gRPC

本書では、これまで REST ベースの通信に焦点を当ててきました。 REST は、エンティティ リソースに対する CRUD ベースの操作を定義する柔軟なアーキテクチャ スタイルであることを見てきました。 クライアントは、HTTP を介して要求と応答の通信モデルでリソースと対話します。 REST は広く実装されていますが、新しい通信テクノロジである gRPC には、クラウドネイティブ コミュニティ全体で大きな勢いがあります。

gRPC とは

gRPC は、古いリモート プロシージャ コール (RPC) プロトコルを進化させる最新のハイパフォーマンス フレームワークです。 アプリケーション レベルでは、gRPC により、クライアントとバックエンド サービス間のメッセージングが合理化されます。 Google から提供されている gRPC は、オープンソースであり、クラウドネイティブ オファリングの Cloud Native Computing Foundation (CNCF) エコシステムの一部です。 CNCF は、gRPC を Incubating (発展中) プロジェクトと見なしています。 Incubating とは、エンドユーザーが運用アプリケーションでそのテクノロジを使用しており、プロジェクトには多数の貢献者がいることを意味します。

一般的な gRPC クライアント アプリの場合、ビジネス操作を実装するローカルなインプロセス関数が公開されます。 内部的には、そのローカル関数により、リモート マシン上の別の関数が呼び出されます。 ローカルの呼び出しのように見えますが、本質的には、リモート サービスへの透過的なアウトプロセス呼び出しです。 RPC のプラミングにより、コンピューター間のポイントツーポイント ネットワーク通信、シリアル化、および実行が抽象化されます。

クラウドネイティブ アプリケーションの場合、開発者は複数のプログラミング言語、フレームワーク、テクノロジにまたがって作業することがよくあります。 この "相互運用性" により、クロスプラットフォームの通信に必要なメッセージ コントラクトとプラミングが複雑になります。 gRPC には、このような懸案事項を抽象化する "均一な水平レイヤー" が用意されています。 開発者は、ビジネス機能に集中して、ネイティブ プラットフォームでコードを書き、通信のプラミングは gRPC で処理します。

gRPC は、Java、JavaScript、C#、Go、Swift、NodeJS など、ほとんどの一般的な開発スタックを包括的にサポートしています。

gRPC の利点

gRPC では、トランスポート プロトコルとして HTTP/2 が使用されます。 HTTP/2 は、HTTP 1.1 との互換性を持ちながら、多くの先進的な機能を備えています。

• データ転送のためのバイナリ フレーミング プロトコルです。テキストベースの HTTP 1.1 とは異なります。
• 同じ接続を介して複数の並列要求を送信するための多重化のサポート。HTTP 1.1 の場合、処理が一度に 1 つの要求および応答メッセージに制限されています。
• クライアント要求とサーバー応答の両方を同時に送信するための双方向全二重通信。
• 大規模なデータセットを非同期にストリーミングするための要求と応答を可能にする組み込みのストリーミング。
• ネットワークの使用量を減らすヘッダー圧縮。

gRPC は軽量でハイ パフォーマンスです。 メッセージが 60-80% 小さいので JSON シリアル化よりも最大 8 倍高速になる可能性があります。 Microsoft Windows Communication Foundation (WCF) によると、gRPC のパフォーマンスは、高度に最適化された NetTCP バインディングの速度と効率を上回っています。 Microsoft スタックを優先する NetTCP とは異なり、gRPC はクロスプラットフォームです。

プロトコル バッファー

gRPC はプロトコル バッファーというオープンソースのテクノロジを採用しています。 サービスが相互に送信する構造化メッセージをシリアル化するための、非常に効率的でプラットフォームに依存しないシリアル化形式が用意されています。 開発者は、クロスプラットフォームの インターフェイス定義言語 (IDL) を使用して、各マイクロサービスのサービスのサービス コントラクトを定義します。 コントラクトはテキストベースの .proto ファイルとして実装され、各サービスのメソッド、入力、出力が記述されます。 同じコントラクト ファイルを、異なる開発プラットフォームで構築された gRPC クライアントやサービスに使用することができます。

proto ファイルを使用すると、Protobuf コンパイラ protoc によってターゲット プラットフォーム用のクライアントとサービスの両方のコードが生成されます。 このコードには次のコンポーネントが含まれています。

• クライアントとサービスによって共有される厳密に型指定されたオブジェクト。メッセージのサービス操作とデータ要素を表します。
• リモート gRPC サービスによって継承および拡張できる、必要なネットワーク プラミングを備えた厳密に型指定された基底クラス。
• リモート gRPC サービスを呼び出すための必要なプラミングを含むクライアント スタブ。

実行時には、各メッセージは標準的な Protobuf 表現としてシリアル化され、クライアントとリモート サービスの間で交換されます。 JSON や XML とは異なり、Protobuf メッセージはコンパイルされたバイナリ バイトとしてシリアル化されます。

.NET での gRPC のサポート

gRPC は、.NET Core 3.0 SDK 以降に統合されています。 次のツールでサポートされています。

• ASP.NET と Web 開発ワークロードがインストールされた Visual Studio 2022
• Visual Studio Code
• dotnet CLI

