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华为内部实施微服务软件开发架构的5大原则

2016-08-24 14:30:07

随着业务的发展,代码量的膨胀和团队成员的增加,传统单体式架构的弊端越来越凸显,严重制约了业务的快速创新和敏捷交付。为了解决传统单体架构面临的挑战,先后演进出了SOA服务化架构、RPC框架、分布式服务框架,最后就是当今非常流行的微服务架构。

微服务化架构并非银弹,它的实施本身就会面临很多陷阱和挑战,涉及到设计、开发、测试、部署、运行和运维等各个方面,一旦使用不当,则会导致整个微服务架构改造的效果大打折扣,甚至失败。

本文从微服务的生命周期全过程,阐述微服务架构的改造如何实施,以及如何避开各种陷阱,提升实施效率。 注:本文内容是华为近几年来的服务化经验分享实录,如果你看的不酸爽,可以直接调到文末报名我们的线下活动,9月华为的同学会做一个线下的workshop,限额80人!

在实施微服务架构改造之前,我们的产品线遇到一个很大挑战,就是需求的交付周期越来越短,采用的传统MVC单体架构越来越难满足特性快速交付和上线的需求。传统的电信项目,团队规模往往都非常大,甚至会跨地域。跨团队、跨地域的分布式协同开发,代码的重用和共享是个难题。

例如我们的支付功能需要新增一个限额保护, 短短十几行代码的一个小需求,评估之后竟然需要9个星期才能上线。原因就是限额保护功能需要同时在9个不同的功能模块中修改, 新增900多个测试用例用来做全量的回归测试,示例如下:

微服务架构

通过对已有的MVC单体架构进行分析,我们发现主要存在如下几个问题:

  • 研发成本高:代码重复率高,需求变更困难,无法满足新业务快速上线和敏捷交付。
  • 测试、部署成本高:业务运行在一个进程中,因此系统中任何程序的改变,都需要对整个系统重新测试并部署。
  • 可伸缩性差:水平扩展只能基于整个系统进行扩展,无法针对某一个功能模块按需扩展。
  • 可靠性差:某个应用BUG,例如死循环、OOM等,会导致整个进程宕机,影响其它合设的应用。
  • 代码维护成本高:本地代码在不断的迭代和变更,最后形成了一个个垂直的功能孤岛,只有原来的开发者才理解接口调用关系和功能需求,新加入人员或者团队其它人员很难理解和维护这些代码。
  • 依赖关系无法有效管理:服务间依赖关系变得错踪复杂,甚至分不清哪个应用要在哪个应用之前启动,架构师都不能完整的描述应用的架构关系。

以上问题的应对策略,就是服务化

首先,需要对业务进行拆分。当业务量大了以后,特别是当不同的功能耦合在一起的时候,任何一个地方的改动都是非常困难的,必须对业务进行拆分,拆分的策略有两种:

  • 横向拆分。按照不同的业务域进行拆分,例如订单、商品、库存、号卡资源等。形成独立的业务领域微服务集群。
  • 纵向拆分。把一个业务功能里的不同模块或者组件进行拆分。例如把公共组件拆分成独立的原子服务,下沉到底层,形成相对独立的原子服务层。这样一纵一横,就可以实现业务的服务化拆分。

其次,要做好微服务的分层:梳理和抽取核心应用、公共应用,作为独立的服务下沉到核心和公共能力层,逐渐形成稳定的服务中心,使前端应用能更快速的响应多变的市场需求。

完成服务的拆分和分层工作之后,就会涉及到分布式的部署和调用。如何透明化、高效的发现服务,需要一个服务注册中心,通过服务化和订阅、发布机制对应用调用关系解耦,支持服务的自动注册和发现。

 

 

服务化架构的演进历史

 

 

在实施微服务架构之前,我们一起回顾下服务化架构的演进历史。

微服务架构

MVC

MVC架构大部分人都用过,它主要用来解决前后端、界面、控制逻辑和业务逻辑分层问题。比较流行的技术堆栈就是Spring + Struts + iBatis(Hibernate)+ Tomcat(JBoss)。

RPC

随着业务特别是互联网的发展,业务规模的扩大,模块化逐步成为一种趋势,此时解决模块之间远程调用的RPC框架应运而生。RPC需要解决模块之间跨进程通信的问题,不同的团队开发不同的模块,通过一个RPC框架实现远程调用,RPC框架帮业务把通信细节给屏蔽掉,但是RPC框架也有自身的缺点。

