CN106850829B - 一种基于非阻塞通信的微服务系统设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于非阻塞通信的微服务系统设计方法，包括步骤：(1)构建三层网络架构的服务端：包括由下至上的反应通信调度层、职责链管道层和业务逻辑处理层，其中，所述反应通信调度层监听网络的读写和连接操作，负责将网络层的数据读取到内存缓冲区中，然后触发各种网络事件，将这些事件触发到管道中，由管道充当的职责链来进行后续的处理；所述职责链管道层负责事件在职责链中的有序传播，同时负责动态的编排职责链，职责链选择监听和处理自己关心的事件、拦截处理和向后/向前传播事件；所述业务逻辑处理层负责业务逻辑处理与应用层协议管理；(2)客户端通过API透明地与所述服务端发送和接收信息。
Description
技术领域
本发明属于计算机技术领域，尤其涉及一种基于非阻塞通信的微服务系统设计方法。
背景技术
微服务作为软件架构领域的一次重要变革，被业界公认为云计算时代应用的主要构建方式。它放弃传统大规模的单块集成应用，改为细粒度、松耦合、可灵活组合的自治单元。微服务最早从Netflix、Amazon、Airbnb等公司的成功实践开始，因其高度的弹性、灵活性和效率的巨大提升，快速受到各领域架构师和技术决策者的关注，成为当今IT领域最受关注的技术潮流之一。
微服务系统是一种轻量级的，自我托管的服务系统，因此通信模式是微服务系统中比较重要的模块。传统的通信模型是Client/Server模型，也就是两个进程之间进行相互通信，其中，服务端提供位置(IP)信息，客户端通过连接操作向服务端监听的地址发起连接请求，通过三次握手建立连接，如果连接建立成功，双方就可以通过网络套接字(Socket)进行通信。服务通信端口负责绑定IP地址，启动监听端口；Socket负责发起连接操作。连接成功之后，双方通过输入和输出流进行同步阻塞式通信。基于这个模型，虽然有各种不同的伪异步通信模型的出现，从一定程度上能提高系统的并发和负载能力，但是不能从根本上解决系统的非阻塞的这一问题，缺乏弹性伸缩能力。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种基于非阻塞通信的微服务系统设计方法，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种高负载、高并发且完全非阻塞的基于非阻塞通信的微服务系统设计方法。
本发明的基于非阻塞通信的微服务系统设计方法，包括步骤：
(1)构建三层网络架构的服务端：包括由下至上的反应通信调度层、职责链管道层和业务逻辑处理层，其中
-所述反应通信调度层监听网络的读写和连接操作，负责将网络层的数据读取到内存缓冲区中，然后触发各种网络事件，将这些事件触发到管道中，由管道充当的职责链来进行后续的处理；
-所述职责链管道层负责事件在职责链中的有序传播，同时负责动态的编排职责链，职责链选择监听和处理自己关心的事件、拦截处理和向后/向前传播事件；
-所述业务逻辑处理层负责业务逻辑处理与应用层协议管理；
(2)客户端通过API透明地与所述服务端发送和接收信息。
进一步的，所述服务端的实现步骤为：
A、创建一个服务的实例，所述服务为服务入口，通过消息循环等待客户端的信息；
B、绑定一个事件循环的线程池，通过一事件循环的数值来实现，用于处理选择器产生的事件通道通道，由事件来实现对选择器的轮询，每个事件处理网络的消息和系统自定义的任务；
C、设置并绑定服务端的IO通道非阻塞服务端口通道，通过通道的类型决定提供服务的模式；
D、注册和创建通信链路，用于处理网络事件，负责管理和执行通道处理模块，网络事件以事件流的形式在通道管线中流转，由通道管线根据通道处理模块的执行策略调度通道处理模块的执行。
进一步的，所述网络事件的处理方法为：
a、建立系统编解码框架；
b、建立通用的基于长度的半包解码器；
c、打印码流日志；
d、对SSL进行安全认证；
e、进行链路空闲检测；
f、流量整形；
g、采用Base64编解码；
