Golang gRPC的Proxy的原理 Golang实现gRPC的Proxy的原理解析
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背景
gRPC是Google开始的一个RPC服务框架， 是英文全名为Google Remote Procedure Call的简称。
广泛的应用在有RPC场景的业务系统中，一些架构中将gRPC请求都经过一个gRPC服务代理节点或网关，进行服务的权限现在，限流，服务调用简化，增加请求统计等等诸多功能。
如下以Golang和gRPC为例，解析gRPC的转发原理。
gRPC Proxy原理
基本原理如下
- 基于TCP启动一个gRPC代理服务
- 拦截gRPC框架的服务映射，能将gRPC请求的服务拦截到转发代理的一个函数实现中。
- 接收客户端的请求，处理业务指标后转发给服务端。
- 接收服务端的响应，处理业务指标后转发给客户端。
基于如上原理描述，通过如下图所示，gRPC的客户端将所有的请求都发给gRPC Server Proxy，这个代理网关实现请求转发。
将gRPC Client的请求流转发到gRPC 服务实现的节点上。并将服务处理结果响应返回给客户端。
在这个图中的转发需要回答如下几个问题
- Proxy怎么知道哪些请求转发到哪些服务节点上，转发的依据是什么？
- Proxy是否需要解析gRPC协议？
- Proxy上没有服务的实现，该如何转发？
简化的gRPC服务处理流程
在回答如下问题之前，我们先简单的分析一下gRPC服务器的实现原理和流程。
- 编写自己的服务实现，例子中以HelloWorld为例。
- 把自己的服务实现注册到gRPC框架中
- 创建一个TCP的服务端监听
- 基于TCP监听启动一个gRPC服务
- gRPC服务接收gRPC客户端的TCP请求
- 解析gRPC的头部信息，找出服务名
- 根据服务名找到第一步注册的服务实现处理器
- 处理函数执行
- 返回处理结果
简化的注册服务处理器函数，启动gRPC服务，调用请求和执行数据流图如下所示：
详细的gRPC服务运行原理
第一步，定义和编写HelloWorld的IDL文件
syntax = "proto3";
package demoapi;
// HelloWorld Service
service HelloWorldService {
rpc HelloWorld(HelloWorldRequest) returns (HelloWorldResponse){};
}
// Request message
message HelloWorldRequest {
string request = 1;
}
// Response message
message HelloWorldResponse {
string respose = 1;
}
在这个简单的IDL中，定义了一个HelloWorldService的gRPC服务，这个服务中有一个HelloWorld方法。
第二步，编译IDL文件
将IDL的proto文件编译成helloworld.pb.go的gRPC代码文件。
生成的代码文件中，我们可以看到如下信息
// Hello World的客户端接口
type HelloWorldServiceClient interface {
HelloWorld(ctx context.Context, in *HelloWorldRequest, opts ...grpc.CallOption) (*HelloWorldResponse, error)
}
// Hello World的服务端接口
type HelloWorldServiceServer interface {
HelloWorld(context.Context, *HelloWorldRequest) (*HelloWorldResponse, error)
}
// HelloWorld的服务注册处理器函数Handler
func _HelloWorldService_HelloWorld_Handler(srv interface{}, ctx context.Context, dec func(interface{}) error, interceptor grpc.UnaryServerInterceptor) (interface{}, error) {
in := new(HelloWorldRequest)
if err := dec(in); err != nil {
return nil, err
}
if interceptor == nil {
return srv.(HelloWorldServiceServer).HelloWorld(ctx, in)
}
info := &grpc.UnaryServerInfo{
Server: srv,
FullMethod: "/demoapi.HelloWorldService/HelloWorld",
}
handler := func(ctx context.Context, req interface{}) (interface{}, error) {
return srv.(HelloWorldServiceServer).HelloWorld(ctx, req.(*HelloWorldRequest))
}
return interceptor(ctx, in, info, handler)
}
// gRPC服务注册的服务描述信息
// gRPC服务注册时，会建立以ServiceName为Key，Methods为Value的一个Map映射
// Methods中的Handler就是如上的服务处理Handler
var _HelloWorldService_serviceDesc = grpc.ServiceDesc{
ServiceName: "demoapi.HelloWorldService",
HandlerType: (*HelloWorldServiceServer)(nil),
Methods: []grpc.MethodDesc{
{
MethodName: "HelloWorld",
Handler: _HelloWorldService_HelloWorld_Handler,
},
},
Streams: []grpc.StreamDesc{},
Metadata: "demoapi/HelloWorld.proto",
}
如上代码中有如下几个关键信息需要解释
- 服务Service名称 demoapi.HelloWorldService，对应IDL文件的package包名.service服务名称
- 方法Method名称 HelloWorld，对应IDL文件的rpc方法
第三步，注册HelloWorld服务到gRPC的服务映射中
- grpc.ServiceDesc是 gRPC服务注册的服务描述信息。
- gRPC服务注册时，会建立以ServiceName为Key，包装Methods为Value的一个Map映射m。
- Methods中的Handler就是如上的服务处理Handler。
对应的注册代码如下
// 注册gRPC服务
func RegisterHelloWorldServiceServer(s *grpc.Server, srv HelloWorldServiceServer) {
s.RegisterService(&_HelloWorldService_serviceDesc, srv)
}
// Server is a gRPC server to serve RPC requests.
