微服务实战（三）：深入微服务架构的进程间通信

   <p>【编者的话】这是采用微服务架构创建自己应用系列第三篇文章。<a href="http://www.open-open.com/lib/view/open1462432867913.html">第一篇</a>介绍了微服务架构模式，和单体式模式进行了比较，并且讨论了使用微服务架构的优缺点。<a href="http://www.open-open.com/lib/view/open1436089902667.html">第二篇</a>描述了采用微服务架构应用客户端之间如何采用API Gateway方式进行通信。在这篇文章中，我们将讨论系统服务之间如何通信。</p>    <p>简介</p>    <p>在单体式应用中，各个模块之间的调用是通过编程语言级别的方法或者函数来实现的。但是一个基于微服务的分布式应用是运行在多台机器上的。一般来说，每个服务实例都是一个进程。因此，如下图所示，服务之间的交互必须通过进程间通信（IPC）来实现。<br>  </p>    <p><a href="https://simg.open-open.com/show/05feef01628c3d6c845790b2b056529f.png" rel="lightbox"><img alt="微服务实战（三）：深入微服务架构的进程间通信" src="https://simg.open-open.com/show/05feef01628c3d6c845790b2b056529f.png" width="1024" height="518"></a></p>    <p><br> <br> 后面我们将会详细介绍IPC技术，现在我们先来看下设计相关的问题。</p>    <p>交互模式</p>    <p>当为某一个服务选择IPC时，首先需要考虑服务之间如何交互。客户端和服务器之间有很多的交互模式，我们可以从两个维度进行归类。第一个维度是一对一还是一对多：<br> <br> • <strong>一对一</strong>：每个客户端请求有一个服务实例来响应。<br> • <strong>一对多</strong>：每个客户端请求有多个服务实例来响应<br> <br> 第二个维度是这些交互式同步还是异步：<br> <br> • 同步模式：客户端请求需要服务端即时响应，甚至可能由于等待而阻塞。<br> • 异步模式：客户端请求不会阻塞进程，服务端的响应可以是非即时的。<br> <br> 下表显示了不同交互模式：<br>  </p>    <p><a href="https://simg.open-open.com/show/1a8b628060e2671e14be527f0adc08a1.jpg" rel="lightbox"><img alt="微服务实战（三）：深入微服务架构的进程间通信" src="https://simg.open-open.com/show/26e91e081a5cbfb24e5e16df22662da7.jpg" width="2864" height="700"></a></p>    <p><br> <br> 一对一的交互模式有以下几种方式：<br> <br> • 请求/响应：一个客户端向服务器端发起请求，等待响应。客户端期望此响应即时到达。在一个基于线程的应用中，等待过程可能造成线程阻塞。<br> • 通知（也就是常说的单向请求）：一个客户端请求发送到服务端，但是并不期望服务端响应。<br> • 请求/异步响应：客户端发送请求到服务端，服务端异步响应请求。客户端不会阻塞，而且被设计成默认响应不会立刻到达。<br> <br> 一对多的交互模式有以下几种方式：<br> <br> • 发布/ 订阅模式：客户端发布通知消息，被零个或者多个感兴趣的服务消费。<br> <br> • 发布/异步响应模式：客户端发布请求消息，然后等待从感兴趣服务发回的响应。<br> <br> 每个服务都是以上这些模式的组合，对某些服务，一个IPC机制就足够了；而对另外一些服务则需要多种IPC机制组合。下图展示了在一个打车服务请求中服务之间是如何通信的。<br>  </p>    <p><a href="https://simg.open-open.com/show/509652f0450277cd15dc1f5baf6ade8e.png" rel="lightbox"><img alt="微服务实战（三）：深入微服务架构的进程间通信" src="https://simg.open-open.com/show/2f89aa61e172330b3bbde25992fac70f.png" width="1024" height="609"></a></p>    <p><br> <br> 上图中的服务通信使用了通知、请求/响应、发布/订阅等方式。例如，乘客通过移动端给『行程管理服务』发送通知，希望申请一次出租服务。『行程管理服务』发送请求/响应消息给『乘客服务』以确认乘客账号是有效的。紧接着创建此次行程，并用发布/订阅交互模式通知其他服务，包括定位可用司机的调度服务。<br> <br> 现在我们了解了交互模式，接下来我们一起来看看如何定义API。