h、系统初始化并检测工作，然后绑定并启动监听端口，并将IO通道注册到选择器上监听客户端连接；
i、选择器轮询：由调度系统负责调度和执行选择器轮询操作，选择准备就绪的通道集合；
j、当轮询到准备就绪的通道之后由消息事件执行通道链路的相应方法，最终调度并执行通道处理方法；
k、执行用户自定义的通道处理方法，完成整个服务端的任务。
进一步的，所述编解码框架为Thrift的压缩二进制编解码框架或Google的Protobuf二进制序列化框架或基于系统自身提供的编解码框架。
进一步的，所述网络事件包括链路注册、链路激活、链路断开、接收到请求消息、请求消息接收并处理完毕、发送应答消息、链路发生异常、用户自定义事件中的一种或多种。
进一步的，所述客户端的实现步骤如下：
1)创建处理客户端连接、I/O读写的反应线程组非阻塞事件轮询模块，通过构造函数指定I/O线程的个数，默认为CPU内核数的2倍；
2)用户指定的通道类型创建用于客户端连接的非阻塞端口通道；
3)创建默认的通道处理模块，用于调度和执行网络事件；
4)异步发起TCP连接，判断连接是否成功，如果成功，则直接将非阻塞端口通道注册到多路复用器上，监听读操作位，用于数据报读取和消息发送；如果没有立即连接成功，则注册连接监听位到多路复用器，等待连接结果；
5)注册对应的网络监听状态位到多路复用器；
6)由多路复用器在I/O现场中轮询各通道，处理连接结果；
7)如果连接成功，设置Future结果，发送连接成功事件，触发通道管线执行；
8)由通道管线调度执行系统和用户的通道处理模块，执行业务逻辑。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、非阻塞模型(Non-block I/O，简称NIO)是一种新的通信模式，完全非阻塞，非常适合微服务系统通信，本发明设计的基于NIO的微服务系统解决了客户端和服务器高效通信的问题，使该系统具备高负载、高并发性；
2、本发明的客户端与服务端同时基于同一通信方式(非阻塞)，实现了完全无阻塞通信。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的基于非阻塞模式的服务架构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的基于非阻塞通信的微服务系统设计方法，使服务端与客户端同时基于非阻塞通信方式实现无阻塞通信。由于本发明的代码实现基于JDK来实现，因此下面实现描述的是基于JDK的术语来进行。
服务端的架构和基本原理如图1所示，本发明采用了比较典型的三层网络架构进行设计：
第一层：反应通信调度层，它由一系列辅助类完成，包括反应线程非阻塞事件轮询以及其父类、非阻塞端口通道/非阻塞服务端口通道以及其父类、字节流缓冲以及由其衍生出来的各种缓冲、Unsafe以及其衍生出的各种内部类等。该层的主要职责就是监听网络的读写和连接操作，负责将网络层的数据读取到内存缓冲区中，然后触发各种网络事件，例如连接创建、连接激活、读事件、写事件等等，将这些事件触发到管道中，由管道充当的职责链来进行后续的处理。
第二层：职责链管道层，它负责事件在职责链中的有序传播，同时负责动态的编排职责链，职责链可以选择监听和处理自己关心的事件，它可以拦截处理和向后/向前传播事件，不同的应用的处理模块节点的功能也不同，通常情况下，往往会开发编解码处理模块用于消息的编解码，它可以将外部的协议消息转换成内部的对象，这样上层业务侧只需要关心处理业务逻辑即可，不需要感知底层的协议差异和线程模型差异，实现了架构层面的分层隔离。
第三层：业务逻辑处理层，可以分为两类：
1)纯粹的业务逻辑处理，例如订单处理；
2)应用层协议管理，例如HTTP协议、FTP协议等。
服务端的实现步骤：
1)创建一个服务的实例，该服务为服务入口，只是简单的服务容器，通过消息循环等待客户端的信息；
2)绑定一个事件循环的线程池，它是通过一事件循环的数值来实现，它的功能主要是处理选择器产生的事件通道通道,由事件来实现对选择器的轮询，每个事件不仅要处理网络的消息，同时还处理系统自定义的任务，这样统一了整个事件的启动顺序，避免了多线程调度而产生的死锁；
