请求中，一定会有对应字段描述消息所请求的方法名称和相应的参数，这个模块主要是根据请求中的方法去调用对应的远程方法。

        Dispatcher模块只是区分消息类型，比如服务注册..根据消息类型发送相应的rpc请求，RpcRouter模块则需要根据Dispatcher模块发来的请求中，根据方法名调用对应的远程方法，也就是说，RpcRouter模块也会有一张表表示方法与远程方法的映射关系，如下：

       再因为，可能客户端发来请求中的参数不一定是正确的，所以RpcRouter模块还需要有一个方法描述，描述方法类型和参数字段名称和类型，再接收到客户端的rpc请求后，根据方法描述进行校验，没有问题则取出指定字段进行处理并返回结果。

        不管是客户端要传递给服务端的服务名称以及参数信息，或者是服务端返回的结果，都是在上边Protocol中定义的Body字段中，因此Body字段就存在了一个正文的序列化/反序列化过程。

        序列化的方法有很多种，这里我们使用json序列化来进行，所定义格式如下：

//RPC-request
{"method" : "Add","parameters" : {"num1" : 11,"num2" : 22}
}
//RPC-response
{"rcode" : OK,"result": 33
}
{"rcode" : ERROR_INVALID_PARAMETERS
}

        根据上面所述，再实现该模块时，必须具备以下几个部分：

1. 该模块必须具备一个rpc路由管理，其中包含对于每个服务的参数校验功能
2. 该模块必须具备一个方法名称和方法业务回调的映射。
3. 该模块必须向外提供rpc请求的业务处理函数。

发布订阅功能模块 Publish-Subscribe

        Publish-Subscribe模块存在的意义：针对发布订阅请求进行处理，提供一个回调函数设置给Dispatcher模块。

        该模块主要给客户端提供服务，进行主题的相关操作和消息发布。

发布订阅所包含的请求操作：

1. 主题的创建
2. 主题的删除
3. 主题的订阅
4. 主题的取消订阅
5. 主题消息的发布

相应的请求和响应格式如下：

//Topic-request
{"key" : "music", //主题名称// 主题操作类型"optype" : TOPIC_CRAETE/TOPIC_REMOVE/TOPIC_SUBSCRIBE/TOPIC_CANCEL/TOPIC_PUBLISH,//TOPIC_PUBLISH请求才会包含有message字段"message" : "Hello World"
}
//Topic-response
{"rcode" : OK
}
{"rcode" : ERROR_INVALID_PARAMETERS
}

1、该模块必须具备一个主题管理，且主题中需要保存订阅了该主题的客户端连接。

• 主题收到一条消息，需要将这条消息推送给订阅了该主题的所有客户端。

2、该模块必须具备一个订阅者管理，且每个订阅者描述中必须保存自己所订阅的主题名称。

• 目的是为了当一个订阅客户端断开连接时，能够找到订阅信息的关联关系，在主题管理中进行删除。

3、该模块必须向外提供 主题创建/销毁，主题订阅/取消订阅，消息发布处理的业务处理函数。

服务注册/发现/上线/下线功能模块 Registry-Discovery

        该模块主要给服务端提供服务，进行服务注册与发现。

        Registry-Discovery模块存在的意义：就是针对服务注册与发现请求的处理。

• 服务注册/发现类型请求中的详细划分

1. 服务注册：服务provider告诉中转中心，自己能提供哪些服务
2. 服务发现：服务caller询问中转中心，谁能提供指定服务
3. 服务上线：在一个provider上线了指定的服务后，通知发现过该服务的客户端有个provider可以提供该服务
4. 服务下线：在一个provider断开连接，通知发现过该服务的caller，谁下线了哪个服务

