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微服務實戰（三）：深入微服務架構的進程間通信

【編者的話】這是采用微服務架構創建自己應用系列第三篇文章。第一篇介紹了微服務架構模式，和單體式模式進行了比較，并且討論了使用微服務架構的優缺點。第二篇描述了采用微服務架構應用客戶端之間如何采用API Gateway方式進行通信。在這篇文章中，我們將討論系統服務之間如何通信。

簡介

在單體式應用中，各個模塊之間的調用是通過編程語言級別的方法或者函數來實現的。但是一個基于微服務的分布式應用是運行在多臺機器上的。一般來說，每個服務實例都是一個進程。因此，如下圖所示，服務之間的交互必須通過進程間通信（IPC）來實現。

Richardson-microservices-part3-monolith-vs-microservices-1024x518.png

后面我們將會詳細介紹IPC技術，現在我們先來看下設計相關的問題。

交互模式

當為某一個服務選擇IPC時，首先需要考慮服務之間如何交互。客戶端和服務器之間有很多的交互模式，我們可以從兩個維度進行歸類。第一個維度是一對一還是一對多：

• 一對一：每個客戶端請求有一個服務實例來響應。
• 一對多：每個客戶端請求有多個服務實例來響應

第二個維度是這些交互式同步還是異步：

• 同步模式：客戶端請求需要服務端即時響應，甚至可能由于等待而阻塞。
• 異步模式：客戶端請求不會阻塞進程，服務端的響應可以是非即時的。

下表顯示了不同交互模式：

一對一的交互模式有以下幾種方式：

• 請求/響應：一個客戶端向服務器端發起請求，等待響應。客戶端期望此響應即時到達。在一個基于線程的應用中，等待過程可能造成線程阻塞。
• 通知（也就是常說的單向請求）：一個客戶端請求發送到服務端，但是并不期望服務端響應。
• 請求/異步響應：客戶端發送請求到服務端，服務端異步響應請求。客戶端不會阻塞，而且被設計成默認響應不會立刻到達。

一對多的交互模式有以下幾種方式：

• 發布/ 訂閱模式：客戶端發布通知消息，被零個或者多個感興趣的服務消費。

• 發布/異步響應模式：客戶端發布請求消息，然后等待從感興趣服務發回的響應。

每個服務都是以上這些模式的組合，對某些服務，一個IPC機制就足夠了；而對另外一些服務則需要多種IPC機制組合。下圖展示了在一個打車服務請求中服務之間是如何通信的。

Richardson-microservices-part3-taxi-service-1024x609.png

上圖中的服務通信使用了通知、請求/響應、發布/訂閱等方式。例如，乘客通過移動端給『行程管理服務』發送通知，希望申請一次出租服務。『行程管理服務』發送請求/響應消息給『乘客服務』以確認乘客賬號是有效的。緊接著創建此次行程，并用發布/訂閱交互模式通知其他服務，包括定位可用司機的調度服務。

現在我們了解了交互模式，接下來我們一起來看看如何定義API。

定義API

API是服務端和客戶端之間的契約。不管選擇了什么樣的IPC機制，重要的是使用某種交互式定義語言（IDL）來精確定義一個服務的API。甚至有一些關于使用API first的方法（API-first approach）來定義服務的很好的理由。在開發之前，你需要先定義服務的接口，并與客戶端開發者詳細討論確認。這樣的討論和設計會大幅度提到API的可用度以及滿意度。

在本文后半部分你將會看到，API定義實質上依賴于選擇哪種IPC。如果使用消息機制，API則由消息頻道（channel）和消息類型構成；如果選擇使用HTTP機制，API則由URL和請求、響應格式構成。后面將會詳細描述IDL。

API的演化

服務端API會不斷變化。在一個單體式應用中經常會直接修改API，然后更新給所有的調用者。而在基于微服務架構應用中，這很困難，即使只有一個服務使用這個API，不可能強迫用戶跟服務端保持同步更新。另外，開發者可能會嘗試性的部署新版本的服務，這個時候，新舊服務就會同事運行。你需要知道如何處理這些問題。

你如何處理API變化，這依賴于這些變化有多大。某些改變是微小的，并且可以和之前版本兼容。比如，你可能只是為某個請求和響應添加了一個屬性。設計客戶端和服務端時候應該遵循健壯性原理，這很重要。客戶端使用舊版API應該也能和新版本一起工作。服務端仍然提供默認響應值，客戶端忽略此版本不需要的響應。使用IPC機制和消息格式對于API演化很有幫助。

