架构-微服务架构

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前言

系统架构‌

  随着互联网的发展，网站应用的规模也在不断的扩大，进而导致系统架构也在不断的进行变化。

  从互联网早起到现在，系统架构大体经历了下面几个过程: ‌单体应用架构--->垂直应用架构--->分布式架构--->SOA架构--->微服务架构‌，当然还有悄然兴起的‌Service Mesh(服务网格化)‌。

  接下来我们就来了解一下每种系统架构是什么样子的， 以及各有什么优缺点。

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一、系统架构演变

1. 单体应用架构

  互联网早期，一般的网站应用流量较小，只需一个应用，将所有功能代码都部署在一起就可以，这样可以减少开发、部署和维护的成本。

  比如说一个电商系统，里面会包含很多用户管理，商品管理，订单管理，物流管理等等很多模块，我们会把它们做成一个web项目，然后部署到一台tomcat服务器上。

优点：

• 项目架构简单，小型项目的话， 开发成本低
• 项目部署在一个节点上， 维护方便

缺点：

• 全部功能集成在一个工程中，对于大型项目来讲不易开发和维护
• 项目模块之间紧密耦合，单点容错率低
• 无法针对不同模块进行针对性优化和水平扩展

2. 垂直应用架构

  随着访问量的逐渐增大，单一应用只能依靠增加节点来应对，但是这时候会发现并不是所有的模块都会有比较大的访问量。

  还是以上面的电商为例子， 用户访问量的增加可能影响的只是用户和订单模块， 但是对消息模块的影响就比较小. 那么此时我们希望只多增加几个订单模块， 而不增加消息模块. 此时单体应用就做不到了，垂直应用就应运而生了。

  所谓的垂直应用架构，就是将原来的一个应用拆成互不相干的几个应用，以提升效率。比如我们可以将上面电商的单体应用拆分成:

• 电商系统(用户管理 商品管理 订单管理)
• 后台系统(用户管理 订单管理 客户管理)
• CMS系统(广告管理 营销管理)

  这样拆分完毕之后，一旦用户访问量变大，只需要增加电商系统的节点就可以了，而无需增加后台和CMS的节点。

优点：

• 系统拆分实现了流量分担，解决了并发问题，而且可以针对不同模块进行优化和水平扩展
• 一个系统的问题不会影响到其他系统，提高容错率

缺点：

• 系统之间相互独立， 无法进行相互调用
• 系统之间相互独立， 会有重复的开发任务

3. 分布式架构

  当垂直应用越来越多，重复的业务代码就会越来越多。这时候，我们就思考可不可以将重复的代码抽取出来，做成统一的业务层作为独立的服务，然后由前端控制层调用不同的业务层服务呢？

  这就产生了新的分布式系统架构。它将把工程拆分成表现层和服务层两个部分，服务层中包含业务逻辑。表现层只需要处理和页面的交互，业务逻辑都是调用服务层的服务来实现。

优点：

• 抽取公共的功能为服务层，提高代码复用性

缺点：

• 系统间耦合度变高，调用关系错综复杂，难以维护

4. SOA 架构

  在分布式架构下，当服务越来越多，容量的评估，小服务资源的浪费等问题逐渐显现，此时需增加一个调度中心对集群进行实时管理。此时，用于资源调度和治理中心(SOA Service OrientedArchitecture，面向服务的架构)是关键。

优点:

• 使用注册中心解决了服务间调用关系的自动调节

缺点:

• 服务间会有依赖关系，一旦某个环节出错会影响较大( 服务雪崩 )
• 服务关系复杂，运维、测试部署困难

5. 微服务架构

  微服务架构在某种程度上是面向服务的架构SOA继续发展的下一步，它更加强调服务的"彻底拆分"。

优点：

• 服务原子化拆分，独立打包、部署和升级，保证每个微服务清晰的任务划分，利于扩展
• 微服务之间采用Restful等轻量级http协议相互调用

缺点：

• 分布式系统开发的技术成本高（容错、分布式事务等）

二. 微服务架构介绍

  微服务架构， 简单的说就是将单体应用进一步拆分，拆分成更小的服务，每个服务都是一个可以独立运行的项目。

1. 微服务架构的常见问题

  一旦采用微服务系统架构，就势必会遇到这样几个问题：

• 这么多小服务，如何管理他们？(服务治理 注册中心[服务注册 发现 剔除])

