通过抓包来认识gRpc

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在使用gRpc的过程中，有一个想法：gRpc客户端、服务端是怎么交互的呢?

从这个想法萌生出一个验证方法，通过抓包来分析其交互过程与底层数据，一起来看看吧。

1. gRpc是什么

gRpc是什么?

gRPC是一个高性能、开源和通用的 RPC 框架，面向移动和 HTTP/2 设计。目前提供 C、Java 和 Go 语言版本，分别是：grpc, grpc-java, grpc-go. 其中 C 版本支持 C, C++, Node.js, Python, Ruby, Objective-C, PHP 和 C# 支持。

gRPC基于 HTTP/2 标准设计，带来诸如双向流、流控、头部压缩、单 TCP 连接上的多复用请求等特。这些特性使得其在移动设备上表现更好，更省电和节省空间占用。

一句话概括：gRpc是Google基于 HTTP/2 + ProtoBuf 开源的一个RPC框架。

2. 准备工作

正所谓：欲善其事必先利其器，所以在开始抓包之前需要做好如下准备：

抓包软件：wireshark

代码：gRpc代码

操作系统：Windows、Linux、Macos 其一

3. wireshark安装

官网下载地址：

https://www.wireshark.org/download.html

wireshark

4. gRpc示例代码

示例代码目录结构

. 
└── helloworld 
    ├── client 
    │   └── main.go 
    ├── go.mod 
    ├── go.sum 
    ├── proto 
    │   ├── helloworld.pb.go 
    │   └── helloworld.proto 
    └── server 
        └── main.go 

helloworld.proto

syntax = "proto3"; 
 
package proto; 
 
// The greeting service definition. 
service Greeter { 
    // Sends a greeting 
    rpc SayHello (HelloRequest) returns (HelloReply) {} 
} 
 
// The request message containing the user's name. 
message HelloRequest { 
    string name = 1; 
    int32 age = 2; 
} 
 
// The response message containing the greetings 
message HelloReply { 
    string message = 1; 
    string address = 2; 
} 

通过protoc对proto文件生成go代码

cd proto 
protoc --go_out=plugins=grpc:. ./* 

服务端代码 - server/main.go

package main 
 
import ( 
    "context" 
    "log" 
    "net" 
 
    pb "github.com/ivansli/grpc_helloworld/proto" 
    "google.golang.org/grpc" 
) 
 
const ( 
    port = ":8080" 
) 
 
// server is used to implement helloworld.GreeterServer. 
type server struct {} 
 
// SayHello implements helloworld.GreeterServer 
func (s *server) SayHello(ctx context.Context, in *pb.HelloRequest) (*pb.HelloReply, error) { 
    log.Printf("Received: %v", in.GetName()) 
    return &pb.HelloReply{Message: "Hello " + in.GetName()}, nil 
} 
 
func main() { 
    lis, err := net.Listen("tcp", port) 
    if err != nil { 
        log.Fatalf("failed to listen: %v", err) 
    } 
 
    s := grpc.NewServer() 
    pb.RegisterGreeterServer(s, &server{}) 
 
    log.Printf("server listening at %v", lis.Addr()) 
    if err := s.Serve(lis); err != nil { 
        log.Fatalf("failed to serve: %v", err) 
    } 
} 

客户端代码 - client/main.go

package main 
 
import ( 
    "context" 
    "google.golang.org/grpc/metadata" 
    "log" 
    "os" 
    "time" 
 
    pb "github.com/ivansli/grpc_helloworld/proto" 
    "google.golang.org/grpc" 
) 
 
const ( 
    address     = "localhost:8080" 
    defaultName = "world" 
) 
 
func main() { 
    // Set up a connection to the server. 
    conn, err := grpc.Dial(address, grpc.WithInsecure()) 
    if err != nil { 
        log.Fatalf("did not connect: %v", err) 
    } 
    defer conn.Close() 
    c := pb.NewGreeterClient(conn) 
 
    // Contact the server and print out its response. 
    name := defaultName 
    iflen(os.Args) > 1 { 
        name = os.Args[1] 
    } 
    ctx, cancel := context.WithTimeout(context.Background(), time.Second) 
    defer cancel() 
     
  // ！metadata 用于在服务间传递一些参数，注意后面它在交互中出现的位置 
    ctx = metadata.AppendToOutgoingContext(ctx, "metadata", "is metadata") 
 
    r, err := c.SayHello(ctx, &pb.HelloRequest{Name: name}) 
    if err != nil { 
        log.Fatalf("could not greet: %v", err) 
    } 
    log.Printf("Greeting: %s", r.GetMessage()) 
} 