但是有時候，API需要進行大規模的改動，并且可能與之前版本不兼容。因為你不可能強制讓所有的客戶端立即升級，所以支持老版本客戶端的服務還需要再運行一段時間。如果你正在使用基于基于HTTP機制的IPC，例如REST，一種解決方案是把版本號嵌入到URL中。每個服務都可能同時處理多個版本的API。或者，你可以部署多個實例，每個實例負責處理一個版本的請求。

處理部分失敗

在上一篇關于API gateway的文章中，我們了解到分布式系統中部分失敗是普遍存在的問題。因為客戶端和服務端是都是獨立的進程，一個服務端有可能因為故障或者維護而停止服務，或者此服務因為過載停止或者反應很慢。

考慮這篇文章中描述的部分失敗的場景。假設推薦服務無法響應請求，那客戶端就會由于等待響應而阻塞，這不僅會給客戶帶來很差的體驗，而且在很多應用中還會占用很多資源，比如線程，以至于到最后由于等待響應被阻塞的客戶端越來越多，線程資源被耗費完了。如下圖所示：

Richardson-microservices-part3-threads-blocked-1024x383.png

為了預防這種問題，設計服務時候必須要考慮部分失敗的問題。

Netfilix提供了一個比較好的解決方案，具體的應對措施包括：

• 網絡超時：當等待響應時，不要無限期的阻塞，而是采用超時策略。使用超時策略可以確保資源不會無限期的占用。
• 限制請求的次數：可以為客戶端對某特定服務的請求設置一個訪問上限。如果請求已達上限，就要立刻終止請求服務。
• 斷路器模式（Circuit Breaker Pattern）：記錄成功和失敗請求的數量。如果失效率超過一個閾值，觸發斷路器使得后續的請求立刻失敗。如果大量的請求失敗，就可能是這個服務不可用，再發請求也無意義。在一個失效期后，客戶端可以再試，如果成功，關閉此斷路器。
• 提供回滾：當一個請求失敗后可以進行回滾邏輯。例如，返回緩存數據或者一個系統默認值。

Netflix Hystrix是一個實現相關模式的開源庫。如果使用JVM，推薦考慮使用Hystrix。而如果使用非JVM環境，你可以使用類似功能的庫。

IPC技術

現在有很多不同的IPC技術。服務之間的通信可以使用同步的請求/響應模式，比如基于HTTP的REST或者Thrift。另外，也可以選擇異步的、基于消息的通信模式，比如AMQP或者STOMP。除以之外，還有其它的消息格式供選擇，比如JSON和XML，它們都是可讀的，基于文本的消息格式。當然，也還有二進制格式（效率更高）的，比如Avro和Protocol Buffer。接下來我們將會討論異步的IPC模式和同步的IPC模式，首先來看異步的。

異步的，基于消息通信

當使用基于異步交換消息的進程通信方式時，一個客戶端通過向服務端發送消息提交請求。如果服務端需要回復，則會發送另外一個獨立的消息給客戶端。因為通信是異步的，客戶端不會因為等待而阻塞，相反，客戶端理所當然的認為響應不會立刻接收到。

一個消息由頭部（元數據例如發送方）和消息體構成。消息通過channel發送，任何數量的生產者都可以發送消息到channel，同樣的，任何數量的消費者都可以從渠道中接受數據。有兩類channel，點對點和發布/訂閱。點對點channel會把消息準確的發送到某個從channel讀取消息的消費者，服務端使用點對點來實現之前提到的一對一交互模式；而發布/訂閱則把消息投送到所有從channel讀取數據的消費者，服務端使用發布/訂閱channel來實現上面提到的一對多交互模式。

下圖展示了打車軟件如何使用發布/訂閱：

Richardson-microservices-part3-pub-sub-channels-1024x639.png

行程管理服務在發布-訂閱channel內創建一個行程消息，并通知調度服務有一個新的行程請求，調度服務發現一個可用的司機然后向發布-訂閱channel寫入司機建議消息（Driver Proposed message）來通知其他服務。

有很多消息系統可以選擇，最好選擇一種支持多編程語言的。一些消息系統支持標準協議，例如AMQP和STOMP。其他消息系統則使用獨有的協議，有大量開源消息系統可選，比如RabbitMQ、Apache Kafka、Apache ActiveMQ和NSQ。它們都支持某種形式的消息和channel，并且都是可靠的、高性能和可擴展的；然而，它們的消息模型完全不同。

