◆王娟

操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)體系與服務(wù)器技術(shù)

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動服務(wù)發(fā)現(xiàn)的增強微服務(wù)架構(gòu)

◆王娟

（公安部第三研究所網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)研發(fā)中心 上海 201204）

微服務(wù)利用動態(tài)分配資源以有效的粒度保證了服務(wù)的優(yōu)勢。當前架構(gòu)中，數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和使用者被創(chuàng)建為支持不同數(shù)據(jù)對象和服務(wù)質(zhì)量的分離組件。服務(wù)Mesh網(wǎng)絡(luò)旨在設(shè)計實現(xiàn)總體系統(tǒng)目標的方法，缺乏對數(shù)據(jù)驅(qū)動范式的支持?？捎媒M件的多樣性要求將用戶需求和數(shù)據(jù)產(chǎn)品集成到發(fā)現(xiàn)機制中。本文提出了一種基于配置文件匹配的數(shù)據(jù)驅(qū)動的服務(wù)發(fā)現(xiàn)框架，該框架使用了以數(shù)據(jù)為中心的服務(wù)描述，設(shè)計了一種微服務(wù)架構(gòu)，該架構(gòu)可為服務(wù)Mesh網(wǎng)絡(luò)提供一組獨立的組件，用來管理多個地理區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)配置文件。

微服務(wù)；數(shù)據(jù)驅(qū)動；軟件架構(gòu)

1 前言

近年來，微服務(wù)架構(gòu)（MSA）廣受歡迎，它利用模塊化，自包含組件在高動態(tài)應(yīng)用中有巨大優(yōu)勢。MSA在行業(yè)中被廣泛用于要求可伸縮性、彈性和可用性的應(yīng)用程序中。隨著服務(wù)提供商數(shù)量和復(fù)雜性的增加，服務(wù)發(fā)現(xiàn)（SD）的重要性越來越高。在當前的實踐中，SD實現(xiàn)是基于目標的，旨在根據(jù)用戶所需的功能來實現(xiàn)總體系統(tǒng)目標?？蛻敉ㄟ^其標識符發(fā)現(xiàn)所請求服務(wù)的提供者的位置。

云計算和邊緣計算系統(tǒng)是數(shù)據(jù)驅(qū)動的。數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者和消費者使用不同的數(shù)據(jù)格式、分辨率和預(yù)期的服務(wù)質(zhì)量（QoS）。這種情況下，基于目標的服務(wù)發(fā)現(xiàn)方法就存在局限性。首先，使用基于服務(wù)標識符構(gòu)建的方法，不能發(fā)現(xiàn)新創(chuàng)建的微服務(wù)以及不具有顯式標識符的微服務(wù)。此外，使用主要基于網(wǎng)絡(luò)信息和標識符的數(shù)據(jù)模型來描述服務(wù)會阻止客戶端程序使用滿足其特定需求的微服務(wù)。因此，本文提出了一個數(shù)據(jù)驅(qū)動的SD框架來解決這些問題。該框架支持創(chuàng)建上下文感知的微服務(wù)架構(gòu)，該架構(gòu)能夠在聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中分配資源并復(fù)制服務(wù)。在客戶端，它允許根據(jù)對象和數(shù)據(jù)產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)服務(wù)。在服務(wù)提供者端，它允許將第三方服務(wù)與上下文感知功能集成在一起，確保了應(yīng)用程序和管理服務(wù)的性能，具有彈性和可伸縮性。

2 數(shù)據(jù)驅(qū)動的服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程

在當前的動態(tài)微服務(wù)體系結(jié)構(gòu)中，采用三種不同的服務(wù)發(fā)現(xiàn)策略：基于DNS的服務(wù)發(fā)現(xiàn)，專用服務(wù)發(fā)現(xiàn)和固定的數(shù)據(jù)存儲，例如MySQL。本文假設(shè)用戶事先不知道哪些微服務(wù)可用，旨在使用以數(shù)據(jù)為中心的服務(wù)描述模型來保證數(shù)據(jù)驅(qū)動的發(fā)現(xiàn)過程。

微服務(wù)架構(gòu)中的服務(wù)發(fā)現(xiàn)通常實現(xiàn)兩種模式：客戶端服務(wù)發(fā)現(xiàn)和服務(wù)器端服務(wù)發(fā)現(xiàn)。在實施客戶端發(fā)現(xiàn)時，客戶端負責啟動服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程并選擇目標例。但是，在服務(wù)端發(fā)現(xiàn)中，中間組件充當中間人，以攔截客戶端請求并完成發(fā)現(xiàn)過程，同時從客戶端提取發(fā)現(xiàn)詳細信息。

