RPC（Remote Procedure Call，远程过程调用）框架是分布式服务的基石，实现RPC框架需要考虑方方面面。其对业务隐藏了底层通信过程（TCP/UDP、打包/解包、序列化/反序列化），使上层专注于功能实现；框架层面，提供各类可选架构（多进程/多线程/协程）；应对设备故障（高负载/死机）、网络故障（拥塞/网络分化），提供相应容灾措施。
RPC节点间为了协同工作、实现信息交换，需要协商一定的规则和约定，例如字节序、压缩或加密算法、各字段类型。通信协议的应用随处可见，例如我们对可选信息或字段经常使用TLV进行编码，HTTP、FTP等协议基于可读文本的 "Field: Value" 格式，各种系统也经常使用json、XML格式完成相互间通信。
不同的通信协议适用于不同的应用场景，比如内部系统的交互我们选择json，一来可读性较好，二来各种语言都提供了解析json的库、方便编码。Google Protocol Buffers是生成环境中常用的通信协议，除了可以设定Client/Server间通信格式，Protocol Buffers还对数据进行压缩，节省传输流量、加快传输速度。下面我们来了解Google Protocol Buffers。
Protocol Buffers
我们看如何使用Protocol Buffers（以下简称PB），首先在.proto文件中定义数据格式，下面以Person.proto为例：
message Person {
required string name = 1;
required int32 id = 2;
optional string email = 3;
enum PhoneType {
MOBILE = 0;
HOME = 1;
WORK = 2;
}
message PhoneNumber {
required string number = 1;
optional PhoneType type = 2 [default = HOME];
}
repeated PhoneNumber phone = 4;
}
message类型内，可以定义int、string、bool、string等类型的字段，也可以嵌套定义messages类型。每个字段可以是required、optional或repeated类型，分别表示必须每次通信必须填充该字段、可选或可重复。每个message类型内的每个字段被赋值唯一的数字值，PB以二进制格式进行数据传输，数字值在二进制中作为该字段的标识。关于PB数据格式的更多内容可参考Protocol Buffers Language Guide。
完成数据定义后，接下来可以使用protoc工具解析Person.proto文件，生成Person类：
protoc --cpp_out=/home/bangerlee/PB ./Person.proto
执行以上命令后，可以看到 /home/bangerlee/PB 目录下生成了两个文件：
person.pb.cc person.pb.h
其中定义了操作（get/set）Person类各个字段的函数。
有了接口，我们就可以在代码中这样使用Person类，写入操作如下：
Person person;
person.set_name("bangerlee");
person.set_id(1234);
person.set_email("bangerlee@gmail.com");
fstream output("myfile", ios::out | ios::binary);
person.SerializeToOstream(&output);
读取操作如下：
fstream input("myfile", ios::in | ios::binary);
Person person;
person.ParseFromIstream(&input);
cout << "Name: " << person.name() << endl;
cout << "E-mail: " << person.email() << endl;
以上我们初步了解了如何使用PB，PB运用了一些编码规则，使得需要传输的数据（二进制格式）更小，下面我们就来了解PB如何对不同数据类型的编码规则。
编码（Encoding）
对整形int、字符串类型string等，PB有不同的编码方式。对整型int，PB使用了Varints编码方式，Varints编码的优势是使用了更少的bytes来表示很小的int类型值。
Varints编码方式中，每个byte的最高位bit有特殊含义，如果为1，表示后续的byte也是这个数字的一部分；如果为0，则表示结束。剩余的7个bit用于表示数据。数字300用Varints编码方式表示为：
1010 1100 0000 0010
由Varints编码规则，去掉第一个byte的最高位1，去掉第二个byte的最高位0，则有：
1010 1100 0000 0010
→ 010 1100 000 0010
Varints字节序使用little-endian，以上数字用big-endian并转换成10进制有：
000 0010 010 1100
→ 000 0010 ++ 010 1100
→ 100101100
→ 256 + 32 + 8 + 4 = 300
以上了解了Varints对int整型的编码方式，我们再来看PB如何编码更多数据类型：
PB编码中，数据以key-value的形式表示，第一个byte即为key。以上表格中不同数据类型对应指定type值，假设message中各字段的数字标识为tag，则key、type和tag有以下对应关系：
key = tag << 3 | type
即key的最后3个bit用于存储type，有了这层关系，我们试着演算PB中对int和string的编码。
假设我们截获到以下PB数据：
08 96 01
这段数据具体表示什么？我们用以上对应关系演算一下，首先该数据key是08，二进制表示即：
0000 1000
最后3个bit表示type，即type为0（Varint格式数据），左移3位得到tag值为1。有了这些信息，我们可以知道这个数据应该是这样定义的：
message Test1 {
xxx int32 a = 1;
}
继续地，我们用Varint格式来解析 96 01，有以下演算过程：
96 01 = 1001 0110 0000 0001
→ 000 0001 ++ 001 0110 （丢弃最高位的bit并转为big-endian）
→ 10010110
→ 2 + 4 + 16 + 128 = 150
因此我们可以知道这段数据表示150这个数。
又假设我们截获到以下一段PB编码：
12 07 74 65 73 74 69 6e 67
同样套用以上关系，key是12，二进制表示即：
0001 0010
最后3个bit表示type，即type为2（Length-delimited），左移3位得到tag值为2。有了这些信息，我们知道这个数据可能是这样定义的：
message Test2 {
xxx string b = 2;
}
数据类型具体是string、bytes或其他，这并不影响我们解析这段数据，对于Length-delimited格式数据，第2个byte表示数据长度（Len），对应以上编码即Len为7，这实质是TLV编码格式。
后续的7个bytes表示有效的传输数据，为UTF-8编码下的"testing"字符串。
小结
以上介绍了通信协议 - Google Protocol Buffers，了解了其基本使用方法和编码方式。PB支持前向兼容，可以在不修改Client/Server程序的情况下修改其中一端的数据格式，在各种RPC框架中经常可以看到它的身影。
Reference: Protocol Buffers Developer Guide