從分層架構(gòu)到微服務架構(gòu)介紹（一）

前言

談到軟件系統(tǒng)設計的方法論，在代碼層面，有我們熟悉的23種 設計模式 （design pattern），對應到架構(gòu)層面，則有所謂的 架構(gòu)模式 （architecture pattern）。它們分別從微觀和宏觀的角度指導著我們設計出良好的軟件系統(tǒng)，因此，作為一個軟件工程師，我們不僅要熟悉設計模式，對常見的架構(gòu)模式也要熟稔于心。正如看到一個設計模式的名字腦里就能浮現(xiàn)出大致的結(jié)構(gòu)圖，當我們看到一個架構(gòu)模式的名字時，也要馬上想到對應的架構(gòu)圖及其基本特點。比如，當談到分層架構(gòu)時，我們就應該想起它的架構(gòu)圖是怎樣的、有哪些出色的架構(gòu)特征（architecture characteristics）、系統(tǒng)是如何部署的、數(shù)據(jù)存儲的策略是哪種、等等。

一般地，架構(gòu)模式大致可以分成兩類， 單體架構(gòu) （monolithic architecture）和 分布式架構(gòu) （distributed architecture）。本系列文章將會介紹以下8種常用的架構(gòu)模式：

單體架構(gòu)

• 分層架構(gòu)（Layered architecture）
• 管道架構(gòu)（Pipeline architecture）
• 微內(nèi)核架構(gòu)（Microkernel architecture）

分布式架構(gòu)

• 基于服務的架構(gòu)（Service-based architecture）
• 事件驅(qū)動架構(gòu)（Event-driven architecture）
• 基于空間的架構(gòu)（Space-based architecture）
• 面向服務的架構(gòu)（Service-oriented architecture）
• 微服務架構(gòu)（Microservices architecture）

軟件設計中的謬誤

在介紹架構(gòu)模式前，我們先談談軟件設計中的 謬誤 （fallacy）。所謂謬誤，就是在設計軟件系統(tǒng)，特別是分布式系統(tǒng)時，我們先入為主地假設它們是正確，但實際上并非如此的一些觀念。這些觀念都是我們在設計軟件時考慮不周的體現(xiàn)。

謬誤1：網(wǎng)絡是可靠的

網(wǎng)絡是不可靠的

很多軟件工程師常常假設網(wǎng)絡是可靠的，但實際并非如此。相比20年前，現(xiàn)在的網(wǎng)絡會可靠很多，但是仍然具有很大的不確定性。如上圖所述，Serivce B可能完全是正常運行的，但是因為網(wǎng)絡的問題，Service A發(fā)出的請求無法到達Service B。一種更糟糕的場景是，Service B可以收到Service A的請求，并處理了相關的數(shù)據(jù)，但是網(wǎng)絡問題導致了Service A無法收到Service B的響應，從而造成了 數(shù)據(jù)不一致 。網(wǎng)絡的不可靠也是為什么系統(tǒng)中常常出現(xiàn)服務通信超時、服務熔斷等的原因。

總而言之，如果假設網(wǎng)絡是可靠的，那么我們設計出來的軟件系統(tǒng)將會是不可靠的。

謬誤2：時延是0

時延不為0

如上圖所示，服務內(nèi)組件間的函數(shù)/方法級別的調(diào)用，耗時是微妙，甚至是納秒級別；但是服務間的遠程調(diào)用（比如REST、消息隊列、RPC），耗時會是微秒級別，甚至在異常場景會達到了秒級！在設計系統(tǒng)，特別是分布式系統(tǒng)時，時延是一個無法被忽視的因素，我們必須清楚系統(tǒng)的平均時延，否則設計出來的方案可能根本不可行。比如，假設系統(tǒng)中服務間通信時延為100ms，如果一個請求的調(diào)用鏈涉及到10個服務，那么該請求的時延將會是1000ms！這么高的平均時延對于一般系統(tǒng)來說是完全無法接受的。

進行系統(tǒng)設計時，考慮平均時延還不夠，更重要的是95th和99th百分點 。一個系統(tǒng)的平均時延可能僅僅只有數(shù)十毫秒，但是95th百分點的時延卻達到了數(shù)百毫秒，很多時候，這也恰恰成為了拖垮整系統(tǒng)性能的那塊“短板”。

謬誤3：帶寬是無限的

帶寬是有限的

在單體架構(gòu)中，業(yè)務流程都在單服務內(nèi)閉環(huán)，消耗的帶寬很少甚至為0，因此帶寬并不是主要關注點。一旦將系統(tǒng)拆分成分布式架構(gòu)，一個業(yè)務流程可能涉及多個服務間的通信，帶寬就成了必須考慮的因素。 帶寬的不足，會導致網(wǎng)絡變慢，從而影響系統(tǒng)的時延（謬誤2：時延是0）和可靠性（謬誤1：網(wǎng)絡是可靠的） 。

如上圖所示，假設在一個Web系統(tǒng)中，Service A負責處理前端請求，Service B負責管理用戶信息（包括姓名、性別、年齡等45個屬性）。Service A每處理一個請求都需要向Service B查詢用戶姓名（200 bytes），而在一次請求中，Service B卻返回了用戶的所有信息（500 kb）。如果系統(tǒng)每秒處理2000次請求，每次請求消耗500 kb帶寬，那么每秒消耗的總帶寬會是1 Gb！如果Service B僅僅返回必須的姓名，那么同等條件下，每秒消耗的總帶寬僅僅是400 kb。

此類問題就是所謂的 stamp coupling ，解決方法也很多，比如在請求中添加屬性選擇，使用GraphQL替代REST。 相比于這些技術(shù)手段，更重要的是確定服務間通信所需的最小數(shù)據(jù)集，并在進行系統(tǒng)設計時將其作為一個重點關注的因素 。

