導(dǎo)讀：RPC代赁，微服務(wù)掩宜，Service Mesh這些服務(wù)之間的調(diào)用是什么原理戚扳？
本文專注于演化過程中每一步的為什么（Why）和是什么（What）上面旦事，盡量不在技術(shù)細(xì)節(jié)（How）上面做太多深入空入。

服務(wù)的三要素

一般而言，一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)包括以下的三個要素：

1. 地址：調(diào)用方根據(jù)地址訪問到網(wǎng)絡(luò)接口族檬。地址包括以下要素：IP地址、服務(wù)端口化戳、服務(wù)協(xié)議（TCP单料、UDP埋凯，etc）。
2. 協(xié)議格式：協(xié)議格式指的是該協(xié)議都有哪些字段扫尖，由接口提供者與協(xié)議調(diào)用者協(xié)商之后確定下來白对。
3. 協(xié)議名稱：或者叫協(xié)議類型，因?yàn)樵谕粋€服務(wù)監(jiān)聽端口上面换怖，可能同時提供多種接口服務(wù)于調(diào)用方甩恼，這時候需要協(xié)議類型（名稱）來區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)接口。

需要說明在服務(wù)地址中：

1. IP地址提供了在互聯(lián)網(wǎng)上找到這臺機(jī)器的憑證沉颂。
2. 協(xié)議以及服務(wù)端口提供了在這臺機(jī)器上找到提供服務(wù)的進(jìn)程的憑證条摸。

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這都屬于TCPIP協(xié)議棧的知識點(diǎn)，不在這里深入詳述铸屉。
這里還需要對涉及到服務(wù)相關(guān)的一些名詞做解釋钉蒲。

1. 服務(wù)實(shí)例：服務(wù)對應(yīng)的IP地址加端口的簡稱。需要訪問服務(wù)的時候彻坛，需要先尋址知道該服務(wù)每個運(yùn)行實(shí)例的地址加端口顷啼，然后才能建立連接進(jìn)行訪問。
2. 服務(wù)注冊：某個服務(wù)實(shí)例宣稱自己提供了哪些服務(wù)昌屉，即某個IP地址+端口都提供了哪些服務(wù)接口钙蒙。
3. 服務(wù)發(fā)現(xiàn)：調(diào)用方通過某種方式找到服務(wù)提供方，即知道服務(wù)運(yùn)行的IP地址加端口间驮。

基于IP地址的調(diào)用

最初的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)躬厌，通過原始的IP地址暴露給調(diào)用者。這種方式有以下的問題：

1. IP地址是難于記憶并且無意義的蜻牢。

2. 另外烤咧，從上面的服務(wù)三要素可以看到，IP地址其實(shí)是一個很底層的概念抢呆，直接對應(yīng)了一臺機(jī)器上的一個網(wǎng)絡(luò)接口煮嫌，如果直接使用IP地址進(jìn)行尋址，更換機(jī)器就變的很麻煩抱虐。

   “盡量不使用過于底層的概念來提供服務(wù)”昌阿，是這個演化流程中的重要原則，好比在今天已經(jīng)很少能夠看到直接用匯編語言編寫代碼的場景了恳邀，取而代之的懦冰，就是越來越多的抽象，本文中就展現(xiàn)了服務(wù)調(diào)用這一領(lǐng)域在這個過程中的演進(jìn)流程谣沸。
   在現(xiàn)在除非是測試階段刷钢，否則已經(jīng)不能直接以IP地址的形式將服務(wù)提供出去了。

域名系統(tǒng)

