微服务架构下的核心话题 (二)：微服务架构的设计原则和核心话题

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一、前言

     毫无疑问，微服务架构的设计原则和核心话题是本文要讨论的重点，也是打算从零基础开始构建微服务架构需要事先考虑、规划的。一个好的产品、应用能否稳定运行，持续开发，满足业务需求，能否经得起现实的考验，就需要在设计阶段考虑很多、很多，以确保它的健壮性。

    当我们从单体架构的应用走向基于微服务的架构时，首先会面临一个很棘手的问题是如何进行服务的拆分，服务的拆分粒度应该如何衡量，怎样拆分的服务才算是“微”。接着将又会面临，这么多的服务又如何关联起来呢？如何有效的相互间通信呢？如何高效的部署呢……

     本文我将从微服务架构的设计原则、核心话题两大方面展开讨论，希望能够对你构建一个微服务架构的应用有所帮助。

二、微服务架构的设计原则

      软件架构的设计原则、方法论，在很大程度上能够指导、提醒我们应该遵循什么的原则、规范，能让软件架构更加健壮、稳固，并易于开发、扩展、维护等。

1.拆分足够微

     在解决复杂的问题时，我们倾向于将问题划分成若干个小问题来解决，所谓“大事化小，小事化了”。单体架构的应用，随着时间的推移，会变得越来越臃肿，越来越难以维护，适当的做“减法”，可以解决单体架构存在的这些问题。

     将单体架构的应用拆分为微服务架构的应用时，服务的拆分粒度问题，成为了重中考虑的问题。粒度太大，拆分的不够充分，便和单体架构没有太大的区别，更不能发挥出微服务的优势。如果拆分的太细，又将会面临着服务数量太多而引发的服务管理、服务间调用的问题。对于如何“微”才算是足够的“微”，是没有标准的衡量计算方法的。

    微服务不是说越小越好。服务越小，微服务架构的优点和缺点也就会越来越明显。服务越小，微服务的独立性就越高，但同时微服务的数量也会增加，管理就会存在很大的问题，成为一个新的挑战，这也就是常常所被提到的“这么多的服务，该服务管理啊？”问题。

    服务的拆分足够微，可以按照某种方式、规则拆分，通常可以按照业务模块、业务场景等进行拆分，尽量避免服务间的相互依赖，做到高内聚低耦合。紧密关联的处理，放在一个服务内，但避免在服务与服务之间共享数据。

2.轻量级通信

      在单体架构的应用中，可直接通过简单的方法调用就能进行通信，但在微服务架构中，由于服务都是跨域进程，甚至是跨主机的，组件只能通过REST、Web服务或RPC类似的机制在网络上进行通信。

      因为服务划分的已经足够小了，服务间的通信可能会比较频繁，考虑到性能、响应时间等方面，则服务间通信应采用轻量级的通信协议，如：同步的REST，异步的AMQP、STOMP、MQTT等。在实时性要求不高的场景下，采用REST通信是不错的选择，REST是基于HTTP协议，可方便进行跨域访问或跨防火墙的设置，并且消息格式可以统一为XML或JSON格式，方便开发人员阅读和理解。如果服务间通信比较频繁，有比较高的要求，可采用消息通信的方式，如：Kafka、MQ等类似的消息中间件。如果不考虑对外提供访问的话，可采用gRPC的通信方式，因为gRPC是基于Netty的，通信效率更高。

3.单一职责原则

     当服务粒度过粗时，服务内部很容易产生耦合。如果多人开发同一个服务，很容易因为耦合过大造成代码修改重合，不利于后期维护。确保每个服务职责单一，这也是用来确定服务拆分边界的一个原则，遵循“高内聚、低耦合”。

    必须要对自己的产品和业务的了解，才能更准确的确定服务边界，让各个服务满足单一的业务职责，避免职责交叉。

4.领域驱动原则

     领域驱动设计(Domain Driven Design)，是一套综合软件系统分析和设计的面向对象建模方法。一个微服务，就应该能够反映出某个业务的领域模型，使用领域驱动设计，不但可以降低微服务环境中通用语言的复杂度，而且可以帮助团队搞清楚领域的边界，理清上下文边界。

    建议将每个微服务都设计成一个DDD限界上下文，为微服务提供了一个逻辑边界。每个独立的团队负责一个逻辑上定义好的系统切片，负责与一个领域或业务功能相关的全部开发，最终团队开发出的代码更加易于理解和维护。

(关于DDD更详细的了解，可参考领域驱动设计学习之路—DDD的原则与实践 - EdisonZhou - 博客园)

三、微服务架构的核心话题

      基于微服务架构的应用，将面临着许多选择、争议等讨论的核心话题，这些核心话题将会在你接下来的微服务架构生涯里不断出现，并成为讨论的焦点。在此，我觉得有必要进行汇总整理，让你觉得它存在的必要性，能为你之所用。

1.服务拆分

       服务拆分首先关注的就是服务的颗粒度，可遵循设计原则——拆分足够微，通过DDD(领域驱动设计)的指导，将某个领域的功能进行聚合成为一个服务。

       对于一个大型复杂的单体应用而言，选择先拆分哪个模块，是一个问题。一般考虑先从容易、简单被拆分的模块开始，在拆分简单模块过程中，不断积累微服务的经验，逐步拆分掉复杂、繁重业务的核心模块。同时，寻找那些和其他功能业务重合度低、耦合度低，且自身变化较为缓慢的基础服务，将它们拆分为微服务。