本文旨在設(shè)計一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程，該過程允許使用混合服務(wù)發(fā)現(xiàn)模式在數(shù)據(jù)產(chǎn)品和服務(wù)之間進行匹配。此方法有兩個設(shè)計目標。首先，設(shè)計一個數(shù)據(jù)模型能夠發(fā)現(xiàn)分類部署在平臺中的微服務(wù)。其次，設(shè)計一種結(jié)合兩種服務(wù)發(fā)現(xiàn)模式的通信協(xié)議。這樣，在確保對注冊數(shù)據(jù)進行授權(quán)訪問的同時，客戶端可以完全控制發(fā)現(xiàn)過程。該協(xié)議由客戶端、服務(wù)注冊表和API網(wǎng)關(guān)之間的交互組成。

2.1 數(shù)據(jù)模型

服務(wù)發(fā)現(xiàn)的主要目標是向客戶顯示平臺中部署的可用微服務(wù)。為此，每個微服務(wù)都使用數(shù)據(jù)模型在平臺中注冊，以聲明其對發(fā)現(xiàn)客戶端的可用性。該數(shù)據(jù)模型通常至少包含服務(wù)名稱和有關(guān)服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)位置的信息。在數(shù)據(jù)驅(qū)動的服務(wù)發(fā)現(xiàn)中，應(yīng)指定與服務(wù)性能和所提供功能有關(guān)的其他信息。輸入類型、輸入?yún)?shù)和測量的性能被視為微服務(wù)配置文件中的主要屬性，這些配置文件在數(shù)據(jù)驅(qū)動的服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程中進行了檢查。當客戶端程序啟動發(fā)現(xiàn)過程時，必須指定有關(guān)客戶端數(shù)據(jù)屬性的信息，例如數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式或大小。

2.2 服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程

該平臺中使用的混合發(fā)現(xiàn)模式在發(fā)現(xiàn)過程中涉及兩個組件：服務(wù)注冊表和API網(wǎng)關(guān)。

服務(wù)注冊表代表一個數(shù)據(jù)庫集群，其中包含平臺中部署的可用微服務(wù)的數(shù)據(jù)模型，可以動態(tài)創(chuàng)建和銷毀新實例。部署新服務(wù)實例后，其數(shù)據(jù)模型將在服務(wù)注冊表中注冊以聲明其可用性。當微服務(wù)不再可用時，將刪除此服務(wù)描述。存在兩種不同的模式來處理服務(wù)注冊表中的微服務(wù)注冊和注銷。該過程可以直接自我注冊或通過中間組件（第三方注冊模式）完成。在此平臺上，使用第二種模式，因為它使現(xiàn)有的微服務(wù)與注冊過程解耦。這有助于我們部署與平臺無關(guān)的微服務(wù)，該微服務(wù)無須實施任何注冊邏輯即可加入我們的平臺。在服務(wù)發(fā)現(xiàn)期間，發(fā)現(xiàn)客戶端會查詢服務(wù)注冊表，以找到與其數(shù)據(jù)對象匹配的配置文件。API網(wǎng)關(guān)會攔截發(fā)現(xiàn)過程中客戶端與注冊表之間的交互。

（1）客戶端通過向服務(wù)注冊表發(fā)送請求來啟動服務(wù)發(fā)現(xiàn)；

（2）服務(wù)注冊表過濾存儲的微服務(wù)集，并向客戶端返回一個列表，其中包含可以應(yīng)用于此類型對象的所有可用功能的名稱；

（3）客戶根據(jù)自己的目標選擇最適合的功能，向注冊表指定所選功能以及其數(shù)據(jù)對象和質(zhì)量要求的詳細信息；

（4）注冊表根據(jù)這些特征創(chuàng)建一個新列表，列表包含平臺中所有支持客戶端對象的現(xiàn)有微服務(wù)的完整描述；

（5）當客戶端程序收到新列表時，它發(fā)現(xiàn)了所有現(xiàn)有的微服務(wù)，選擇在機器性能，網(wǎng)絡(luò)性能，請求的參數(shù)等方面最合適的實例進行交互。在發(fā)現(xiàn)期間，為滿足客戶的需求，微服務(wù)實例在運行時被復(fù)制。

