Go 微服务开发框架DMicro的设计思路

DMicro源码地址:

• GitHub: https://github.com/osgochina/dmicro
• Gitee: https://gitee.com/osgochina/dmicro

背景

DMicro诞生的背景，是因为我写了10来年的PHP，想在公司内部推广Go,公司内部的组件及rpc协议都是基于swoole定制化开发的。调研了市面上的各种框架，包括beego,goframe,gin,go-micro,go-zero,erpc等等，可能是我当时技术能力有限，并不能让这些框架很好的适配我们的业务。

我们业务开发有几个痛点，在当时golang的生态中无法找到一整套解决方案。

• 微服务应用和单体应用同时开发。
• 高性能，高可用的网络通讯。
• 需要自定义应用层的协议(重点)。
• 需要灵活的插件扩展机制，方便适配现有系统(重点)。
• 服务端与客户端的概念模糊，互相都能使用相同的api调用对方。
• 支持Push消息。
• 连接/会话管理。
• 高效率的开发，支持通过proto生成代码。
• 支持多种网络协议，tcp,websocket,quic,unixsocket.
• 兼容http协议。
• 能够更快速的定位问题。
• 更便捷的增加新特性。

在对常用的开源框架做了简单的调研以后，发现并没有一款合适的框架能满足我的所有需求。在认真思考过后，发现erpc和goframe两个框架的结合体能满足我的需求，于是就诞生了自研DMicro.

概述

DMicro中的drpc组件的思想是参考erpc实现，甚至可以说是它的继承者。

drpc组件是DMicro框架的一部分，为了适配DMicro框架，在erpc的基础上做了深入的扩展开发。

整个DMicro大量使用goframe中的组件，如果业务使用goframe框架，可以无缝接入。

DRpc特性列表:

• 对等通信,对等Api
• 高性能,非阻塞异步IO
• 自定义Proto,,兼容http协议,自定义Codec
• Hook点,插件系统,
• Push消息,session管理，Socket抽象,
• 断线重连,过载保护,负载均衡,心跳机制,
• 平滑重启 ...

DServer特性列表：

• 快速构建,平滑重启,多进程支持,单/多进程一致
• 预定义命令行,ctrl命令管理服务
• 可观测,可控制,应用沙盒

DMicro已经内置组件：

• [x] Registry 服务注册
• [x] Selector 服务发现
• [x] Eventbus 事件总线
• [x] Supervisor 进程管理
• [ ] Code gen 代码生成
• [ ] Tracing 链路追踪
• [ ] Metrics 统计告警
• [ ] Broker 限流熔断
• [ ] OpenAPI 文档自动生成

架构

设计理念

对DMicro框架的设计，从设计之初就是在追求灵活性，适应性。在保证微服务的稳定性前提下，追求项目的开发效率。

• 面向接口设计，保证代码稳定，提供灵活定制。
• 抽象各组件的接口，高内聚，低耦合。
• 分层设计，自上而下逐层封装，利于稳定和维护。
• 高性能，高可用，低消耗。
• 对开发友好，封装复杂度。
• 提供丰富的组件及功能，让开发专注业务。

无数个写DMicro的日夜，我都谨记开发三原则:

• Clarity(清晰)
• Simplicity(简单)
• Productivity(生产力)

无论工作，还是做开源项目，都应该保持这三个原则，养成良好的习惯。

面向接口设计

DMicro秉承着万物皆接口的原则,提供框架无与伦比的扩展性.

下图展示的是消息的发送的流转流程,可以看到,所有的功能点都被抽象成了接口,每个功能点都提供了不同的实现.

会话 Session

大多数的Rpc框架并不强调会话(session)的概念,因其应用场景不需要用到会话(session). 那么drpc为什么需要抽象出会话(session)呢?

• Endpoint 融合了Client和Server,需要提供相同的Api.
• 服务端需要主动向客户端发送消息,并且获取客户端的响应.
• 服务端支持对多个客户端批量发送消息.
• 异步主动断开一个或多个会话.
• 获取会话底层的文件描述符,对其进行性能调优.
• 可以为每个会话绑定特殊的数据/属性.

Session抽象了整个drpc框架的会话,把Socket,Message,Context都融合到一起. 开发者只需要对session进行操作,就能实现大多数需求.

• 获取连接信息
• 控制连接的生命周期(超时时间)
• 控制单次请求的生命周期(超时时间)
• 接收消息
• 发送消息
• 创建消息的上下文
• 绑定会话的相关信息(如用户信息)
• 断线重连
• 主动断开会话.
• 健康检查
• 获取连接关闭事件
• 为会话设置单独的id

Session接口可以细分为4个interface{},分别是EarlySession,BaseSession,CtxSession,Session. 对应的是应用的不同生命阶段会话(Session)拥有的不同属性.

