Elasticsearch 通信模块的分析

Elasticsearch是一个基于Lucene的分布式实时搜索框架，它本身能够接受用户发来的http 请求，集群节点之间也会有相关的通信。

通信模块的简介

Elasticsearch 中的通信相关的配置都是由NetworkModule 这个类完成的。 NetworkModule 里面的配置主要分三大部分:

HttpServerTransport: 这个主要负责接受用户发来的请求，然后分发请求
Transport: 这个主要负责集群间的通信，应该是Elasticsearch 的RPC
TransportInterceptor 是对连接之间的拦截，在连接发送之前或是接到之后先做一些相关处理，这个在Elasticseach 使用的并不多，目前只是提供了这功能的接口，可以让之后更容扩展.

由于3在Elasticseach 使用的并不多，我在这里面不多讲，主要讲1 和2

Elasticsearch是一个非常扩展性非常强的系统，每个功能都模块化，服务化。而且它提供了插件(Plugin)的接口，让每一个功能都很容易可以扩展，实现了可插拔。对于网络相关的的插件是NetworkPlugin

NetworkPlugin 提供了三个函数来分别获得和配置HttpServerTransport, Transport, TransportInterceptor.

public interface NetworkPlugin {

    /**
     * Returns a list of {@link TransportInterceptor} instances that are used to intercept incoming and outgoing
     * transport (inter-node) requests. This must not return <code>null</code>
     *
     * @param namedWriteableRegistry registry of all named writeables registered
     * @param threadContext a {@link ThreadContext} of the current nodes or clients {@link ThreadPool} that can be used to set additional
     *                      headers in the interceptors
     */
    default List<TransportInterceptor> getTransportInterceptors(NamedWriteableRegistry namedWriteableRegistry,
                                                                ThreadContext threadContext) {
        return Collections.emptyList();
    }

    /**
     * Returns a map of {@link Transport} suppliers.
     * See {@link org.elasticsearch.common.network.NetworkModule#TRANSPORT_TYPE_KEY} to configure a specific implementation.
     */
    default Map<String, Supplier<Transport>> getTransports(Settings settings, ThreadPool threadPool, BigArrays bigArrays,
                                                           PageCacheRecycler pageCacheRecycler,
                                                           CircuitBreakerService circuitBreakerService,
                                                           NamedWriteableRegistry namedWriteableRegistry,
                                                           NetworkService networkService) {
        return Collections.emptyMap();
    }

    /**
     * Returns a map of {@link HttpServerTransport} suppliers.
     * See {@link org.elasticsearch.common.network.NetworkModule#HTTP_TYPE_SETTING} to configure a specific implementation.
     */
    default Map<String, Supplier<HttpServerTransport>> getHttpTransports(Settings settings, ThreadPool threadPool, BigArrays bigArrays,
                                                                         CircuitBreakerService circuitBreakerService,
                                                                         NamedWriteableRegistry namedWriteableRegistry,
                                                                         NamedXContentRegistry xContentRegistry,
                                                                         NetworkService networkService,
                                                                         HttpServerTransport.Dispatcher dispatcher) {
        return Collections.emptyMap();
    }
}

NetworkModule 会在它的构造函数里面遍历所有的network plugin 然后缓存到内存里面。

    public NetworkModule(Settings settings, boolean transportClient, List<NetworkPlugin> plugins, ThreadPool threadPool,
                         BigArrays bigArrays,
                         PageCacheRecycler pageCacheRecycler,
                         CircuitBreakerService circuitBreakerService,
                         NamedWriteableRegistry namedWriteableRegistry,
                         NamedXContentRegistry xContentRegistry,
                         NetworkService networkService, HttpServerTransport.Dispatcher dispatcher) {
        this.settings = settings;
        this.transportClient = transportClient;
        for (NetworkPlugin plugin : plugins) {
            // HttpServerTransport
            if (transportClient == false && HTTP_ENABLED.get(settings)) {
                Map<String, Supplier<HttpServerTransport>> httpTransportFactory = plugin.getHttpTransports(settings, threadPool, bigArrays,
                    circuitBreakerService, namedWriteableRegistry, xContentRegistry, networkService, dispatcher);
                for (Map.Entry<String, Supplier<HttpServerTransport>> entry : httpTransportFactory.entrySet()) {
                    registerHttpTransport(entry.getKey(), entry.getValue());
                }
            }
            // Transport
            Map<String, Supplier<Transport>> transportFactory = plugin.getTransports(settings, threadPool, bigArrays, pageCacheRecycler,
                circuitBreakerService, namedWriteableRegistry, networkService);
            for (Map.Entry<String, Supplier<Transport>> entry : transportFactory.entrySet()) {
                registerTransport(entry.getKey(), entry.getValue());
            }
           
