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在首席架构师手里,应用架构如此设计

无架构,不系统,架构是大型系统的关键。从形上看,架构是系统的骨架,支撑和链接各个部分;从神上看,架构是系统的灵魂,深刻体现业务本质。

如何针对当前需求,选择合适的应用架构,如何面向未来,保证架构平滑过渡,这个是软件开发者,特别是架构师,都需要深入思考的问题。本文基于作者在大型互联网系统的实践和思考,和大家一起探讨应用架构的选型。

本文主要内容包括:

  • 应用架构本质
  • 单体式
  • 分布式
  • SOA 架构
  • SOA 落地方式
  • 应用架构进化

应用架构本质

应用作为独立可部署的单元,为系统划分了明确的边界,深刻影响系统功能组织、代码开发、部署和运维等各方面,应用架构定义系统有哪些应用、以及应用之间如何分工和合作。

分有两种方式,一种是水平分,按照功能处理顺序划分应用,比如把系统分为 web 前端 / 中间服务 / 后台任务,这是面向业务深度的划分。另一种是垂直分,按照不同的业务类型划分应用,比如进销存系统可以划分为三个独立的应用,这是面向业务广度的划分。

应用的合反映应用之间如何协作,共同完成复杂的业务 case,主要体现在应用之间的通讯机制和数据格式,通讯机制可以是同步调用 / 异步消息 / 共享 DB 访问等,数据格式可以是文本 /XML/JSON/ 二进制等。

应用的分偏向于业务,反映业务架构,应用的合偏向于技术,影响技术架构。分降低了业务复杂度,系统更有序,合增加了技术复杂度,系统更无序。

应用架构的本质是通过系统拆分,平衡业务和技术复杂性,保证系统形散神不散。

系统采用什么样的应用架构,受业务复杂性影响,包括企业发展阶段和业务特点;同时受技术复杂性影响,包括 IT 技术发展阶段和内部技术人员水平。业务复杂性 (包括业务量大) 必然带来技术复杂性,应用架构目标是解决业务复杂性的同时,避免技术太复杂,确保业务架构落地。

常见的应用架构有多种,下面根据系统拆分方式,以及如何平衡业务与技术的角度进行分析,讨论各自的适用性,给企业应用架构选型提供参考。

单体式应用

系统只有一个应用,相应地,代码放在一个工程里管理;打包成一个应用;部署在一台机器;在一个 DB 里存储数据。单体式应用的架构如下图所示:

单体应用在水平方向上,上下层之间职责划分清晰;但垂直方向上缺乏清晰的边界,上下层模块之间是多对多的依赖关系,比如业务模块 1 (图中 BO1)可能调用数据层所有模块 DAO13,DAO1 也可能被业务层所有模块 BO1 3 调用。

单体应用通过水平分层,降低了业务复杂性;同时模块之间是进程内部调用,技术实现简单。

但单体应用对系统的切分不彻底,只有水平切分,并且是逻辑上,因此适合业务比较单一,但深度上比较复杂的系统,比如 TCP/IP 网络通讯,从应用层 / 传输层 / 网络层 / 链路层,层层推进,类似这样的系统可以方便地增加水平层次去适配。

对于广度上复杂的业务,由于缺乏垂直切分,强行把不同业务绑定在一起,整个系统神散形不散,带来一系列问题。比如 OTA 网站包含机票 / 酒店 / 旅游等多个垂直业务板块,每块都比较独立,就不适合放在一起开发维护。

单体式应用的优点和缺点都很鲜明,如下图所示。

单体式应用的优点明显:

  • 现有 IDE 都是集成开发环境,非常适合单体式应用,开发、编译、调试一站式搞定。一个应用包含所有功能,容易测试和部署。
  • 运行在一个物理节点,环境单一,运行稳定,故障恢复简单。

单体式应用的缺点也明显:

  • 业务边界模糊,模块职责不清晰,当系统逐渐变大,代码依赖复杂,难以维护。
  • 所有人同时在一个工程上开发,容易发生代码修改冲突,依赖复杂导致项目协调困难,并且局部修改影响不可知,需要全覆盖测试,需要重新部署,难以支持大团队并行开发。
  • 当系统很大时,编译和部署耗时。
  • 应用水平扩展难,一方面状态在应用内部管理,无法透明路由;另一方面,不同模块对资源需求差异大,当业务量增大时,一视同仁地为所有模块增加机器导致硬件浪费。

