使用Envoy将gRPC转码为HTTP/JSON

试用gRPC构建服务时要在.proto文件中定义消息（message）和服务（service）。gRPC支持多种语言自动生成客户端、服务端和DTO实现。在读完这篇文章后，你将了解到使用Envoy作为转码代理，使gRPC API也可以通过HTTP/JSON的方式访问。你可以通过github代码库中的Java代码来测试它。有关gRPC的介绍请参阅blog.jdriven.com/2018/10/grpc-as-an-alternative-to-rest/。

为什么要对gRPC服务进行转码？

一旦有了一个可用的gRPC服务，可以通过向服务添加一些额外的注解（annotation）将其作为HTTP/JSON API发布。你需要一个代理来转换HTTP/JSON调用并将其传递给gRPC服务。我们称这个过程为转码。然后你的服务就可以通过gRPC和HTTP/JSON访问。大多数时候我更倾向使用gRPC，因为使用遵循“契约”生成的类型安全的代码更方便、更安全，但有时转码也很有用：

web应用程序可以通过HTTP/JSON调用与gRPC服务通信。github.com/grpc/grpc-web是一个可以在浏览器中使用的JavaScript的gRPC实现。这个项目很有前途，但还不成熟。
因为gRPC在网络通信上使用二进制格式，所以很难看到实际发送和接收的内容。将其作为HTTP/JSON API发布，可以使用cURL或postman等工具更容易地检查服务。
如果你使用的语言gRPC不支持，你可以通过HTTP/JSON访问它。
它为在项目中更平稳地采用gRPC铺平了道路，允许其他团队逐步过渡。

创建一个gRPC服务：ReservationService

让我们创建一个简单的gRPC服务作为示例。在gRPC中，定义包含远程过程调用（rpc）的类型和服务。你可以随意设计自己的服务，但是谷歌建议使用面向资源的设计（源代码：cloud.google.com/apis/design/resources），因为用户无需知道每个方法是做什么的就可以容易地理解API。如果你创建了许多不固定格式的rpc，用户必须理解每种方法的作用，从而使你的API更难学习。面向资源的设计还可以更好地转换为HTTP/JSON API。

在本例中，我们将创建一个会议预订服务。该服务称为ReservationService，由创建、获取、获取列表和删除预订4个操作组成。服务定义如下：

//reservation_service.proto

syntax = "proto3";

package reservations.v1;
option java_multiple_files = true;
option java_outer_classname = "ReservationServiceProto";
option java_package = "nl.toefel.reservations.v1";

import "google/protobuf/empty.proto";

service ReservationService {

    rpc CreateReservation(CreateReservationRequest) returns (Reservation) {  }
    rpc GetReservation(GetReservationRequest) returns (Reservation) {  }
    rpc ListReservations(ListReservationsRequest) returns (stream Reservation) {  }
    rpc DeleteReservation(DeleteReservationRequest) returns (google.protobuf.Empty) {  }

}

message Reservation {
    string id = 1;
    string title = 2;
    string venue = 3;
    string room = 4;
    string timestamp = 5;
    repeated Person attendees = 6;
}

message Person {
    string ssn = 1;
    string firstName = 2;
    string lastName = 3;
}

message CreateReservationRequest {
    Reservation reservation = 2;
}

message CreateReservationResponse {
    Reservation reservation = 1;
}

message GetReservationRequest {
    string id = 1;
}

message ListReservationsRequest {
    string venue = 1;
    string timestamp = 2;
    string room = 3;

    Attendees attendees = 4;

    message Attendees {
        repeated string lastName = 1;
    }
}

message DeleteReservationRequest {
    string id = 1;
}

通常的做法是将操作的入参封装在请求对象中。这会在以后的操作中添加额外的字段或选项时更加容易。ListReservations操作返回一个Reservations列表。在Java中，这意味着你将得到Reservations对象的一个迭代（Iterator）。客户端甚至可以在服务器发送完响应之前就开始处理它们，非常棒。

如果你想知道这个gRPC服务在Java中是如何被使用的，请查看 ServerMain.java 和 ClientMain.java实现。

使用HTTP选项标注服务进行转码

在每个rpc操作的花括号中可以添加选项。Google定义了一个java option，允许你指定如何将操作转换到HTTP请求（endpoint）。在*reservation_service.proto*中引入 ‘google/api/annotations.proto’即可使用该选项。默认情况下这个import是不可用的，但是你可以通过向*build.gradle*添加以下编译依赖来实现它：

compile "com.google.api.grpc:proto-google-common-protos:1.13.0-pre2"

