Spring Cloud Alibaba Nacos 核心原理

【本文首发于公众号：JavaArchJourney】

Spring Cloud Alibaba Nacos （全称 Dynamic Naming and Configuration Service）是阿里巴巴开源的服务注册与发现 、配置管理框架，可以代替 Spring Cloud Eureka 和 Spring Cloud Config 的功能。

主要特点

服务发现与注册：微服务可以向 Nacos 注册自己，并且能够查找其他已注册的服务。
动态 DNS 服务：Nacos 可以将服务名称映射到实际的 IP 地址和端口，支持负载均衡和服务路由。
健康检查：Nacos 支持定期检查服务实例的健康状态，并在检测到故障时自动将其从可用服务列表中移除。
整合 Spring Cloud 负载均衡：Nacos 可以快速整合 Spring Cloud LoadBalancer / Ribbon / OpenFeign 实现客户端负载均衡。
配置管理：Nacos 提供了一个集中化的配置管理解决方案，支持管理和分发不同环境下的配置信息，并且支持配置版本控制和动态刷新配置。
可视化管理后台 ：Nacos 提供了控制台，方便可视化进行服务管理、配置管理。

简单使用示例

部署 Nacos Server

与 Eureka Server 不同，Nacos Server 由阿里巴巴团队使用 Java 语言编写并将 Nacos Server 的下载地址给用户（Nacos 的 GitHub 发布页面），用户只需要直接下载并运行即可，启动方式见 Nacos 官网。

Nacos Server 支持集群部署，以实现服务高可用。

创建 Nacos Client

pom.xml 添加依赖：

xml 复制代码

<dependencyManagement>
    <dependencies>
        <!--Spring Cloud 版本-->
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
            <artifactId>spring-cloud-dependencies</artifactId>
            <version>${spring.cloud.version}</version>
            <type>pom</type>
            <scope>import</scope>
        </dependency>
      
        <!--Spring Cloud Alibaba 版本-->
        <dependency>
            <groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
            <artifactId>spring-cloud-alibaba-dependencies</artifactId>
            <version>${spring.cloud.alibaba.version}</version>
            <type>pom</type>
            <scope>import</scope>
        </dependency>
    </dependencies>
</dependencyManagement>

<dependencies>
    <!-- Nacos Discovery Starter -->
    <dependency>
      <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
      <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-nacos-discovery</artifactId>
    </dependency>
  
    <!-- Nacos Config Starter -->
    <dependency>
      <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
      <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-nacos-config</artifactId>
    </dependency>
</dependencies>

在 bootstrap.yml 中配置（在 bootstrap.yml而非 application.yml 中配置主要是为了启用 Nacos 配置管理）：

yaml 复制代码

spring:
  application:
    name: your-application-name # 服务名
  cloud:
    nacos:
      config:
        server-addr: 127.0.0.1:8848 # Nacos Server 配置中心地址
        file-extension: yaml # 指定配置内容的数据格式，默认为 properties
      discovery:
        server-addr: 127.0.0.1:8848 # Nacos Server 注册中心地址
        enabled: true # 开启服务注册与发现功能，默认为 true ，若不需要可以手动置为 false

服务注册与发现

服务注册 就是在完成上述配置后，Nacos Client 启动时，就会把服务以服务名（spring.application.name）的方式注册到 Nacos Server。

服务发现可以结合 Spring Cloud LoadBalancer / Ribbon / OpenFeign 客户端来使用。

以 Spring Cloud LoadBalancer 为例，在 Spring Boot 应用中创建一个配置类，用于定义带 @LoadBalanced 注解的 RestTemplate，使 RestTemplate 支持服务发现和负载均衡：

java 复制代码

import org.springframework.cloud.client.loadbalanced.LoadBalanced;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.web.client.RestTemplate;

@Configuration
public class RestTemplateConfig {

    @Bean
    @LoadBalanced
    public RestTemplate restTemplate() {
        return new RestTemplate();
    }
}

通过服务名来调用微服务：

java 复制代码

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Service;
import org.springframework.web.client.RestTemplate;

@Service
public class MyRestService {

    private final RestTemplate restTemplate;

    @Autowired
    public MyRestService(RestTemplate restTemplate) {
        this.restTemplate = restTemplate;
    }

    public String getDataFromService(String serviceId) {
        // serviceId 是在服务注册中心注册的服务名称，而不是实际的主机名或IP地址
        // LoadBalancer 将自动解析服务ID到具体的服务实例，并执行负载均衡策略。
        return restTemplate.getForObject("http://" + serviceId + "/your-endpoint", String.class);
    }
}