作者之前曾在一家大型电商公司工作,当时整个网站是一个单体应用,有数百万行代码,有专门的团队负责代码合并,有专门的团队负责编译脚本开发,有一套复杂的火车模型协调不同团队,整套流程体系很精密很复杂,但这何尝不是单体应用的无奈和代价。

分布式架构应用

在分布式应用架构中,应用相互独立,每个应用代码独立开发,独立部署,应用通过有限的 API 接口互相关联。API 接口属于应用一部分,一般和表示层处于同一层次,两者共享业务逻辑层,API 和表示层采用同样的 web 端技术,通讯协议一般使用 HTTP,数据格式是 JSON,应用集成方式比较简化。

分布式架构首先对系统按照业务进行垂直切分,对广度上复杂的业务实现物理解耦,应用内部还是水平切分,对深度上复杂的业务实现逻辑解耦。分布式架构也可以解决业务量大的问题,对于某些高并发 / 大流量系统,把系统切分为不同应用,针对资源需求特点(比如 CPU/IO/ 存储密集型),通过加强硬件配置满足不同应用的需求,避免一刀切方式带来的资源浪费。

技术上,API 采用标准的 HTTP/JSON 进行通讯,调用双方实现难度都不大,但是 API 一般是“裸奔”的,在系统层面,调用依赖关系不透明,调用可靠性缺乏保障,因此只适用应用之间依赖链路少,调用量不大的系统,即应用之间耦合确实够松的系统。

分布式架构每个应用内部高内聚,独立开发、测试和部署,支持开发敏捷;同时应用之间松耦合,业务边界清晰,业务依赖明确,支持大项目并行开发,实现业务敏捷。

在分布式架构中,应用的表示层和 API 没有物理分离,需要同时满足自身业务需求和关联业务需求,相互影响,比如 API 接口会随着外部应用的需求经常变化,这会导致整个应用重新部署。

运行时,API 以 HTTP/REST 方式通过网络对外提供接口,其通信可靠性和数据的封装性相对于进程内调用比较差,如果没有一些可靠的技术机制,如路由保障 / 失败重试 / 监控等,裸奔的 API 方式将严重影响系统整体可用性。

SOA 架构

广义上,SOA 也是分布式应用架构一种,但内涵不同。

这里有两种类型“应用”,应用 1 N 是前端应用,面向用户,服务 1 N 是 service,只提供业务逻辑和数据。这些应用都是独立部署,前端应用不再通过 API 直接关联,而是通过后端服务共享业务逻辑。

此外相对于“裸奔”的 API,SOA 架构提供配套的服务治理,包括服务注册、服务路由、服务授权、服务降级、服务监控等等。这些功能通过专门的中间件支持,有中心化和去中心化两种方式,具体技术实现机制和适用场景,网上有很多专门介绍,这里就不展开了。

SOA 架构在分布式架构垂直切分的基础上,进一步把原来单体应用的业务逻辑层独立成 service,做到物理上的彻底分离。

每个 service 专注于特定职责,实现系统核心业务逻辑,service 之间通过互相调用,可以完成复杂业务逻辑,解决业务深度上的问题;同时 service 面向众多的应用,以共享的方式支持逻辑复用。所以,SOA 架构既体现业务的分,又体现业务的合,更多地从业务整体上考虑系统拆分。

相比分布式应用架构,基于 SOA 的系统有大量的 service 应用,整个系统基于服务调用,所以对服务依赖的透明性和服务调用的可靠性提出很高要求,需要专门的 SOA 框架支持,还需要配套的监控体系和自动化的运维系统支持,技术复杂性高,SOA 架构可以集中体现一个企业的 IT 技术能力。

SOA 架构优缺点如下图所示:

相比较普通 API 方式,SOA 架构更进一步:

1)每个 service 都是浓缩的精华,聚焦某方面核心业务,同时以复用的方式供整个系统共享。2)服务作为独立的应用,独立部署,接口清晰,很容易做自动化测试和部署。3)服务是无状态的,很容易做水平扩展;通过容器虚拟化技术,实现故障隔离和资源高效利用,业务量大的时候,加机器即可。4)基于 SOA 的系统可以根据服务运行情况,灵活调控服务资源,包括服务上下架、服务升降级等,使系统真正具备可运营的能力。

当然天下没有免费的午餐,SOA 也带来了额外复杂性和弊端:

1)系统依赖复杂,给开发 / 测试 / 部署带来一系列挑战。2)端到端的调用链路长,可靠性降低,依赖网络状况、服务框架及具体 service 的质量。3)分布式数据一致性和分布式事务支持困难,一般通过最终一致性简化解决。4)端到端的测试和排障复杂,SOA 对运维提出更高要求。

SOA 落地方式

在实践中,SOA 架构不断深入发展,具体落地形式也多种多样。

1)面向外部 SOA

SOA 的前身是 web service,web service 初衷是企业之间通过 Internet 进行互联,如下图所示:

每个公司把自己的优势资源通过 web service 发布,如图中天气服务 / 机票服务 / 酒店预订服务来自不同公司,其他企业可以直接调用服务或整合多个服务,实现企业间资源共享。

2)面向应用 SOA

面向应用 SOA 把原单体应用里的业务逻辑层剥离出来,作为单独的服务对外提供。举一个电商的例子,这里有两个应用,顾客使用的商品详情页,展示商品的信息、商品库存,商品价格;内部客服人员使用的客服系统,根据顾客来电要求,修改订单,同时也需要获取商品的基本信息、价格信息等。

经过 SOA 改造后,应用架构如下图所示:

这里的 service 实现底层数据对于前端页面的透明化,表示层和业务逻辑各自独立维护,同时全部业务逻辑对其他应用开放,新应用可以自由整合来自多个服务的接口,快速支持业务创新。

面向应用的 SOA 架构对系统进行物理上的水平切分,结果是表示层单飞,逻辑层对外全开放。但每个 service 是原系统业务逻辑的封装,接口设计面向原应用的业务 case,如果其它应用的需求有差异,则自己创建 service 访问底层数据。如此导致 service 职责不够聚焦,类似的接口分散化,同时底层数据表被多方访问,数据模型修改困难,数据一致性难以保障。

最终系统整体依赖复杂,容易形成网状结构,修改时,往往牵一发动全身。

3)微内核 SOA 每个企业都有自己的核心数据,比如对于电商系统来说,用户 / 商品 / 订单 / 库存 / 价格都是核心数据,称之为主数据。微内核 SOA 聚焦各类主数据,封装相关表的所有访问,架构示意如下:

每个服务独占式地封装对应主数据表的访问,这些服务构成系统的基础服务,一起组成系统的微内核,供所有上层应用共享。

微内核服务是原子服务,接口粒度比较细,可以在其上构造聚合服务,为上层应用提供粗粒度服务。可以是信息聚合,比如图中商品聚合服务整合商品的基本信息 / 库存 / 价格;也可以是流程聚合,比如下单接口,调用来自多个服务的接口,共同完成复杂的下单操作。

这里服务是分层次的,聚合服务是上层,基础服务是底层,依赖规则如下:

  • 上层服务可以调用同层服务和基础服务
  • 基础服务是原子服务,不可相互调用
  • 前端应用可调用聚合服务和跨层调用基础服务

微内核的微表示服务数量有限,接口粒度细;内核表示这些基础服务处于调用底层,负责核心数据和业务,这和操作系统的内核概念上类似,主数据相当于核心的硬件,如 cpu/ 内存 / 外存等,微内核的各个基础服务分别负责这些核心资源的管理,屏蔽底层的复杂性,对上层应用提供统一入口和透明化访问。

最近微服务很火,其特征是职责单一、接口粒度细、轻量级通讯协议等,微内核 SOA 架构有微服务的形,同时有业务内核的神,是架构形散神不散思想的很好体现,这个在淘宝、京东、一号店等大型电商系统都已有丰富实践。

4)方式比较

面向企业外部 SOA,业务场景有特殊性,不深入分析,这里主要比较面向应用 SOA 和微内核 SOA 的区别,一个大型 B2C 电商系统,应用和主数据是多对多依赖关系,如下图所示:

面向应用的服务从特定应用出发,整合应用对相关数据的访问需求;微内核服务从特定主数据为中心,收敛各个业务对数据的访问需求。

在面向应用的服务设计下,数据表的访问入口是发散的,来自多个应用,这带来一系列弊端:1)数据模型碎片化 每个应用都会基于自己的需求,往表里加字段,很多电商的商品表 / 订单表有多达 200 个字段,都是野蛮增长,缺少控制的结果。2)数据模型修改困难 类似的访问需求散布在多个服务,缺乏整合,同时表 schema 修改会影响很多服务和应用。3)连接资源利用率低 多个服务直连数据库,并且每个服务会尽可能多地配置连接数,在应用数量多,业务并发量大的情况下,往往导致数据库连接数不够。