RPC本身不负责服务化,例如:服务的自动发现不管、服务的应用和发布不管、服务的运维和治理也不管。没有透明化、服务化的能力,对整个应用层的侵入还是比较深的。

SOA

SOA服务化架构,企业级资产重用和异构系统间的集成对接,SOA架构的现状:在传统企业IT领域,主要是解决异构系统之间的互通和粗粒度的标准化(WebService)。互联网领域,提供一套高效支撑应用快速开发迭代的服务化架构。例如各个互联网公司自研或者开源的分布式服务框架。

微服务架构

首先看一下微服务架构的定义:微服务(MSA)是一种架构风格,旨在通过将功能分解到各个离散的服务中以实现对解决方案的解耦。它有如下几个特征:

  • 小,且只干一件事情。
  • 独立部署和生命周期管理。
  • 异构性
  • 轻量级通信,RPC或者Restful。

 

 

微服务架构的拆分原则

 

 

微服务架构的实施过程中,首先遇到的最大的难题,就是它的拆分原则。

微服务拆分原则:围绕业务功能进行垂直和水平拆分。大小粒度是难点,也是团队争论的焦点。

不好的实践

  • 以代码量作为衡量标准,例如500行以内。
  • 拆分的粒度越小越好,例如以单个资源的操作粒度为划分原则。

建议的原则

  • 功能完整性、职责单一性。
  • 粒度适中,团队可接受。
  • 迭代演进,非一蹴而就。
  • API的版本兼容性优先考虑。

代码量多少不能作为衡量微服务划分是否合理的原则,因为我们知道同样一个服务,功能本身的复杂性不同,代码量也不同。还有一点需要重点强调,在项目刚开始的时候,不要期望微服务的划分一蹴而就。

微服务架构的演进,应该是一个循序渐进的过程。在一个公司、一个项目组,它也需要一个循序渐进的演进过程。一开始划不好,没有关系。当演进到一个阶段时,微服务的部署、测试和运维等成本都非常低的时候,这对于你的团队来说就是一个好的微服务。

 

 

微服务架构的开发原则

 

 

微服务的开发还会面临依赖滞后的问题。例如:A要做一个身份证号码校验,依赖服务提供者B。由于B把身份证号码校验服务的开发优先级排的比较低,无法满足A的交付时间点。A会面临要么等待,要么自己实现一个身份证号码校验功能。

以前单体架构的时候,大家需要什么,往往喜欢自己写什么,这其实是没有太严重的依赖问题。但是到了微服务时代,微服务是一个团队或者一个小组提供的,这个时候一定没有办法在某一个时刻同时把所有的服务都提供出来,“需求实现滞后”是必然存在的。

一个好的实践策略就是接口先行,语言中立,服务提供者和消费者解耦,并行开发,提升产能。无论有多少个服务,首先需要把接口识别和定义出来,然后双方基于接口进行契约驱动开发,利用Mock服务提供者和消费者,互相解耦,并行开发,实现依赖解耦。

采用契约驱动开发,如果需求不稳定或者经常变化,就会面临一个接口契约频繁变更的问题。对于服务提供者,不能因为担心接口变更而迟迟不对外提供接口,对于消费者要拥抱变更,而不是抱怨和抵触。要解决这个问题,一种比较好的实践就是管理 + 技术双管齐下:

  • 允许接口变更,但是对变更的频度要做严格管控。
  • 提供全在线的API文档服务(例如Swagger UI),将离线的API文档转成全在线、互动式的API文档服务。
  • API变更的主动通知机制,要让所有消费该API的消费者能够及时感知到API的变更。
  • 契约驱动测试,用于对兼容性做回归测试。

 

 

微服务架构的测试原则

 

 

微服务开发完成之后需要对其进行测试。微服务的测试包括单元测试、接口测试、集成测试和行为测试等,其中最重要的就是契约测试:

微服务架构

用微服务框架提供的Mock机制,可以分别生成模拟消费者的客户端测试桩和提供者的服务端测试桩,双方可以基于Mock测试桩对微服务的接口契约进行测试,双方都不需要等待对方功能代码开发完成,实现了并行开发和测试,提高了微服务的构建效率。基于接口的契约测试还能快速的发现不兼容的接口变更,例如修改字段类型、删除字段等。

 

 

微服务架构的部署原则

测试完成之后,需要对微服务进行自动化部署。微服务的部署原则:独立部署和生命周期管理、基础设施自动化。需要有一套类似于CI/CD的流水线来做基础设施自动化,具体可以参考Netflix开源的微服务持续交付流水线Spinnaker:

 

 

