02.26 軟件架構的演進-分層架構、事件驅動、微服務架構和雲原生架構

軟件架構(software architecture)就是軟件的基本結構。

合適的架構是軟件成功的最重要因素之一。大型軟件公司通常有專門的架構師職位(architect),只有資深程序員才可以擔任。

O'Reilly 出版過一本免費的小冊子《Software Architecture Patterns》(PDF), 介紹了五種最常見的軟件架構,是非常好的入門讀物。

軟件架構的演進-分層架構、事件驅動、微服務架構和雲原生架構

軟件架構就是軟件的基本結構。架構的本質是管理複雜性。如果你覺得架構不重要,可能是你做的事情不夠複雜,或者是你沒有管理好複雜性。架構模式雖多,經過抽象沉澱之後,也就那麼幾種:

1. 分層架構(比較傳統的單體架構)

2. 事件驅動架構 (一般適用於應用局部場景,用來實現異步解耦)

3. 微核架構(又稱插件架構,開發難度較高,一般用來做工具軟件開發,如Eclipse,不太適合分佈式業務場景)

4. 微服務架構(當前比較流行的服務化架構,解決單體架構面臨的問題,適合敏捷開發,快速迭代)

5. 雲架構(現在的說法是雲原生架構-Cloud Native,基於Docker、Kubernetes、Service Mesh 雲原生架構)

在原文的基礎上,小編按照自己的想法,進行了小幅調整。


一、分層架構

分層架構(layered architecture)是最常見的軟件架構,也是事實上的標準架構。如果你不知道要用什麼架構,那就用它。

這種架構將軟件分成若干個水平層,每一層都有清晰的角色和分工,不需要知道其他層的細節。層與層之間通過接口通信。

雖然沒有明確約定,軟件一定要分成多少層,但是四層的結構最常見。

軟件架構的演進-分層架構、事件驅動、微服務架構和雲原生架構


  • 表現層(presentation):用戶界面,負責視覺和用戶互動
  • 業務層(business):實現業務邏輯
  • 持久層(persistence):提供數據,SQL 語句就放在這一層
  • 數據庫(database) :保存數據

有的軟件在邏輯層(business)和持久層(persistence)之間,加了一個服務層(service),提供不同業務邏輯需要的一些通用接口。

用戶的請求將依次通過這四層的處理,不能跳過其中任何一層。

軟件架構的演進-分層架構、事件驅動、微服務架構和雲原生架構

優點

  • 結構簡單,容易理解和開發
  • 不同技能的程序員可以分工,負責不同的層,天然適合大多數軟件公司的組織架構
  • 每一層都可以獨立測試,其他層的接口通過模擬解決

缺點

  • 一旦環境變化,需要代碼調整或增加功能時,通常比較麻煩和費時
  • 部署比較麻煩,即使只修改一個小地方,往往需要整個軟件重新部署,不容易做持續發佈(因為是單體架構)
  • 軟件升級時,可能需要整個服務暫停
  • 擴展性差。用戶請求大量增加時,必須依次擴展每一層,由於每一層內部是耦合的,擴展會很困難(單體架構,需求調整會貫穿每一層)


二、事件驅動架構

事件(event)是狀態發生變化時,軟件發出的通知。

事件驅動架構(event-driven architecture)就是通過事件進行通信的軟件架構。它分成四個部分。

軟件架構的演進-分層架構、事件驅動、微服務架構和雲原生架構

事件驅動架構(event-driven architecture)核心組件:

  • 事件隊列(event queue):接收事件的入口
  • 分發器(event mediator):將不同的事件分發到不同的業務邏輯單元
  • 事件通道(event channel):分發器與處理器之間的聯繫渠道
  • 事件處理器(event processor):實現業務邏輯,處理完成後會發出事件,觸發下一步操作

對於簡單的項目,事件隊列、分發器和事件通道,可以合為一體,整個軟件就分成事件代理和事件處理器兩部分。

軟件架構的演進-分層架構、事件驅動、微服務架構和雲原生架構


優點

  • 分佈式的異步架構,事件處理器之間高度解耦,軟件的擴展性好
  • 適用性廣,各種類型的項目都可以用
  • 性能較好,因為事件的異步本質,軟件不易產生堵塞
  • 事件處理器可以獨立地加載和卸載,容易部署

缺點

  • 涉及異步編程(要考慮遠程通信、失去響應等情況),開發相對複雜
  • 難以支持原子性操作,因為事件通過會涉及多個處理器,很難回滾
  • 分佈式和異步特性導致這個架構較難測試

事件驅動架構在通信產品中應用得也非常廣泛,典型的如狀態機處理。事件驅動架構不適於做頂層架構,但適合做局部實現,幾乎遍佈在通信軟件的各個角落。


三、微核架構

微核架構(microkernel architecture)又稱為"插件架構"(plug-in architecture),指的是軟件的內核相對較小,主要功能和業務邏輯都通過插件實現。

內核(core)通常只包含系統運行的最小功能。插件則是互相獨立的,插件之間的通信,應該減少到最低,避免出現互相依賴的問題。

軟件架構的演進-分層架構、事件驅動、微服務架構和雲原生架構

優點

  • 良好的功能延伸性(extensibility),需要什麼功能,開發一個插件即可
  • 功能之間是隔離的,插件可以獨立的加載和卸載,使得它比較容易部署,
  • 可定製性高,適應不同的開發需要
  • 可以漸進式地開發,逐步增加功能

