Масштабирование микросервисов: подробное руководство

Микросервисная архитектура — это структурный подход к разработке приложений, при котором оно разбивается на небольшие и независимые блоки — сервисы. Каждый из этих сервисов выполняет определенную функциональность и работает как отдельный процесс.

По мере роста приложения и его отдельных сервисов появляется необходимость в их масштабировании. На данном этапе разработчики начинают сталкиваться с самыми разными трудностями. Они могут быть связаны с управлением и поддержкой всей инфраструктуры, настройкой взаимодействия микросервисов, мониторингом и другими важными аспектами процесса масштабирования.

В данной статье мы рассмотрим подробное руководство по масштабированию микросервисов, включая возможные проблемы, с которыми могут столкнуться разработчики, и расскажем об инструментах для решения этих проблем.

Координация сервисов

Координация сервисов в микросервисной архитектуре — это один из ключевых аспектов про который нельзя забывать. Она обеспечивает коммуникацию и взаимодействие между отдельными компонентами приложения в распределенной системе. При увеличении количества микросервисов пропорционально растет и сложность в их управлении, поэтому важно понимать в какие моменты могут возникать сложности в координации сервисов и как их решать.

Мы выделим 3 аспекта, которые связаны с координацией сервисов и важны при их масштабировании:

• Обнаружение микросервисов;
• Балансировка нагрузки;
• Взаимодействие микросервисов.

Обнаружение микросервисов

Когда приложение состоит из множества микросервисов, каждый из которых может иметь динамически изменяющийся IP-адрес или URL, обеспечение эффективного взаимодействия между службами становится сложной задачей. С ней поможет справиться технология Service Discovery. Она позволяет автоматически обнаруживать и регистрировать доступные микросервисы, что упрощает их взаимодействие и уменьшает необходимость ручной конфигурации. 

В процессе развертывания или при запуске, каждый микросервис регистрируется в реестре обнаружения (Service Discovery Registry), где указывает свой IP-адрес, порт и другие метаданных, которые позволят его идентифицировать. Другие микросервисы, которым требуется обращение к определенному сервису, могут обратиться к Service Discovery для получения информации о доступных микросервисах и их расположении.

Существует несколько подходов для реализации Service Discovery:

• Обнаружение микросервисов на основе DNS.
• Обнаружение микросервисов на стороне клиента.
• Обнаружение микросервисов на стороне сервера.

А вот полезные инструменты, в которых реализован механизм Service Discovery:

• Etcd – простой и быстрый, но малофункциональный.
• Consul – тяжелый и медленный, но многофункциональный. Также имеет встроенный веб-интерфейс.
• Kubernetes – известно, что Kubernetes имеет богатый набор различного функционала. Service Discovery не исключение.
• Eureka – реестр микросервисов от компании Netflix, в котором реализован подход обнаружения микросервисов на стороне клиента.

Балансировка нагрузки

Другой важной задачей при координации сервисов является балансировка нагрузки. При росте числа запросов и пользователей, некоторые микросервисы могут столкнуться с перегрузками. Чтобы избежать этого, организации должны своевременно предпринимать соответствующие меры для равномерного распределения запросов по нескольким экземплярам сервиса.

Технологии динамической балансировки нагрузки легко адаптируются к изменяющемуся трафику и корректируют стратегию распределения нагрузки. Популярные инструменты, в которых реализована данная технология — это Kubernetes, NGINX, HAProxy или Traefik.

Взаимодействие микросервисов

Взаимодействие между микросервисами — еще один ключевой аспект масштабирования, который позволяет сервисам взаимодействовать друг с другом и обмениваться данными для обеспечения полноценной функциональности всего приложения.

Способы взаимодействия микросервисов:

• HTTP/REST API.

Каждый микросервис предоставляет API с использованием протокола HTTP и принимает запросы от других сервисов. Взаимодействие основывается на принципах REST, где каждый ресурс имеет свой URL и поддерживает различные операции (GET, POST, PUT, DELETE и другие) для доступа к данным.

^{Источник изображения: habr.com}

• Брокеры сообщений.

Еще один способ взаимодействия микросервисов – это брокеры сообщений. Они являются промежуточным звеном для обмена сообщениями между микросервисами. Когда один микросервис хочет передать информацию другому, он отправляет сообщение в брокер, который в свою очередь доставляет сообщение адресату. Примеры брокеров — Apache Kafka и RabbitMQ. Кстати про них у нас есть отдельная статья в блоге.

• gRPC.

gRPC — это современный протокол удаленного вызова процедур (RPC), разработанный компанией Google. Он обеспечивает эффективное и быстрое взаимодействие между микросервисами, используя протокол HTTP/2 для передачи данных.

Перечисленные способы взаимодействия микросервисов обеспечивают надежную, отказоустойчивую, асинхронную и масштабируемую обработку межсервисных коммуникаций. 