前面的IP地址是給主機(jī)做為路由器尋址的數(shù)字型標(biāo)識乳附，并不好記憶内地。此時產(chǎn)生了域名系統(tǒng)伴澄，與單純提供IP地址相比，域名系統(tǒng)由于使用有意義的域名來標(biāo)識服務(wù)阱缓，所以更容易記憶非凌。另外，還可以更改域名所對應(yīng)的IP地址荆针，這為變換機(jī)器提供了便利敞嗡。有了域名之后，調(diào)用方需要訪問某個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時航背，首先到域名地址服務(wù)中喉悴，根據(jù)DNS協(xié)議將域名解析為相應(yīng)的IP地址，再根據(jù)返回的IP地址來訪問服務(wù)沃粗。
從這里可以看到粥惧，由于多了一步到域名地址服務(wù)查詢映射IP地址的流程，所以多了一步解析最盅，為了減少這一步帶來的影響突雪，調(diào)用方會緩存解析之后的結(jié)果，在一段時間內(nèi)不過期涡贱，這樣就省去了這一步查詢的代價咏删。

協(xié)議的接收與解析

以上通過域名系統(tǒng)，已經(jīng)解決了服務(wù)IP地址難以記憶的問題问词，下面來看協(xié)議格式解析方面的演進(jìn)督函。

一般而言，一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括兩部分：

1. 協(xié)議包頭：這里存儲協(xié)議的元信息（meta infomation）激挪，其中可能會包括協(xié)議類型辰狡、報(bào)體長度、協(xié)議格式等垄分。需要說明的是宛篇，包頭一般為固定大小，或者有明確的邊界（如HTTP協(xié)議中的\r\n結(jié)束符）薄湿，否則無法知道包頭何時結(jié)束叫倍。
2. 協(xié)議包體：具體的協(xié)議內(nèi)容。

無論是HTTP協(xié)議豺瘤，又或者是自定義的二進(jìn)制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議吆倦，大體都由這兩部分組成。

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由于很多時候不能一口氣接收完畢客戶端的協(xié)議數(shù)據(jù)坐求，因此在接收協(xié)議數(shù)據(jù)時蚕泽，一般采用狀態(tài)機(jī)來做協(xié)議數(shù)據(jù)的接收：

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接收完畢了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，在協(xié)議解析方面卻長期停滯不前桥嗤。一個協(xié)議赛糟，有多個字段（field）派任，而這些不同的字段有不同的類型，簡單的raw類型（如整型璧南、字符串）還好說，但是遇到復(fù)雜的類型如字典师逸、數(shù)組等就比較麻煩司倚。

當(dāng)時常見的手段有以下幾種：

1. 使用json或者xml這樣的數(shù)據(jù)格式。好處是可視性強(qiáng)动知，表達(dá)起上面的復(fù)雜類型也方便员辩，缺陷是容易被破解，傳輸過去的數(shù)據(jù)較大奠滑。

2. 自定義二進(jìn)制協(xié)議丹皱。每個公司做大了宋税，在這一塊難免有幾個類似的輪子。筆者見過比較典型的是所謂的TLV格式（Type-Length-Value）杰赛，自定義二進(jìn)制格式最大的問題出現(xiàn)在協(xié)議聯(lián)調(diào)與協(xié)商的時候呢簸，由于可視性比較弱，有可能這邊少了一個字段那邊多了一個字段根时，給聯(lián)調(diào)流程帶來麻煩辰晕。

   上面的問題一直到Google的Protocol Buffer（以下簡稱PB）出現(xiàn)之后才得到很大的改善。PB出現(xiàn)之后忘苛，也有很多類似的技術(shù)出現(xiàn)唱较，如Thrift南缓、MsgPack等，不在這里闡述纸镊，將這一類技術(shù)都以PB來描述。

與前面的兩種手段相比峰搪，PB具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

1. 使用proto格式文件來定義協(xié)議格式概耻，proto文件是一個典型的DSL（domain-specific language）文件罐呼，文件中描述了協(xié)議的具體格式嫉柴，每個字段都是什么類型，哪些是可選字段哪些是必選字段夯尽。有了proto文件之后危尿，C\S兩端是通過這個文件來進(jìn)行協(xié)議的溝通交流的，而不是具體的技術(shù)細(xì)節(jié)。
2. PB能通過proto文件生成各種語言對應(yīng)的序列化反序列化代碼注暗，給跨語言調(diào)用提供了方便。
3. PB自己能夠?qū)μ囟愋瓦M(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮茫叭，減少數(shù)據(jù)大小半等。