謬誤4：網(wǎng)絡是安全的

網(wǎng)絡是不安全的

VPN、防火墻等的廣泛使用，使得很多工程師在設計系統(tǒng)時忽略了“ 網(wǎng)絡是不安全的 ”這一重要原則。特別是從單體架構(gòu)演進到分布式架構(gòu)以后，系統(tǒng)被攻擊的概率將會大大增加。 因此，在分布式系統(tǒng)中，每個服務都必須是安全的endpoint，這樣才能確保任何未知或惡意的請求都被攔截掉 。當然，安全是有代價的，這也是像微服務架構(gòu)這類細服務粒度的系統(tǒng)，一次業(yè)務請求中調(diào)用鏈過長后性能極速下降的重要原因。

謬誤5：網(wǎng)絡拓撲一成不變

網(wǎng)絡拓撲是時常變化的

這里的網(wǎng)絡拓撲指的是系統(tǒng)運行時所涉及到的網(wǎng)絡設備，包括所有的路由器、防火墻、集線器、交換機等。很多工程師會假設網(wǎng)絡拓撲是固定的，然而并非如此。

假設如下場景，為架構(gòu)師的你在周一早上回到公司后，發(fā)現(xiàn)組內(nèi)同事都在為系統(tǒng)中所有的服務間通信都在不斷出現(xiàn)響應超時現(xiàn)象而抓狂，但奇怪的是周末并沒有做服務變更。經(jīng)過幾個小時的攻關后，你發(fā)現(xiàn)周一凌晨2點時有過一次網(wǎng)絡升級，而恰恰是這次“次要”的網(wǎng)絡升級，推翻之前設計系統(tǒng)時的時延假設，從而觸發(fā)了本次事故。

因此， 軟件工程師也需要與網(wǎng)絡管理員時常聯(lián)系，確保在每次網(wǎng)絡升級前都明確網(wǎng)絡拓撲的變更點，從而做出相應的調(diào)整 。

謬誤6：只有一個網(wǎng)絡管理員

網(wǎng)絡管理員往往不止有一個，特別是在“云”時代，數(shù)據(jù)中心分散在多個地域，理所當然也存在著多個局域網(wǎng)。運行在“云”上的系統(tǒng)很有可能跨越多個數(shù)據(jù)中心，因此工程師們應當感知各個數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡管理員對網(wǎng)絡的相關操作，提前做出應對措施，避免出現(xiàn)因網(wǎng)絡拓撲變更（謬誤5：網(wǎng)絡拓撲一成不變）而導致的服務通信超時，甚至觸發(fā)服務熔斷。

謬誤7：通信成本為0

通信成本不為0

這里的通信成本并非指網(wǎng)絡時延，而是指每增加一次服務間調(diào)用所導致的錢的花銷。很多工程師在設計系統(tǒng)時常常忽視掉通信成本，大家都在鼓吹分布式架構(gòu)相對了單體架構(gòu)的優(yōu)越性，卻忘記了它帶來的服務器、防火墻、網(wǎng)關等硬件的數(shù)量增加，這些都是白花花的銀子。

因此，在進行系統(tǒng)設計時，我們也應該將硬件資源和網(wǎng)絡拓撲納入考慮因素。

謬誤8：網(wǎng)絡是同質(zhì)的

網(wǎng)絡并非同質(zhì)的

很多工程師都會假設網(wǎng)絡是同質(zhì)的，也就是所有的網(wǎng)絡設備都來自同一硬件廠商，這當然也是一個謬誤。實際上， 一個大的通信網(wǎng)絡中，硬件設備往往來自于不同的廠商，這得益于網(wǎng)絡協(xié)議標準的統(tǒng)一 。廠商間設備的協(xié)作測試畢竟不會太充分，在一些特殊場景下極有可能存在網(wǎng)絡丟包，從而影響了網(wǎng)絡的可靠性（謬誤1：網(wǎng)絡是可靠的）、時延（謬誤2：時延是0）以及帶寬（謬誤3：帶寬是無限的）。

一切從“大泥球”開始

“大泥球”架構(gòu)是著名的反模式架構(gòu)，最初在1997年由Brian Foote 和 Joseph Yoder提出。在“大泥球”架構(gòu)里，系統(tǒng)沒有進行內(nèi)部的模塊劃分，代碼耦合嚴重，調(diào)用關系混亂，就像一個大的泥球。如上圖所示，每一個點代表一個類，紅線則表示類之間的耦合關系。這樣的架構(gòu)對需求變更極不友好，往往牽一發(fā)而動全身，而且在部署、可測試性、性能等方面也存在著很多問題。所有的架構(gòu)師都在極力避免“大泥球”的出現(xiàn)，但很不幸的是，它仍然在實際項目中很常見，特別是項目伊始，代碼質(zhì)量和結(jié)構(gòu)還沒被嚴格管控起來前。

有反模式的出現(xiàn)，必然就有解決它的方法，這便是架構(gòu)模式，從下一篇文章開始，我們將逐個介紹常見的8種架構(gòu)模式。

總結(jié)

跟設計模式類似，架構(gòu)模式是軟件工程師們多年來在架構(gòu)設計方面的經(jīng)驗總結(jié)。每種架構(gòu)模式并沒有絕對的優(yōu)劣之分，我們不能說微服務架構(gòu)就一定比單體分層架構(gòu)優(yōu)越，它們都有著各自的應用場景。分布式架構(gòu)比單體架構(gòu)有著更好的可擴展性、容錯性，但也帶來了更高的復雜性，比如分布式事務。因此，我們應該熟知各個架構(gòu)模式的特點，這樣才能在特定的業(yè)務場景使用合適的架構(gòu)模式。