Согласованность данных

Согласованность данных становится сложной задачей в распределенной среде, где каждый микросервис может обновлять данные независимо друг от друга. Главной целью этой главы является рассмотрение проблем согласованности данных и представление подходов, которые помогают решить эту проблему.

В традиционной монолитной архитектуре транзакции могут быть легко управляемыми, но в микросервисной архитектуре, где каждый микросервис может иметь свою собственную базу данных, выполнение распределенных транзакций становится сложной задачей. Использование транзакций ACID не совсем подходит под микросервисную архитектуру. При масштабировании, использование такого подхода может вызвать ряд проблем: сложность координации, ограничение производительности и гибкости, увеличение нагрузки на БД.

Ниже, мы перечислим подходы, которые могут помочь вам в обеспечении согласованности данных при масштабировании микросервисов:

• Saga Pattern.

Вместо одной большой транзакции, Saga Pattern представляет собой последовательность небольших локальных транзакций в каждом микросервисе, которые взаимодействуют друг с другом, чтобы обеспечить согласованность данных.

• CQRS.

CQRS предполагает разделение операций записи (команд) и операций чтения (запросов) в отдельные модели. Это позволяет оптимизировать чтение и запись данных, а также обеспечивает более гибкую модель доступа к данным.

Улучшение производительности

При масштабировании микросервисов и обработке большого количества запросов могут возникнуть проблемы с производительностью. Ниже перечислим ряд действий, которые помогут в улучшении производительности:

• Кэширование данных.

Кэширование данных — это метод сохранения результатов запросов. Если в системе будет сделан запрос аналогичный раннему, то данные будут получены из кэша, а не из исходного источника. Кэширование может существенно уменьшить нагрузку на БД и уменьшить время ответа микросервисов.

• Асинхронная обработка.

Использование асинхронной обработки может улучшить производительность микросервисов. Особенно это касается тех случаев, когда запросы требуют длительного времени обработки или связаны с внешними сервисами. Вместо блокирования вызывающего сервиса до завершения операции, микросервис может выполнить операцию асинхронно и отправить ответ позже.

• Горизонтальное масштабирование.

При горизонтальном масштабировании микросервисов добавляются дополнительные экземпляры на различных серверах или контейнерах. Это обеспечивает более высокую отказоустойчивость и позволяет балансировать нагрузку между разными экземплярами.

• Вертикальное масштабирование.

При вертикальном масштабировании микросервисов увеличиваются ресурсы на одном сервере или контейнере, чтобы обеспечить более высокую производительность. Но данный метод не настолько эффективен, как горизонтальное масштабирование.

• Мониторинг и оптимизация.

Постоянный мониторинг работы микросервисов и анализ результатов метрик помогают выявить узкие места производительности. Для этого вы можете использовать специальные инструменты:

• Helios;
• Prometheus;
• Prometheus;
• New Relic и другие.

Выбор подходящей инфраструктуры

Правильно подобранная инфраструктура напрямую влияет на масштабируемость микросервисов, поскольку именно она предоставляет все необходимые ресурсы и инструменты для развертывания. Подбор доступных инструментов полностью зависит от требований вашего проекта и функциональности его микросервисов. Ниже будут перечислены различные аспекты на которые стоит обращать внимание при выборе инфраструктуры: 

• Контейнеризация и оркестрация.

Использование контейнеров, таких как Docker, облегчает упаковку и доставку микросервисов с их зависимостями. Контейнеры предоставляют изолированное окружение для каждого микросервиса, что обеспечивает повторяемость и устойчивость к различным конфигурациям.

Оркестрация контейнеров, например, с помощью Kubernetes, облегчает управление, развертывание и масштабирование микросервисов, а также обеспечивает автоматическое восстановление при сбоях.

• Облачные платформы.

Публичные облачные платформы предоставляют гибкую и масштабируемую инфраструктуру для размещения и управления микросервисами. Вы можете заказать облачный сервер в Timeweb Cloud и развернуть на нем свой проект.

• Оценка стоимости.

Обязательно проведите анализ стоимости использования различных облачных платформ и сервисов, а также изучите возможности оптимизации затрат на инфраструктуру. Данный процесс поможет сократить расходы на развертывание проекта и его последующее масштабирование.

• Долгосрочная масштабируемость.

Удостоверьтесь, что выбранная инфраструктура способна легко расширяться и адаптироваться к растущим требованиям вашего приложения в будущем. Это поможет избежать вам ненужных сложностей, появляющихся по мере роста приложения.

Выбирайте такую инфраструктуру, которая будет поддерживать рост вашего проекта с помощью таких функций, как автомасштабирование микросервисов, мониторинг, управление ресурсами, балансировка нагрузки и т.д.