            List<TransportInterceptor> transportInterceptors = plugin.getTransportInterceptors(namedWriteableRegistry,
                threadPool.getThreadContext());
            // TransportInteceptor
            for (TransportInterceptor interceptor : transportInterceptors) {
                registerTransportInterceptor(interceptor);
            }
        }
    }

Netty Network Plugin

Elasticsearch 的底层通信是用了高性能异步io 框架Netty。

Netty 的性能非常优秀，底层使用了kqueue or epoll 来时实现对io 的高复用，然后使用的zero copy buffer 技术来提高了cpu 的效率。

Elasticsearch 是以插件的模式把Netty 的实现插入它本身的系统里面

public class Netty4Plugin extends Plugin implements NetworkPlugin {

    static {
        Netty4Utils.setup();
    }

    public static final String NETTY_TRANSPORT_NAME = "netty4";
    public static final String NETTY_HTTP_TRANSPORT_NAME = "netty4";

 
    @Override
    public Map<String, Supplier<Transport>> getTransports(Settings settings, ThreadPool threadPool, BigArrays bigArrays,
                                                          PageCacheRecycler pageCacheRecycler,
                                                          CircuitBreakerService circuitBreakerService,
                                                          NamedWriteableRegistry namedWriteableRegistry,
                                                          NetworkService networkService) {
        return Collections.singletonMap(NETTY_TRANSPORT_NAME, () -> new Netty4Transport(settings, threadPool, networkService, bigArrays,
            namedWriteableRegistry, circuitBreakerService));
    }

    @Override
    public Map<String, Supplier<HttpServerTransport>> getHttpTransports(Settings settings, ThreadPool threadPool, BigArrays bigArrays,
                                                                        CircuitBreakerService circuitBreakerService,
                                                                        NamedWriteableRegistry namedWriteableRegistry,
                                                                        NamedXContentRegistry xContentRegistry,
                                                                        NetworkService networkService,
                                                                        HttpServerTransport.Dispatcher dispatcher) {
        return Collections.singletonMap(NETTY_HTTP_TRANSPORT_NAME,
            () -> new Netty4HttpServerTransport(settings, networkService, bigArrays, threadPool, xContentRegistry, dispatcher));
    }
}

从上面代码来看。 Netty 主要 ️两个重要的部分组成：

1 Netty4HttpServerTransport。

2 Netty4Transport。

Netty4HttpServerTransport

Netty4HttpServerTransport 内部流程图

Netty4HttpServerTransport 是插件里面对HttpServerTransport 的实现，它继承了AbstractLifecycleComponent 实现了HttpServerTransport 的接口，这样Netty4HttpServerTransport 就拥有了和整个系统一样的一样的生命周期。它会在系统启动的时候被启动，在系统结束的时候被关闭。

public class Netty4HttpServerTransport extends AbstractLifecycleComponent implements HttpServerTransport { 
 @Override
    protected void doStart() {
        boolean success = false;
        try {
            this.serverOpenChannels = new Netty4OpenChannelsHandler(logger);

            serverBootstrap = new ServerBootstrap();

            serverBootstrap.group(new NioEventLoopGroup(workerCount, daemonThreadFactory(settings,
                HTTP_SERVER_WORKER_THREAD_NAME_PREFIX)));
            serverBootstrap.channel(NioServerSocketChannel.class);

            serverBootstrap.childHandler(configureServerChannelHandler());

            ....
 
            this.boundAddress = createBoundHttpAddress();
            if (logger.isInfoEnabled()) {
                logger.info("{}", boundAddress);
            }
            success = true;
        } finally {
            if (success == false) {
                doStop(); // otherwise we leak threads since we never moved to started
            }
        }
    }
}

public ChannelHandler configureServerChannelHandler() {
        return new HttpChannelHandler(this, detailedErrorsEnabled, threadPool.getThreadContext());
    }

    protected static class HttpChannelHandler extends ChannelInitializer<Channel> {

        private final Netty4HttpServerTransport transport;
        private final Netty4HttpRequestHandler requestHandler;

        protected HttpChannelHandler(
                final Netty4HttpServerTransport transport,
                final boolean detailedErrorsEnabled,
                final ThreadContext threadContext) {
            this.transport = transport;
            this.requestHandler = new Netty4HttpRequestHandler(transport, detailedErrorsEnabled, threadContext);
        }