• 这么多小服务，他们之间如何通讯？(restful rpc)

• 这么多小服务，客户端怎么访问他们？(网关)

• 这么多小服务，一旦出现问题了，应该如何自处理？(容错)

• 这么多小服务，一旦出现问题了，应该如何排错? (链路追踪)

  对于上面的问题，是任何一个微服务设计者都不能绕过去的，因此大部分的微服务产品都针对每一个问题提供了相应的组件来解决它们。

2. 微服务架构的常见概念

1. 服务治理

  服务治理就是进行服务的自动化管理，其核心是服务的自动注册与发现。

服务注册：服务实例将自身服务信息注册到注册中心。

服务发现：服务实例通过注册中心，获取到注册到其中的服务实例的信息，通过这些信息去请求它们提供的服务。

服务剔除：服务注册中心将出问题的服务自动剔除到可用列表之外，使其不会被调用到。

2. 服务调用

  在微服务架构中，通常存在多个服务之间的远程调用的需求。目前主流的远程调用技术有基于HTTP的RESTful接口以及基于TCP的RPC协议。

• REST(Representational State Transfer)
  这是一种HTTP调用的格式，更标准，更通用，无论哪种语言都支持http协议

• RPC（Remote Promote Call）
  一种进程间通信方式。允许像调用本地服务一样调用远程服务。RPC框架的主要目标就是让远程服务调用更简单、透明。RPC框架负责屏蔽底层的传输方式、序列化方式和通信细节。开发人员在使用的时候只需要了解谁在什么位置提供了什么样的远程服务接口即可，并不需要关心底层通信细节和调用过程。

区别与联系

比较项	RESTful	RPC
通讯协议	HTTP	一般使用TCP
性能	略低	较高
灵活度	高	低
应用	微服务架构	SOA架构

3. 服务网关

  随着微服务的不断增多，不同的微服务一般会有不同的网络地址，而外部客户端可能需要调用多个服务的接口才能完成一个业务需求，如果让客户端直接与各个微服务通信可能出现：

• 客户端需要调用不同的url地址，增加难度
• 在一定的场景下，存在跨域请求的问题
• 每个微服务都需要进行单独的身份认证

  针对这些问题，API网关顺势而生。

  API网关直面意思是将所有API调用统一接入到API网关层，由网关层统一接入和输出。一个网关的基本功能有：统一接入、安全防护、协议适配、流量管控、长短链接支持、容错能力。有了网关之后，各个API服务提供团队可以专注于自己的的业务逻辑处理，而API网关更专注于安全、流量、路由等问题。

4. 服务容错

  在微服务当中，一个请求经常会涉及到调用几个服务，如果其中某个服务不可用，没有做服务容错的话，极有可能会造成一连串的服务不可用，这就是雪崩效应。

  我们没法预防雪崩效应的发生，只能尽可能去做好容错。服务容错的三个核心思想是：

• 不被外界环境影响
• 不被上游请求压垮
• 不被下游响应拖垮

5. 链路追踪

  随着微服务架构的流行，服务按照不同的维度进行拆分，一次请求往往需要涉及到多个服务。互联网应用构建在不同的软件模块集上，这些软件模块，有可能是由不同的团队开发、可能使用不同的编程语言来实现、有可能布在了几千台服务器，横跨多个不同的数据中心。因此，就需要对一次请求涉及的多个服务链路进行日志记录，性能监控即链路追踪。

3. 微服务架构的常见解决方案

1. ServiceComb

  Apache ServiceComb，前身是华为云的微服务引擎 CSE (Cloud Service Engine) 云服务，是全球首个Apache微服务顶级项目。它提供了一站式的微服务开源解决方案，致力于帮助企业、用户和开发者将企业应用轻松微服务化上云，并实现对微服务应用的高效运维管理。

2. Spring Cloud

  Spring Cloud是一系列框架的集合。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。

  随着微服务社区不断强大，SpringCloud推出了自己的全家桶，多个业界顶级公司也推出了微服务，并加入了Spring官方 比如Spring Cloud Azure(微软)、Alibaba Cloud（阿里），因此SpringCloud生态就很强大了。

