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草稿:Cap'n Proto

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Cap'n Proto
原作者肯顿·瓦尔达（Kenton Varda）
源代码库github.com/capnproto/capnproto
编程语言C++
类型远程过程调用框架、序列化格式与库、IDL编译器
许可协议MIT许可证
网站capnproto.org

Cap'n Proto 是一种数据序列化格式和远程过程调用（RPC）框架，用于在计算机程序间交换数据。其高层设计注重速度与安全性，适用于网络通信及进程间通信。该框架由谷歌Protocol Buffers的前维护者（肯顿·瓦尔达）创建，旨在解决Protocol Buffers的某些设计缺陷。

技术概览

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IDL模式

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与多数RPC框架（如早期的Sun RPC、OSF DCE RPC及其面向对象衍生品CORBA和DCOM）类似，Cap'n Proto使用接口描述语言（IDL）生成多种编程语言的RPC库，自动处理网络请求、数据类型转换等底层细节。其接口模式采用C语言风格语法，支持基础数据类型（布尔值、整数、浮点数等）、复合类型（结构体、列表、枚举）以及泛型和动态类型。[1]该框架还支持多重继承等面向对象特性，但因此被批评增加了复杂性。[2] 

@0xa558ef006c0c123; # 手动或自动分配给文件和复合类型的唯一标识符

struct Date @0x5c5a558ef006c0c1 {
  year @0 :Int16;  # @n 标记了字段被添加的顺序
  month @1 :UInt8;
  day @2 :UInt8;
}

struct Contact @0xf032a54bcb3667e0 {
  name @0 :Text;
  birthday @2 :Date; # 字段可以添加到定义中的任何位置，但其编号必须反映它们被添加的顺序

  phones @1 :List(PhoneNumber);

  struct PhoneNumber {  # 没有静态 ID 的复合类型不能被重命名，因为自动生成的 ID 是确定性的
    number @0 :Text;
    type @1 :PhoneType = mobile;  # 默认值

    enum PhoneType {
      mobile @0;
      landline @1;
    }
  }
}

Cap'n Proto 消息采用二进制编码，而非JSON或XML等文本格式。其设计目标是使存储/网络协议适合作为内存中的格式，从而避免将数据读入/写出内存时的转换步骤。[注 1]例如，数字的表示（字节序）采用主流CPU架构的表示方式。[3]当内存中的数据格式与网络传输协议格式相匹配时，Cap'n Proto 在创建或读取消息时就可以避免复制和编码数据，而是直接指向内存中值的位置。Cap'n Proto 还支持数据的随机访问，这意味着无需读取整个消息即可读取任何字段。[4]

与其他二进制序列化协议（如 XMI）不同，Cap'n Proto 认为在 RPC 层面进行细粒度的数据验证是一种反模式，会限制协议的演进能力。这一观点源于在谷歌的经验，在那里即使只是将字段从必填改为可选也会导致复杂的运维故障。[5][注 2]Cap'n Proto 模式被设计为尽可能灵活，并将数据验证推至应用层完成，允许任意重命名字段、添加新字段以及使具体类型泛型化。[6]然而，Cap'n Proto 在首次访问值时确实会验证指针边界并对单个值进行类型检查。[4]

强制执行复杂的模式约束还会带来显著的开销，[注 3] 抵消了重用内存数据结构的优势，并阻碍了对数据的随机访问。[7] Cap'n Proto 协议理论上适合[8]通过不可变共享内存实现非常快速的进程间通信（IPC），但截至 2020 年 10 月，尚无实现支持通过共享内存传递数据。[9] 尽管如此，Cap'n Proto 通常仍被认为比Protocol Buffers及类似的 RPC 库更快。[10][11]