3)设置并绑定服务端的IO通道非阻塞服务端口通道，该通道的主要的类型决定了服务器以什么模式提供服务；
4)注册和创建通信链路，它是一个负责处理网络事件的职责链，负责管理和执行通道处理模块，网络事件以事件流的形式在通道管线中流转，由通道管线根据通道处理模块的执行策略调度通道处理模块的执行，典型的网络事件如下：
a)链路注册；
b)链路激活；
c)链路断开；
d)接收到请求消息；
e)请求消息接收并处理完毕；
f)发送应答消息；
g)链路发生异常；
h)发生用户自定义事件。
设置事件处理的方法，这是服务端程序最重要的一部分，它提供给用户定制和扩展的关键接口。利用通道处理接口用户可以完成大多数的功能定制，例如消息编解码、心跳、安全认证、TSL/SSL认证、流量控制和流量整形等。事件处理方法为：
(1)建议系统编解码框架；
(2)建立通用基于长度的半包解码器；
(3)打印码流日志；
(4)进行SSL安全认证；
(5)进行链路空闲检测；
(6)流量整形；
(7)采用Base64编解码；
(8)绑定并启动监听端口，在绑定监听端口之前系统会做一系列的初始化和检测工作，完成之后，会启动监听端口，并将IO通道注册到选择器上监听客户端连接；
(9)选择器轮询，由调度系统负责调度和执行选择器轮询操作，选择准备就绪的通道集合；
(10)当轮询到准备就绪的通道之后就由消息事件执行通道链路的相应方法，最终调度并执行通道处理方法；
(11)执行用户自定义的通道处理方法，完成整个服务端的任务。
本发明的服务端核心功能点：
选择器提供选择已经就绪的任务的能力。简单来讲，选择器会不断地轮询注册在其上的通道，如果某个通道上面有新的TCP连接接入、读和写事件，这个通道就处于就绪状态，会被选择器轮询出来，然后通过选择关键字可以获取就绪通道的集合，进行后续的I/O操作。
为了尽可能提升性能，本发明采用了串行无锁化设计，在I/O线程内部进行串行操作，避免多线程竞争导致的性能下降。表面上看，串行化设计似乎CPU利用率不高，并发程度不够。但是，通过调整非阻塞线程池的线程参数，可以同时启动多个串行化的线程并行运行，这种局部无锁化的串行线程设计相比一个队列-多个工作线程模型性能更优。
本发明的序列化方式：
影响序列化性能的关键因素总结如下：
1)序列化后的码流大小(网络带宽占用)；
2)序列化&反序列化的性能(CPU资源占用)；
3)并发调用的性能表现：稳定性、线性增长、偶现的时延毛刺等。
本发明默认提供了对Google Protobuf的支持，通过扩展的编解码接口，用户可以实现其它的高性能序列化框架，如Thrift的压缩二进制编解码框架。
不同的应用场景对序列化框架的需求也不同，对于高性能应用场景本发明默认提供了Google的Protobuf二进制序列化框架，如果用户对其它二进制序列化框架有需求，也可以基于系统自身提供的编解码框架扩展实现。
架构的不同层面，需要关心和处理的对象都不同，通常情况下，对于业务开发者，只需要关心职责链的拦截和业务处理模块的编排。因为应用层协议栈往往是开发一次，到处运行，所以实际上对于业务开发者来说，只需要关心服务层的业务逻辑开发即可。各种应用协议以插件的形式提供，只有协议开发人员需要关注协议插件，对于其他业务开发人员来说，只需关心业务逻辑定制。这种分层的架构设计理念实现了非阻塞框架各层之间的解耦，便于上层业务协议栈的开发和业务逻辑的定制。
客户端的实现原理：
客户端可以通过API，透明地发送和接收信息，它的实现步骤如下：
1)创建处理客户端连接、I/O读写的反应线程组非阻塞事件轮询模块，可以通过构造函数指定I/O线程的个数，默认为CPU内核数的2倍；
2)用户指定的通道类型创建用于客户端连接的非阻塞端口通道；
3)创建默认的通道处理模块，用于调度和执行网络事件；
4)异步发起TCP连接，判断连接是否成功，如果成功，则直接将非阻塞端口通道注册到多路复用器上，监听读操作位，用于数据报读取和消息发送；如果没有立即连接成功，则注册连接监听位到多路复用器，等待连接结果；
