微服务实战(三):深入微服务架构的进程间通信
【编者的话】这是采用微服务架构创建自己应用系列第三篇文章。第一篇介绍了微服务架构模式,和单体式模式进行了比较,并且讨论了使用微服务架构的优缺点。第二篇描述了采用微服务架构应用客户端之间如何采用API Gateway方式进行通信。在这篇文章中,我们将讨论系统服务之间如何通信。
简介
在单体式应用中,各个模块之间的调用是通过编程语言级别的方法或者函数来实现的。但是一个基于微服务的分布式应用是运行在多台机器上的。一般来说,每个服务实例都是一个进程。因此,如下图所示,服务之间的交互必须通过进程间通信(IPC)来实现。
后面我们将会详细介绍IPC技术,现在我们先来看下设计相关的问题。
交互模式
当为某一个服务选择IPC时,首先需要考虑服务之间如何交互。客户端和服务器之间有很多的交互模式,我们可以从两个维度进行归类。第一个维度是一对一还是一对多:
•一对一:每个客户端请求有一个服务实例来响应。
•一对多:每个客户端请求有多个服务实例来响应
第二个维度是这些交互式同步还是异步:
• 同步模式:客户端请求需要服务端即时响应,甚至可能由于等待而阻塞。
• 异步模式:客户端请求不会阻塞进程,服务端的响应可以是非即时的。
下表显示了不同交互模式:
一对一的交互模式有以下几种方式:
• 请求/响应:一个客户端向服务器端发起请求,等待响应。客户端期望此响应即时到达。在一个基于线程的应用中,等待过程可能造成线程阻塞。
• 通知(也就是常说的单向请求):一个客户端请求发送到服务端,但是并不期望服务端响应。
• 请求/异步响应:客户端发送请求到服务端,服务端异步响应请求。客户端不会阻塞,而且被设计成默认响应不会立刻到达。
一对多的交互模式有以下几种方式:
• 发布/ 订阅模式:客户端发布通知消息,被零个或者多个感兴趣的服务消费。
• 发布/异步响应模式:客户端发布请求消息,然后等待从感兴趣服务发回的响应。
每个服务都是以上这些模式的组合,对某些服务,一个IPC机制就足够了;而对另外一些服务则需要多种IPC机制组合。下图展示了在一个打车服务请求中服务之间是如何通信的。
上图中的服务通信使用了通知、请求/响应、发布/订阅等方式。例如,乘客通过移动端给『行程管理服务』发送通知,希望申请一次出租服务。『行程管理服务』发送请求/响应消息给『乘客服务』以确认乘客账号是有效的。紧接着创建此次行程,并用发布/订阅交互模式通知其他服务,包括定位可用司机的调度服务。
现在我们了解了交互模式,接下来我们一起来看看如何定义API。
定义API
API是服务端和客户端之间的契约。不管选择了什么样的IPC机制,重要的是使用某种交互式定义语言(IDL)来精确定义一个服务的API。甚至有一些关于使用API first的方法(API-first approach)来定义服务的很好的理由。在开发之前,你需要先定义服务的接口,并与客户端开发者详细讨论确认。这样的讨论和设计会大幅度提到API的可用度以及满意度。
在本文后半部分你将会看到,API定义实质上依赖于选择哪种IPC。如果使用消息机制,API则由消息频道(channel)和消息类型构成;如果选择使用HTTP机制,API则由URL和请求、响应格式构成。后面将会详细描述IDL。
API的演化
服务端API会不断变化。在一个单体式应用中经常会直接修改API,然后更新给所有的调用者。而在基于微服务架构应用中,这很困难,即使只有一个服务使用这个API,不可能强迫用户跟服务端保持同步更新。另外,开发者可能会尝试性的部署新版本的服务,这个时候,新旧服务就会同事运行。你需要知道如何处理这些问题。
你如何处理API变化,这依赖于这些变化有多大。某些改变是微小的,并且可以和之前版本兼容。比如,你可能只是为某个请求和响应添加了一个属性。设计客户端和服务端时候应该遵循健壮性原理,这很重要。客户端使用旧版API应该也能和新版本一起工作。服务端仍然提供默认响应值,客户端忽略此版本不需要的响应。使用IPC机制和消息格式对于API演化很有帮助。