微服务架构

最后一起看下微服务的运行容器:微部署可以部署在Dorker容器、PaaS平台(VM)或者物理机上。使用Docker部署微服务会带来很多优先:

  • 一致的环境,线上线下环境一致。
  • 避免对特定云基础设施提供商的依赖。
  • 降低运维团队负担。
  • 高性能接近裸机性能。
  • 多租户。

相比于传统的物理机部署,微服务可以由PaaS平台实现微服务自动化部署和生命周期管理。除了部署和运维自动化,微服务云化之后还可以充分享受到更灵活的资源调度:

  • 云的弹性和敏捷。
  • 云的动态性和资源隔离。

 

 

微服务架构的治理原则

微服务部署上线之后,最重要的工作就是服务治理。微服务治理原则:线上治理、实时动态生效。

微服务常用的治理策略:

  • 流量控制:动态、静态流控制。
  • 服务降级。
  • 超时控制。
  • 优先级调度。
  • 流量迁移。
  • 调用链跟踪和分析。
  • 服务路由。
  • 服务上线审批、下线通知。
  • SLA策略控制。

微服务治理模型如下所示:

 

 

微服务架构

最上层是为服务治理的UI界面,提供在线、配置化的治理界面供运维人员使用。SDK层是提供了微服务治理的各种接口,供服务治理Portal调用。最下面的就是被治理的微服务集群,集群各节点会监听服务治理的操作去做实时刷新。例如:修改了流控阈值之后,服务治理服务会把新的流控的阈值刷到服务注册中心,服务提供者和消费者监听到阈值变更之后,获取新的阈值并刷新到内存中,实现实时生效。由于目前服务治理策略数据量不是特别大,所以可以将服务治理的数据放到服务注册中心(例如etcd/ZooKeeper),没有必要再单独做一套。

 

 

微服务最佳实践

 

 

介绍完微服务实施之后,下面我们一起学习下微服务的最佳实践。

服务路由:本地短路策略。关键技术点:优先调用本JVM内部服务提供者,其次是相同主机或者VM的,最后是跨网络调用。通过本地短路,可以避免远程调用的网络开销,降低服务调用时延、提升成功率。原理如下所示:

微服务架构

服务调用方式:同步调用、异步调用、并行调用。一次服务调用,通常就意味着会挂一个服务调用线程。采用异步调用,可以避免线程阻塞,提升系统的吞吐量和可靠性。但是在实际项目中异步调用也有一些缺点,导致使用不是特别广泛:

  • 需要写异步回调逻辑,与传统的接口调用使用方式不一致,开发难度大一些。
  • 一些场景下需要缓存上下文信息,引入可靠性问题。

并行调用适用于多个服务调用没有上下文依赖,逻辑上可以并行处理,类似JDK的Fork/Join, 并行服务调用涉及到同步转异步、异步转同步、结果汇聚等,技术实现难度较大,目前很多服务框架并不支持。采用并行服务调用,可以把传统串行的服务调用优化成并行处理,能够极大的缩短服务调用时延。三种服务调用方式的原理图如下:

微服务架构

微服务故障隔离:线程级、进程级、容器级、VM级、物理机级等。关键技术点:

  • 支持服务部署到不同线程/线程池中。
  • 核心服务和非核心服务隔离部署。
  • 为了防止线程膨胀,支持共享和独占两种线程池策略。

微服务架构

谈到分布式,就绕不开事务一致性问题:大部分业务可以通过最终一致性来解决,极少部分需要采用强一致性。

微服务架构

具体的策略如下:

  • 最终一致性,可以基于消息中间件实现。
  • 强一致性,使用TCC框架。服务框架本身不会直接提供“分布式事务”,往往根据实际需要迁入分布式事务框架来支持分布式事务。

微服务的性能三要素:

  • I/O模型,这个通常会选用非堵塞的,Java里面可能用java原生的。
  • 线程调度模型。
  • 序列化方式。

公司内部服务化,对性能要求较高的场景,建议使用异步非阻塞I/O(Netty) + 二进制序列化(Thrift压缩二进制等) + Reactor线程调度模型。

微服务架构

最后我们一起看下微服务的接口兼容性原则:技术保障、管理协同。

  • 制定并严格执行《微服务前向兼容性规范》,避免发生不兼容修改或者私自修改不通知周边的情况。
  • 接口兼容性技术保障:例如Thrift的IDL,支持新增、修改和删除字段、字段定义位置无关性,码流支持乱序等。
  • 持续交付流水线的每日构建和契约化驱动测试,能够快速识别和发现不兼容。

关于:中科研拓
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