      决定了拆分哪些模块，要拆分成多个微服务后，接下来就要划清服务拆分的边界，将服务边界和接口顺理清楚。确定哪些应该包含进来，哪些不应该包含进来，哪些接口需要重新设计，哪些可以重复利用。

      如下图所示，展示了一个单体应用拆分为多个微服务的过程。一旦拆分完后，各个服务就可以独立开发、部署和扩展。

     服务的拆分，不单单指功能的拆分，如上图所示，还得考虑数据库的拆分 ，确保降低功能逻辑层、数据访问层的耦合度。

2.服务注册与发现

      微服务架构的特点是服务的数量众多，这些众多的服务需要一个统一的服务注册平台来进行服务的管理。每个微服务实例在启动后，将自己的实例信息注册到服务注册表或服务注册中心。服务的调用方若想获取可用服务实例的列表，则需要从服务注册表中去获取相关的信息。

      当服务实例失效或down掉以后，服务实例的信息就要从服务注册表中移除，即：服务注销。服务注册表是用于维护所有可用的服务实例的地方，服务注册表一方面要接收微服务实例的接入，另一方面当服务实例不可用时，需要及时将服务实例从注册表中清楚。下图展示了服务注册与服务实例的关系。

       服务注册与发现组件或框架，有很多，如：Eureka、Consul、etcd等，都提供了服务注册表的功能，可供大家进行选择。

3.负载均衡

       在微服务架构中，负载均衡是必须使用的技术，通过它来实现系统的高可用、集群扩容等功能。负载均衡通常分为两种：服务端负载均衡和客户端负载均衡。通常所说的负载均衡均指服务器端的负载均衡，可通过软件或硬件设备来实现，软件如：Nginx、LVS等，硬件如：F5、A10等，硬件负载均衡设备成本较高，大部分采用的是软件方式。架构图如下：

       通过软件或硬件实现负载均衡都会维护一个服务端清单，利用心跳检测等手段进行清单维护，保证清单中都是可以正常访问的服务节点。当用户发送请求时，会先到达负载均衡器（一般作为一个服务），负载均衡器根据负载均衡算法（轮训、随机、加权轮训）从可用的服务端列表中取出一台服务端的地址，接着进行转发，降低系统的压力。

4.API网关

       考虑到微服务架构中服务的数量很多，为了便于服务对外统一的管理，API网关的引入是必不可少的。API网关旨在提供统一的API入口点，来管理多个服务内部API，可方便实现对平台众多服务接口进行管控，如对访问服务的身份认证、业务鉴权、流量并发控制、API调用的计量或计费等。

      API网关常用于以下场景：

• 黑白名单：实现例如通过IP地址来禁止访问某些服务的某些功能。
• 日志：实现日志访问的记录，用于分析访问、处理性能指标，并将分析结果提供给其他模块使用，如：运维平台的统计功能。
• 协议适配：实现通信协议校验、适配转换的功能。
• 身份认证：负责外部系统的访问身份认证。
• 计流限流：实现微服务访问流量计算，基于流量计算分析进行限流等。
• 路由：API网关的核心功能，实现请求的转发。

     API网关的引入为微服务架构应用带来诸多的好处，如下：

• 避免将内部信息/接口泄露给外部： 能够将对外发布的API与微服务内部的API区分开来，使得各个微服务在添加或变更时，能有明确的安全边界，避免多过的对外暴露。
• 为微服务添加额外的安全层：能够提供一套额外的保护层，用以应对SQL注入、Dos攻击等，其中系统的权限控制可以再这一层来实施。
• 支持多种混合通信协议：考虑到微服务架构中，各个微服务的平台与语言的多样性，通常将对外提供基于HTTP或REST的API接口，而内部微服务将根据自身服务情况采用不同的通信协议(如：ProtoBuf、RPC等)。API网关则跨域这些内部不同协议的微服务，提供一个基于REST的统一外部API。
• 减低构建微服务的复杂性：基于微服务架构应用的复杂性，如API令牌、访问控制、限速限流等，每一项功能的添加，对会额外对各个服务带来影响，从而影响微服务的开发周期。这些功能如果在API网关上统一处理，则会从代码层面进行了有效的隔离，使得不会影响其他微服务，这样更有利于其他微服务只需关注于实际的业务开发。

    常见的API网关实现方式很多，如：Nginx、Kong、Spring Cloud Zuul、Træfɪk等。

5.服务部署与发布

     单体应用被拆分为微服务后，随着微服务的数量增多，部署就成了问题，使得部署的复杂性提高了不少。所以，微服务的部署更加倾向于使用具有相互之间隔离的主机/虚拟机来实现服务的部署，使得服务能够独立的部署、测试、发布、升级。

    目前比较好的服务部署方式就是把各个微服务打包成Docker镜像，这样就保障避免了不同主机环境对部署产生的影响。使用Docker部署，并结合Jenkins进行CI/CD,使得构建、发布、启动变得更加快捷。

    下图就是服务部署、发布流程。

四、总结

       一个微服务架构的应用，从最初的设计到逐步成型，是需要经过不断的迭代开发、摸索来完善的，上述只是列举出了我个人认为需要重点关注的点，以供大家参考，如有遗漏不足，望大家建议补充、完善。