但是有时候,API需要进行大规模的改动,并且可能与之前版本不兼容。因为你不可能强制让所有的客户端立即升级,所以支持老版本客户端的服务还需要再运行一段时间。如果你正在使用基于基于HTTP机制的IPC,例如REST,一种解决方案是把版本号嵌入到URL中。每个服务都可能同时处理多个版本的API。或者,你可以部署多个实例,每个实例负责处理一个版本的请求。
处理部分失败
在上一篇关于API gateway的文章中,我们了解到分布式系统中部分失败是普遍存在的问题。因为客户端和服务端是都是独立的进程,一个服务端有可能因为故障或者维护而停止服务,或者此服务因为过载停止或者反应很慢。
考虑这篇文章中描述的部分失败的场景。假设推荐服务无法响应请求,那客户端就会由于等待响应而阻塞,这不仅会给客户带来很差的体验,而且在很多应用中还会占用很多资源,比如线程,以至于到最后由于等待响应被阻塞的客户端越来越多,线程资源被耗费完了。如下图所示:
为了预防这种问题,设计服务时候必须要考虑部分失败的问题。
Netfilix提供了一个比较好的解决方案,具体的应对措施包括:
• 网络超时:当等待响应时,不要无限期的阻塞,而是采用超时策略。使用超时策略可以确保资源不会无限期的占用。
• 限制请求的次数:可以为客户端对某特定服务的请求设置一个访问上限。如果请求已达上限,就要立刻终止请求服务。
•断路器模式(Circuit Breaker Pattern):记录成功和失败请求的数量。如果失效率超过一个阈值,触发断路器使得后续的请求立刻失败。如果大量的请求失败,就可能是这个服务不可用,再发请求也无意义。在一个失效期后,客户端可以再试,如果成功,关闭此断路器。
• 提供回滚:当一个请求失败后可以进行回滚逻辑。例如,返回缓存数据或者一个系统默认值。
Netflix Hystrix是一个实现相关模式的开源库。如果使用JVM,推荐考虑使用Hystrix。而如果使用非JVM环境,你可以使用类似功能的库。
IPC技术
现在有很多不同的IPC技术。服务之间的通信可以使用同步的请求/响应模式,比如基于HTTP的REST或者Thrift。另外,也可以选择异步的、基于消息的通信模式,比如AMQP或者STOMP。除以之外,还有其它的消息格式供选择,比如JSON和XML,它们都是可读的,基于文本的消息格式。当然,也还有二进制格式(效率更高)的,比如Avro和Protocol Buffer。接下来我们将会讨论异步的IPC模式和同步的IPC模式,首先来看异步的。
异步的,基于消息通信
当使用基于异步交换消息的进程通信方式时,一个客户端通过向服务端发送消息提交请求。如果服务端需要回复,则会发送另外一个独立的消息给客户端。因为通信是异步的,客户端不会因为等待而阻塞,相反,客户端理所当然的认为响应不会立刻接收到。
一个消息由头部(元数据例如发送方)和消息体构成。消息通过channel发送,任何数量的生产者都可以发送消息到channel,同样的,任何数量的消费者都可以从渠道中接受数据。有两类channel,点对点和发布/订阅。点对点channel会把消息准确的发送到某个从channel读取消息的消费者,服务端使用点对点来实现之前提到的一对一交互模式;而发布/订阅则把消息投送到所有从channel读取数据的消费者,服务端使用发布/订阅channel来实现上面提到的一对多交互模式。
下图展示了打车软件如何使用发布/订阅:
行程管理服务在发布-订阅channel内创建一个行程消息,并通知调度服务有一个新的行程请求,调度服务发现一个可用的司机然后向发布-订阅channel写入司机建议消息(Driver Proposed message)来通知其他服务。
有很多消息系统可以选择,最好选择一种支持多编程语言的。一些消息系统支持标准协议,例如AMQP和STOMP。其他消息系统则使用独有的协议,有大量开源消息系统可选,比如RabbitMQ、Apache Kafka、Apache ActiveMQ和NSQ。它们都支持某种形式的消息和channel,并且都是可靠的、高性能和可扩展的;然而,它们的消息模型完全不同。
使用消息机制有很多优点:
•解耦客户端和服务端:客户端只需要将消息发送到正确的channel。客户端完全不需要了解具体的服务实例,更不需要一个发现机制来确定服务实例的位置。
•Message Buffering:在一个同步请求/响应协议中,例如HTTP,所有的客户端和服务端必须在交互期间保持可用。而在消息模式中,消息broker将所有写入channel的消息按照队列方式管理,直到被消费者处理。也就是说,在线商店可以接受客户订单,即使下单系统很慢或者不可用,只要保持下单消息进入队列就好了。
• 弹性客户端-服务端交互:消息机制支持以上说的所有交互模式。
•直接进程间通信:基于RPC机制,试图唤醒远程服务看起来跟唤醒本地服务一样。然而,因为物理定律和部分失败可能性,他们实际上非常不同。消息使得这些不同非常明确,开发者不会出现问题。
然而,消息机制也有自己的缺点:
•额外的操作复杂性:消息系统需要单独安装、配置和部署。消息broker(代理)必须高可用,否则系统可靠性将会受到影响。
•实现基于请求/响应交互模式的复杂性:请求/响应交互模式需要完成额外的工作。每个请求消息必须包含一个回复渠道ID和相关ID。服务端发送一个包含相关ID的响应消息到channel中,使用相关ID来将响应对应到发出请求的客户端。也许这个时候,使用一个直接支持请求/响应的IPC机制会更容易些。
现在我们已经了解了基于消息的IPC,接下来我们来看看基于请求/响应模式的IPC。
同步的,基于请求/响应的IPC
当使用一个同步的,基于请求/响应的IPC机制,客户端向服务端发送一个请求,服务端处理请求,返回响应。一些客户端会由于等待服务端响应而被阻塞,而另外一些客户端也可能使用异步的、基于事件驱动的客户端代码(Future或者Rx Observable的封装)。然而,不像使用消息机制,客户端需要响应及时返回。这个模式中有很多可选的协议,但最常见的两个协议是REST和Thrift。首先我们来看下REST。
REST
现在很流行使用RESTful风格的API。REST是基于HTTP协议的。另外,一个需要理解的比较重要的概念是,REST是一个资源,一般代表一个业务对象,比如一个客户或者一个产品,或者一组商业对象。REST使用HTTP语法协议来修改资源,一般通过URL来实现。举个例子,GET请求返回一个资源的简单信息,响应格式通常是XML或者JSON对象格式。POST请求会创建一个新资源,PUT请求更新一个资源。这里引用下REST之父Roy Fielding说的:
当需要一个整体的、重视模块交互可扩展性、接口概括性、组件部署独立性和减小延迟、提供安全性和封装性的系统时,REST可以提供这样一组满足需求的架构。
下图展示了打车软件是如何使用REST的。
乘客通过移动端向行程管理服务的/trips
资源提交了一个POST请求。行程管理服务收到请求之后,会发送一个GET请求到乘客管理服务以获取乘客信息。当确认乘客信息之后,紧接着会创建一个行程,并向移动端返回201(译者注:状态码)响应。
很多开发者都表示他们基于HTTP的API是RESTful的。但是,如同Fielding在他的博客中所说,这些API可能并不都是RESTful的。Leonard Richardson为REST定义了一个成熟度模型,具体包含以下4个层次(摘自IBM):
- 第一个层次(Level 0)的 Web 服务只是使用 HTTP 作为传输方式,实际上只是远程方法调用(RPC)的一种具体形式。SOAP 和 XML-RPC 都属于此类。
- 第二个层次(Level 1)的 Web 服务引入了资源的概念。每个资源有对应的标识符和表达。
- 第三个层次(Level 2)的 Web 服务使用不同的 HTTP 方法来进行不同的操作,并且使用 HTTP 状态码来表示不同的结果。如 HTTP GET 方法来获取资源,HTTP DELETE 方法来删除资源。
- 第四个层次(Level 3)的 Web 服务使用 HATEOAS。在资源的表达中包含了链接信息。客户端可以根据链接来发现可以执行的动作。
使用基于HTTP的协议有如下好处:
• HTTP非常简单并且大家都很熟悉。
