基于Spring Cloud的微服务架构升级设计

2018-04-08 本文已影响558人孙振强

前言

现在研发的项目启动今已近一年之久，期间从项目属性、人员规模、系统定位等方面都发生了很大的变化，而且是越变越好。不过也因为此，项目最初的架构设计已经不能满足现在的需求，并随着时间的推移，诟病越来越多、越来越严重。

为了解决这一问题，开发人员也在努力的尝试各种办法，但总的来说之前的方式更多是在打补丁，暂时或看上去是解决问题了，实质上并没有从本质的变化。基于这一情况，这一次我们下定决心，用一定的人力、物力去重新定义系统的架构——基于Spring Cloud实现微服务的架构。

本文简要介绍微服务及微服务架构的概念，并描述了Spring Cloud的功能，然后基于Spring Cloud的各个组件搭建微服务的整体架构，并对升级后的系统架构进行了设计、约定和说明。

特别说明：鉴于现在的开发模式采用的是前后端分离的模式，系统问题在后端也较为严重，Spring Cloud也只一个后端治理的框架，所以本文主要讲述的是后端微服务的架构设计，前端的架构调整等Spring Cloud雏形完成后进行组合设计。

[TOC]

1. 微服务简述

1.1. 什么是微服务

微服务（MicroService）没有一个官方的标准定义，ThoughtWorks的首席科学家马丁·福勒这样说：“微服务架构是一种架构模式，它提倡将单一应用程序划分成一组小的服务，服务之间互相协调、互相配合，为用户提供最终价值。每个服务运行在其独立的进程中，服务与服务间采用轻量级的通信机制互相沟通（通常是基于HTTP协议的RESTful API）。每个服务都围绕着具体业务进行构建，并且能够被独立的部署到生产环境、类生产环境等。另外，应当尽量避免统一的、集中式的服务管理机制，对具体的一个服务而言，应根据业务上下文，选择合适的语言、工具对其进行构建。”

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1.2. 微服务架构优势

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1 复杂度可控

在将应用分解的同时，规避了原本复杂度无止境的积累。每一个微服务专注于单一功能，并通过定义良好的接口清晰表述服务边界。

由于体积小、复杂度低，每个微服务可由一个小规模开发团队完全掌控，易于保持高可维护性和开发效率。

2 独立部署

由于微服务具备独立的运行进程，所以每个微服务也可以独立部署。当某个微服务发生变更时无需编译、部署整个应用。

由微服务组成的应用相当于具备一系列可并行的发布流程，使得发布更加高效，同时降低对生产环境所造成的风险，最终缩短应用交付周期。

3 技术选型灵活

微服务架构下，技术选型是去中心化的。每个团队可以根据自身服务的需求和行业发展的现状，自由选择最适合的技术栈。

由于每个微服务相对简单，所以需要对技术栈进行升级时所面临的风险就较低，甚至完全重构一个微服务也是可行的。

4 容错

当某一组件发生故障时，在单一进程的传统架构下，故障很有可能在进程内扩散，形成应用全局性的不可用。

在微服务架构下，故障会被隔离在单个服务中。若设计良好，其他服务可通过重试、平稳退化等机制实现应用层面的容错。

5 扩展

单块架构应用也可以实现横向扩展，就是将整个应用完整的复制到不同的节点。当应用的不同组件在扩展需求上存在差异时，微服务架构便体现出其灵活性，因为每个服务可以根据实际需求独立进行扩展。

简单来说，微服务是基于单体应用的新型架构模式，可以基于微服务更好的进行自动化测试、运维、监控，从而满足持续交付，最终实现高质量的用户价值。

1.3. 微服务 VS 当前开发

微服务的开发模式和传统开发模式有着很大的不同，大致有以下几点：

分工不同 ：现在一个组负责一个系统，一个人负责系统的一部分；微服务后可能是一人负责一个或多个系统。
架构不同：现在更多的从模块上拆分、前后端上拆分开发；微服务后将同时从横向纵向上拆分。
部署方式不同：现在是手工和半自动发布；微服务后得自动化运维。
容灾不同：现在的系统是一个整体，并且是单点运行；微服务后可以多点负载，还可以隔离故障避免系统整体宕机。
团队结构不同 2 pizza（6~10人）的小团队

此处输入图片的描述

分权机制
联邦分权制 -- 对结果负责
职能分权制 -- 对行为负责

2. 技术选型

2.1. Dubbo

Dubbo是Alibaba开源的分布式服务框架，它最大的特点是按照分层的方式来架构，使用这种方式可以使各个层之间解耦合（或者最大限度地松耦合）。从服务模型的角度来看，Dubbo采用的是一种非常简单的模型，要么是提供方提供服务，要么是消费方消费服务，所以基于这一点可以抽象出服务提供方（Provider）和服务消费方（Consumer）两个角色。