5)注册对应的网络监听状态位到多路复用器；
6)由多路复用器在I/O现场中轮询各通道，处理连接结果；
7)如果连接成功，发送连接成功事件，触发通道管线执行；
8)由通道管线调度执行系统和用户的通道处理模块，执行业务逻辑。
非阻塞模型是一种新的通信模式，完全非阻塞，非常适合微服务系统通信，基于这个模型，本文设计的微服务系统具有高负载、高并发性，本发明的高性能方面体现如下：
综上所述，本发明通过无阻塞的通信模式实现了客户端和服务端的高效通信。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于非阻塞通信的微服务系统设计方法，其特征在于，包括步骤：
(1)构建三层网络架构的服务端：包括由下至上的反应通信调度层、职责链管道层和业务逻辑处理层，其中
-所述反应通信调度层监听网络的读写和连接操作，负责将网络层的数据读取到内存缓冲区中，然后触发各种网络事件，将这些事件触发到管道中，由管道充当的职责链来进行后续的处理；
-所述职责链管道层负责事件在职责链中的有序传播，同时负责动态的编排职责链，职责链选择监听和处理自己关心的事件、拦截处理和向后/向前传播事件；
-所述业务逻辑处理层负责业务逻辑处理与应用层协议管理；
(2)客户端通过API透明地与所述服务端发送和接收信息；
所述服务端的实现步骤为：
A、创建一个服务的实例，所述服务为服务入口，通过消息循环等待客户端的信息；
B、绑定一个事件循环的线程池，通过一事件循环的数值来实现，用于处理选择器Selector产生的事件通道，由事件来实现对选择器的轮询，每个事件处理网络的消息和系统自定义的任务；
C、设置并绑定服务端的IO通道非阻塞服务端口通道，通过通道的类型决定提供服务的模式；
D、注册和创建通信链路，用于处理网络事件，负责管理和执行通道处理模块，网络事件以事件流的形式在通道管线中流转，由通道管线根据通道处理模块的执行策略调度通道处理模块的执行；
所述客户端的实现步骤如下：
1)创建处理客户端连接、I/O读写的反应线程组非阻塞事件轮询模块，通过构造函数指定I/O线程的个数，默认为CPU内核数的2倍；
2)用户指定的通道类型创建用于客户端连接的非阻塞端口通道；
3)创建默认的通道处理模块，用于调度和执行网络事件；
4)异步发起TCP连接，判断连接是否成功，如果成功，则直接将非阻塞端口通道注册到多路复用器上，监听读操作位，用于数据报读取和消息发送；如果没有立即连接成功，则注册连接监听位到多路复用器，等待连接结果；
5)注册对应的网络监听状态位到多路复用器；
6)由多路复用器在I/O现场中轮询各通道，处理连接结果；
7)如果连接成功，发送连接成功事件，触发通道管线执行；
8)由通道管线调度执行系统和用户的通道处理模块，执行业务逻辑。
2.根据权利要求1所述的基于非阻塞通信的微服务系统设计方法，其特征在于：所述网络事件的处理方法为：
a、建立系统编解码框架；
b、建立通用的基于长度的半包解码器；
c、打印码流日志；
d、对SSL进行安全认证；
e、进行链路空闲检测；
f、流量整形；
g、采用Base64编解码；
h、系统初始化并检测工作，然后绑定并启动监听端口，并将IO通道注册到选择器上监听客户端连接；
i、选择器轮询：由调度系统负责调度和执行选择器轮询操作，选择准备就绪的通道集合；
j、当轮询到准备就绪的通道之后由消息事件执行通道链路的相应方法，最终调度并执行通道处理方法；
k、执行用户自定义的通道处理方法，完成整个服务端的任务。
3.根据权利要求2所述的基于非阻塞通信的微服务系统设计方法，其特征在于：所述编解码框架为Thrift的压缩二进制编解码框架或Google的Protobuf二进制序列化框架或基于系统自身提供的编解码框架。
4.根据权利要求2所述的基于非阻塞通信的微服务系统设计方法，其特征在于：所述网络事件包括链路注册、链路激活、链路断开、接收到请求消息、请求消息接收并处理完毕、发送应答消息、链路发生异常、用户自定义事件中的一种或多种。
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