• 可以使用浏览器扩展(比如Postman)或者curl之类的命令行来测试API。
• 内置支持请求/响应模式的通信。
• HTTP对防火墙友好的。
• 不需要中间代理,简化了系统架构。
不足之处包括:
• 只支持请求/响应模式交互。可以使用HTTP通知,但是服务端必须一直发送HTTP响应才行。
• 因为客户端和服务端直接通信(没有代理或者buffer机制),在交互期间必须都在线。
• 客户端必须知道每个服务实例的URL。如之前那篇关于API Gateway的文章所述,这也是个烦人的问题。客户端必须使用服务实例发现机制。
开发者社区最近重新发现了RESTful API接口定义语言的价值。于是就有了一些RESTful风格的服务框架,包括RAML和Swagger。一些IDL,例如Swagger允许定义请求和响应消息的格式。其它的,例如RAML,需要使用另外的标识,例如JSON Schema。对于描述API,IDL一般都有工具来定义客户端和服务端骨架接口。
Thrift
Apache Thrift是一个很有趣的REST的替代品。它是Facebook实现的一种高效的、支持多种编程语言的远程服务调用的框架。Thrift提供了一个C风格的IDL定义API。使用Thrift编译器可以生成客户端和服务器端代码框架。编译器可以生成多种语言的代码,包括C++、Java、Python、PHP、Ruby, Erlang和Node.js。
Thrift接口包括一个或者多个服务。服务定义类似于一个JAVA接口,是一组方法。Thrift方法可以返回响应,也可以被定义为单向的。返回值的方法其实就是请求/响应类型交互模式的实现。客户端等待响应,并可能抛出异常。单向方法对应于通知类型的交互模式,服务端并不返回响应。
Thrift支持多种消息格式:JSON、二进制和压缩二进制。二进制比JSON更高效,因为二进制解码更快。同样原因,压缩二进制格式可以提供更高级别的压缩效率。JSON,是易读的。Thrift也可以在裸TCP和HTTP中间选择,裸TCP看起来比HTTP更加有效。然而,HTTP对防火墙,浏览器和人来说更加友好。
消息格式
了解完HTTP和Thrift后,我们来看下消息格式方面的问题。如果使用消息系统或者REST,就可以选择消息格式。其它的IPC机制,例如Thrift可能只支持部分消息格式,也许只有一种。无论哪种方式,我们必须使用一个跨语言的消息格式,这非常重要。因为指不定哪天你会使用其它语言。
有两类消息格式:文本和二进制。文本格式的例子包括JSON和XML。这种格式的优点在于不仅可读,而且是自描述的。在JSON中,一个对象就是一组键值对。类似的,在XML中,属性是由名字和值构成。消费者可以从中选择感兴趣的元素而忽略其它部分。同时,小幅度的格式修改可以很容器向后兼容。
XML文档结构是由XML schema定义的。随着时间发展,开发者社区意识到JSON也需要一个类似的机制。一个选择是使用JSON Schema,要么是独立的,要么是例如Swagger的IDL。
基于文本的消息格式最大的缺点是消息会变得冗长,特别是XML。因为消息是自描述的,所以每个消息都包含属性和值。另外一个缺点是解析文本的负担过大。所以,你可能需要考虑使用二进制格式。
二进制的格式也有很多。如果使用的是Thrift RPC,那可以使用二进制Thrift。如果选择消息格式,常用的还包括Protocol Buffers和Apache Avro。它们都提供典型的IDL来定义消息架构。一个不同点在于Protocol Buffers使用的是加标记(tag)的字段,而Avro消费者需要知道模式(schema)来解析消息。因此,使用前者,API更容易演进。这篇博客很好的比较了Thrift、Protocol Buffers、Avro三者的区别。
总结
微服务必须使用进程间通信机制来交互。当设计服务的通信模式时,你需要考虑几个问题:服务如何交互,每个服务如何标识API,如何升级API,以及如何处理部分失败。微服务架构有两类IPC机制可选,异步消息机制和同步请求/响应机制。在下一篇文章中,我们将会讨论微服务架构中的服务发现问题。