</p>    <p>定义API</p>    <p>API是服务端和客户端之间的契约。不管选择了什么样的IPC机制，重要的是使用某种交互式定义语言（IDL）来精确定义一个服务的API。甚至有一些关于使用<a href="/misc/goto?guid=4959672338182337942">API first的方法</a>（API-first approach）来定义服务的很好的理由。在开发之前，你需要先定义服务的接口，并与客户端开发者详细讨论确认。这样的讨论和设计会大幅度提到API的可用度以及满意度。<br> <br> 在本文后半部分你将会看到，API定义实质上依赖于选择哪种IPC。如果使用消息机制，API则由消息频道（channel）和消息类型构成；如果选择使用HTTP机制，API则由URL和请求、响应格式构成。后面将会详细描述IDL。</p>    <p>API的演化</p>    <p>服务端API会不断变化。在一个单体式应用中经常会直接修改API，然后更新给所有的调用者。而在基于微服务架构应用中，这很困难，即使只有一个服务使用这个API，不可能强迫用户跟服务端保持同步更新。另外，开发者可能会尝试性的<a href="/misc/goto?guid=4959672338275885324">部署新版本的服务</a>，这个时候，新旧服务就会同事运行。你需要知道如何处理这些问题。<br> <br> 你如何处理API变化，这依赖于这些变化有多大。某些改变是微小的，并且可以和之前版本兼容。比如，你可能只是为某个请求和响应添加了一个属性。设计客户端和服务端时候应该遵循<a href="/misc/goto?guid=4959672338358822690">健壮性原理</a>，这很重要。客户端使用旧版API应该也能和新版本一起工作。服务端仍然提供默认响应值，客户端忽略此版本不需要的响应。使用IPC机制和消息格式对于API演化很有帮助。<br> <br> 但是有时候，API需要进行大规模的改动，并且可能与之前版本不兼容。因为你不可能强制让所有的客户端立即升级，所以支持老版本客户端的服务还需要再运行一段时间。如果你正在使用基于基于HTTP机制的IPC，例如REST，一种解决方案是把版本号嵌入到URL中。每个服务都可能同时处理多个版本的API。或者，你可以部署多个实例，每个实例负责处理一个版本的请求。</p>    <p>处理部分失败</p>    <p>在上一篇<a href="/misc/goto?guid=4959672338445818986">关于API gateway</a>的文章中，我们了解到分布式系统中部分失败是普遍存在的问题。因为客户端和服务端是都是独立的进程，一个服务端有可能因为故障或者维护而停止服务，或者此服务因为过载停止或者反应很慢。<br> <br> 考虑这篇文章中描述的<a href="/misc/goto?guid=4959672338445818986">部分失败的场景</a>。假设推荐服务无法响应请求，那客户端就会由于等待响应而阻塞，这不仅会给客户带来很差的体验，而且在很多应用中还会占用很多资源，比如线程，以至于到最后由于等待响应被阻塞的客户端越来越多，线程资源被耗费完了。如下图所示：<br>  </p>    <p><a href="https://simg.open-open.com/show/3aaf528e2bcabf6ac4182956f797b003.png" rel="lightbox"><img alt="微服务实战（三）：深入微服务架构的进程间通信" src="https://simg.open-open.com/show/3aaf528e2bcabf6ac4182956f797b003.png" width="1024" height="383"></a></p>    <p><br> <br> 为了预防这种问题，设计服务时候必须要考虑部分失败的问题。<br> <br> <a href="/misc/goto?guid=4959672338555140848">Netfilix提供</a>了一个比较好的解决方案，具体的应对措施包括：<br> <br> • 网络超时：当等待响应时，不要无限期的阻塞，而是采用超时策略。使用超时策略可以确保资源不会无限期的占用。<br> • 限制请求的次数：可以为客户端对某特定服务的请求设置一个访问上限。如果请求已达上限，就要立刻终止请求服务。<br> • <a href="/misc/goto?guid=4959639530343934952">断路器模式（Circuit Breaker Pattern）</a>：记录成功和失败请求的数量。如果失效率超过一个阈值，触发断路器使得后续的请求立刻失败。如果大量的请求失败，就可能是这个服务不可用，再发请求也无意义。在一个失效期后，客户端可以再试，如果成功，关闭此断路器。<br> • 提供回滚：当一个请求失败后可以进行回滚逻辑。例如，返回缓存数据或者一个系统默认值。<br> <br> <a href="/misc/goto?guid=4958860112281781332">Netflix Hystrix</a>是一个实现相关模式的开源库。如果使用JVM，推荐考虑使用Hystrix。而如果使用非JVM环境，你可以使用类似功能的库。