Dubbo服务的官方更新非常不确定，2014年10月30日停止更新后，最近几个月低调开始维护，发布了5个优化版本。

2.2. 为什么选择Spring Cloud

Spring Cloud是一系列框架的有序集合。它利用Spring Boot的开发便利性巧妙地简化了分布式系统基础设施的开发，如服务发现注册、配置中心、消息总线、负载均衡、断路器、数据监控等，都可以用Spring Boot的开发风格做到一键启动和部署。

Spring Cloud的开发团队专注于企业级开源框架的研发，不论是在中国还是在世界上使用都非常广泛，开发出通用、开源、稳健的开源框架是他们的主业。

Spring Cloud是微服务架构的生态环境，考虑到了微服务的各个方面，不像阿里的Dubbo 框架只是专注于服务之间的治理。

Spring Cloud的社区热度非常好，问题修复也非常及时，未来会更加完善和稳定。

Spring Cloud也可以较好的兼容python、php等其他语言开发的微服务。因为采用RESTful。

Spring Cloud与Docker可以完美组合使用。

Spring Cloud 英文官网：http://projects.spring.io/spring-cloud/
Spring Cloud 中文文档：https://springcloud.cc/

2.3. Spring Boot的特性

Spring Boot是一个简化Spring使用的框架，可以使用少量的配置快速创建一个基于Spring的项目。Spring Boot主要有如下核心功能：

独立运行的Spring项目：Spring Boot可以以jar包的形式来运行，运行一个Spring Boot项目我们只需要通过java -jar xx.jar类运行。
内嵌Servlet容器：Spring Boot可以内嵌Tomcat，这样我们无需以war包的形式部署项目。
提供starter简化Maven配置：使用Spring或者SpringMVC我们需要添加大量的依赖，而这些依赖很多都是固定的，这里Spring Boot 通过starter能够帮助我们简化Maven配置。
自动配置Spring
提供生产就绪型功能，如指标，健康检查和外部配置
无代码生成和xml配置

3. 我们微服务架构约定

3.1. 技术栈

编程语言：Kotlin、JAVA、Python、PHP、SQL
构建工具：Gradle、Maven
数据库：MySQL、MongoDB、SQL Server
缓存：Redis
消息队列：RabbitMQ
IDE：IntelliJ IDEA、Eclipse
服务部署：Linux、Docker、Jenkins、Ansible
微服务框架：Spring Cloud
后端开发框架：Spring Boot
前端开发框架：VUE

3.2. Spring Cloud基础服务选型

配置：Spring Cloud Config，统一配置管理
总线：Spring Cloud Bus，可与Spring Cloud Config联合实现热部署
发现：Eureka，微服务的注册与发现
容错：Hystrix，断路器
网关：Zuul，提供动态路由,监控,弹性,安全等边缘服务的框架
负载：Ribbon，有多种负载均衡策略可供选择
调用：Feign，一种声明式、模板化的HTTP客户端
跟踪：Spring Cloud Sleuth，日志收集工具包
会话：Spring-Session

3.3. 工具版本约定

名称	版本	备注
Spring Boot	2.0.0.M6	-
Spirng Cloud	Finchley.M4	-
Kotlin	1.2	需保持最新
JAVA	1.8.0_151	—
Gradle	4.4.1	保持更新
Maven	3.5.2	-
MySQL	5.7.17	-
MongoDB	3.6	-
PHP	7.2.0	—
Python	3.6.4	—
Redis	4.0.1	-
Docker	17.09	-
Jenkins	2.89.2	-
CentOS	7.4	-
SQL Server	2008	历史系统
Ansible	2.3.3.0-1	-
Tomcat	8.5.24	-

3.4 微服务设计原则

单一职责：
每个服务都很小，且专注于做一件事情，并且把它做好。
至于要多小，有人喜欢100行以内，有人赞成1000行以内，数字并不是最重要的，只要团队觉得合适就好。
轻量通讯
服务和服务之间通过轻量级的机制实现彼此间的通信。所谓轻量级通信机制，通常指基于语言无关、平台无关的这类协议，例如XML、JSON，而不是传统我们熟知的Java RMI或者.Net Remoting等。
独立部署
每个服务都运行在一个独立的操作系统进程中，这意味着不同的服务能被部署到不同的主机上。
康威定律
请读：https://yq.aliyun.com/articles/8611
将1968年由梅尔.康威提出:产品反映了制造该产品的组织结构。

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第一定律：Communication dictates design. 组织沟通方式会通过系统设计表达出来。

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。

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。

3.5 微服务拆分

微服务的拆分是个复杂问题，简单来说需要从横向和纵向多刀去拆。

3.5.1 横向拆分

按照不同的业务域进行拆分，例如订单、营销、风控、积分资源等，形成独立的业务领域微服务集群。

用户：
订单：
评论：
组织：
商品：
交易：
搜索：
营销：
消费者信息：
消费者分布：
消费者画像：
积分：
订货：
账户：

3.5.2 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。

短信：短信发送、记录、均衡、防漏、模板配置
文件：文件上传、缩略、下载、打包、数据库记录
微信：
日志：
支付：
快递：快递查询、状态订阅
地图：地址经纬度互转、距离计算、线路推荐
计划任务：统一的计划任务配置及调度
微信公众号配置：
微信自动回复：

