Патерни проєктування мікросервісів

Мікросервісна архітектура здобула велику популярність завдяки своїй здатності значно покращити гнучкість, тестованість і масштабованість програмних систем. Розбиваючи монолітний додаток на менші, незалежно розгортаються сервіси, мікросервіси надають командам можливість розробляти, впроваджувати і масштабувати кожен сервіс окремо.

Однак перехід до мікросервісної архітектури приносить і свої виклики, зокрема:

Консистентність даних і кінцева консистентність

У середовищі мікросервісів дані зазвичай розподіляються по кількох вузлах, які можуть бути розташовані в різних дата-центрах або географічних регіонах. Це розподілення може призвести до несумісностей у станах даних між різними вузлами, що називається кінцевою консистентністю. Для управління цими відмінностями потрібне ретельне планування, щоб забезпечити цілісність даних по всій системі.

Безпека

З прийняттям мікросервісів площа атаки розширюється порівняно з традиційними монолітними системами. Кожен додатковий сервіс представляє потенційну точку входу для зловмисників. Важливо впроваджувати надійні заходи безпеки. Дизайнерські патерни, такі як API Gateway, можуть допомогти централізувати і спростити протоколи безпеки, зменшуючи вразливості.

Масштабованість і продуктивність бази даних

Хоча мікросервіси славляться своєю масштабованістю, бази даних, що їх підтримують, можуть стати вузькими місцями продуктивності, якщо їх неправильно керувати. Важливо забезпечити, щоб база даних кожного сервісу могла масштабуватися незалежно. Патерни, такі як База даних для сервісу і CQRS (Розподіл відповідальностей запиту та команди), пропонують стратегії для покращення продуктивності і масштабованості баз даних, запобігаючи тому, щоб одна база даних не гальмувала всю систему.

Використання дизайнерських патернів для успіху

Дизайнерські патерни пропонують перевірені рішення для поширених проблем, з якими стикаються в архітектурі мікросервісів. За допомогою ретельного застосування цих патернів команди можуть ефективно справлятися з труднощами мікросервісів, забезпечуючи більш стійку та підтримувану систему. У цій статті ми розглянемо деякі з найбільш поширених дизайнерських патернів для мікросервісів, підкреслюючи їх переваги та виклики, що виникають при їх впровадженні.

Патерн "База даних для сервісу"

Опис проблеми

У мікросервісній архітектурі спільне використання однієї бази даних між кількома сервісами може призвести до кількох проблем:

• Взаємні блокування: Уявіть два сервіси, Сервіс платежів та Сервіс користувачів, які намагаються одночасно оновити спільну базу даних. Це може призвести до взаємних блокувань, коли кілька транзакцій не можуть продовжити свою роботу, оскільки чекають, щоб одна з них звільнила ресурси.
• Проблеми із ізоляцією: Спільні бази даних можуть спричиняти проблеми із ізоляцією даних, коли зміни в одному сервісі випадково впливають на інший.
• Складнощі з масштабуванням: Масштабування спільної бази даних для підтримки потреб кількох сервісів може стати складним і неефективним.

Рішення

База даних для сервісу рекомендує, щоб кожен мікросервіс мав свою власну базу даних.
Цей підхід гарантує, що сервіси будуть відокремлені на рівні даних, що підвищує ізоляцію та масштабованість.

Приклад сценарію:

• Залучені сервіси: Сервіс замовлень, Сервіс платежів, Сервіс користувачів
• Операція: Сервіс замовлень повинен одночасно оновити Сервіс платежів та Сервіс користувачів.

Проблеми з спільними базами даних:

• Розподілені транзакції: Підтримка властивостей ACID для баз даних кількох сервісів є складним завданням.
• Двухфазна фіксація: Хоча протоколи двухфазної фіксації можуть керувати розподіленими транзакціями, координуючи фіксацію в різних базах даних, вони вводять значну складність і можуть обмежувати масштабованість.

Введення патерну Саги

Коли йдеться про численні мікросервіси (наприклад, Сервіс користувачів, Платежі, Сповіщення, Запаси, Замовлення), оркестрування розподілених транзакцій за допомогою двухфазної фіксації стає непрактичним. Тут на допомогу приходить Патерн Саги.

Патерн Саги

Патерн Саги — це дизайнерський патерн, який керує консистентністю даних між кількома мікросервісами без необхідності використовувати розподілені транзакції, такі як двухфазна фіксація. Замість цього він використовує послідовність локальних транзакцій, кожна з яких оновлює дані в межах одного сервісу.

Як це працює

1. Послідовність подій:

• Сервіс замовлень ініціює подію для початку процесу замовлення.
• Сервіс платежів підписується на цю подію та оновлює свою базу даних відповідно. Після успішної обробки платежу він випускає ще одну подію.
• Сервіс користувачів слухає подію про платіж і оновлює дані користувача, наприклад історію замовлень.

1. Компенсуючі транзакції:

• Якщо якийсь етап у сазі зазнає невдачі (наприклад, не вдається обробити платіж), виконуються компенсуючі транзакції для скасування змін, внесених попередніми етапами, забезпечуючи консистентність даних.