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服務(wù)網(wǎng)關(guān)

有了前面的演化之后杀饵，寫一個簡單的單機(jī)服務(wù)器已經(jīng)不難切距。然而，當(dāng)隨著訪問量的增大话肖，一臺機(jī)器已經(jīng)不足以支撐所有的請求，此時就需要橫向擴(kuò)展多加一些業(yè)務(wù)服務(wù)器贺氓。
而前面通過域名訪問服務(wù)的架構(gòu)就遇到了問題：如果有多個服務(wù)實(shí)例可以提供相同的服務(wù)掠归，那么勢必需要在DNS的域名解析中將域名與多個地址進(jìn)行綁定悄泥。這樣的方案就有如下的問題：

1. 如何檢查這些實(shí)例的健康情況弹囚，同時在發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題的時候增刪服務(wù)實(shí)例地址领曼？即所謂的服務(wù)高可用問題庶骄。
2. 把這些服務(wù)實(shí)例地址都暴露到外網(wǎng)，會不會涉及到安全問題灸异？即使可以解決安全問題羔飞，那么也需要每臺機(jī)器都做安全策略逻淌。
3. 由于DNS協(xié)議的特點(diǎn)卡儒，增刪服務(wù)實(shí)例并不是實(shí)時的，有時候會影響到業(yè)務(wù)硬爆。

為了解決這些問題锦募，就引入了反向代理網(wǎng)關(guān)這一組件。它提供如下的功能：

1. 負(fù)載均衡功能：根據(jù)某些算法將請求分派到服務(wù)實(shí)例上准验。
2. 提供管理功能廷没，可以給運(yùn)維管理員增減服務(wù)實(shí)例颠黎。
3. 由于它決定了服務(wù)請求流量的走向，因此還可以做更多的其他功能：灰度引流夭坪、安全防攻擊(如訪問黑白名單室梅、卸載SSL證書)等疚宇。

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有四層和七層負(fù)載均衡軟件敷待，其中四層負(fù)載均衡這里介紹LVS榜揖，七層負(fù)載均衡介紹Nginx。

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上圖是簡易的TCPIP協(xié)議棧層次圖钳幅，其中LVS工作在四層敢艰，即請求來到LVS這里時是根據(jù)四層協(xié)議來決定請求最終走到哪個服務(wù)實(shí)例钠导；而Nginx工作在七層森瘪，主要用于HTTP協(xié)議扼睬，即根據(jù)HTTP協(xié)議本身來決定請求的走向悴势。需要說明的是特纤，Nginx也可以工作在四層侥加，但是這么用的地方不是很多担败，可以參考nginx的stream模塊提前。

做為四層負(fù)載均衡的LVS

（由于LVS有好幾種工作模式，并不是每一種我都很清楚卿操，以下表述僅針對Full NAT模式孙援，下面的表述或者有誤）
LVS有如下的組成部分：

1. Direct Server（以下簡稱DS）：前端暴露給客戶端進(jìn)行負(fù)載均衡的服務(wù)器拓售。
2. Virtual Ip地址（以下簡稱VIP）：DS暴露出去的IP地址础淤，做為客戶端請求的地址哨苛。
3. Direct Ip地址（以下簡稱DIP）：DS用于與Real Server交互的IP地址建峭。
4. Real Server（以下簡稱RS）：后端真正進(jìn)行工作的服務(wù)器，可以橫向擴(kuò)展凑兰。
5. Real IP地址（以下簡稱RIP）：RS的地址姑食。

6. Client IP地址（以下簡稱CIP）：Client的地址

   
   