//RD--request
{//SERVICE_REGISTRY-Rpc-provider进⾏服务注册//SERVICE_DISCOVERY - Rpc-caller进⾏服务发现//SERVICE_ONLINE/SERVICE_OFFLINE 在provider下线后对caller进⾏服务上下线通知"optype" : SERVICE_REGISTRY/SERVICE_DISCOVERY/SERVICE_ONLINE/SERVICE_OFFLINE,"method" : "Add",//服务注册/上线/下线有host字段，发现则⽆host字段"host" : {"ip" : "127.0.0.1","port" : 9090}
}
//Registry/Online/Offline-response
{"rcode" : OK,
}
//error-response
{"rcode" : ERROR_INVALID_PARAMETERS,
}
//Discovery-response
{"method" : "Add","host" : [{"ip" : "127.0.0.1","port" : 9090},{"ip" : "127.0.0.2","port" : 8080}]
}

该模块的设计如下：

1、必须具备一个服务发现者管理：

• 方法与发现者：当一个客户端进行服务发现的时候，进行记录谁发现过该服务，当有新的提供者上线的时候，可以通知该发现者。
• 连接与发现者：当一个发现者断开连接了，删除上面方法与发现者的关联关系，往后就不再通知了。

2、必须具备一个服务提供者管理：

• 连接与服务提供者：当一个服务提供者断开连接的时候，能够通知该提供者提供的服务（可能有多个服务）对应的发现者，该提供者提供的某某服务下线了。
• 方法与服务提供者：能够知道谁的哪些方法下线了，然后通知发现过该方法的客户端。

服务端模块 Server

        该模块即能搭建一个服务注册中心，也能搭建一个服务提供者的服务器。

客户端模块划分

我们将客户端划分为以下几个功能模块：

1. Network：网络通信模块
2. Protocol：应用层通信协议模块
3. Dispatcher：消息分发处理模块
4. Requestor：请求管理模块
5. RpcCaller：远程调用功能模块
6. Publish-Subscribe：发布订阅功能模块
7. Registry-Discovery：服务注册/发现/上线/下线功能模块
8. Server：基于以上模块整合而出的服务端模块

网络通信模块 Network

网络通信基于muduo库实现网络通信客户端。

应用层通信协议模块 Protocol

应用层通信协议处理，与服务端保持一致。

消息分发处理模块 Dispatcher

IO数据分发处理，逻辑与服务端一致，与服务端的区别在于主要针对响应分发进行处理。

请求管理模块 Requestor

        Requestor模块存在的意义：针对客户端的每一条请求进行管理，以便于对请求对应的响应做出合适的操作。

        为什么客户端需要增加这个模块呢？

        第一点：对于客户端来说，更多时候客户端是请求方，是主动发起请求服务的一方，在多线程的网络通信中，针对多个请求进行响应就可能会存在时序的问题，这种情况下，我们无法保证一个线程发送一个请求后，接下来接收到的响应就是针对自己这条请求的响应。

        第二点：因为本项目是基于muduo库这种异步IO网络通信库的，通常IO都是异步操作，即发送数据就是把数据放入缓冲区，但是什么时候发送由底层的网络库来进行协调，并且也不会提供recv接口，而是在连续触发可读事件后，IO读取数据完成后调用处理回调进行数据处理，因此也无法直接在发送请求后去等待该条请求的响应。

        针对以上两个问题，我们就需要创建当前的请求管理模块 Requestor，就是给每个请求都设定一个请求ID，服务器进行响应的时候标识响应针对的是哪个请求（也就是响应信息中会包含请求ID），因此客户端这边，我们不管收到哪条请求的响应，将数据存储入一个hash_map中，以请求ID作为映射，并向外提供获取指定请求ID响应的阻塞接口，这样只要在发送请求的时候知道自己的请求ID，那么就能获取到自己想要的响应，而不会出现张冠李戴的情况。

        针对这个解决方法，我们再进一步，可以将每个请求进一步封装描述，添加入异步的future控制，或者设置回调函数的方式，这样不仅可以阻塞获取响应，也可以实现异步获取响应以及回调处理响应。

远程调用功能模块 RpcCaller

        RpcCaller模块存在的意义：向用户提供进行rpc调用的模块。

        该模块相对简单，只需要向外提供几个rpc调用的接口，内部实现向服务端发送请求，等待获取结果即可，稍微麻烦的一点是rpc调用我们需要提供多种不同方式的调用：

1. 同步调用：发送调用后，等收到响应结果后返回。
2. 异步调用：发起调用后立即返回，在想获取结果的时候进行获取。
3. 回调调用：发起调用的同时设置结果的处理回调，收到响应后，自动对结果进行回调处理。