这个依赖将由protobuf解压并生成几个.proto文件放入构建目录中。现在可以把google/api/annotations.proto引入你的.proto文件中并开始说明如何转换API。

转码GetReservation操作为GET方法

让我们从GetReservation操作开始，我已经添加了GetReservationRequest到代码示例中：

  message GetReservationRequest {
       string id = 1;
   }

   rpc GetReservation(GetReservationRequest) returns (Reservation) {
       option (google.api.http) = {
           get: "/v1/reservations/{id}"
       };
   }

在选项定义中有一个名为“get”的字段，设置为“/v1/reservation /{id}”。字段名对应于HTTP客户端应该使用的HTTP请求方法。get的值对应于请求URL。在URL中有一个名为id的路径变量，这个变量会自动映射到输入操作中同名的字段。在本例中，它将是GetReservationRequest.id。

发送 GET /v1/reservations/1234 到代理将转码到下面的伪代码：

var request = GetReservationRequest.builder().setId(“1234”).build()
var reservation = reservationServiceClient.GetReservation(request)
return toJson(reservation)

HTTP响应体（response body）将返回预订的所有非空字段的JSON形式。

记住：转码不是由gRPC服务完成的。单独运行这个示例不会将其发布为HTTP JSON API。前端的代理负责转码。我们稍后将对此进行配置。

转码CreateReservation操作为POST方法

现在来考虑CreateReservation操作。

message CreateReservationRequest {
   Reservation reservation = 2;
}

rpc CreateReservation(CreateReservationRequest) returns (Reservation) {
   option(google.api.http) = {
      post: "/v1/reservations"
      body: "reservation"
   };
}

这个操作被转为POST请求*/v1/reservation*。选项中的body字段告诉转码器将请求体转成CreateReservationRequest中的字段。这意味着我们可以使用以下curl调用：

curl -X POST \
    http://localhost:51051/v1/reservations \
    -H 'Content-Type: application/json' \
    -d '{
    "title": "Lunchmeeting",
    "venue": "JDriven Coltbaan 3",
    "room": "atrium",
    "timestamp": "2018-10-10T11:12:13",
    "attendees": [
       {
           "ssn": "1234567890",
           "firstName": "Jimmy",
           "lastName": "Jones"
       },
       {
           "ssn": "9999999999",
           "firstName": "Dennis",
           "lastName": "Richie"
       }
    ]
}'

响应包含同样的对象，只不过多了一个生成的id字段。

转码带查询参数过滤的ListReservations

查询集合资源的一种常见方法是提供查询参数作为过滤器。ListReservations的gRPC服务就有此功能。它接收到一个包含可选字段的ListReservationRequest，用于过滤预订集合。

message ListReservationsRequest {
    string venue = 1;
    string timestamp = 2;
    string room = 3;

    Attendees attendees = 4;

    message Attendees {
        repeated string lastName = 1;
    }
}

rpc ListReservations(ListReservationsRequest) returns (stream Reservation) {
   option (google.api.http) = {
       get: "/v1/reservations"
   };
}

在这里，转码器将自动创建ListReservationsRequest，并将查询参数映射到ListReservationRequest的内部字段。没有指定的字段都取默认值，对于字符串来说是”“。例如:

curl http://localhost:51051/v1/reservations?room=atrium

字段room设置为atrium并映射到ListReservationRequest里，其余字段设置为默认值。还可以提供以下子消息字段：

curl "http://localhost:51051/v1/reservations?attendees.lastName=Richie"

attendees.lastName是一个repeated的字段，可以被设置多次：

curl  "http://localhost:51051/v1/reservations?attendees.lastName=Richie&attendees.lastName=Kruger"

gRPC服务将会知道ListReservationRequest.attendees.lastName是一个有两个元素的列表：Richie和Kruger. Supernice。

运行转码器

是时候让这些运行起来了。Google cloud支持转码，即使运行在Kubernetes (incl GKE) 或计算引擎中。更多信息请参看cloud.google.com/endpoints/docs/grpc/tutorials。

如果你不在Google cloud中运行，或者是在本地运行，那么可以使用Envoy。它是一个由Lyft创建的非常灵活的代理。它也是istio.io中的主要组件。在这个例子中我们将使用它。

为了转码我们需要：

一个gRPC服务的项目，在.proto文件中包含转码选项。
从.proto文件中生成的.pd文件包含gRPC服务描述。
使用该定义，配置Envoy作为gRPC服务的HTTP请求代理。
使用docker运行Envoy。

步骤 1

我已经创建了如上描述的项目并发布在github上。你可以从这里clone： github.com/toefel18/transcoding-grpc-to-http-json。然后构建它：