SDK には、エンドポイントのルート指定、組み込みの IoC、およびログのためのツールが含まれています。 オープンソースの Kestrel Web サーバーは、HTTP/2 接続をサポートしています。 図 4-20 は、gRPC サービスのスケルトン プロジェクトをスキャフォールディングした Visual Studio 2022 テンプレートを示しています。 .NET が Windows、Linux、および macOS を完全にサポートしていることに注目してください。

図 4-20 Visual Studio 2022 での gRPC のサポート

図 4-21 は、Visual Studio 2022 に含まれる組み込みのスキャフォールディングから生成されたスケルトン gRPC サービスを示しています。

図 4-21 Visual Studio 2022 での gRPC プロジェクト

前の図の proto 記述ファイルとサービス コードに注目してください。 すぐに分かるように、Visual Studio により、Startup クラスと基礎となるプロジェクト ファイルの両方に追加の構成が生成されます。

gRPC の使用

次のようなシナリオでは、gRPC を優先します。

• バックエンドのマイクロサービス間の同期通信で、処理を継続するために即時の応答が必要な場合。
• プログラミング プラットフォームが混在するポリグロット環境。
• パフォーマンスが重要な低待機時間および高スループットの通信。
• ポイントツーポイントのリアルタイム通信。gRPC により、ポーリングを行わずにリアルタイムでメッセージをプッシュすることができ、双方向のストリーミングにも優れた対応をしています。
• ネットワークに制約のある環境。バイナリ gRPC メッセージは、同等のテキストベースの JSON メッセージよりも常に小さくなります。

この記事の執筆時点では、gRPC は主にバックエンド サービスで使用されています。 最新のブラウザーには、フロントエンドの gRPC クライアントをサポートするために必要なレベルの HTTP/2 制御機能がありません。 とはいえ、JavaScript や Blazor WebAssembly テクノロジを使用して構築されたブラウザーベースのアプリからの gRPC 通信を可能にする gRPC-Web with .NET がサポートされています。 gRPC-Web を使用すると、ASP.NET Core gRPC アプリがブラウザー アプリで gRPC 機能をサポートできるようになります。

• 厳密に型指定されたコード生成クライアント
• コンパクトな Protobuf メッセージ
• サーバー ストリーミング。

gRPC の実装

Microsoft のマイクロサービス リファレンス アーキテクチャ eShop on Containers は、.NET アプリケーションに gRPC サービスを実装する方法を示しています。 図 4-22 は、バックエンド アーキテクチャを示しています。

図 4-22 eShop on Containers のバックエンド アーキテクチャ

前の図では、eShop が、複数の API ゲートウェイを公開することより、Backend for Frontends パターン (BFF) を採用していることに注目してください。 BFF パターンについては、この章の前半で説明しました。 Web-Shopping API Gateway とバックエンドのショッピング マイクロサービスの間に位置するアグリゲーター マイクロサービス (灰色) に注目してください。 アグリゲーターによって、クライアントから 1 つの要求が受信され、それがさまざまなマイクロサービスにディスパッチされ、結果が集計され、要求元のクライアントに返送されます。 このような操作には、通常、即時応答を生成するために同期通信が必要です。 eShop では、図 4-23 に示すように、アグリゲーターからのバックエンド呼び出しは、gRPC を使用して実行されます。

図 4-23. コンテナー上の eShop の gRPC

gRPC 通信には、クライアントとサーバーの両方のコンポーネントが必要です。 前の図では、ショッピング アグリゲーターにどのように gRPC クライアントが実装されているかに注目してください。 クライアント側では、バックエンド マイクロサービスへの同期 gRPC 呼び出し (赤色) が行われます。このそれぞれに gRPC サーバーが実装されています。 クライアントとサーバーの両方に、.NET SDK の組み込みの gRPC プラミングが利用されます。 クライアント側の "スタブ" には、リモート gRPC 呼び出しを起動するためのプラミングが用意されています。 サーバー側コンポーネントには、カスタム サービス クラスが継承して使用できる gRPC プラミングが用意されています。

RESTful API と gRPC 通信の両方を公開しているマイクロサービスでは、トラフィックを管理するために複数のエンドポイントが必要です。 RESTful 呼び出しのために HTTP トラフィックをリッスンするエンドポイントと、gRPC 呼び出しのための別のエンドポイントを開くことになります。 gRPC エンドポイントは、gRPC 通信に必要な HTTP/2 プロトコル用に構成する必要があります。

Microsoft では非同期通信パターンでマイクロサービスを切り離すように努めていますが、一部の操作には直接呼び出しが必要です。 マイクロサービス間の直接的な同期通信には、gRPC を最優先の選択肢にすべきです。 HTTP/2 とプロトコル バッファーをベースにしたハイ パフォーマンスな通信プロトコルを採用しているため、最適な選択肢です。

今後の予定

クラウドネイティブ システムのために、今後も gRPC の勢いを増していくでしょう。 パフォーマンス上の利点と開発の容易さは魅力的です。 ただし、REST は長い間残る可能性があります。 これは公開されている API と後方互換性の観点から優れています。