        @Override
        protected void initChannel(Channel ch) throws Exception {
           .....
            final HttpRequestDecoder decoder = new HttpRequestDecoder(
                Math.toIntExact(transport.maxInitialLineLength.getBytes()),
                Math.toIntExact(transport.maxHeaderSize.getBytes()),
                Math.toIntExact(transport.maxChunkSize.getBytes()));
            decoder.setCumulator(ByteToMessageDecoder.COMPOSITE_CUMULATOR);
            ch.pipeline().addLast("decoder", decoder);
            ch.pipeline().addLast("decoder_compress", new HttpContentDecompressor());
            ch.pipeline().addLast("encoder", new HttpResponseEncoder());
            ....
            ch.pipeline().addLast("handler", requestHandler);
        }
    }

Netty4HttpServerTransport 会在自己启动的时候的中创建一个Netty服务器然后去监听9200端口。服务器收到请求后会去回调HttpChannelHandler这个回调函数。 HttpChannelHandler主要做的对接收到的请求进行解码然后分发给不同的模块去执行。因为Netty的通信层面是在TCP/IP 层面而不是Http 层面，所以对于接受来的请求，必须要先解析成Http请求然后再交给个Netty4HttpRequestHandler 去处理。Netty4HttpRequestHandler 本身做的是对Netty 的请求再一次包装，把它包装成Elasticseach 自己定义的RestRequest 还有RestChannel然后用Dispatcher 去进行分发解析好的请求。

对Netty Http 请求的再包装的作用主要是实现对Netty 解耦，如果以后有新的更好的通信架构，对通信模块的重构会更加容易

Dispatcher(RestController.java)

RestController 属于ActionModule 里面的功能， ActionModule 主要的任务就是注册各种操作（action）需要执行的函数，建立起action 的名字和函数的对应关系。

actions.register(SearchAction.INSTANCE, TransportSearchAction.class);

例如搜索这个的action，它回去调用TransportSearchAction 去做搜索的操作。

RestController(Dispatcher) 主要的任务是根据Netty4HttpRequestHandler 转过来的请求的url进行解析，然后寻求相对应的action 然后执行。

RestController 对与path 的解析的时候也做了一些优化，它使用了trie (字典树) 这个数据结构来提升性能查找的性能

例如：

GET /_cluster/state/metadata

这个uri 对应的action 函数。在内存里面存储的情况应该是类似这样的

   public class TrieNode {
        private transient String key;
        private transient T value; （回调函数）
        private boolean isWildcard;
        private final String wildcard;

        private transient String namedWildcard;

        private Map<String, TrieNode> children;

        public TrieNode(String key, T value, String wildcard) {
            this.key = key;
            this.wildcard = wildcard;
            this.isWildcard = (key.equals(wildcard));
            this.value = value;
            this.children = emptyMap();
            if (isNamedWildcard(key)) {
                namedWildcard = key.substring(key.indexOf('{') + 1, key.indexOf('}'));
            } else {
                namedWildcard = null;
            }
        }
}

每一个节点都是一个key 和一个value (回调函数) ，还有一个hashmap 来保存他的子节点， wildcard 是用来判断这个key 是不是{*} ，也就是这段路径可能是任意值。

PathTrie 会先对请求的url 对‘/’符号进行分割，然后一层一层的找下去，直到找到相匹配的函数。 PathTrie的优势在众多注册的url 的中以最快的速度找到相匹配的函数。

GET /_cluster/state/metadata

这个url 的查找的次数是[_cluster, state, metadata].size() 也就是3次。其实有很多优秀的url router 都是利用字典树实现的，例如这个go 的high performnace router

julienschmidt/httproutergithub.com/julienschmidt/httprouter

Netty4Transport:

Netty4Transport 相当于Elasticsearch 的RPC (remote procedure call)。它在Elasticsearch启动的时候也去会启动一个的Netty Server 然后去监听另外一个9300端口来处理其他Node 发来的请求。同时自己也会初始化一个Netty Client 来给别的Node发请求。

创建一个新的Netty Server 的好处是可以实现与HttpServerTransport的解耦，把RPC 接受的逻辑和HttpServerTransport分开，同时也可以对RPC 信息的序列化可以进一步优化。对于RPC信息序列化， Elasticsearch 并没有用Http 还有Json，而是自己设定一套规则。所有的发送和接受都是在TCP/IP 层面，这样减少了Http 层面的解析，对于发送的消息也进一步的压缩来提高传输效率。