# Script will download gradle if it’s not installed, no need to install it :)
./gradlew.sh clean build    # windows: ./gradlew.bat clean build

提示：我创建了脚本自动执行步骤2到4，脚本在项目github.com/toefel18/transcoding-grpc-to-http-json的根目录下。这将节省你的开发时间。步骤2到4详细的解释了它是如何工作的。

./start-envoy.sh

步骤 2

然后我们需要创建.pb文件。我们需要先下载预编译的protoc可执行文件：github.com/protocolbuffers/protobuf/releases/latest（为你的平台选择正确的版本，例如针对Mac的*protoc-3.6.1-osx-x86_64.zip*），然后解压到你的路径，很简单。

在transcoding-grpc-to-http-json目录下运行下面的命令生成Envoy可以理解的文件 reservation_service_definition.pb （别忘了先构建项目并导入 *reservation_service.proto*需要的.proto文件）。

protoc -I. -Ibuild/extracted-include-protos/main --include_imports \
               --include_source_info \
               --descriptor_set_out=reservation_service_definition.pb \
               src/main/proto/reservation_service.proto

这个命令可能看起来很复杂，但实际上非常简单。-I代表include，protoc寻找.proto文件的目录。*–descriptor_set_out*表示包含定义的输出文件，最后一个参数是我们要处理的原始文件。

步骤 3

我们快要完成了，在运行Envoy之前，最后一件事是创建配置文件。Envoy的配置文件以yaml描述。你可以使用Envoy做很多事情，但是现在让我们专注于转码我们的服务。我从Envoy的网站中获取了一个基本的配置示例，并使用#标记了感兴趣的部分。

admin:
  access_log_path: /tmp/admin_access.log
  address:
    socket_address: { address: 0.0.0.0, port_value: 9901 }         #1

static_resources:
  listeners:
  - name: main-listener
    address:
      socket_address: { address: 0.0.0.0, port_value: 51051 }      #2
    filter_chains:
    - filters:
      - name: envoy.http_connection_manager
        config:
          stat_prefix: grpc_json
          codec_type: AUTO
          route_config:
            name: local_route
            virtual_hosts:
            - name: local_service
              domains: ["*"]
              routes:
              - match: { prefix: "/", grpc: {} }
                #3 see next line!
                route: { cluster: grpc-backend-services, timeout: { seconds: 60 } }
          http_filters:
          - name: envoy.grpc_json_transcoder
            config:
              proto_descriptor: "/data/reservation_service_definition.pb" #4
              services: ["reservations.v1.ReservationService"]            #5
              print_options:
                add_whitespace: true
                always_print_primitive_fields: true
                always_print_enums_as_ints: false
                preserve_proto_field_names: false                        #6
          - name: envoy.router

  clusters:
  - name: grpc-backend-services                  #7
    connect_timeout: 1.25s
    type: logical_dns
    lb_policy: round_robin
    dns_lookup_family: V4_ONLY
    http2_protocol_options: {}
    hosts:
    - socket_address:
        address: 127.0.0.1                       #8
        port_value: 53000

我已经在配置文件中添加了一些标记来强调我们感兴趣的部分：

#1 admin接口的地址。你也可以在这里获取prometheus的测量数据去查询服务是怎样执行的。
#2 HTTP API的可用地址。
#3 将请求路由到后端服务的名称。步骤 #7 定义这个名字。
#4 我们之前生成的.pb描述符文件的路径。
#5 转码的服务。
#6 Protobuf字段名通常包含下划线。设置该选项为false会将字段名转换为驼峰式。
#7 集群定义了上游服务（在步骤#3中Envoy代理的服务）。
#8 可连接后端服务的地址和端口。我使用了127.0.0.1/localhost。

步骤 4

我们现在准备运行Envoy。最简单的方式是通过Docker镜像。这需要先安装Docker。如果你还没有，请先安装docker 。

有两个Envoy需要的资源，配置文件和.pb描述文件。我们可以先把文件导入容器以便Envoy启动时找到他们。运行下面github代码库根目录的命令：

sudo docker run -it --rm --name envoy --network="host" \
  -v "$(pwd)/reservation_service_definition.pb:/data/reservation_service_definition.pb:ro" \
  -v "$(pwd)/envoy-config.yml:/etc/envoy/envoy.yaml:ro" \
  envoyproxy/envoy

如果Envoy成功启动将会看到下面的日志：

[2018-11-10 14:55:02.058][000009][info][main] [source/server/server.cc:454] starting main dispatch loop

