🏆【Alibaba中间件技术系列】「Nacos技术专题」服务注册与发现相关的原理分析

背景介绍

前几篇文章介绍了Nacos配置中心服务的能力机制，接下来，我们来介绍Nacos另一个非常重要的特性就是服务注册与发现，说到服务的注册与发现相信大家应该都不陌生，在微服务盛行的今天，服务是非常重要的，而在 Nacos 中服务更被称为他的一等公民。Nacos 支持几乎所有主流类型的 “服务” 的发现、配置和管理。

服务 (Service)

服务是指一个或一组软件功能（例如特定信息的检索或一组操作的执行），其目的是不同的客户端可以为不同的目的重用（例如通过跨进程的网络调用）。Nacos 支持主流的服务生态，如 Kubernetes Service、gRPC|Dubbo RPC Service 或者 Spring Cloud RESTful Service。

nacos的架构图所示

(dubbo) RPC微服务的基础架构

图中的6个步骤的含义解释如下：

服务容器负责启动，加载，运行服务提供者。
服务提供者在启动时，向注册中心注册自己提供的服务。
服务消费者在启动时，向注册中心订阅自己所需的服务。
注册中心返回服务提供者地址列表给消费者，如果有变更，注册中心将基于长连接推送变更数据给消费者。
服务消费者，从提供者地址列表中，基于软负载均衡算法，选一台提供者进行调用，如果调用失败，再选另一台调用。
服务消费者和提供者，在内存中累计调用次数和调用时间，定时每分钟发送一次统计数据到监控中心。

服务注册中心 (Service Registry)

上图中Registry就是注册中心，负责服务的注册与发现，Dubbo服务体系之前使用Zookeeper或者自己的Registry 实现，而 Nacos 则是另一种 Registry的实现。

服务注册中心，它是服务，其实例及元数据的数据库（Dubbo3已经将源数据中心、配置服务全部提取独立出来了），服务实例在启动时注册到服务注册表，并在关闭时注销。

服务和路由器的客户端查询服务注册表以查找服务的可用实例，服务注册中心可能会调用服务实例的健康检查 API 来验证它是否能够处理请求。

服务元数据 (Service Metadata)

服务元数据是指包括服务端点(endpoints)、服务标签、服务版本号、服务实例权重、路由规则、安全策略等描述服务的数据。

逻辑架构及其组件介绍

服务管理：实现服务CRUD，域名CRUD，服务健康状态检查，服务权重管理等功能
配置管理：实现配置管CRUD，版本管理，灰度管理，监听管理，推送轨迹，聚合数据等功能
元数据管理：提供元数据CURD 和打标能力
插件机制：实现三个模块可分可合能力，实现扩展点SPI机制
事件机制：实现异步化事件通知，sdk数据变化异步通知等逻辑
日志模块：管理日志分类，日志级别，日志可移植性（尤其避免冲突），日志格式，异常码+帮助文档
回调机制：sdk通知数据，通过统一的模式回调用户处理。接口和数据结构需要具备可扩展性
寻址模式：解决ip，域名，nameserver、广播等多种寻址模式，需要可扩展
推送通道：解决server与存储、server间、server与sdk间推送性能问题
容量管理：管理每个租户，分组下的容量，防止存储被写爆，影响服务可用性
流量管理：按照租户，分组等多个维度对请求频率，长链接个数，报文大小，请求流控进行控制
缓存机制：容灾目录，本地缓存，server缓存机制。容灾目录使用需要工具
启动模式：按照单机模式，配置模式，服务模式，dns模式，或者all模式，启动不同的程序+UI
一致性协议：解决不同数据，不同一致性要求情况下，不同一致性机制
存储模块：解决数据持久化、非持久化存储，解决数据分片问题
Nameserver：解决namespace到clusterid的路由问题，解决用户环境与nacos物理环境映射问题
CMDB：解决元数据存储，与三方cmdb系统对接问题，解决应用，人，资源关系
Metrics：暴露标准metrics数据，方便与三方监控系统打通
Trace：暴露标准trace，方便与SLA系统打通，日志白平化，推送轨迹等能力，并且可以和计量计费系统打通
接入管理：相当于阿里云开通服务，分配身份、容量、权限过程
用户管理：解决用户管理，登录，sso等问题
权限管理：解决身份识别，访问控制，角色管理等问题
审计系统：扩展接口方便与不同公司审计系统打通
通知系统：核心数据变更，或者操作，方便通过SMS系统打通，通知到对应人数据变更
OpenAPI：暴露标准Rest风格HTTP接口，简单易用，方便多语言集成
Console：易用控制台，做服务管理、配置管理等操作
SDK：多语言sdk
Agent：dns-f类似模式，或者与mesh等方案集成
CLI：命令行对产品进行轻量化管理，像git一样好用

Nacos 的服务注册与发现

服务提供方 (Service Provider)

是指提供可复用和可调用服务的应用方。

模拟服务注册

服务注册最重要的就是将服务注册到哪里，在注册中心服务端，肯定有一个用来管理服务的容器，他保存着所有服务的实例。不需要知道该容器具体的实现细节，只需要知道有这样一个概念。

将同一个服务的两个实例注册到 Nacos 中：

双注册模式注入进入

维持服务在线状态

demo代码如下：

通过 NamingService 接口的 registerInstance 方法就可以将服务进行注册了，该方法有很多重载的方法，这里我们选择一个简单的来调用就好了。注册完成后，通过调用 getAllInstances 方法，立即获取所有可用的实例，然后让主线程等待，打印如下：

可以发现naming客户端成功获取到了两个实例。

服务消费方 (Service Consumer)

服务注册到注册中心后，服务的消费者就可以进行服务发现的流程了，消费者可以直接向注册中心发送获取某个服务实例的请求，这种情况下注册中心将返回所有可用的服务实例给消费者，但是一般不推荐这种情况。另一种方法就是服务的消费者向注册中心订阅某个服务，并提交一个监听器，当注册中心中服务发生变更时，监听器会收到通知，这时消费者更新本地的服务实例列表，以保证所有的服务均是可用的。

Nacos消费服务机制

是指会发起对某个服务调用的应用方。服务注册之后，服务的消费者就可以向注册中心订阅自己所需要的服务了，注册中心会将所有服务的实例“推送”给消费者，实际上获取服务是客户端主动轮询的，跟客户端获取配置中心的配置项的原理一样。

现在我创建一个服务消费者，然后向注册中心订阅一个服务，当接收到注册中心返回的服务列表之后，执行5次 select 服务实例的操作，相当于进行一个模拟的服务请求，具体的代码如下图所示：

其中的 printInstances 方法主要是打印出所有服务的实例，将 ServiceConsumer 类启动之后，打印出如下的日志：

Nacos机制负载均衡

负载均衡有很多中实现方式，包括轮询法，随机方法法，对请求ip做hash后取模等等，从负载的维度考虑又分为：服务端负载均衡和客户端负载均衡。Nacos 的客户端在获取到服务的完整实例列表后，会在客户端进行负载均衡算法来获取一个可用的实例，模式使用的是随机获取的方式。

Nacos 服务注册与订阅的完整流程

Nacos客户端进行服务注册有两个部分组成，一个是将服务信息注册到服务端，另一个是像服务端发送心跳包，这两个操作都是通过NamingProxy 和服务端进行数据交互的。
Nacos客户端进行服务订阅时也有两部分组成，一个是不断从服务端查询可用服务实例的定时任务，另一个是不断从已变服务队列中取出服务并通知 EventListener 持有者的定时任务，更新服务订阅列表。