  Spring Cloud并没有重复制造轮子，它只是将目前各家公司开发的比较成熟、经得起实际考验的服务框架组合起来，通过Spring Boot风格进行再封装屏蔽掉了复杂的配置和实现原理，最终给开发者留出了一套简单易懂、易部署和易维护的分布式系统开发工具包。

3. Spring Cloud Alibaba

  Spring Cloud Alibaba是对Spring Cloud框架的增强和补充，对原来的Spring Cloud2.x和1.x实现了扩展和组件开发。它不仅继承了Spring Cloud的微服务治理理念，还融入了阿里巴巴在大规模服务化实践中积累的技术经验，尤其是在服务发现、配置管理、高性能服务调用及AI服务接入方面提供了更加丰富和针对性的解决方案。

如：nacos是分布式配置中心 + 注册中心 = Eureka + config。。

4. 解决方案选型

  由于SpringCloud Netflix原先的一些组件进入停更维护状态，因此这些组件逐渐被Spring Cloud Alibaba一些新技术所替代。

  国内互联网公司当下的主流都是Spring Cloud + Spring Cloud Alibaba组合起来使用。选择使用哪一框架，需要根据项目需求、团队技术栈、生态兼容性及未来发展趋势综合考虑。

序号	组件	SpringCloud Netflix	SpringCloud + Alibaba
1	服务注册中心	Eureka	Nacos（推荐）
2	配置中心	Config	Nacos
3	服务总线（消息总线）	Bus	Nacos
4	负载均衡	Ribbon	LoadBalancer
5	服务调用	Feign	OpenFeign、Dubbo
6	服务网关	Zuul	Gateway
7	服务降级（熔断降级）	Hystrix	Sentinel（流量控制、熔断降级、系统负载保护）
8	服务跟踪（链路追踪）	Sleuth&Zipkin	SkyWalking
9	分布式事务	无(第三方替代方案：2pc)	Seata
10	分布式任务调度	无(第三方替代方案：xxl-job)	SchedulerX
11	消息中间件	无(第三方替代方案：RabbitMQ)	RocketMQ
12	批量任务	Spring Cloud Task	Spring Cloud Task
13	数据流	Stream	无
14	服务安全	Security或(第三方替代方案：Shiro)	Security

1. 服务注册中心组件的比较。

• 根据CAP理论对注册中心进行分类

  • 保证CP（注重一致性）：Zookeeper、Consul
  • 保证AP（注重可用性）：Eureka
  • 既支持CP又支持AP：Nacos

• Zookeeper保证强一致性
  通过‌Zab协议‌，所有的写请求必须经过leader节点传递给其他follower节点。但是当leader节点因为网络故障与其他节点失去联系时，剩余节点会重新进行leader选举。问题在于，选举leader的时间太长，30 ~ 120s, 且选举期间整个zk集群都是不可用的，这就导致在选举期间注册服务瘫痪。

• Eureka保证高可用性
  可以很好的应对因网络故障导致部分节点失去联系的情况，各个节点都是平等的，几个节点挂掉不会影响正常节点的工作，剩余的节点依然可以提供注册和查询服务。而Eureka的客户端在向某个Eureka注册时如果发现连接失败，则会自动切换至其它节点，只要有一台Eureka还在，就能保证注册服务可用。但是，查到的信息可能不是最新的(不保证强一致性)。

• Nacos既支持AP模式又支持CP模式

  • AP模式：不需要存储服务级别的信息，且，服务实例是通过nacos-client注册，能够保持心跳上报，可采用AP模式，如SpringCloud服务。AP模式下只支持注册临时实例。
  • CP模式：如需要在服务级别，编辑或存储配置信息，则需使用CP模式，如K8s、DNS。CP模式下只支持注册持久化实例。

2. 服务调用组件的比较。

• Ribbon
  Ribbon是一套客户端负载均衡的工具，使用时需与RestTemplate配合使用。
  使用是需要模拟http请求然后使用RestTemplate发送给其他服务，步骤比较繁琐。
  负载均衡：支持轮询、随机、空闲策略、响应时间策略。