type Server struct {
// ...
m map[string]*service // service name -> service info
}
// gRPC service.go的服务注册
func (s *Server) register(sd *ServiceDesc, ss interface{}) {
srv := &service{
server: ss,
md: make(map[string]*MethodDesc),
sd: make(map[string]*StreamDesc),
mdata: sd.Metadata,
}
for i := range sd.Methods {
d := &sd.Methods[i]
srv.md[d.MethodName] = d
}
for i := range sd.Streams {
d := &sd.Streams[i]
srv.sd[d.StreamName] = d
}
s.m[sd.ServiceName] = srv
}
第四步，接收客户端gRPC请求并处理
在这一步中，会进行如下几个步骤和函数的调用，也会回答前面的第一个问题。
- gRPC客户端通过TCP链接，连接到gRPC服务端
- gRPC的Serve函数触发TCP的Accept函数调用，生成一个和客户端的网络连接
- grpc框架代码执行handleRawConn方法，将这个网络连接设置打破gRPC的传输层，做为网络的读和写实现
- 依次调用grpc流的handlerStream方法，用于处理gRPC数据流
- 这个函数中会接收gRPC请求的头信息，并解析得到服务名 如第二步中的服务名 demoapi.HelloWorldService
- 通过如下的服务名中的方法名HelloWorld，并在Method的map中找到这个方法的处理器函数Handler，并执行这个Handler函数，实现gRPC服务的调用
- 最后将处理结果返回
整体的数据流整理如下：
我们发现在gRPC框架代码中的handleStream存在两类服务，一类是已知服务 knownService, 第二类是unknownService
这两个有什么区别呢？
已知服务 knownService就是gRPC服务端代码注册到gRPC框架中的服务，叫做已知服务，其他没有注册的服务叫做未知服务。
为什么我们要提到这个未知服务unknownService呢？着就是我们实现gRPC服务代码的关键所在，是前面问题三的答案，
要实现gRPC服务代理，我们在创建grpc服务grpc.NewServer时，传递一个未知服务的handler，将未知服务的处理进行接管，然后通过注册的这个Handler实现gRPC代理转发的逻辑。
基于如下描述，gRPC代理的原理如下图所示：
- 创建grpc服务时，注册一个未知服务处理器Handler和一个自定义的编码Codec编码和解码，此处使用proto标准的Codec（回答签名第二个问题）
- 这个handle给业务方预留一个director的接口，用于代理重定向转发的grpc连接获取，这样proxy就可以通过redirector得到gRPCServer的grpc连接。
- proxy接收gRPC客户端的连接，并使用gRPC的RecvMsg方法，接收客户端的消息请求
- proxy将接收到的gRPC客户端消息请求，通过SendHeader和SendMsg方法发送给gRPC服务端。
- 同样的方法，RecvMsg接收gRPC服务端的响应消息，使用SendMsg发送给gRPC客户端。
- 至此gRPC代码服务就完成了消息的转发功能，企业的限流，权限等功能可以通过转发的功能进行拦截处理。
gRPC Proxy的实现逻辑如下图所示：
gRPC 代理服务的关键代码如下所示：
服务端到客户端的转发
// 转发服务端的数据流到客户端
func (s *handler) forwardServerToClient(src grpc.ServerStream, dst grpc.ClientStream) chan error {
ret := make(chan error, 1)
go func() {
f := &frame{}
for i := 0; ; i++ {
if err := src.RecvMsg(f); err != nil {
ret <- err // this can be io.EOF which is happy case
break
}
if err := dst.SendMsg(f); err != nil {
ret <- err
break
}
}
}()
return ret
}
客户端到服务端的转发
// 转发客户端的数据流到服务端
func (s *handler) forwardClientToServer(src grpc.ClientStream, dst grpc.ServerStream) chan error {
ret := make(chan error, 1)
go func() {
f := &frame{}
for i := 0; ; i++ {
if err := src.RecvMsg(f); err != nil {
ret <- err // this can be io.EOF which is happy case
break
}
if i == 0 {
// This is a bit of a hack, but client to server headers are only readable after first client msg is
// received but must be written to server stream before the first msg is flushed.
// This is the only place to do it nicely.
md, err := src.Header()
if err != nil {
ret <- err
break
}
if err := dst.SendHeader(md); err != nil {
ret <- err
break
}
}
if err := dst.SendMsg(f); err != nil {
ret <- err
break
}
}
}()
return ret
}
参考材料
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