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MCP 架构原理

概述​

MCP（Model Context Protocol）是 Anthropic 于 2024 年 11 月开源的标准化协议，用于 AI 模型与外部服务的连接。它定义了一套统一的接口规范，让 AI 能够安全、高效地访问外部工具和数据源。

设计目标​

1. 标准化连接​

  • 统一接口：为所有外部服务提供一致的连接方式
  • 协议透明：AI 无需了解具体实现细节
  • 易于扩展：新服务可以快速接入

2. 安全可控​

  • 权限管理：细粒度的访问控制
  • 沙盒隔离：限制潜在危险操作
  • 审计追踪：记录所有交互行为

3. 性能优化​

  • 按需加载：只在需要时激活工具
  • 资源管理：优化内存和计算资源使用
  • 缓存机制：减少重复请求

核心概念​

1. MCP Server（服务器）​

MCP 服务器是提供具体功能的独立进程，例如：

  • 文件系统服务器：提供文件读写功能
  • 数据库服务器：提供数据查询操作
  • Web 服务服务器：提供 HTTP 请求能力
  • Git 服务器：提供版本控制操作

2. MCP Client（客户端）​

MCP 客户端负责：

  • 发现和管理 MCP 服务器
  • 路由 AI 请求到合适的服务器
  • 聚合多个服务器的响应
  • 管理服务器生命周期

3. Tools（工具）​

工具是 MCP 服务器暴露的具体功能：

{
  "name": "read_file",
  "description": "读取文件内容",
  "inputSchema": {
    "type": "object",
    "properties": {
      "path": {
        "type": "string",
        "description": "文件路径"
      }
    }
  }
}

4. Resources（资源）​

资源是服务器可以访问的数据源：

{
  "uri": "file:///home/user/config.json",
  "name": "配置文件",
  "description": "应用配置信息",
  "mimeType": "application/json"
}

协议架构​

消息流程​

┌─────────────┐     ┌─────────────┐     ┌─────────────┐
│   AI Model  │────▶│ MCP Client  │────▶│ MCP Server  │
└─────────────┘     └─────────────┘     └─────────────┘
      │                   │                   │
      │ Tool Call Request │                   │
      │◀──────────────────│                   │
      │ Tool Call Result  │                   │
      │◀──────────────────┼──────────────────│
      │ Resource Request  │                   │
      │◀──────────────────│                   │
      │ Resource Data     │                   │
      │◀──────────────────┴──────────────────│

通信协议​

MCP 使用 JSON-RPC 2.0 作为通信协议：

工具调用示例​

请求：

{
  "jsonrpc": "2.0",
  "id": "1",
  "method": "tools/call",
  "params": {
    "name": "read_file",
    "arguments": {
      "path": "/path/to/file.txt"
    }
  }
}

响应：

{
  "jsonrpc": "2.0",
  "id": "1",
  "result": {
    "content": [
      {
        "type": "text",
        "text": "文件内容..."
      }
    ]
  }
}

技术特性​

1. 异步支持​

  • 非阻塞操作
  • 支持长时间运行的任务
  • 流式响应处理

2. 错误处理​

{
  "jsonrpc": "2.0",
  "id": "1",
  "error": {
    "code": -32601,
    "message": "Method not found",
    "data": {
      "details": "工具 'unknown_tool' 不存在"
    }
  }
}

3. 通知机制​

服务器可以主动发送通知：

{
  "jsonrpc": "2.0",
  "method": "notifications/message",
  "params": {
    "level": "info",
    "message": "操作完成"
  }
}

服务器实现​

基本结构​

import { Server } from '@modelcontextprotocol/sdk/server/index.js';

const server = new Server(
  {
    name: "my-server",
    version: "1.0.0"
  },
  {
    capabilities: {
      tools: {},
      resources: {}
    }
  }
);

// 注册工具
server.setRequestHandler(ListToolsRequestSchema, async () => ({
  tools: [
    {
      name: "my_tool",
      description: "我的工具",
      inputSchema: {
        type: "object",
        properties: {
          // schema定义
        }
      }
    }
  ]
}));

// 处理工具调用
server.setRequestHandler(CallToolRequestSchema, async (request) => {
  const { name, arguments: args } = request.params;

  if (name === "my_tool") {
    // 实现工具逻辑
    return {
      content: [
        {
          type: "text",
          "text": "工具执行结果"
        }
      ]
    };
  }
});

服务器类型​

1. 进程内服务器​

与 Claude Code 在同一进程运行：

  • 快速响应
  • 共享内存
  • 适合轻量级工具

2. 独立进程服务器​

作为独立进程运行：

  • 隔离性好
  • 可独立升级
  • 适合重量级服务

3. HTTP 服务器​

通过 HTTP 暴露服务：

  • 跨语言支持
  • 远程访问
  • 易于集成

配置管理​

全局配置​

// ~/.claude/mcp.json
{
  "mcpServers": {
    "filesystem": {
      "command": "npx",
      "args": ["@modelcontextprotocol/server-filesystem", "/path/to/allowed/directory"]
    },
    "git": {
      "command": "git-mcp-server",
      "args": ["--repo", "/path/to/repo"]
    }
  }
}

项目配置​

// .mcp.json
{
  "mcpServers": {
    "database": {
      "url": "http://localhost:3001/mcp",
      "env": {
        "DB_HOST": "localhost",
        "DB_PORT": "5432"
      }
    }
  }
}

动态配置​

// 程序化配置
const mcpManager = new MCPManager();
mcpManager.addServer('my-server', {
  command: 'node',
  args: ['my-server.js'],
  cwd: process.cwd()
});

安全机制​

1. 权限控制​

{
  "permissions": {
    "allow": [
      "filesystem:read",
      "filesystem:write:/tmp/*",
      "network:http:api.example.com"
    ],
    "deny": [
      "filesystem:write:/etc/*",
      "network:ssh:*"
    ]
  }
}

2. 沙盒模式​

const server = new Server({
  sandbox: {
    allowedPaths: ['/safe/directory'],
    denyNetwork: true,
    maxMemory: '512MB'
  }
});

3. 审计日志​

server.addMiddleware((req, next) => {
  console.log(`[${new Date().toISOString()}] ${req.method}: ${req.params}`);
  return next(req);
});

性能优化​

1. 连接池​

class ConnectionPool {
  private connections: Map<string, Connection> = new Map();

  async getConnection(serverId: string): Promise<Connection> {
    if (!this.connections.has(serverId)) {
      const conn = await this.createConnection(serverId);
      this.connections.set(serverId, conn);
    }
    return this.connections.get(serverId)!;
  }
}

2. 缓存策略​

const cache = new LRUCache({
  max: 100,
  ttl: 1000 * 60 * 5 // 5分钟
});

server.addTool({
  name: "get_data",
  cacheable: true,
  handler: async (args) => {
    const key = JSON.stringify(args);
    if (cache.has(key)) {
      return cache.get(key);
    }

    const result = await fetchData(args);
    cache.set(key, result);
    return result;
  }
});

最佳实践​

1. 设计原则​

  • 单一职责：每个服务器专注一个领域
  • 无状态：服务器不应依赖会话状态
  • 错误友好：提供清晰的错误信息

2. 开发建议​

  • 渐进式开发：从简单工具开始
  • 充分测试：包含边界情况
  • 文档完整：提供清晰的 API 文档

3. 部署建议​

  • 版本管理：使用语义化版本
  • 监控告警：跟踪服务器状态
  • 备份恢复：确保数据安全

相关资源​