深入学习 GRPC - 1. 非加密协议

本文基于以下版本：

github.com/golang/protobuf v1.3.2
google.golang.org/grpc v1.25.1
openresty v1.15.8.2

本篇主要进行非加密 GRPC 的通信在字节层面的讨论，假设读者对 GRPC、HTTP/2 等已有基本的了解。
本篇使用一个简单的 proto：

syntax = "proto3";

package pb;

service Hot {
  rpc Inc (IntReq) returns (IntResp);
}

message IntReq {
  int32 i = 1;
}

message IntResp {
  int32 i = 1;
}

以及如下的 golang 代码：

package main

import (
    "context"
    "net"
    "os"

    "grpc_hot/pb"

    "google.golang.org/grpc"
)

type HotService struct{}

func (svc *HotService) Inc(_ context.Context, req *pb.IntReq) (*pb.IntResp, error) {
    return &pb.IntResp{I: req.GetI() + 1}, nil
}

func runServer(port string) {
    srv := grpc.NewServer()
    pb.RegisterHotServer(srv, &HotService{})
    l, err := net.Listen("tcp", ":"+port)
    if nil != err {
        println(err.Error())
        return
    }
    srv.Serve(l)
}

func runClient(port string) {
    conn, err := grpc.Dial(":"+port, grpc.WithInsecure())
    if nil != err {
        println(err.Error())
        return
    }
    defer conn.Close()
    cli := pb.NewHotClient(conn)
    resp, err := cli.Inc(context.Background(), &pb.IntReq{I: 6})
    if nil != err {
        println(err.Error())
        return
    }
    println("resp:", resp.GetI())
}

func main() {
    port := "30080"
    if len(os.Args) >= 2 {
        port = os.Args[1]
    }
    if len(os.Args) >= 3 && os.Args[2] == "cli" {
        runClient(port)
    } else {
        runServer(port)
    }
}

1.1. HTTP/2

启动上述 golang 代码的服务端，调用一次客户端，均使用默认端口。使用 wireshark 抓包，总共抓到 19 帧。除去那些不包含 TCP 荷载的帧，我们首先逐帧来看看在 HTTP 这一层长什么亚子。

除第 4 帧外，TCP 荷载的结构均如下：

+-----------------------------------------------+
|                 Length (24)                   |
+---------------+---------------+---------------+
|   Type (8)    |   Flags (8)   |
+-+-------------+---------------+-------------------------------+
|R|                 Stream Identifier (31)                      |
+=+=============================================================+
|                   Frame Payload (0...)                      ...
+---------------------------------------------------------------+

• Length：帧的荷载的字节数，注意是 HTTP/2 帧的荷载，不是 TCP 的荷载
• Type：帧的类型

• Flags：不同类型的帧具有不同的 flag 定义

1.1.1. 连接

第 4 帧用许多语言都表示为这样：

"PRI * HTTP/2.0\r\n\r\nSM\r\n\r\n"

客户端通过这样一帧去试探服务端是否支持 HTTP/2。
接下来第 6、7、9、11 帧，两端相互请求 SETTINGS。
SETTINGS 帧的荷载为零到多组键值对，每组键值对的结构为 2 字节的 id 和 4 字节的值。如第 7 帧包含一组键值对，id 为 00 05，值为 00 00 40 00。
id 和值的定义见 RFC-7540, section 6.5.2.

1.1.2. 首部

第 12 帧，客户端向服务端发送 HTTP 请求的首部。
HEADERS 帧的荷载结构如下：

+---------------+
|Pad Length? (8)|
+-+-------------+-----------------------------------------------+
|E|                 Stream Dependency? (31)                     |
+-+-------------+-----------------------------------------------+
|  Weight? (8)  |
+-+-------------+-----------------------------------------------+
|                   Header Block Fragment (*)                 ...
+---------------------------------------------------------------+
|                           Padding (*)                       ...
+---------------------------------------------------------------+

本文的情况中，HEADERS 的帧荷载只有 Header Block Fragment 字段存在。其他字段的定义见 RFC-7540, section 6.2.
Fragment 的编解码使用 HPACK 算法（RFC-7541），包括霍夫曼编码。我们可以使用 Golang 的副标准库当中的封装来解码第 12 帧的 fragment。

import "golang.org/x/net/http2/hpack"

func decodeHeaders(bs []byte) {
    d := hpack.NewDecoder(128, nil)
    hdrs, _ := d.DecodeFull(bs)
    for _, hdr := range hdrs {
        println(hdr.Name,":",hdr.Value)
    }
}

其中传入的字节序列长度为帧的 Length 字段指示的 0x38，但可以看到帧荷载的实际长度不止 0x38，后面剩余的 16 个字节应该是一段 trailer，具体是什么暂时不得而知。这里打印出的 header 如下：

:method POST
:scheme http
:path /pb.Hot/Inc
:authority :30081
content-type application/grpc
user-agent grpc-go/1.25.1
te trailers

可以看到这里的首部还包含 HTTP/1.x 中的 method 和 path，由于使用了静态索引表和霍夫曼编码，实际传输的首部只有 56 字节，通信精简的效果很明显。
同样，第 16 帧服务端发送的 HEADERS 帧，从长度上看也包含 trailer，首部解码出来如下：

:status 200
content-type application/grpc

神奇的是整个过程中没有一个 DATA 帧，那么 GRPC 使用的 HTTP body 在那里呢，我猜你也猜到了。

1.2. GRPC

References

RFC-7540: Hypertext Transfer Protocol Version 2 (HTTP/2)
RFC-7541: HPACK: Header Compression for HTTP/2

Licensed under CC BY-SA 4.0

有疑问加站长微信联系（非本文作者）