网络特性

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Cap'n Proto RPC具备网络感知能力：支持连接中断处理和承诺流水线（将函数输出直接作为另一函数的输入），这为客户端省去了每次连续调用服务器所需的往返通信，而无需为每个可能的调用图提供专用 API。Cap'n Proto 当前支持基于TLS的传输[12]，未来计划集成Noise Protocol Framework。[13]作为传输层无关协议，其主线实现支持WebSockets、HTTP、TCP和UDP。[14]

能力安全

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Cap'n Proto RPC 标准 拥有一个丰富的能力安全模型，该模型基于E 编程语言所使用的 CapTP 协议。[15]

截至 2020 年 10 月，其参考实现仅支持第 2 级。[13]

其他序列化格式

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Cap'n Proto RPC常被拿来与其他零拷贝序列化格式相比较。例如谷歌的 FlatBuffers 和简单二进制编码（SBE）。[16][17]

应用案例

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Cap'n Proto 最初是为 Sandstorm.io 创建的，这是一家提供基于能力安全的 Web 应用托管平台的初创公司。在 Sandstorm.io 商业化失败后，其开发团队被 Cloudflare 收购[18]，后者在内部使用该框架。[19]

注释

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  1. ^ 与Apache Arrow不同，Cap'n Proto的内存值不适合共享可变数据
  2. ^ 必填字段标记在Protocol Buffers 3中已移除
  3. ^ 假设数据已经分配（例如在网络缓冲区中、从磁盘读取），访问复杂度变为 O(1)。额外的序列化/反序列化步骤（如检查值所需）会将性能限制在 O(n)。

参考文献

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  1. ^ Cap'n Proto模式语言. [2020-09-05]. （原始内容存档于2015-03-17）. 
  2. ^ 对Cap'n Proto模式语言的批评. [2020-10-10]. （原始内容存档于2019-06-26）. 
  3. ^ Cap'n Proto简介. [2020-11-09]. （原始内容存档于2015-03-17）. 
  4. ^ 4.0 4.1 Cap'n Proto编码规范. （原始内容存档于2015-03-17）. 
  5. ^ 常见问题§如何设置Protocol Buffers式的必填字段？. [2020-09-05]. （原始内容存档于2015-03-18）. 
  6. ^ 模式演化. [2020-10-10]. 
  7. ^ Cap'n Proto：Cap'n Proto、FlatBuffers 和 SBE. capnproto.org. [2020-10-10]. 
  8. ^ Richardson, Corey. Robigalia：现代时代的操作系统. robigalia.gitlab.io. October 2016 [2020-10-10]. （原始内容存档于2018-09-15）. 
  9. ^ Kenton, Varda. 为何不打算将内存状态放在 Cap'n Proto / Protobuf 对象中？. Hacker News (news.ycombinator.com). May 3, 2017 [2020-10-10]. 
  10. ^ Naughton, Chris. 协议基准测试. Github. Aug 24, 2018 [2020-09-05]. （原始内容存档于2018-08-30）. 
  11. ^ Parimi, Dinesh. 数据中心减税：通过协议缓冲区加速提升 WSC 效率 (PDF). 2019 [2020-09-05]. （原始内容存档 (PDF)于2020-09-06）. 
  12. ^ 路线图. [2020-10-10]. 
  13. ^ 13.0 13.1 RPC协议特性规划. [2021-03-13]. （原始内容存档于2015-03-17）. 
  14. ^ C++ RPC实现. [2020-10-10]. 
  15. ^ RPC协议特性. （原始内容存档于2015-03-18）. 
  16. ^ Cap'n Proto与FlatBuffers/SBE对比. [2020-10-10]. 
  17. ^ 为何选择 flatbuffers 而非 capnp？. 
  18. ^ Sandstorm团队加入Cloudflare公告. [2020-09-05]. （原始内容存档于2017-03-13）. 
  19. ^ Lua-capnproto序列化优化. [2020-09-05]. （原始内容存档于2014-03-06）. 


Category:数据序列化格式 Category:远程过程调用 Category:进程间通信

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