通信策略描述了兩種類型的請求：用于在注冊表中查找服務(wù)的“發(fā)現(xiàn)請求”和從發(fā)現(xiàn)的微服務(wù)中獲得服務(wù)的“訪問請求”?？蛻舳伺c所選微服務(wù)之間的任何交互都是直接的，發(fā)現(xiàn)過程如圖1所示：

圖1 客戶端啟動到API網(wǎng)關(guān)和服務(wù)注冊表的數(shù)據(jù)驅(qū)動服務(wù)發(fā)現(xiàn)的工作流程

3 數(shù)據(jù)驅(qū)動的微服務(wù)架構(gòu)

服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程及其在服務(wù)mesh[1]中的集成依賴于幾個系統(tǒng)組件的交互來管理微服務(wù)的創(chuàng)建和資源分配。隨著服務(wù)和基礎(chǔ)架構(gòu)的復(fù)雜性增加，需要減少與發(fā)現(xiàn)過程有關(guān)的管理服務(wù)的數(shù)量，防止系統(tǒng)性能下降。

為此，本文提出以下基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的體系結(jié)構(gòu)：（1）一個專用API網(wǎng)關(guān)，專用于現(xiàn)有微服務(wù)支持的每種數(shù)據(jù)類型，允許基于數(shù)據(jù)的服務(wù)管理；（2）區(qū)域管理，允許客戶發(fā)現(xiàn)特定地理區(qū)域中的服務(wù)，并平衡區(qū)域之間的負載；（3）點對點模型，在區(qū)域之間創(chuàng)建覆蓋網(wǎng)絡(luò)。這樣就可以發(fā)現(xiàn)部署在多個站點上的資源。

客戶端和微服務(wù)之間的通信使用兩種主要模型實現(xiàn)[2]：通用API后端和前端后端（BFF）。通用API后端為后端服務(wù)提供了一個入口點，而BFF為每種類型的客戶端引入了多個入口點。使用此模型，傳入的負載在針對每個客戶端需求量身定制的多個定制網(wǎng)關(guān)之間共享。這減少了這些入口點中出現(xiàn)瓶頸的可能性。

本文架構(gòu)采用定制的前后端（BFF）通信模型。該模型創(chuàng)建專用于每種微服務(wù)類別的入口點。每個BFF網(wǎng)關(guān)都鏈接到服務(wù)注冊表集群，以管理屬于同一數(shù)據(jù)類別的微服務(wù)。該群集僅負責存儲由該BFF網(wǎng)關(guān)管理的微服務(wù)的數(shù)據(jù)模型。

本文在系統(tǒng)中使用了區(qū)域和可用區(qū)的概念。區(qū)域設(shè)計為彼此完全隔離，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是區(qū)域內(nèi)的可用區(qū)連接在一起。屬于同一地理區(qū)域的資源鏈接到一個區(qū)域內(nèi)的同一可用區(qū)。每個區(qū)域都有自己的BFF后端和服務(wù)注冊表。它包含一個區(qū)域管理器（ZM）組件，用于管理傳入的請求。該組件代表每個區(qū)域中體系結(jié)構(gòu)的入口點，從位于其區(qū)域中的客戶端接收請求，并確定這些請求應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)到哪個BFF網(wǎng)關(guān)。選定的BFF網(wǎng)關(guān)從其專用注冊表接收到可用微服務(wù)的列表后，會將結(jié)果發(fā)送回ZM，ZM再將其傳遞給客戶端。

4 小結(jié)

本文提出了一個獨立的數(shù)據(jù)驅(qū)動服務(wù)發(fā)現(xiàn)框架，該框架允許客戶端程序根據(jù)其數(shù)據(jù)對象發(fā)現(xiàn)可用的功能和微服務(wù)。它建立在以數(shù)據(jù)為中心的模型上，可以在數(shù)據(jù)產(chǎn)品需求和服務(wù)之間進行匹配。此外，它使用了具有對等網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)驅(qū)動微服務(wù)架構(gòu)，該架構(gòu)支持可擴展的服務(wù)發(fā)現(xiàn)并可能集成地理特征。基于微服務(wù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型和點對點架構(gòu)確保了應(yīng)用程序和管理服務(wù)的性能和可擴展性。

[1]Thramboulidis K，Vachtsevanou D C，Solanos A . Cyber-Physical Microservices：An IoT-based Framework for Manufacturing Systems[J]. 2018.

[2]Fernandez，Vidal，Valera. Enabling the Orchestration of IoT Slices through Edge and Cloud Microservice Platforms[J]. Sensors，2019，19（13）：2980.