微内核 SOA 通过收敛对主数据的访问,保证数据模型一致性、优化接口和有效利用数据库连接资源。同时通过服务分层,简化系统依赖关系。更为重要的是,微内核服务保证了业务模型的一致性,比如电商系统的商品体系,包含单品 / 系列商品 / 组合商品 / 搭售商品 / 虚拟商品等一系列复杂概念,这些复杂逻辑在基础商品服务里处理,对上层业务透明一致。

如果业务模式简单,应用数量少,特定主数据的访问绝大多数 (比如说 80%) 来自某个应用,则服务设计以应用为中心是可以的,不利影响比较小。

对于大型互联网系统,业务广度和深度都复杂,但无论多复杂的系统,主数据类型都是有限的,可以通过聚焦有限的基础业务,以此支持无限的应用业务,结果是底层业务模型稳定,上层业务可以灵活扩展。

面向应用的服务设计是 SOA 初级阶段,从具体业务着手,自底向上,难度小;微内核服务设计是 SOA 高级阶段,从全局着手,对业务和数据模型高度抽象,自顶向下,难度大。

值得注意的是,在提供基础服务同时,每个应用也可以创建自己需要的服务(但主数据的访问必须通过基础服务),所以微内核的服务和面向应用的服务可以有机结合在一起,当业务应用变得很多,并且不断增长,可以考虑逐步往基础服务过渡,整合特定主数据有关的业务逻辑。

顺便提一下,应用架构会影响组织架构,如果采用面向应用的服务设计,具体 service 一般由相关应用的团队负责;如果是微内核的服务设计,一般由单独的共享服务部门负责所有基础服务开发,和各个业务研发部门并列,保证设计的中立性和需求响应的及时性。

应用架构的进化

软件是人类活动的虚拟,业务架构是生产活动的体现,应用架构是具体分工合作关系的体现。单体应用类似原始氏族时代,氏族内部有简单分工,氏族之间没有联系;分布式架构类似封建社会,每个家庭自给自足,家庭之间有少量交换关系;SOA 架构类似工业时代,企业提供各种成品服务,我为人人,人人为我,相互依赖。微内核的 SOA 架构类似后工业时代,有些企业聚焦提供水电煤等基础设施服务,其他企业在之上提供生活服务,依赖有层次。

业务架构是生产力,应用架构是生产关系,技术架构是生产工具。业务架构决定应用架构,应用架构需要适配业务架构,并随着业务架构不断进化,同时应用架构依托技术架构最终落地。

企业一开始业务比较简单,比如进销存,此时面向内部用户,提供简单的信息管理系统(MIS),支持数据增删改查即可,单体应用可以满足要求。

随着业务深入,进销存每块业务都变复杂,同时新增客户关系管理,以更好支持营销,业务的深度和广度都增加,这时需要对系统按照业务拆分,变成一个分布式系统。

更进一步,企业转向互联网 + 战略,拓展在线交易,线上系统和内部系统业务类似,没必要重做一套,此时把内部系统的逻辑做服务化改造,同时供线上线下系统使用,变成一个简单的 SOA 架构。

紧接着业务模式越来越复杂,订单、商品、库存、价格每块玩法都很深入,比如价格区分会员等级,访问渠道(无线还是 PC),销售方式(团购还是普通)等,还有大量的价格促销,这些规则很复杂,容易相互冲突,需要把分散到各个业务的价格逻辑进行统一管理,以基础价格服务的方式透明地提供给上层应用,变成一个微内核的 SOA 架构。

同时不管是企业内部用户,还是外部顾客所需要的功能,都由很多细分的应用提供支持,需要提供 portal,集成相关应用,为不同用户提供统一视图,顶层变成一个 AOA 的架构(application orientated architecture)。

随着业务和系统不断进化,最后一个比较完善的大型互联网应用架构如下图所示:

最终整个系统化整为零,形神兼备,支持积木式拼装,支持开发敏捷和业务敏捷。

应用架构,需要站在业务和技术中间,在正确的时间点做正确的架构选择,保证系统有序进化。

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正文完
 
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