使用消息機制有很多優點：

• 解耦客戶端和服務端：客戶端只需要將消息發送到正確的channel。客戶端完全不需要了解具體的服務實例，更不需要一個發現機制來確定服務實例的位置。

• Message Buffering：在一個同步請求/響應協議中，例如HTTP，所有的客戶端和服務端必須在交互期間保持可用。而在消息模式中，消息broker將所有寫入channel的消息按照隊列方式管理，直到被消費者處理。也就是說，在線商店可以接受客戶訂單，即使下單系統很慢或者不可用，只要保持下單消息進入隊列就好了。

• 彈性客戶端-服務端交互：消息機制支持以上說的所有交互模式。

• 直接進程間通信：基于RPC機制，試圖喚醒遠程服務看起來跟喚醒本地服務一樣。然而，因為物理定律和部分失敗可能性，他們實際上非常不同。消息使得這些不同非常明確，開發者不會出現問題。

然而，消息機制也有自己的缺點：

• 額外的操作復雜性：消息系統需要單獨安裝、配置和部署。消息broker（代理）必須高可用，否則系統可靠性將會受到影響。

• 實現基于請求/響應交互模式的復雜性：請求/響應交互模式需要完成額外的工作。每個請求消息必須包含一個回復渠道ID和相關ID。服務端發送一個包含相關ID的響應消息到channel中，使用相關ID來將響應對應到發出請求的客戶端。也許這個時候，使用一個直接支持請求/響應的IPC機制會更容易些。

現在我們已經了解了基于消息的IPC，接下來我們來看看基于請求/響應模式的IPC。

同步的，基于請求/響應的IPC

當使用一個同步的，基于請求/響應的IPC機制，客戶端向服務端發送一個請求，服務端處理請求，返回響應。一些客戶端會由于等待服務端響應而被阻塞，而另外一些客戶端也可能使用異步的、基于事件驅動的客戶端代碼（Future或者Rx Observable的封裝）。然而，不像使用消息機制，客戶端需要響應及時返回。這個模式中有很多可選的協議，但最常見的兩個協議是REST和Thrift。首先我們來看下REST。

REST

現在很流行使用RESTful風格的API。REST是基于HTTP協議的。另外，一個需要理解的比較重要的概念是，REST是一個資源，一般代表一個業務對象，比如一個客戶或者一個產品，或者一組商業對象。REST使用HTTP語法協議來修改資源，一般通過URL來實現。舉個例子，GET請求返回一個資源的簡單信息，響應格式通常是XML或者JSON對象格式。POST請求會創建一個新資源，PUT請求更新一個資源。這里引用下REST之父Roy Fielding說的：

當需要一個整體的、重視模塊交互可擴展性、接口概括性、組件部署獨立性和減小延遲、提供安全性和封裝性的系統時，REST可以提供這樣一組滿足需求的架構。

下圖展示了打車軟件是如何使用REST的。

乘客通過移動端向行程管理服務的/trips資源提交了一個POST請求。行程管理服務收到請求之后，會發送一個GET請求到乘客管理服務以獲取乘客信息。當確認乘客信息之后，緊接著會創建一個行程，并向移動端返回201（譯者注：狀態碼）響應。

很多開發者都表示他們基于HTTP的API是RESTful的。但是，如同Fielding在他的博客中所說，這些API可能并不都是RESTful的。Leonard Richardson為REST定義了一個成熟度模型，具體包含以下4個層次（摘自IBM）：

第一個層次（Level 0）的 Web 服務只是使用 HTTP 作為傳輸方式，實際上只是遠程方法調用（RPC）的一種具體形式。SOAP 和 XML-RPC 都屬于此類。
第二個層次（Level 1）的 Web 服務引入了資源的概念。每個資源有對應的標識符和表達。
第三個層次（Level 2）的 Web 服務使用不同的 HTTP 方法來進行不同的操作，并且使用 HTTP 狀態碼來表示不同的結果。如 HTTP GET 方法來獲取資源，HTTP DELETE 方法來刪除資源。
第四個層次（Level 3）的 Web 服務使用 HATEOAS。在資源的表達中包含了鏈接信息。客戶端可以根據鏈接來發現可以執行的動作。

