微服务那些事儿

1.什么是微服务?

微服务 (Microservices) 是一种软件架构风格,它是以专注于单一责任与功能的小型功能区块 (Small Building Blocks) 为基础,利用模组化的方式组合出复杂的大型应用程序,各功能区块使用与语言无关 (Language-Independent/Language agnostic) 的 API 集相互通讯。

2014年,Martin FowlerJames Lewis 共同提出了微服务的概念,定义了微服务是由以单一应用程序构成的小服务,自己拥有自己的行程与轻量化处理,服务依业务功能设计,以全自动的方式部署,与其他服务使用 HTTP API 通讯。同时服务会使用最小的规模的集中管理 (例如 Docker) 能力,服务可以用不同的编程语言与数据库等元件实作[1]

2.解决了什么问题?

2.1 传统的WEB应用核心

传统的WEB应用核心分为业务逻辑、适配器以及API或通过UI访问的WEB界面。业务逻辑定义业务流程、业务规则以及领域实体。适配器包括数据库访问组件、消息组件以及访问接口等。一个打车软件的架构图如下:

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优点:

  • 开发简单直接,集中式管理
  • 基本不会重复开发
  • 功能都在本地,没有分布式的管理开销和调用开销

缺点:

  • 开发效率低:所有的开发在一个项目改代码,递交代码相互等待,代码冲突不断
  • 代码维护难:代码功能耦合在一起,新人不知道何从下手
  • 部署不灵活:构建时间长,任何小修改必须重新构建整个项目,这个过程往往很长
  • 稳定性不高:一个微不足道的小问题,可以导致整个应用挂掉
  • 扩展性不够:无法满足高并发情况下的业务需求
2.2 微服务架构

将应用分解为小的、互相连接的微服务。一个微服务完成某个特定功能,比如乘客管理和下单管理等。每个微服务都有自己的业务逻辑和适配器。一些微服务还会提供API接口给其他微服务和应用客户端使用。

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优点:

  • 它将单体应用分解为一组服务。虽然功能总量不变,但应用程序已被分解为可管理的模块或服务。这些服务定义了明确的RPC或消息驱动的API边界。微服务架构强化了应用模块化的水平,而这通过单体代码库很难实现。因此,微服务开发的速度要快很多,更容易理解和维护。
  • 这种体系结构使得每个服务都可以由专注于此服务的团队独立开发。只要符合服务API契约,开发人员可以自由选择开发技术。这就意味着开发人员可以采用新技术编写或重构服务,由于服务相对较小,所以这并不会对整体应用造成太大影响。
  • 微服务架构可以使每个微服务独立部署。开发人员无需协调对服务升级或更改的部署。这些更改可以在测试通过后立即部署。所以微服务架构也使得CI/CD成为可能。
  • 微服务架构使得每个服务都可独立扩展。我们只需定义满足服务部署要求的配置、容量、实例数量等约束条件即可。比如我们可以在EC2计算优化实例上部署CPU密集型服务,在EC2内存优化实例上部署内存数据库服务。

3.带来了什么问题?

  • 微服务强调了服务大小,但实际上这并没有一个统一的标准。业务逻辑应该按照什么规则划分为微服务,这本身就是一个经验工程。
  • 微服务的分布式特点带来的复杂性。开发人员需要基于RPC或者消息实现微服务之间的调用和通信,而这就使得服务之间的发现、服务调用链的跟踪和质量问题变得的相当棘手。
  • 分区的数据库体系和分布式事务。更新多个业务实体的业务交易相当普遍。这些类型的事务在单体应用中实现非常简单,因为单体应用往往只存在一个数据库。但在微服务架构下,不同服务可能拥有不同的数据库。CAP原理的约束,使得我们不得不放弃传统的强一致性,而转而追求最终一致性,这个对开发人员来说是一个挑战。
  • 测试的复杂性。
  • 跨多个服务的更改。比如在传统单体应用中,若有A、B、C三个服务需要更改,A依赖B,B依赖C。我们只需更改相应的模块,然后一次性部署即可。但是在微服务架构中,我们需要仔细规划和协调每个服务的变更部署。我们需要先更新C,然后更新B,最后更新A。
  • 运维的复杂性。

4.第一代微服务架构

侵入式微服务框架

Spring Cloud

Spring Cloud为开发者提供了快速构建分布式系统的通用模型的工具(包括配置管理、服务发现、熔断器、智能路由、微代理、控制总线、一次性令牌、全局锁、领导选举、分布式会话、集群状态等)。 主要项目包括:

  • Spring Cloud Config:由Git存储库支持的集中式外部配置管理。配置资源直接映射到Spring Environment,但是如果需要可以被非Spring应用程序使用。
  • Spring Cloud Netflix:与各种Netflix OSS组件(Eureka,Hystrix,Zuul,Archaius等)集成。
  • Spring Cloud Bus:用于将服务和服务实例与分布式消息传递联系起来的事件总线。用于在集群中传播状态更改(例如配置更改事件)。
  • Spring Cloud for Cloudfoundry:将您的应用程序与Pivotal Cloudfoundry集成。提供服务发现实现,还可以轻松实现通过SSO和OAuth 2保护资源,还可以创建Cloudfoundry服务代理。
  • Spring Cloud - Cloud Foundry Service Broker:提供构建管理一个Cloud Foundry中服务的服务代理的起点。
  • Spring Cloud Cluster:领导选举和通用状态模型(基于ZooKeeper,Redis,Hazelcast,Consul的抽象和实现)。
  • Spring Cloud Consul:结合Hashicorp Consul的服务发现和配置管理
  • Spring Cloud Security:在Zuul代理中为负载平衡的OAuth 2休眠客户端和认证头中继提供支持。