Мониторинг и наблюдаемость

Мониторинг и наблюдаемость играют ключевую роль в успешной эксплуатации микросервисной архитектуры. Они позволяют находить проблемы, отслеживать производительность, анализировать данные и принимать меры по оптимизации системы. Ниже перечислим основные аспекты и инструменты мониторинга, на которые стоит обратить свое внимание:

• Трассировка запросов.

Трассировка запросов позволяет отслеживать путь запроса от клиента до микросервисов. Это особенно полезно в сложных системах, где запрос может проходить через множество сервисов перед получением ответа. Трассировка запросов помогает идентифицировать узкие места производительности, проблемы с задержкой и другие сложности. 

Чтобы облегчить оптимизацию и отладку системы, вы можете воспользоваться следующими инструментами для реализации трассировки запросов:

• • Helios;
  • Datadog;
  • Jaeger.

• Логирование.

Логирование (журналирование) представляет собой запись событий, ошибок и другой полезной информации, происходящей в микросервисах. Хорошо структурированные логи облегчают анализ и поиск проблем в системе. Ниже приведены примеры инструментов для логирования:

• • ELK Stack;
  • Fluentd.

• Метрический мониторинг.

Метрический мониторинг позволяет собирать и анализировать метрики производительности, загрузки ресурсов и другой статистической информации о микросервисах. Примером инструментов для сбора метрик и их визуализации служат:

• • Prometheus;
  • Grafana.

• Управление событиями и алертинг.

Управление событиями и алертинг используются для автоматического реагирования на определенные события или состояния в системе. Они помогают оперативно выявлять и предупреждать об ошибках, сбоях или других проблемах, которые могут повлиять на работоспособность приложения. Например, вы можете воспользоваться Prometheus Alertmanager или PagerDuty.

Отказоустойчивость микросервисов

В микросервисной архитектуре, где каждый сервис работает независимо от других, важно предусмотреть механизмы, которые обеспечат стабильную и надежную работу системы даже в случае возникновения сбоев и ошибок у отдельных сервисов. Особенно это касается вопроса масштабирования микросервисов, так как при значительном росте числа сервисов данный процесс усложняется.

Ниже приведены некоторые аспекты и инструменты, которые помогут вам наладить отказоустойчивость:

• Отказоустойчивость.

Отказоустойчивость (resilience) в микросервисной архитектуре означает способность системы продолжать надежно функционировать в условиях сбоев или ошибок. Этот подход направлен на минимизацию влияния отдельных сбойных компонентов на работу всей системы, путем использования правильных стратегий развертывания, балансировки нагрузки и обработки отказов.

• Обнаружение сбоев и восстановление.

Обнаружение сбоев и восстановление — это механизмы, которые позволяют оперативно обнаруживать сбои и ошибки в системе, а также восстанавливать работоспособность приложения. Например, такими механизмы обладает Kubernetes.

• Механизмы повторных попыток.

Механизмы повторных попыток позволяют повторить запрос к сервису, если он не был успешным. Это позволяет уменьшить влияние временных сбоев или перегрузок на приложение и улучшает вероятность успешного завершения операции. Например, такие механизмы реализованы в Spring Retry.

Безопасность и контроль доступа

По мере роста приложения и количества его микросервисов, оно становится все более уязвимым к нарушениям безопасности. Важно понимать, что внедрение специальных механизмов и методов могут сильно повысить безопасность вашего проекта при его масштабировании. Вот примеры некоторых из них:

• Аутентификация и авторизация.

Вы можете внедрить надежные механизмы аутентификации и авторизации. Например, протоколы OAuth 2.0 или OpenID Connect, а также JSON Web Tokens для создания токенов доступа. 

• Защита данных.

Защита данных включает механизмы, которые обеспечивают конфиденциальность, целостность и доступность данных в микросервисной архитектуре. К ними относятся:

• • TLS/SSL — TLS (Transport Layer Security) или его предшественник SSL (Secure Sockets Layer) шифруют данные во время их передачи между клиентом и сервером;
  • API Gateway — он может обеспечивать авторизацию и аутентификацию клиентов перед доступом к микросервисам, контролировать доступ к различным эндпоинтам API и обеспечивать механизмы шифрования данных.

• Аудиты безопасности и тестирование.

Проведение аудитов безопасности и тестирования на проникновение с помощью Metasploit, OpenVAS или Nessus могут значительно повысить безопасность вашего приложения.

Заключение

В данной статье мы описали подробное руководство по масштабированию микросервисов, включая возможные проблемы, с которыми могут столкнуться разработчики, и инструменты для их решения. Правильное масштабирование обеспечивает стабильную работу и высокую производительность всей системы. Придерживаясь описанных выше подходов, ваша компания сможет успешно масштабировать микросервисы, а также гарантировать удовлетворение потребностей пользователей и быть на шаг впереди своих конкурентов.