 @Override
    protected void doStart() {
        boolean success = false;
        try {
            // 启动client 端
            bootstrap = createBootstrap();
            if (NetworkService.NETWORK_SERVER.get(settings)) {
                for (ProfileSettings profileSettings : profileSettings) {
                    createServerBootstrap(profileSettings);
                    bindServer(profileSettings);
                  // server 端
                }
            }
            super.doStart();
            success = true;
        } finally {
            if (success == false) {
                doStop();
            }
        }
    }

Netty4Transport 在Client 和Server 中共同使用了这个Netty4MessageChannelHandler 回调函数。Client 在发送请求给远方的Node 的时候会把在信息的header里面标注为request 这个状态，所以这个回调函数判断到底是远方Node 发来的请求还是返回执行的结果是就是根据这个 TransportStatus.isRequest(status) 状态

 if (TransportStatus.isRequest(status)) {
    handleRequest(channel, profileName, streamIn, requestId, messageLengthBytes, version, remoteAddress, status);
 } else {
    final TransportResponseHandler<?> handler;
    if (isHandshake) {
          handler = pendingHandshakes.remove(requestId);
    } else {
          TransportResponseHandler theHandler = transportService.onResponseReceived(requestId);
          if (theHandler == null && TransportStatus.isError(status)) {
                handler = pendingHandshakes.remove(requestId);
           } else {
                handler = theHandler;
          }
 }

Transport 有两种定义好的回调函数，一个是TransportRequestHandler，一个是TransportResponseHandler。

public interface TransportRequestHandler<T extends TransportRequest> {

    /**
     * Override this method if access to the Task parameter is needed
     */
    default void messageReceived(final T request, final TransportChannel channel, Task task) throws Exception {
        messageReceived(request, channel);
    }

    void messageReceived(T request, TransportChannel channel) throws Exception;
}

public interface TransportResponseHandler<T extends TransportResponse> extends Writeable.Reader<T> {

    /**
     * @deprecated Implement {@link #read(StreamInput)} instead.
     */
    @Deprecated
    default T newInstance() {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }

    /**
     * deserializes a new instance of the return type from the stream.
     * called by the infra when de-serializing the response.
     *
     * @return the deserialized response.
     */
    @SuppressWarnings("deprecation")
    @Override
    default T read(StreamInput in) throws IOException {
        T instance = newInstance();
        instance.readFrom(in);
        return instance;
    }

    void handleResponse(T response);

    void handleException(TransportException exp);

    String executor();
}

TransportRequestHandler 是处理远方节点发来请求的回调函数，它会根据发来请求做出对应的操作

TransportResponseHandler 就是发给远方节点执行后返回的结果的回调函数，主要功能是整合这些返回信息，返回给用户或是再分发到其他节点上。

下面我举个例子，来讲述get 一个文档的整个流程。

例如用户想直接get 一个ID 是123 博客。他发了一个这样的请求 GET /website/blog/123 给ElasticSearch 节点1

请求在节点1 （node1）接收到之后，这个请求会被HttpServerTransport 处理，HttpServerTransport 里面的回调函数 HttpChannelHandler 会通过PathTrie解析到这个请求对应的action应该是TransportGetAction 。

这个action 是专门执行取一个文档的操作，这个action 会先在clusterstate 里面找到/website/blog/123 的index shard 是在哪个节点里面。如果它发现shard 是在本地，它会异步的方式去lucence 里面读取这个文档，然后返回结果。如果它发现shard 不在本地而在远方的节点2（node2），它会用Transport 发到节点2 （node2）的9300，然后node2 9300 接收到这个请求之后调用用注册的ShardTransportHandler 这个回调函数会去本地lucence 里面搜索结果，然后把结果返回给node1。 node1 会把得到的结果序列化成json 返回给用户。

通过Elasticseach 来看对netty 的用法

Elasticsearch 利用Netty 的思路还是相当棒的，由于Netty 是单线程Event loop 的模式，所以Elasticsearch 在对回调函数上面尽可能用线程池来异步处理。但是它又不会盲目都去使用格外线程执行这这些回调函数。例如对于读取clusterstate 这种存内存操作，它都是用当时线程来执行，这样减少对线程池的压力和格外资源的开销，还会使得代码复杂性降低。而且它也还会根据不同的操作来分配大小不同的线程池例如 search 的线程池里面的线程数量非常多，而且可以自动扩展。Elasticsearch对线程使用的控制也是属于fine-grained。不会傻瓜的使用一个线程走到底，而是尽可能分步骤执行。

通信模块的简介

Netty Network Plugin

Netty4HttpServerTransport

Netty4Transport:

通过Elasticseach 来看对netty 的用法

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