</p>    <p>IPC技术</p>    <p>现在有很多不同的IPC技术。服务之间的通信可以使用同步的请求/响应模式，比如基于HTTP的REST或者Thrift。另外，也可以选择异步的、基于消息的通信模式，比如AMQP或者STOMP。除以之外，还有其它的消息格式供选择，比如JSON和XML，它们都是可读的，基于文本的消息格式。当然，也还有二进制格式（效率更高）的，比如Avro和Protocol Buffer。接下来我们将会讨论异步的IPC模式和同步的IPC模式，首先来看异步的。</p>    <p>异步的，基于消息通信</p>    <p>当使用基于异步交换消息的进程通信方式时，一个客户端通过向服务端发送消息提交请求。如果服务端需要回复，则会发送另外一个独立的消息给客户端。因为通信是异步的，客户端不会因为等待而阻塞，相反，客户端理所当然的认为响应不会立刻接收到。<br> <br> 一个<a href="/misc/goto?guid=4959672338696217335">消息</a>由头部（元数据例如发送方）和消息体构成。消息通过<a href="/misc/goto?guid=4959672338790133009">channel</a>发送，任何数量的生产者都可以发送消息到channel，同样的，任何数量的消费者都可以从渠道中接受数据。有两类channel，<em><a href="/misc/goto?guid=4959672338868521640">点对点</a></em>和<em><a href="/misc/goto?guid=4959672338951476935">发布/订阅</a></em>。点对点channel会把消息准确的发送到某个从channel读取消息的消费者，服务端使用点对点来实现之前提到的一对一交互模式；而发布/订阅则把消息投送到所有从channel读取数据的消费者，服务端使用发布/订阅channel来实现上面提到的一对多交互模式。<br> <br> 下图展示了打车软件如何使用发布/订阅：<br>  </p>    <p><a href="https://simg.open-open.com/show/f425b1bcdf70ef9dda7214536f65255e.png" rel="lightbox"><img alt="微服务实战（三）：深入微服务架构的进程间通信" src="https://simg.open-open.com/show/1ea345894448f422c0c746035bb639ef.png" width="1024" height="639"></a></p>    <p><br> <br> 行程管理服务在发布-订阅channel内创建一个行程消息，并通知调度服务有一个新的行程请求，调度服务发现一个可用的司机然后向发布-订阅channel写入司机建议消息（Driver Proposed message）来通知其他服务。<br> <br> 有很多消息系统可以选择，最好选择一种支持多编程语言的。一些消息系统支持标准协议，例如AMQP和STOMP。其他消息系统则使用独有的协议，有大量开源消息系统可选，比如<a href="/misc/goto?guid=4958839324027820493">RabbitMQ</a>、<a href="/misc/goto?guid=4958531873897074375">Apache Kafka</a>、<a href="/misc/goto?guid=4958323481424978975">Apache ActiveMQ</a>和<a href="/misc/goto?guid=4958864273072264859">NSQ</a>。它们都支持某种形式的消息和channel，并且都是可靠的、高性能和可扩展的；然而，它们的消息模型完全不同。<br> <br> 使用消息机制有很多优点：<br> <br> • <strong>解耦客户端和服务端</strong>：客户端只需要将消息发送到正确的channel。客户端完全不需要了解具体的服务实例，更不需要一个发现机制来确定服务实例的位置。<br> <br> • <strong>Message Buffering</strong>：在一个同步请求/响应协议中，例如HTTP，所有的客户端和服务端必须在交互期间保持可用。而在消息模式中，消息broker将所有写入channel的消息按照队列方式管理，直到被消费者处理。也就是说，在线商店可以接受客户订单，即使下单系统很慢或者不可用，只要保持下单消息进入队列就好了。<br> <br> • 弹性客户端-服务端交互：消息机制支持以上说的所有交互模式。<br> <br> • <strong>直接进程间通信</strong>：基于RPC机制，试图唤醒远程服务看起来跟唤醒本地服务一样。然而，因为物理定律和部分失败可能性，他们实际上非常不同。消息使得这些不同非常明确，开发者不会出现问题。<br> <br> 然而，消息机制也有自己的缺点：<br> <br> • <strong>额外的操作复杂性</strong>：消息系统需要单独安装、配置和部署。消息broker（代理）必须高可用，否则系统可靠性将会受到影响。