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客戶端進(jìn)行請求時音半，流程如下：

1. 使用VIP地址訪問DS曹鸠，此時的地址二元組為<src:CIP,dst:VIP>。
2. DS根據(jù)自己的負(fù)載均衡算法宣旱，選擇一個RS將請求轉(zhuǎn)發(fā)過去浑吟，在轉(zhuǎn)發(fā)過去的時候耗溜，修改請求的源IP地址為DIP地址抖拴，讓RS看上去認(rèn)為是DS在訪問它阿宅，此時的地址二元組為<src:DIP,dst:RIP A>。
3. RS處理并且應(yīng)答該請求蛉鹿，這個回報(bào)的源地址為RS的RIP地址妖异，目的地址為DIP地址领追，此時的地址二元組為<src:RIP A,dst:DIP>绒窑。
4. DS在收到該應(yīng)答包之后些膨，將報(bào)文應(yīng)答客戶端，此時修改應(yīng)答報(bào)文的源地址為VIP地址欧漱，目的地址為CIP地址误甚，此時的地址二元組為<src:VIP,dst:CIP>。

做為七層負(fù)載均衡的Nginx

在開始展開討論之前擅威，需要簡單說一下正向代理和反向代理郊丛。
所謂的正向代理（proxy）厉熟，我的理解就是在客戶端處的代理较幌。如瀏覽器中的可以配置的訪問某些網(wǎng)站的代理乍炉，就屬于正向代理，但是一般而言不會說正向代理而是代理底循，即默認(rèn)代理都是正向的此叠。
而反向代理（reverse proxy）就是擋在服務(wù)器端前面的代理，比如前面LVS中的DS服務(wù)器就屬于一種反向代理猬错。為什么需要反向代理倦炒，大體的原因有以下的考量：

1. 負(fù)載均衡：希望在這個反向代理的服務(wù)器中逢唤，將請求均衡的分發(fā)到后面的服務(wù)器中鳖藕。

2. 安全：不想向客戶端暴露太多的服務(wù)器地址，統(tǒng)一接入到這個反向代理服務(wù)器中院尔，在這里做限流邀摆、安全控制等栋盹。

3. 由于統(tǒng)一接入了客戶端的請求，所以在反向代理的接入層可以做更多的控制策略汉额，比如灰度流量發(fā)布闷愤、權(quán)重控制等等讥脐。

   反向代理與所謂的gateway啼器、網(wǎng)關(guān)等端壳，我認(rèn)為沒有太多的差異损谦，只是叫法不同而已，做的事情都是類似的颅湘。
   Nginx應(yīng)該是現(xiàn)在用的最多的HTTP 七層負(fù)載均衡軟件闯参，在Nginx中鹿寨，可以通過在配置的server塊中定義一個域名薪夕，然后將該域名的請求綁定到對應(yīng)的Upstream中原献，而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)請求到這些Upstream的效果。

upstream hello {
       server A:11001;
       server B:11001;
}
location / {
            root   html;
            index  index.html index.htm;
            proxy_pass http://hello;
}

這是最簡單的Nginx反向代理配置同诫，實(shí)際線上一個接入層背后可能有多個域名误窖，如果配置變動的很大秩贰，每次域名以及對應(yīng)的Upstream的配置修改都需要人工干預(yù)毒费，效率會很慢觅玻。這時候就要提到一個叫DevOps的名詞了溪厘，我的理解就是開發(fā)各種便于自動化運(yùn)維工具的工程師畸悬。
有了上面的分析，此時一個提供七層HTTP訪問接口的服務(wù)架構(gòu)大體是這樣的：

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服務(wù)發(fā)現(xiàn)與RPC

前面已經(jīng)解決單機(jī)服務(wù)器對外提供服務(wù)的大部分問題，來簡單回顧：

1. 域名系統(tǒng)解決了需要記住復(fù)雜的數(shù)字IP地址的問題守屉。

2. PB類軟件庫的出現(xiàn)解決協(xié)議定義解析的痛點(diǎn)贾惦。

3. 網(wǎng)關(guān)類組件解決客戶端接入以及服務(wù)器橫向擴(kuò)展等一系列問題须板。

   然而一個服務(wù)习瑰，通常并不見得只由本身提供服務(wù)就可以甜奄，服務(wù)過程中可能還涉及到查詢其他服務(wù)的流程课兄，常見的如數(shù)據(jù)類服務(wù)如Mysql、Redis等搬俊，這一類供服務(wù)內(nèi)調(diào)用查詢的服務(wù)被成為內(nèi)部的服務(wù)唉擂，通常并不直接暴露到外網(wǎng)去玩祟。
   面向公網(wǎng)的服務(wù)空扎，一般都是以域名的形式提供給外部調(diào)用者勺卢，然而對于服務(wù)內(nèi)部之間的互相調(diào)用黑忱，域名形式還不夠甫煞，其原因在于：