• OpenFeign
  同样使用HTTP协议进行通讯。
  使用时只需创建一个接口并使用注解（@FeignClient)的方式配置， 即可完成对服务提供方的接口绑定，是对Ribbon + RestTemplate的进一步封装。
  OpenFeign内部集成了 Ribbon，本质上是通过Ribbon完成负载均衡功能。

• Dubbo
  支持多种传输协议：Dubbo、Rmi、http、redis。适合数据量小、高并发和服务提供者远远少于消费者的场景。
  负载均衡：支持随机、轮询、活跃度、Hash一致性，负载均衡的算法可以精准到某个服务接口的某个方法。

3. 服务容错组件的比较。

Hystrix本身就是一个非常出色的熔断降级框架，Sentinel则是在Hystrix的基础上对其进行进一步的升级。
Sentinel使用更方便，Sentinel提供了一个非常简洁的控制台界面，在控制台界面中即可非常方便地配置限流降级规则。

三. Spring Cloud Alibaba介绍

  Spring Cloud Alibaba 致力于提供微服务开发的一站式解决方案。此项目包含开发分布式应用微服务的必需组件，方便开发者通过 Spring Cloud 编程模型轻松使用这些组件来开发分布式应用服务。

  依托 Spring Cloud Alibaba，您只需要添加一些注解和少量配置，就可以将 Spring Cloud 应用接入阿里微服务解决方案，通过阿里中间件来迅速搭建分布式应用系统。

1. 主要功能

服务限流降级：默认支持 WebServlet、WebFlux， OpenFeign、RestTemplate、Spring Cloud Gateway， Zuul， Dubbo 和 RocketMQ 限流降级功能的接入，可以在运行时通过控制台实时修改限流降级规则，还支持查看限流降级 Metrics 监控。

服务注册与发现：适配 Spring Cloud 服务注册与发现标准，默认集成了 Ribbon 的支持。

分布式配置管理：支持分布式系统中的外部化配置，配置更改时自动刷新。

消息驱动能力：基于 Spring Cloud Stream 为微服务应用构建消息驱动能力。

分布式事务：使用 @GlobalTransactional 注解， 高效并且对业务零侵入地解决分布式事务问题。

阿里云对象存储：阿里云提供的海量、安全、低成本、高可靠的云存储服务。支持在任何应用、任何时间、任何地点存储和访问任意类型的数据。

分布式任务调度：提供秒级、精准、高可靠、高可用的定时（基于 Cron 表达式）任务调度服务。同时提供分布式的任务执行模型，如网格任务。网格任务支持海量子任务均匀分配到所有Worker（schedulerx-client）上执行。

阿里云短信服务：覆盖全球的短信服务，友好、高效、智能的互联化通讯能力，帮助企业迅速搭建客户触达通道。

2. 组件

Sentinel：把流量作为切入点，从流量控制、熔断降级、系统负载保护等多个维度保护服务的稳定性。

Nacos：一个更易于构建云原生应用的动态服务发现、配置管理和服务管理平台。

RocketMQ：一款开源的分布式消息系统，基于高可用分布式集群技术，提供低延时的、高可靠的消息发布与订阅服务。

Dubbo：Apache Dubbo™ 是一款高性能 Java RPC 框架。

Seata：阿里巴巴开源产品，一个易于使用的高性能微服务分布式事务解决方案。

Alibaba Cloud ACM：一款在分布式架构环境中对应用配置进行集中管理和推送的应用配置中心产品。

Alibaba Cloud OSS: 阿里云对象存储服务（Object Storage Service，简称 OSS），是阿里云提供的海量、安全、低成本、高可靠的云存储服务。您可以在任何应用、任何时间、任何地点存储和访问任意类型的数据。

Alibaba Cloud SchedulerX: 阿里中间件团队开发的一款分布式任务调度产品，提供秒级、精准、高可靠、高可用的定时（基于 Cron 表达式）任务调度服务。

Alibaba Cloud SMS: 覆盖全球的短信服务，友好、高效、智能的互联化通讯能力，帮助企业迅速搭建客户触达通道。

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参考知识
传智教育·黑马程序员

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