可以看出，即使底层的服务注册发现组件从其他组件（比如 Spring Cloud Netflix Eureka）替换成 Spring Cloud Alibaba Nacos，上层的 Spring Cloud LoadBalancer 使用流程也可以完全不感知。

动态获取配置

可以使用 @Value 注解或 @RefreshScope 注解来动态获取和刷新配置。

java 复制代码

import org.springframework.beans.factory.annotation.Value;
import org.springframework.cloud.context.config.annotation.RefreshScope;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

@RestController
@RefreshScope
public class TestController {
    @Value("${your.config.key:default_value}")
    private String configValue;

    @GetMapping("/getConfig")
    public String getConfig() {
        return configValue;
    }
}

服务注册中心原理

服务注册存储结构：

Nacos 使用的是"服务-集群-实例"三层逻辑数据模型，并通过命名空间和分组实现服务隔离。

服务名（Service Name）：每个服务都有一个唯一的名称，用于标识该服务。
命名空间（Namespace）：命名空间用于隔离不同的环境或用户，例如开发、测试、生产环境可以分别位于不同的命名空间中。
分组（Group）：服务可以被划分到不同的组里，便于管理和区分具有相同服务名但不同功能或版本的服务。
集群（Cluster）：集群是服务实例的一个逻辑分组，通常用于区分不同的部署环境或区域。
实例（Instance）：服务的具体实例，包含了 IP 地址、端口、权重、上线状态等信息。实例分为临时实例和持久化实例。

临时实例和持久化实例对比：

特性	临时实例	持久化实例
健康检查机制	客户端心跳检测：客户端需要定期向 Nacos 服务器发送心跳包。	服务端主动探测：Nacos 服务器会主动发起 HTTP 或 TCP 请求进行健康检查。
生命周期管理	短期存在，依赖于客户端心跳维持状态；如果心跳停止且超过设定时间，则从注册表中移除。	长期存在，即使暂时不健康也不会从注册表中删除，而是标记为不健康，以便于服务监控与恢复。运维人员可以手动注销实例。
数据一致性协议	Distro 协议（AP模式）	Raft 协议（CP模式）
配置参数	`ephemeral=true`（默认）	`ephemeral=false`
适用场景	适用于动态扩展、频繁更新的服务实例，比如微服务架构下的业务服务（Spring Cloud 微服务等）。大多数业务用的是临时实例。	更适合核心系统或需要长期稳定运行的服务，比如在物理服务器上部署的服务、一些无法主动上报心跳的基础的组件如数据库等。

Nacos 架构包含三个组件：

服务提供者（Provider）：提供业务功能的微服务，例如订单服务、用户服务等。
服务消费者（Consumer）：调用其他服务的微服务，例如前端网关或业务服务。
Nacos Server（注册中心）：负责服务注册、发现、健康检查和元数据管理。

服务注册流程：

服务提供者启动 ：服务提供者启动时，会通过配置的 server-addr（如 127.0.0.1:8848）连接 Nacos Server。
注册服务实例：服务提供者将自己的元数据信息通过 HTTP 协议（默认）发送给 Nacos Server，包括：服务名、实例 IP 地址和端口、健康状态、所属分组等。服务可以被注册为临时实例或持久化实例。
健康检查机制 ：
- 对于临时实例，采用客户端健康检测（心跳机制）：服务实例每隔 5 秒向 Nacos 服务器发送一次心跳。默认情况下，如果 Nacos 服务器在超过 15 秒内没有收到某个服务实例的心跳，则会将该实例标记为不健康；如果超过 30 秒未收到心跳，则会从服务列表中删除该实例。
- 对于持久化实例，采用服务端健康检测（主动探测机制）：Nacos 服务器主动发起对服务实例的健康状态的检查，通过发送 HTTP 请求或 TCP 连接等方式来确认服务实例是否存活。服务端会按照设定的时间间隔进行探测，例如每隔 20 秒进行一次探测。如果健康检查失败，实例会被标记为不健康，但不会从服务列表中删除；运维人员可以根据监控情况手动进行故障实例的摘除或恢复操作。