Ключові переваги

• Масштабованість і продуктивність: Порівняно з розподіленими транзакціями, патерн Саги забезпечує кращу масштабованість і продуктивність, уникаючи накладних витрат на координацію кількох баз даних.
• Легка взаємодія: Сервіси залишаються слабо пов’язаними, оскільки кожен сервіс має справу лише зі своїми даними та відповідає на відповідні події.
• Підтримка довготривалих транзакцій: Патерн Саги може керувати транзакціями, які тривають протягом тривалого часу, що підходить для складних бізнес-процесів.

Роздуми і виклики

• Складність у роботі з компенсуючими транзакціями: Впровадження компенсуючих транзакцій потребує ретельного проєктування, щоб усі попередні кроки можна було надійно скасувати в разі невдачі.
• Кінцева консистентність: Система може досягати консистентності лише в кінцевому підсумку, що може не підходити для всіх випадків.
• Операційна складність: Керування та моніторинг саги між кількома сервісами можуть призвести до додаткових операційних витрат.

Приклад впровадження

1. Сервіс замовлень ініціює замовлення та публікує подію "OrderCreated".
2. Сервіс платежів споживає подію "OrderCreated", обробляє платіж та публікує подію "PaymentCompleted".
3. Сервіс користувачів споживає подію "PaymentCompleted" і оновлює історію замовлень користувача.
4. Якщо Сервіс платежів не зміг обробити платіж, він публікує подію "PaymentFailed", що спричиняє компенсуючі транзакції у Сервісі замовлень для скасування замовлення.

Додаткові патерни для дизайну мікросервісів

Хоча Патерн База даних для сервісу і Патерн Саги є основними, існує кілька інших дизайнерських патернів, які є необхідними для створення стійкої архітектури мікросервісів:

1. Патерн API Gateway

• Опис: API Gateway діє як єдина точка входу для всіх запитів клієнтів, спрямовуючи їх до відповідних мікросервісів.
• Переваги:
  • Спрощує взаємодію клієнта, агрегуючи кілька точок доступу сервісів.
  • Керує перехресними питаннями, такими як аутентифікація, логування та обмеження частоти.

• Виклики:

  • Може стати вузьким місцем продуктивності, якщо не управляти належним чином.
  • Додає додатковий шар, який потрібно підтримувати та масштабувати.
    Патерн Circuit Breaker

• Опис: Запобігає сервісу від надсилання запитів до сервісу, що не працює, дозволяючи йому швидко зазнати помилки та відновитись без шкоди.

• Переваги:

  • Підвищує стійкість системи, запобігаючи каскадним відмовам.
  • Покращує час відгуку під час простоїв сервісу.

• Виклики:

  • Потребує ретельної налаштування порогів і тайм-аутів.
  • Додає складність взаємодії між сервісами.

Патерн CQRS (Розділення відповідальності команд і запитів)

• Опис: Розділяє операції читання та запису на різні моделі для оптимізації продуктивності та масштабованості.
• Переваги:
  • Дозволяє незалежне масштабування операцій читання та запису.
  • Покращує продуктивність, підлаштовуючи кожну модель під свою конкретну мету.
• Виклики:
  • Збільшує архітектурну складність.
  • Потрібні механізми для синхронізації моделей читання та запису.

Патерн Event Sourcing

• Опис: Зберігає стан системи як послідовність подій, а не поточний стан.
• Переваги:
  • Надає повний аудит змін.
  • Полегшує відновлення минулих станів та відлагодження.
• Виклики:
  • Може призвести до великих сховищ подій.
  • Потребує ретельного проєктування для обробки версій подій і змін у схемі.

Патерн Strangler

• Опис: Поступово замінює частини застарілої монолітної системи мікросервісами, мінімізуючи перешкоди.
• Переваги:
  • Зменшує ризики, дозволяючи поступову міграцію.
  • Дозволяє тестувати та перевіряти нові сервіси перед повним впровадженням.
• Виклики:
  • Продовжує період міграції.
  • Потрібна надійна інтеграція між старими та новими системами під час переходу.

Підсумки

Вибір правильних дизайнерських патернів є важливим для успіху архітектури мікросервісів. Патерни, такі як База даних для сервісу та Патерн Саги, вирішують основні проблеми, пов'язані з консистентністю даних і управлінням транзакціями. Крім того, патерни, як-от API Gateway, Circuit Breaker, CQRS, Event Sourcing і Strangler, пропонують рішення для масштабованості, стійкості та поступової міграції.

При проєктуванні мікросервісів важливо:

• Забезпечити слабку взаємозв'язок і високу когезію: Сервіси повинні працювати незалежно, без непотрібних залежностей, і кожен сервіс має чітко визначену відповідальність.
• Наголосити на масштабованості та стійкості: Проєктувати сервіси так, щоб вони могли масштабуватись незалежно й обробляти відмови без порушення функціональності.
• Підтримувати консистентність даних: Використовувати патерни, як-от Сага, для управління консистентністю даних серед розподілених сервісів.
• Оптимізувати комунікацію: Обирати відповідні стратегії комунікації (синхронне vs асинхронне) в залежності від конкретних потреб кожної взаємодії.

Застосовуючи ці дизайнерські патерни, організації можуть створити масштабовані, зручні у підтримці та стійкі архітектури мікросервісів, які задовольняють їх змінні бізнес-потреби.

Перекладено з: Microservices Design Patterns