<br> <br> • <strong>实现基于请求/响应交互模式的复杂性</strong>：请求/响应交互模式需要完成额外的工作。每个请求消息必须包含一个回复渠道ID和相关ID。服务端发送一个包含相关ID的响应消息到channel中，使用相关ID来将响应对应到发出请求的客户端。也许这个时候，使用一个直接支持请求/响应的IPC机制会更容易些。<br> <br> 现在我们已经了解了基于消息的IPC，接下来我们来看看基于请求/响应模式的IPC。<br>  </p>    <p>同步的，基于请求/响应的IPC</p>    <p>当使用一个同步的，基于请求/响应的IPC机制，客户端向服务端发送一个请求，服务端处理请求，返回响应。一些客户端会由于等待服务端响应而被阻塞，而另外一些客户端也可能使用异步的、基于事件驱动的客户端代码（Future或者Rx Observable的封装）。然而，不像使用消息机制，客户端需要响应及时返回。这个模式中有很多可选的协议，但最常见的两个协议是REST和Thrift。首先我们来看下REST。<br> <br> <strong>REST</strong><br> <br> 现在很流行使用<a href="/misc/goto?guid=4958963296600684929">RESTful</a>风格的API。REST是基于HTTP协议的。另外，一个需要理解的比较重要的概念是，REST是一个资源，一般代表一个业务对象，比如一个客户或者一个产品，或者一组商业对象。REST使用HTTP语法协议来修改资源，一般通过URL来实现。举个例子，GET请求返回一个资源的简单信息，响应格式通常是XML或者JSON对象格式。POST请求会创建一个新资源，PUT请求更新一个资源。这里引用下REST之父Roy Fielding说的：<br>  </p>    <blockquote>    当需要一个整体的、重视模块交互可扩展性、接口概括性、组件部署独立性和减小延迟、提供安全性和封装性的系统时，REST可以提供这样一组满足需求的架构。   </blockquote>    <p>下图展示了打车软件是如何使用REST的。<br>  </p>    <p><a href="https://simg.open-open.com/show/5ad2cbfb5d03e3fa1a9293abb2561e15.png" rel="lightbox"><img alt="微服务实战（三）：深入微服务架构的进程间通信" src="https://simg.open-open.com/show/5ad2cbfb5d03e3fa1a9293abb2561e15.png" width="1024" height="397"></a></p>    <p><br> <br> 乘客通过移动端向行程管理服务的<code>/trips</code>资源提交了一个POST请求。行程管理服务收到请求之后，会发送一个GET请求到乘客管理服务以获取乘客信息。当确认乘客信息之后，紧接着会创建一个行程，并向移动端返回201（译者注：状态码）响应。<br> <br> 很多开发者都表示他们基于HTTP的API是RESTful的。但是，如同Fielding在他的<a href="/misc/goto?guid=4958866150212151309">博客</a>中所说，这些API可能并不都是RESTful的。Leonard Richardson为REST定义了一个<a href="/misc/goto?guid=4959642525665834436">成熟度模型</a>，具体包含以下4个层次（摘自<a href="/misc/goto?guid=4959672339292880604">IBM</a>）：</p>    <ul>     <li>第一个层次（Level 0）的 Web 服务只是使用 HTTP 作为传输方式，实际上只是远程方法调用（RPC）的一种具体形式。SOAP 和 XML-RPC 都属于此类。</li>     <li>第二个层次（Level 1）的 Web 服务引入了资源的概念。每个资源有对应的标识符和表达。</li>     <li>第三个层次（Level 2）的 Web 服务使用不同的 HTTP 方法来进行不同的操作，并且使用 HTTP 状态码来表示不同的结果。如 HTTP GET 方法来获取资源，HTTP DELETE 方法来删除资源。</li>     <li>第四个层次（Level 3）的 Web 服务使用 HATEOAS。在资源的表达中包含了链接信息。客户端可以根据链接来发现可以执行的动作。</li>    </ul>    <p><br> 使用基于HTTP的协议有如下好处：<br> <br> • HTTP非常简单并且大家都很熟悉。<br> • 可以使用浏览器扩展（比如<a href="/misc/goto?guid=4958970055943429942">Postman</a>）或者curl之类的命令行来测试API。<br> • 内置支持请求/响应模式的通信。<br> • HTTP对防火墙友好的。<br> • 不需要中间代理，简化了系统架构。<br> <br> 不足之处包括：<br> <br> • 只支持请求/响应模式交互。