缺點

  • 擴展性(scalability)差,內核通常是一個獨立單元,不容易做成分佈式
  • 開發難度相對較高,因為涉及到插件與內核的通信,以及內部的插件登記機制

微核架構的設計和開發難度較高,這就註定它在企業產品中用得不多,雖然它的優點還不少。


四、微服務架構

微服務架構(microservices architecture)是服務導向架構(service-oriented architecture,縮寫 SOA)的升級。

每一個服務就是一個獨立的部署單元(separately deployed unit)。這些單元都是分佈式的,互相解耦,通過遠程通信協議(比如REST、SOAP)聯繫。

微服務架構分成三種實現模式。

  • RESTful API 模式:服務通過 API 提供,雲服務就屬於這一類
  • RESTful 應用模式:服務通過傳統的網絡協議或者應用協議提供,背後通常是一個多功能的應用程序,常見於企業內部
  • 集中消息模式:採用消息代理(message broker),可以實現消息隊列、負載均衡、統一日誌和異常處理,缺點是會出現單點失敗,消息代理可能要做成集群


現在開源的微服務框架比較多,如常用的有Spring Cloud、Dubbo、ServiceComb等等。

軟件架構的演進-分層架構、事件驅動、微服務架構和雲原生架構

優點

  • 擴展性好,各個服務之間低耦合
  • 容易部署,軟件從單一可部署單元,被拆成了多個服務,每個服務都是可部署單元
  • 容易開發,每個組件都可以進行持續集成式的開發,可以做到實時部署,不間斷地升級
  • 易於測試,可以單獨測試每一個服務

缺點

  • 由於強調互相獨立和低耦合,服務可能會拆分得很細。這導致系統依賴大量的微服務,變得很凌亂和笨重,性能也會不佳。
  • 一旦服務之間需要通信(即一個服務要用到另一個服務),整個架構就會變得複雜。典型的例子就是一些通用的 Utility 類,一種解決方案是把它們拷貝到每一個服務中去,用冗餘換取架構的簡單性。
  • 分佈式的本質使得這種架構很難實現原子性操作,交易回滾會比較困難。


五、雲架構(雲原生-Cloud Native)

雲架構(cloud architecture,現在的說法是雲原生-Cloud Native)主要解決擴展性和併發的問題,是最容易擴展的架構。

它的高擴展性,主要原因是可以基於雲上計算資源彈性伸縮。然後,業務處理能力封裝成一個個處理單元(prcessing unit)。訪問量增加,就新建處理單元(Docker容器);訪問量減少,就關閉處理單元(Docker容器)。由於沒有中央數據庫,所以擴展性的最大瓶頸消失了。由於每個處理單元的數據都獨立分庫。

這個模式主要分成兩部分:處理單元(processing unit)和虛擬中間件(virtualized middleware)。

  • 處理單元:實現業務邏輯(類似於微服務架構中的微服務)
  • 虛擬中間件:負責通信、保持sessions、數據複製、分佈式處理、處理單元的部署。
軟件架構的演進-分層架構、事件驅動、微服務架構和雲原生架構


虛擬中間件又包含四個組件:

  • 消息中間件(Messaging Grid):管理用戶請求和session,當一個請求進來以後,決定分配給哪一個處理單元;
  • 數據中間件(Data Grid):將數據複製到每一個處理單元,即數據同步。保證某個處理單元都得到同樣的數據;
  • 處理中間件(Processing Grid):可選,如果一個請求涉及不同類型的處理單元,該中間件負責協調處理單元;
  • 部署中間件(Deployment Manager):負責處理單元的啟動和關閉,監控負載和響應時間,當負載增加,就新啟動處理單元,負載減少,就關閉處理單元。


隨著Docker、Kubernetes等容器化技術的快速發展,上述關於雲架構描述有點陳舊了。當前最新的雲原生架構,以Docker+Kubernetes為核心,尤其是容器編排Kubernetes 已經成為事實上的行業標準。

軟件架構的演進-分層架構、事件驅動、微服務架構和雲原生架構

雲原生架構圖的主要特徵:

  • 微服務應用運行支撐環境;
  • 以容器化應用的鏡像作為交付標準;
  • 通過資源調度服務快速申請、釋放資源;
  • 通過彈性伸縮快速擴展應用;
  • 狀態監控;
軟件架構的演進-分層架構、事件驅動、微服務架構和雲原生架構

主要目標:

1. 讓開發人員聚焦業務邏輯的實現,其他交給容器雲平臺來完成;

2. 支持業務系統的快速迭代,支撐業務的快速變化和發展;

3. 構建以共享服務體系為核心的業務中臺;


下面是小編針對某新零售企業設計的雲原生架構圖,以雲和微服務架構為基礎構建雲原生應用,這裡雲可以是公有云、私有云、混合雲等等。

軟件架構的演進-分層架構、事件驅動、微服務架構和雲原生架構

以上是從不同的視角,對架構進行了分類。實際應用中,各種架構並不是孤立的,可以根據業務環境和業務訴求,對各種架構進行綜合和嫁接。每種架構都有其優點和缺點。優點不必多說,缺點則幾乎都是通過工具工程(比如自動化發佈工具、自動化測試等等)能力的方法來規避,工具工程對軟件架構非常重要。


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