注意，我在docker run命令中将-network设置为“host”。这意味着在本地可以访问正在运行的容器，而不需要额外的网络配置。根据页面 docs.docker.com/docker-for-mac/networking/的建议，应该更改步骤#8中Envoy配置的IP地址为host.docker.internal 或 gateway.docker.internal。

通过HTTP访问服务

如果一切顺利，你现在可以使用curl命令来访问服务。Linux下你可以直接连接localhost，但是在windows或者Mac下你可能需要通过虚拟机或docker容器的IP地址连接。有很多方法可以配置docker，这里使用localhost。

通过HTTP创建预订

curl -X POST http://localhost:51051/v1/reservations \
          -H 'Content-Type: application/json' \
          -d '{
            "title": "Lunchmeeting2",
            "venue": "JDriven Coltbaan 3",
            "room": "atrium",
            "timestamp": "2018-10-10T11:12:13",
            "attendees": [
                {
                    "ssn": "1234567890",
                    "firstName": "Jimmy",
                    "lastName": "Jones"
                },
                {
                    "ssn": "9999999999",
                    "firstName": "Dennis",
                    "lastName": "Richie"
                }
            ]
        }'

 {
        "id": "2cec91a7-d2d6-4600-8cc3-4ebf5417ac4b",
        "title": "Lunchmeeting2",
        "venue": "JDriven Coltbaan 3",
...

通过HTTP获取预订

使用上面创建的ID：

curl http://localhost:51051/v1/reservations/ENTER-ID-HERE!

输出应该和创建结果一致。

通过HTTP获取预订列表

对于这个例子可能需要以不同的字段多次执行CreateReservation来验证过滤器的行为。

curl "http://localhost:51051/v1/reservations"

curl "http://localhost:51051/v1/reservations?room=atrium"

curl "http://localhost:51051/v1/reservations?room=atrium&attendees.lastName=Jones"

响应结果是Reservations的数组。

curl -X DELETE http://localhost:51051/v1/reservations/ENTER-ID-HERE!

gRPC会返回一些HTTP头。有些可以在调试的时候帮到你：

grpc-status：这个值是io.grpc.Status.Code的序数，它能帮助查看gRPC的返回状态。
grpc-message：一旦出现问题返回的错误信息。

缺陷

1. 如果路径不存在响应很奇怪

Envoy工作的很好，但在我看来有时候会返回不正确的状态码。比如当我获取一个合法的预订：

curl http://localhost:51051/v1/reservations/ENTER-ID-HERE!

返回状态码200，没错，但如果我这样做：

curl http://localhost:51051/v1/reservations/ENTER-ID-HERE!/blabla

Envoy会返回：

415 Unsupported Media Type
Content-Type is missing from the request

我期望返回404而不是上面解释的错误信息。这有一个相关的问题：github.com/envoyproxy/envoy/issues/5010

解决: Envoy将所有请求路由到gRPC服务，如果服务中不存在该路径，gRPC服务本身就会响应该错误。解决方案是在Envoy的配置中添加’ gRPC:{} ‘，使其仅转发在gRPC服务中实现了的请求：

 name: local_route
            virtual_hosts:
            - name: local_service
              domains: ["*"]
              routes:
              - match: { prefix: "/" , grpc: {}}  # <--- this fixes it
                route: { cluster: grpc-backend-services, timeout: { seconds: 60 } }

2. 有时候在查询集合时，即使服务器有错误响应，依然会返回空资源‘[]’

我提交了这一问题给Envoy开发者： github.com/envoyproxy/envoy/issues/5011

部分解决方案： 其中一部分是已知的转码限制，因为状态和头是先发送的。在一个响应中转换器首先发送一个200状态码，然后对流进行转码。

即将到来的特性

将来还可以在响应体中返回响应消息的子字段，以便你不想返回完整的响应体。这可以通过HTTP选项中的“response_body”字段完成。如果你想在HTTP API中裁剪包装的对象这是非常合适的。

我希望这篇文章对将gRPC API转码HTTP/JSON提供了一个很好的概述。

为什么要对gRPC服务进行转码？

创建一个gRPC服务：ReservationService

使用HTTP选项标注服务进行转码

转码GetReservation操作为GET方法

转码CreateReservation操作为POST方法

转码带查询参数过滤的ListReservations

运行转码器

步骤 1

步骤 2

步骤 3

步骤 4

通过HTTP访问服务

通过HTTP创建预订

通过HTTP获取预订

通过HTTP获取预订列表

缺陷

1. 如果路径不存在响应很奇怪

2. 有时候在查询集合时，即使服务器有错误响应，依然会返回空资源‘[]’

即将到来的特性

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