• EarlySession 表示刚生成会话,尚未启动 goroutine 读取数据的阶段.
• BaseSession 只有最基础的方法,用于关闭连接时候的插件参数.
• CtxSession 在处理程序上下文中传递的会话对象.
• Session 全功能的会话对象.

正常情况下,开发者用到的都是Session,CtxSession这两个接口,其他2个接口是在插件中使用.

消息 Message

消息Message 包含消息头Header,消息体Body,是客户端与服务端之间通信的实体.

Message interface{} 抽象了对通信实体的操作.

• Size消息的长度
• Transfer-Filter-Pipeline 报文数据过滤处理管道
• Seq 序列号
• MType 消息类型
• ServiceMethod 资源标识符
• Meta 消息的元数据
• BodyCodec 消息体编码格式
• Body 消息体

协议 Proto

协议是对消息Message对象的序列化和反向序列化,框架提供Proto 接口. 只需要实现该接口,开发者就能定制符合业务需求的自定义协议,从而提升了框架的灵活性.

接口的定义如下:

type Proto interface {
	Version() (byte, string)
	Pack(Message) error
	Unpack(Message) error
}

• Version() 返回该协议的id和名字,两个组成唯一的版本号.
• Pack 对消息Message对象进行序列化.
• Unpack 对字节流反序列化,生成一个消息Message对象.

目前框架已支持Http,Json,Raw,Protobuf,JsonRpc这5个协议.

RAW协议组成如下:

其他协议可以参考代码.

编码 Codec

作为一个通用性的框架,支持的协议可以有多种,消息体的编解码也可以有多少种. drpc使用Codec接口对消息体Body进行编解码.

接口的定义如下:

type Codec interface {
	ID() byte
	Name() string
	Marshal(interface{}) ([]byte, error)
	Unmarshal([]byte, interface{}) error
}

• ID 返回编Codec的id
• Name 返回编Codec的名字,名字是为了开发者更容易识别.
• Marshal 对消息内容进行编码
• Unmarshal 对消息内容进行解码

目前框架已支持Form,Json,plain,Protobuf,XML这5个编解码.

连接 Socket

Socket扩展了net.Conn,并且抽象出接口,方便框架对底层网络协议的集成.

Socket接口实现了一部分Session接口的功能,Session接口调用的一些方法,实际上是转发调用了Socket中的方法.

这样的分层实现,让Socket拥有的集成其他协议的能力.

• TCP V4,TCP V6
• Unix Socket
• KCP
• QUIC

支持对连接的性能调优.

• SetKeepAlive 开启链接保活
• SetKeepAlivePeriod 链接保活间隔时间
• SetReadBuffer 设置链接读缓冲区size
• SetWriteBuffer 获取链接写缓冲区size
• SetNoDelay 开启关闭no delay算法
• ControlFD 支持操作链接的原始句柄

有机的组合

前面讲到,DMicro框架万物皆接口,分层+接口的设计,让DMicro有了灵活的组成高效且符合业务实际情况的能力.

接下来我们要讲到实现这些能力的基础.插件系统.

插件 Plugin

插件系统给框架带来了极大的扩展性和灵活性，是整个框架的一个灵魂模块，有了它，框架就有了无限可能。

什么样的插件系统才能算是优雅呢？我能想到的有以下几点：

• 合理且丰富的hook位置,能够覆盖整个框架的生命周期，贯穿通讯的各个环节。
• 每个hook位置的入参和出参都是经过精心设计。
• 每个插件都能够使用多个hook位置，每个hook位置都能被多个插件使用。
• 设计的足够简洁，优雅。能方便的进行二次开发定制。

在drpc中，钩子贯穿与整个Endpoint的生命周期，是它不可或缺的重要一环。

通过这些钩子 Hook点,赋予了插件无限可能.

组件

有了插件,就能通过插件的组合,编写综合功能的组件,目前框架提供一些内置的组件,

• 服务端 Rpc Server
• 客户端 Rpc Client
• 服务注册 Registry
• 服务发现 Selector
• 事件总线 EventBus
• 进程管理 Supervisor

即将提供:

• 链路追踪 Tracing
• 统计告警 Metrics
• 限流熔断 Broker.

限于篇幅的原因,具体组件的实现,这里就不深入讲解,请关注后续的文章.

未来展望

如果把DMicro比作人生,现在成长的阶段还处在少年时期,只完成了基础的架构设计和一部分组件的开发.

接下来的方向主要是往易用性和可靠性方向发展.

易用性:

• 项目效能工具dmctl工具的开发,包括代码生成,项目结构生成,打包,编译等等功能.
• 符合openapi定义的文档组件的开发.
• 更加完善的文档和使用示例.

可靠性:

• 可观测性
  • 链路追踪
  • 指标信息
  • 日志流
• 生产可用
  • 测试用例的完善
  • 代码覆盖率
  • 性能调优

希望DMicro能在大家的呵护及鞭策下茁长成长.

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