3.6 架构升级步骤

独立构建微服务框架，将现有系统的核心功能分离出来做成基础微服务。如短信模板消息发送、微信模板消息发送、文件上传下载等；
利用这些基础微服务，解耦现有系统，修改其调用关系和依赖方式；
通过不断的微服务化，逐渐将现有系统分解成多个独立的微服务；
废弃现有的系统，使用全新构建的微服务来替代。

3.7. 微服务总体架构图

构件一套完整的微服务架构需要考虑许多问题，包括API Gateway、服务间调用、服务发现、服务容错、服务部署、数据调用等。基于SpringCloud构建微服务架构可以通过自动配置和绑定Spring环境和其他Spring编程模型来实现微服务。采用Spring Boot应用程序提供的集成功能，通过几个简单的注释，开发人员可以快速配置和启用应用程序中的常见功能模块，并使用久经考验的Netflix组件构建大型分布式系统。提供的微服务功能模块包括服务发现（Eureka），断路器（Hystrix），智能路由（Zuul）和客户端负载均衡（Ribbon）等。图2显示了采用Spring Cloud系列平台构建的微服务整体架构。

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基于Spring Cloud系统的微服务架构平台

服务发现是microservice基础架构的关键原则之一。服务注册中心采用Spring CloudNetflix的项目可以自动注册服务，也可以通过HTTP接口手动注册。默认情况下，Eureka使用客户端心跳来确定一个客户端是否活着。也可以另指定DiscoveryClient来传播当前SpringBoot Actuator的应用性能的健康检查状态。

统一的接入服务接口采用Spring Cloud的Zuul组件，实现内外有别的微服务调用。该组件也实现了服务路由功能。采用Spring Cloud Netflix来实现服务的限流和降级。

为实现服务的高可用，保证服务的容错和负载均衡，本平台可采用客户端负载均衡（Ribbon）来实现。

Spring Cloud Netflix的Hystrix熔断器组件，具有容错管理工具，旨在通过熔断机制控制服务和第三方库的节点，从而对延迟和故障提供更强大的容错能力。为保证核心服务的稳定性，可采用Spring Cloud Netflix的Hystrix组件来实现服务的服务的容错、限流和降级等功能。

微服务的安全控制和权限验证可采用Spring CloudSecurity来实现。对于RESTful，可采用Spring Cloud的Feign 组件，这是一个声明Web服务客户端。这便得编写web服务客户端更容易，使用Feign 创建一个接口并对它进行注解，它具有可插拔的注解支持包括Feign注解与JAX-RS注解，Feign还支持可插拔的编码器与解码器

4. 微服务带来的新问题

一个服务拆成多大才合适？
多个微服务能否共享数据库？
每个微服务都有自己独立的数据库，那么后台管理的联合查询怎么处理？这是大家普遍遇到的一个问题。
有如下三种处理方案：

严格按照微服务的划分来做，微服务相互独立，各微服务数据库也独立，后台需要展示数据时，调用各微服务的接口来获取对应的数据，再进行数据处理后展示出来，这是标准的用法，也是最麻烦的用法。
将业务相关的表放到一个库中，将业务无关的表严格按照微服务模式来拆分，这样既可以使用微服务，也避免了数据库各种切换导致后台统计难以实现，是一个折中的方案。
数据库严格按照微服务的要求来切分，以满足业务高并发，实时或者准实时将各微服务数据库数据同步到 NoSQL 数据库中，在同步的过程中进行数据清洗，用来满足后台业务系统的使用，推荐使用 Mongodb、Hbase 等。
三种方案在不同的公司我都使用过，第一种方案适合业务较为简单的小公司；第二种方案，适合想在原有系统之上，慢慢演化为微服务架构的公司；第三种适合大型高并发的互联网公司。

如何与现有系统结合使用、并行开发、最终替代？
如何避免开发人员瞎子摸象、管中窥豹？
服务调用流，服务编排如何使用？
自动化运维的新挑战？

5. 结束语

微服务架构不是绝对的好，它有一定的使用场景，也有一定的落地难度。结合我们目前的情景和未来的发展来说，微服务架构是适合我们的，并且能够解决很多现有系统的诟病，但是落地的难度也是比较大的，特别是要结合已有的各个系统进行使用。
Spring Cloud作为稳定的微服务的一站式解决方案，能快速高效地搭建微服务架构，并且能够结合多语言开发，这个正是我们所需要的。
从今天开始，微服务的架构升级正式开始，一部分人直接开始参与，一部分人员间接来参与，但最终我们所有人都会在一个统一的架构上进行持续交付，从而更大的实现用户价值。

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