4. DNS服務(wù)發(fā)現(xiàn)的粒度太粗冠绢，只能到IP地址級別弟胀，而服務(wù)的端口還需要用戶自己維護(hù)孵户。

5. 對于服務(wù)的健康狀況的檢查夏哭，DNS的檢查還不夠竖配，需要運(yùn)維的參與。

6. DNS對于服務(wù)狀態(tài)的收集很欠缺原押，而服務(wù)狀態(tài)最終應(yīng)該是反過來影響服務(wù)被調(diào)用情況的班眯。

7. DNS的變更需要人工的參與烁巫，不夠智能以及自動化亚隙。

綜上阿弃，內(nèi)網(wǎng)間的服務(wù)調(diào)用渣淳，通常而言會自己實(shí)現(xiàn)一套“服務(wù)發(fā)現(xiàn)”類的系統(tǒng)入愧，其包括以下幾個組件：

1. 服務(wù)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)：用于提供服務(wù)的尋址棺蛛、注冊能力旁赊，以及對服務(wù)狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總桦踊，根據(jù)服務(wù)情況更改服務(wù)的調(diào)用情況。比如终畅，某個服務(wù)實(shí)例的響應(yīng)慢了籍胯，此時分配給該實(shí)例的流量響應(yīng)的就會少一些。而由于這個系統(tǒng)能提供服務(wù)的尋址能力离福，所以一些尋址策略就可以在這里做杖狼，比如灰度某些特定的流量只能到某些特定的實(shí)例上，比如可以配置每個實(shí)例的流量權(quán)重等术徊。

2. 一套與該服務(wù)系統(tǒng)搭配使用的RPC庫本刽，其提供以下功能：
   2.1 服務(wù)提供方：使用RPC庫注冊自己的服務(wù)到服務(wù)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)赠涮，另外上報(bào)自己的服務(wù)情況子寓。
   2.2 服務(wù)調(diào)用方：使用RPC庫進(jìn)行服務(wù)尋址，實(shí)時從服務(wù)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)那邊獲取最新的服務(wù)調(diào)度策略笋除。
   2.3 提供協(xié)議的序列化斜友、反序列化功能，負(fù)載均衡的調(diào)用策略垃它、熔斷限流等安全訪問策略鲜屏，這部分對于服務(wù)的提供方以及調(diào)用方都適用。

   
   
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有了這套服務(wù)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)以及搭配使用的RPC庫之后国拇，來看看現(xiàn)在的服務(wù)調(diào)用是什么樣的洛史。

1. 寫業(yè)務(wù)邏輯的，再也不用關(guān)注服務(wù)地址酱吝、協(xié)議解析也殖、服務(wù)調(diào)度、自身服務(wù)情況上報(bào)等等與業(yè)務(wù)邏輯本身并沒有太多關(guān)系的工作务热，專注于業(yè)務(wù)邏輯即可忆嗜。
2. 服務(wù)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)一般還有與之搭配的管理后臺界面，可以通過這里對服務(wù)的策略進(jìn)行修改查看等操作崎岂。
3. 對應(yīng)的還會有服務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)捆毫，對應(yīng)的這是一臺實(shí)時采集服務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的系統(tǒng)，有了這套系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量如何一目了然冲甘。
4. 服務(wù)健康狀態(tài)的檢查完全自動化绩卤，在狀況不好的時候?qū)Ψ?wù)進(jìn)行降級處理，人工干預(yù)變少损合，更加智能以及自動化省艳。