对服务不是透明的,与项目代码耦合在一起

5.第二代微服务架构

概念1:边车模式

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Sidecar 在软件系统架构中特指边车模式。这个模式的灵感来源于我们生活中的边三轮:即在两轮摩托车的旁边添加一个边车的方式扩展现有的服务和功能。

这个模式的精髓在于实现了数据面(业务逻辑)控制面的解耦:原来两轮摩托车的驾驶者集中注意力跑赛道,边车上的领航员专注周围信息和地图,专注导航。

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概念2:Service mesh

Service Mesh 直译过来是 服务网格,目的是解决系统架构微服务化后的服务间通信和治理问题。服务网格由 sidecar 节点组成

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特点
  • 是一个基础设施
  • 轻量级网络代理,应用程序间通讯的中间层
  • 应用程序无感知,对应用程序透明无侵入
  • 解耦应用程序的重试/超时、监控、追踪和服务发现等控制层面的东西
开源实现

第一代 service mesh 以 LinkerdEnvoy 为代表。

Linkerd 使用Scala编写,是业界第一个开源的service mesh方案。作者 William Morgan 是 service mesh 的布道师和践行者。Envoy 基于C++ 11编写,无论是理论上还是实际上,后者性能都比 Linkderd 更好。这两个开源实现都是以 sidecar 为核心,绝大部分关注点都是如何做好proxy,并完成一些通用控制面的功能。 但是,当你在容器中大量部署 sidecar 以后,如何管理和控制这些 sidecar 本身就是一个不小的挑战。于是,第二代 Service Mesh 应运而生。

第二代service mesh主要改进集中在更加强大的控制面功能(与之对应的 sidecar proxy 被称之为数据面),典型代表有 IstioConduit

Kubernetes + Service Mesh = 完整的微服务框架

Kubernets已经成为了容器调度编排的事实标准,而容器正好可以作为微服务的最小工作单元,从而发挥微服务架构的最大优势。

微服务架构初探

多云平台为微服务提供了资源能力(计算、存储和网络等),容器作为最小工作单元被Kubernetes调度和编排,Service Mesh管理微服务的服务通信,最后通过API Gateway向外暴露微服务的业务接口。

6.康威定律

微服务很多核心理念其实在半个世纪前的一篇文章中就被阐述过了,而且这篇文章中的很多论点在软件开发飞速发展的这半个世纪中竟然一再被验证,这就是康威定律(Conway’s Law)

Organizations which design systems are constrained to produce designs which are copies of the communication structures of these organizations. - Melvin Conway(1967)

中文直译大概的意思就是:设计系统的组织,其产生的设计等同于组织之内、组织之间的沟通结构

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第一定律

Communication dictates design

组织沟通方式决定系统设计

第二定律

There is never enough time to do something right, but there is always enough time to do it over

时间再多一件事情也不可能做的完美,但总有时间做完一件事情

第三定律

There is a homomorphism from the linear graph of a system to the linear graph of its design organization

线型系统和线型组织架构间有潜在的异质同态特性

这是康威第一定律组织和设计间内在关系的一个具体应用。更直白的说,你想要什么样的系统,就搭建什么样的团队。如果你的团队分成前端团队,Java后台开发团队,DBA团队,运维团队,你的系统就会长成下面的样子:

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相反,如果你的系统是按照业务边界划分的,大家按照一个业务目标去把自己的模块做出小系统,小产品的话,你的大系统就会长成下面的样子,即微服务的架构

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第四定律

The structures of large systems tend to disintegrate during development, qualitatively more so than with small systems

大的系统组织总是比小系统更倾向于分解

7.DevOps

模式定义

DevOps 集文化理念、实践和工具于一身,可以提高组织高速交付应用程序和服务的能力,与使用传统软件开发和基础设施管理流程相比,能够帮助组织更快地发展和改进产品。这种速度使组织能够更好地服务其客户,并在市场上更高效地参与竞争。

工作原理

在 DevOps 模式下,开发团队和运营团队都不再是“孤立”的团队。有时,这两个团队会合为一个团队,他们的工程师会在应用程序的整个生命周期(从开发测试到部署再到运营)内相互协作,开发出一系列不限于单一职能的技能。

在一些 DevOps 模式下,质保和安全团队也会与开发和运营团队更紧密地结合在一起,贯穿应用程序的整个生命周期。当安全是所有 DevOps 团队成员的工作重心时,这有时被称为“DevSecOps”。

8.参考文章

微服务架构的理论基础 - 康威定律

微服务(Microservice)那点事

深入浅出理解微服务架构

Spring Cloud 入门教程

Service Mesh 及其主流开源实现解析

胡忠想|微博微服务架构的Service Mesh实践之路