服务发现流程：

服务消费者启动 ：消费者服务启动时，也同样通过配置的 server-addr连接 Nacos Server，并且也会将自己的服务注册到服务注册中心（即服务消费者本身也可以是一个服务提供者）。
订阅服务信息：消费者可以指定服务名、分组名、集群名等条件来获取特定的服务实例。Nacos Server 会返回当前健康的服务实例列表给消费者。
本地缓存与更新 ：消费者会在本地缓存服务实例列表。在 Nacos 1.x 中，消费者会定期（比如 30s ）从 Nacos 拉取数据，以保持服务实例列表的最新状态。Nacos 2.x，官网博客《Nacos 通信通道》说要统一改造为"长链接"推送机制。
负载均衡调用：消费者使用 Spring Cloud LoadBalancer / Ribbon / OpenFeign 从实例列表中选择一个实例进行调用。

动态配置中心原理

配置发布 ：在 Nacos 控制台上，开发者可以针对不同的环境（如开发、测试、生产等）定义和管理配置。配置项以文件的形式存在，支持多种格式，如 properties、yaml 等。

客户端监听 ：当使用 Spring Cloud Nacos Config 的应用程序启动时，它会从 Nacos 配置中心拉取对应的配置信息，并将其保存在本地缓存中，作为 Nacos Server 不可用情况下的降级使用。然后，客户端会发起长轮询请求，开始监听特定 dataId 和 group 下的配置变化。
配置变更通知 ：Nacos 1.x 中，Nacos Client 通过"长轮询"机制来检测配置的变化。不同于传统的轮询方式，在长轮询中，如果服务器端没有新的数据，它不会立即返回一个空响应，而是将这个请求挂起，即保持连接打开状态，等待直到有配置变更或者超时。一旦检测到配置发生变化，Nacos Server 会找到所有注册了该配置项的客户端长轮询连接，并立即响应这些连接，将最新的配置数据返回给客户端。客户端处理完响应后，重新发起新的长轮询请求，形成循环。Nacos 2.x，官网博客《Nacos 通信通道》说要统一改造为"长链接"推送机制。
配置动态更新 ：通过在 Bean 中添加 @RefreshScope 注解，可以实现对这些 Bean 中的配置实现动态刷新。@RefreshScope 是 Spring Cloud 中用于实现配置动态刷新的机制，其原理是通过创建一个代理对象来替代被标记为 @RefreshScope 的 Bean，并采用延迟初始化策略（即仅在首次访问时根据最新的配置信息创建并初始化该 Bean）。当配置发生变更并触发刷新操作时，Spring Cloud 会发布刷新事件，RefreshScope 捕获此事件后将相关 Bean 的缓存视为过期并清除；下次访问这些 Bean 时，系统基于更新后的配置重新创建和初始化它们，从而实现在不重启应用的情况下响应配置变化的能力。

Nacos Server 集群数据一致性

Nacos Server 支持多节点集群部署，通常采用 3~5 个节点来组成集群，以保证服务高可用。

Nacos Server 集群中的多个节点之间存储了相同的数据。对于服务注册信息，默认使用内存存储，速度快；对于配置信息，则默认使用内置的 Derby 数据库把配置持久化到磁盘上，避免配置丢失。两者都可选持久化到外部数据库（如 MySQL）。

集群部署时，需要保障多节点之间的数据一致性。根据 CAP 原理，在一个分布式系统中，一致性（Consistency）、可用性（Availability）和分区容忍性（Partition Tolerance）这三个基本属性不可兼得，系统设计时只能同时满足其中的两个：

AP 模式注重保障高可用，容忍节点故障，主要适用于临时服务注册、心跳机制。
CP 模式注重保障强一致性，容忍节点短时不可用，主要适用于服务元数据、配置中心。

Nacos 使用的是 CP + AP 的混合架构：

服务注册 ：
- 非持久化实例（临时实例）：需要客户端上报心跳进行服务实例续约，Nacos 使用 Distro 协议保证注册信息的高可用（AP）。
- 持久化实例：因为所有的数据都是直接使用调用 Nacos 服务端直接创建并主动探测实例的健康状态（一般用于一些基础组件如数据库、缓存等），所以 Nacos 会使用 Raft 协议保障注册信息在各个节点之间的强一致性（CP）。
配置中心 ：
- 有 DB 模式（读写分离架构）：一致性的核心是 Server 与 DB 保持数据一致性，从而保证 Server 数据一致；Server 之间都是对等的。数据写任何一个 Server，优先持久化，持久化成功后异步通知其他节点到数据库中拉取最新配置值，并且通知写入成功。
- 无 DB 模式：Server 间采用 Raft 协议保证配置数据的强一致性（CP）。

Spring Cloud Alibaba Nacos 核心原理

主要特点

简单使用示例

部署 Nacos Server

创建 Nacos Client

服务注册与发现

动态获取配置

服务注册中心原理

动态配置中心原理

Nacos Server 集群数据一致性

参考