現(xiàn)在服務(wù)的架構(gòu)又演進(jìn)成了這樣：

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ServiceMesh

架構(gòu)發(fā)展到上面的程度，實(shí)際上已經(jīng)能夠解決大部分的問題了嫁审。這兩年又出現(xiàn)了一個很火的概念：ServiceMesh跋炕，中文翻譯為“服務(wù)網(wǎng)格”，來看看它又能解決什么問題律适。

前面的服務(wù)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中辐烂，需要一個與之配套的RPC庫，然而這又會有如下的問題：

1. 如果需要支持多語言捂贿，該怎么做纠修？每個語言實(shí)現(xiàn)一個對應(yīng)的RPC庫嗎？
2. 庫的升級很麻煩厂僧，比如RPC庫本身出了安全漏洞扣草，比如需要升級版本，一般推動業(yè)務(wù)方去做這個升級是很難的，尤其是系統(tǒng)做大了之后辰妙。

可以看到鹰祸，由于RPC庫是嵌入到進(jìn)程之中的組件，所以以上問題很麻煩密浑，于是就想出了一個辦法：將原先的一個進(jìn)程拆分成兩個進(jìn)程蛙婴，如下圖所示。

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在服務(wù)mesh化之前尔破，服務(wù)調(diào)用方實(shí)例通過自己內(nèi)部的RPC庫來與服務(wù)提供方實(shí)例進(jìn)行通信街图。
在服務(wù)mesh化之后，會與服務(wù)調(diào)用方同機(jī)部署一個local Proxy也就是ServiceMesh的proxy懒构，此時服務(wù)調(diào)用的流量會先走到這個proxy餐济，再由它完成原先RPC庫響應(yīng)的工作。至于如何實(shí)現(xiàn)這個流量的劫持胆剧，答案是采用iptables颤介，將特定端口的流量轉(zhuǎn)發(fā)到proxy上面即可。
有了這一層的分拆赞赖，將業(yè)務(wù)服務(wù)與負(fù)責(zé)RPC庫作用的Proxy分開來滚朵，上面的兩個痛點(diǎn)問題就變成了對每臺物理機(jī)上面的mesh 
 proxy的升級維護(hù)問題，多語言也不是問題了前域，因?yàn)槎际峭ㄟ^網(wǎng)絡(luò)調(diào)用完成的RPC通信辕近，而不是進(jìn)程內(nèi)使用RPC庫。

然而這個方案并不是什么問題都沒有的匿垄，最大的問題在于移宅，多了這一層的調(diào)用之后，勢必有影響原來的響應(yīng)時間椿疗。

截止目前（2019.6月）漏峰，ServiceMesh仍然還是一個概念大于實(shí)際的產(chǎn)品。

 從上面的演進(jìn)歷史可以看到届榄，所謂的“中間層理論”浅乔，即“Any problem in computer science can be solved by another layer of indirection（計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的任何問題都可以通過增加一個間接的中間層來解決）”在這個過程中被廣泛使用，比如為了解決IP地址難于記憶的問題铝条，引入了域名系統(tǒng)靖苇，比如為了解決負(fù)載均衡問題引入了網(wǎng)關(guān)，等等班缰。然而每引入一個中間層贤壁，勢必帶來另外的影響，比如ServiceMesh多一次到Proxy的調(diào)用埠忘，如何權(quán)衡又是另外的問題了脾拆。

另外馒索，回到最開始的服務(wù)三要素中，可以看到整個演化的歷史也是逐漸屏蔽了下層組件的流程名船，比如：

1. 域名的出現(xiàn)屏蔽了IP地址双揪。

2. 服務(wù)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)屏蔽協(xié)議及端口號。

3. PB類序列化庫屏蔽了使用者自己對協(xié)議的解析包帚。

   可以看到，演進(jìn)流程讓業(yè)務(wù)開發(fā)者更加專注在業(yè)務(wù)邏輯上运吓，這類的演進(jìn)流程不只發(fā)生在今天渴邦，也不會僅僅發(fā)生在今天，未來類似的演進(jìn)也將再次發(fā)生拘哨。