使用基于HTTP的協議有如下好處：

• HTTP非常簡單并且大家都很熟悉。
• 可以使用瀏覽器擴展（比如Postman）或者curl之類的命令行來測試API。
• 內置支持請求/響應模式的通信。
• HTTP對防火墻友好的。
• 不需要中間代理，簡化了系統架構。

不足之處包括：

• 只支持請求/響應模式交互。可以使用HTTP通知，但是服務端必須一直發送HTTP響應才行。
• 因為客戶端和服務端直接通信（沒有代理或者buffer機制），在交互期間必須都在線。
• 客戶端必須知道每個服務實例的URL。如之前那篇關于API Gateway的文章所述，這也是個煩人的問題。客戶端必須使用服務實例發現機制。

開發者社區最近重新發現了RESTful API接口定義語言的價值。于是就有了一些RESTful風格的服務框架，包括RAML和Swagger。一些IDL，例如Swagger允許定義請求和響應消息的格式。其它的，例如RAML，需要使用另外的標識，例如JSON Schema。對于描述API，IDL一般都有工具來定義客戶端和服務端骨架接口。

Thrift

Apache Thrift是一個很有趣的REST的替代品。它是Facebook實現的一種高效的、支持多種編程語言的遠程服務調用的框架。Thrift提供了一個C風格的IDL定義API。使用Thrift編譯器可以生成客戶端和服務器端代碼框架。編譯器可以生成多種語言的代碼，包括C++、Java、Python、PHP、Ruby, Erlang和Node.js。

Thrift接口包括一個或者多個服務。服務定義類似于一個JAVA接口，是一組方法。Thrift方法可以返回響應，也可以被定義為單向的。返回值的方法其實就是請求/響應類型交互模式的實現。客戶端等待響應，并可能拋出異常。單向方法對應于通知類型的交互模式，服務端并不返回響應。

Thrift支持多種消息格式：JSON、二進制和壓縮二進制。二進制比JSON更高效，因為二進制解碼更快。同樣原因，壓縮二進制格式可以提供更高級別的壓縮效率。JSON，是易讀的。Thrift也可以在裸TCP和HTTP中間選擇，裸TCP看起來比HTTP更加有效。然而，HTTP對防火墻，瀏覽器和人來說更加友好。

消息格式

了解完HTTP和Thrift后，我們來看下消息格式方面的問題。如果使用消息系統或者REST，就可以選擇消息格式。其它的IPC機制，例如Thrift可能只支持部分消息格式，也許只有一種。無論哪種方式，我們必須使用一個跨語言的消息格式，這非常重要。因為指不定哪天你會使用其它語言。

有兩類消息格式：文本和二進制。文本格式的例子包括JSON和XML。這種格式的優點在于不僅可讀，而且是自描述的。在JSON中，一個對象就是一組鍵值對。類似的，在XML中，屬性是由名字和值構成。消費者可以從中選擇感興趣的元素而忽略其它部分。同時，小幅度的格式修改可以很容器向后兼容。

XML文檔結構是由XML schema定義的。隨著時間發展，開發者社區意識到JSON也需要一個類似的機制。一個選擇是使用JSON Schema，要么是獨立的，要么是例如Swagger的IDL。

基于文本的消息格式最大的缺點是消息會變得冗長，特別是XML。因為消息是自描述的，所以每個消息都包含屬性和值。另外一個缺點是解析文本的負擔過大。所以，你可能需要考慮使用二進制格式。

二進制的格式也有很多。如果使用的是Thrift RPC，那可以使用二進制Thrift。如果選擇消息格式，常用的還包括Protocol Buffers和Apache Avro。它們都提供典型的IDL來定義消息架構。一個不同點在于Protocol Buffers使用的是加標記（tag）的字段，而Avro消費者需要知道模式（schema）來解析消息。因此，使用前者，API更容易演進。這篇博客很好的比較了Thrift、Protocol Buffers、Avro三者的區別。

總結

微服務必須使用進程間通信機制來交互。當設計服務的通信模式時，你需要考慮幾個問題：服務如何交互，每個服務如何標識API，如何升級API，以及如何處理部分失敗。微服務架構有兩類IPC機制可選，異步消息機制和同步請求/響應機制。在下一篇文章中，我們將會討論微服務架構中的服務發現問題。

原文鏈接：Building Microservices: Inter-Process Communication in a Microservices Architecture（翻譯：楊峰校對：李穎杰）

posted on 2016-03-17 18:05 一杯清茶閱讀(133) 評論(0) 編輯收藏

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