5. 步骤

① 运行服务端代码 server/main.go，监听在8080端口

go run server/main.go 

② 打开wireshark，等待抓包

③ 运行客户端代码 client/main.go

go run client/main.go 

6. wireshark抓包gRpc交互过程

wireshark抓包gRpc交互过程

• 仔细观察Protocol列的协议类型：
• TCP 传输层
• HTTP2 应用层
• GRPC 应用层(基于HTTP/2)
• GRPC 跟 HTTPS/2 不同之处在于：GRPC协议中包含了ProtoBuf序列化的数据，也间接印证了 GRPC = HTTP/2 + ProtoBuf

通过抓包我们发现，客户端使用53726端口与监听在8080的服务端进行交互以及数据传递，其过程大概分为10个。

① TCP三次握手

② Magic

③ SETTINGS

④ HEADERS

⑤ DATA

⑥ WINDOW_UPDATE, PING

⑦ PING(pong)

⑧ HEADERS, DATA

⑨ WINDOW_UPDATE, PING

⑩ PING(pong)

在抓包的过程中，发现应用层出现若干不同帧类型，分别有：Magic、SETTINGS、HEADERS、DATA、WINDOW_UPDATE、PING。

至于它们的作用，且看下面分析：

Magic

magic帧

Magic帧的主要作用是对使用HTTP/2双方协议的确认, 是一个链接前言。作用是确定启用HTTP/2连接。

SETTINGS

SETTINGS的主要作用是设置这一个连接的参数，作用于是整个连接。从图中可以看到出现了多个SETTINGS，原因是在发送完连接前言后，客户端、服务端还需要进一步地确定一些信息。

客户端发送给服务端的SETTINGS

服务端发送给客户端的SETTINGS

HEADERS

HEADERS的主要作用是存储和传递HTTP的头信息。

客户端发送给服务端的HEADERS

可以看到很多重要的信息：

• method
• scheme
• path
• authority
• content-type
• user-agent 等

这些都是gRpc很重要的基础属性。

• 注意:
• 使用
• google.golang.org/grpc/metadata包metadata在客户端、服务端传递的数据，也在HEADERS中

服务端发送给客户端的HEADERS

仔细观察，服务端发送给客户端的HEADERS帧中 HEADERS数据分为两部分：

• HTTP的响应状态及内容(第一个 Stream：HEADERS)

status: 200 
 
content-type: application/grpc 

• gRpc承载的状态信息(第二个 Stream：HEADERS，图片中框起的部分)

grpc-status: 0 
 
grpc-message: 

DATA

DATA的主要作用是填充主体信息，是数据帧。

客户端发送给服务端的DATA

其中，包含两个重要部分：

① GRPC Message

/proto.Greeter/SayHello 为proto中service定义的的方法，也是服务端对外提供的方法。

② Protocol Buffers

与protobuf有关，其中Field(1)为定义的pb.HelloRequest结构中Name参数 &pb.HelloRequest{Name: "world"} 。

• 注意：
• ① pb.HelloRequest{} 结构体中的age字段由于是零值，传输时被忽略，所以没有Field(2)
• ② 带有request标识，说明这是客户端发起的请求

服务端发送给客户端的DATA

与客户端发送给服务端的DATA类似，其中 Field(1) 为 &pb.HelloReply{Message: "Hello world"}的Message字段。

• 注意：
• ① pb.HelloReply{} 结构体中的address字段由于是零值，传输时被忽略，所以没有Field(2)
• ② 带有response标识，说明这是个响应信息

WINDOW_UPDATE

WINDOW_UPDATE的主要作用是管理流控制窗口。

客户端发送给服务端的WINDOW_UPDATE

服务端发送给客户端的WINDOW_UPDATE

PING

主要作用是用于判断当前连接是否依旧可用，相当于心跳，分为：

• 客户端ping服务端，服务端pong
• 服务端ping客户端，客户端pong

服务端发送给客户端的PING

客户端响应给服务端的PONG

• 注意：同一个Ping/Pong，有相同的标识字符串(图示中标识为：02041010090e0707)

总结

我们通过抓包gRpc的交互过程，分析不同类型帧的作用，进一步了解了gRpc。

总结如下：

• gRpc在三次握手之后，客户端/服务端会发送连接前言(Magic+SETTINGS)以确立协议和配置
• gRpc在传输数据过程中会设计滑动窗口(WINDOW_UPDATE)等流控策略
• gRpc附加信息基于HEADERS帧进行传递，具体的请求/响应数据存储在DATA帧中
• gRpc请求/响应结果分为HTTP和gRpc状态响应(grpc-status、grpc-message)两种类型
• 如果服务端发起PING，客户端会响应PONG，反之亦然