请求是通过Requestor模块进行发送，Requestor模块可以对收到的响应进行处理，根据请求描述区分同步/异步/回调请求进行设置相应的内容。

发布订阅功能模块 Publish-Subscribe

        Publish-Subscribe模块存在的意义：向用户提供发布订阅所需的接口，针对推送过来的消息进行处理。

        发布订阅稍微复杂一点，在发布订阅中，客户端可能是消息的发布者，也可能是消息的订阅者。而且不管是哪个角色都是对主题进行操作，因此也包含了主题的相关操作，比如：要发布一条消息需要先创建一个主题。

        一个订阅者可能会订阅多个主题，每个主题的消息可能有不同的处理方式，因此需要有订阅者主题回调的管理。

        主题创建/销毁/订阅/取消订阅，都是客户端的主动请求，但是消息发布到服务器后，对于客户端A是一个主动请求，但是对于订阅了该主题的客户端B是一个被动请求。

        因此当一个客户端订阅主题的时候，就必须设置一个主题消息的处理回调。同样的，客户端也必须针对消息发布请求做出Dispatcher模块的处理分发。

        Dispatcher模块中，主动的请求都是通过requestor接口进行发送的和接收处理响应的，如果是收到一个消息发布的请求，则是通过onPublish接口。

服务注册/发现/上线/下线功能模块 Registry-Discovery

• 每个服务提供端都包含一个RpcProvider服务端和RegisteryClient客户端。
• 每一个客户端都包含一个发现客户端和rpccaller客户端。

作为服务操作的客户端：

1. 向外提供服务注册的功能接口：连接注册中心，发送服务注册请求，等待响应判断是否注册成功。
2. 向外提供服务发现的功能接口：连接注册中心，发送服务发现请求，等待响应获取到提供服务的主机信息。

        也就是说要实现的客户端，既能用于provider进行服务注册也能用于caller进行服务发现。

        对于服务发现来说，注册中心只能将当前注册了该服务的主机地址返回，如果后续又有了其他的主机注册了该服务，之前进行了服务发现的主机是得不到这个主机信息的，因此还得有服务上线/下线通知。

框架设计

在本项目的实现中，我们将整个项目的实现划分为三层来进行实现

1. 抽象层：将底层的网络通信以及应用层通信协议以及请求响应进行抽象，使项目更具扩展性和灵活性。
2. 具象层：针对抽象的功能进行具体的实现。
3. 业务层：基于抽象的框架在上层实现项目所需功能。

抽象层

在项目实现中：

1. 网络通信部分采用了第三方库Muduo库
2. 通信协议使用了LV格式的通信心意来解决粘包问题
3. 数据正文采用了Json格式进行序列化和反序列化

        而这几个方面我们后续可能会存在优化的的问题，甚至在序列化部分不一定非要采用Json，因此在设计项目框架的时候，我们对底层通信部分相关功能先进行抽象，形成一层抽象层，而上层业务部分根据抽象层来完成功能，这样的好处是在具体的底层功能实现部分，我们可以实现插拔式模块化替换，以此来提高项目的灵活性和扩展性。

具象层 

        具象层就是针对抽象的具体实现。

        而具体的实现也比较简单，从抽象类派生出具体功能的派生类，然后在内部实现各个接口功能即可。

• 基于Muduo库实现网络通信部分抽象
• 基于LV通信协议实现Protocol部分抽象

        这一层比较特殊的是：需要针对不同的请求，从BaseMessage中派生出不同的请求和响应类型，以便于在针对指定消息处理时，能够轻松的获取或设置请求及响应中的各项数据元素。

业务层

        业务层就是基于底层的通信框架，针对项目中具体的业务功能的实现了，比如Rpc请求的处理，发布订阅请求的处理以及服务注册与发现的处理等等。