可以使用HTTP通知，但是服务端必须一直发送HTTP响应才行。<br> • 因为客户端和服务端直接通信（没有代理或者buffer机制），在交互期间必须都在线。<br> • 客户端必须知道每个服务实例的URL。如之前那篇关于<a href="/misc/goto?guid=4959672338445818986">API Gateway的文章</a>所述，这也是个烦人的问题。客户端必须使用服务实例发现机制。<br> <br> 开发者社区最近重新发现了RESTful API接口定义语言的价值。于是就有了一些RESTful风格的服务框架，包括<a href="/misc/goto?guid=4958966062316859570">RAML</a>和<a href="/misc/goto?guid=4958966062191945523">Swagger</a>。一些IDL，例如Swagger允许定义请求和响应消息的格式。其它的，例如RAML，需要使用另外的标识，例如<a href="/misc/goto?guid=4959638325738612523">JSON Schema</a>。对于描述API，IDL一般都有工具来定义客户端和服务端骨架接口。<br> <br> <strong>Thrift</strong><br> <br> <a href="/misc/goto?guid=4958836012119167530">Apache Thrift</a>是一个很有趣的REST的替代品。它是非死book实现的一种高效的、支持多种编程语言的远程服务调用的框架。Thrift提供了一个C风格的IDL定义API。使用Thrift编译器可以生成客户端和服务器端代码框架。编译器可以生成多种语言的代码，包括C++、Java、Python、PHP、Ruby, Erlang和Node.js。<br> <br> Thrift接口包括一个或者多个服务。服务定义类似于一个JAVA接口，是一组方法。Thrift方法可以返回响应，也可以被定义为单向的。返回值的方法其实就是请求/响应类型交互模式的实现。客户端等待响应，并可能抛出异常。单向方法对应于通知类型的交互模式，服务端并不返回响应。<br> <br> Thrift支持多种消息格式：JSON、二进制和压缩二进制。二进制比JSON更高效，因为二进制解码更快。同样原因，压缩二进制格式可以提供更高级别的压缩效率。JSON，是易读的。Thrift也可以在裸TCP和HTTP中间选择，裸TCP看起来比HTTP更加有效。然而，HTTP对防火墙，浏览器和人来说更加友好。</p>    <p>消息格式</p>    <p>了解完HTTP和Thrift后，我们来看下消息格式方面的问题。如果使用消息系统或者REST，就可以选择消息格式。其它的IPC机制，例如Thrift可能只支持部分消息格式，也许只有一种。无论哪种方式，我们必须使用一个跨语言的消息格式，这非常重要。因为指不定哪天你会使用其它语言。<br> <br> 有两类消息格式：文本和二进制。文本格式的例子包括JSON和XML。这种格式的优点在于不仅可读，而且是自描述的。在JSON中，一个对象就是一组键值对。类似的，在XML中，属性是由名字和值构成。消费者可以从中选择感兴趣的元素而忽略其它部分。同时，小幅度的格式修改可以很容器向后兼容。<br> <br> XML文档结构是由XML schema定义的。随着时间发展，开发者社区意识到JSON也需要一个类似的机制。一个选择是使用JSON Schema，要么是独立的，要么是例如Swagger的IDL。<br> <br> 基于文本的消息格式最大的缺点是消息会变得冗长，特别是XML。因为消息是自描述的，所以每个消息都包含属性和值。另外一个缺点是解析文本的负担过大。所以，你可能需要考虑使用二进制格式。<br> <br> 二进制的格式也有很多。如果使用的是Thrift RPC，那可以使用二进制Thrift。如果选择消息格式，常用的还包括<a href="/misc/goto?guid=4958838453177402014">Protocol Buffers</a>和<a href="/misc/goto?guid=4959672339565783428">Apache Avro</a>。它们都提供典型的IDL来定义消息架构。一个不同点在于Protocol Buffers使用的是加标记（tag）的字段，而Avro消费者需要知道模式（schema）来解析消息。因此，使用前者，API更容易演进。这篇<a href="/misc/goto?guid=4959672339661462719">博客</a>很好的比较了Thrift、Protocol Buffers、Avro三者的区别。</p>    <p>总结</p>    <p>微服务必须使用进程间通信机制来交互。当设计服务的通信模式时，你需要考虑几个问题：服务如何交互，每个服务如何标识API，如何升级API，以及如何处理部分失败。微服务架构有两类IPC机制可选，异步消息机制和同步请求/响应机制。在下一篇文章中，我们将会讨论微服务架构中的服务发现问题。</p>    <p>来源：http://dockone.io/article/549</p>