Wenn Ihre Node.js-Anwendung wächst, steigt der Bedarf an besserer Leistung und Skalierbarkeit. Node.js ist für den Umgang mit großen, datenintensiven Anwendungen konzipiert. Für die Aufrechterhaltung der Leistung und Verfügbarkeit unter Last ist es jedoch von entscheidender Bedeutung, zu wissen, wie es richtig skaliert wird. In diesem Artikel werden wir wichtige Techniken und Tools zur effektiven Skalierung von Node.js-Anwendungen behandeln.

Warum eine Node.js-Anwendung skalieren?

Skalierung bezieht sich auf die Fähigkeit einer Anwendung, steigende Lasten zu bewältigen – sei es aufgrund einer wachsenden Benutzerbasis, mehr Daten oder höherem Datenverkehr. Ohne Skalierung kann es bei einer Anwendung zu langsamer Leistung, Ausfallzeiten und Ressourcenineffizienz kommen.

Zwei Arten der Skalierung

1. Vertikale Skalierung: Mehr Leistung (CPU, RAM) zu einem einzelnen Server hinzufügen. Dies erhöht zwar die Serverkapazität, weist jedoch physische Grenzen auf.

2. Horizontale Skalierung: Hinzufügen weiterer Server zur Verteilung der Last, allgemein als „Skalieren“ bezeichnet. Diese Methode ist flexibler und wird häufig für große Systeme verwendet.

Schlüsseltechniken zum Skalieren von Node.js-Anwendungen

1. Lastausgleich

Beim Lastausgleich wird der eingehende Datenverkehr auf mehrere Server verteilt, um sicherzustellen, dass kein einzelner Server überlastet wird. Dies ist besonders wichtig bei der horizontalen Skalierung, bei der mehrere Instanzen der Node.js-Anwendung ausgeführt werden.

Beispiel: Verwendung von NGINX für den Lastausgleich

http {
    upstream node_servers {
        server 127.0.0.1:3000;
        server 127.0.0.1:3001;
        server 127.0.0.1:3002;
    }

    server {
        listen 80;
        location / {
            proxy_pass http://node_servers;
        }
    }
}

Erläuterung:

• Der Upstream-Block definiert mehrere Node.js-Instanzen.
• Eingehende Anfragen werden auf die Instanzen verteilt, wodurch die Leistung verbessert wird.

2. Clustering

Node.js ist Single-Threaded, aber das Modul Cluster ermöglicht Ihnen die Nutzung mehrerer CPU-Kerne, indem Sie untergeordnete Prozesse erstellen, die denselben Server-Port teilen.

Beispiel: Verwendung des Cluster-Moduls

const cluster = require('cluster');
const http = require('http');
const numCPUs = require('os').cpus().length;

if (cluster.isMaster) {
    // Fork workers.
    for (let i = 0; i  {
        console.log(`Worker ${worker.process.pid} died`);
    });
} else {
    // Workers can share the same port
    http.createServer((req, res) => {
        res.writeHead(200);
        res.end('Hello World');
    }).listen(8000);
}

Erläuterung:

• Der Masterprozess erstellt Arbeitsprozesse entsprechend der Anzahl der CPU-Kerne.
• Jeder Mitarbeiter bearbeitet eingehende Anfragen und verteilt die Last effizient.

3. Caching

Caching hilft, Antwortzeiten zu verbessern und die Last zu reduzieren, indem häufig angeforderte Daten im Speicher gespeichert werden, anstatt sie erneut aus einer Datenbank abzurufen oder das Ergebnis neu zu berechnen.

Beispiel: Verwendung von Redis für Caching

const redis = require('redis');
const client = redis.createClient();

function cacheMiddleware(req, res, next) {
    const key = req.url;
    client.get(key, (err, data) => {
        if (err) throw err;
        if (data !== null) {
            res.send(data);
        } else {
            next();
        }
    });
}

app.get('/data', cacheMiddleware, (req, res) => {
    const data = getDataFromDatabase();
    client.setex(req.url, 3600, JSON.stringify(data));
    res.json(data);
});

Erläuterung:

• Die Middleware überprüft Redis auf zwischengespeicherte Daten, bevor sie einen Datenbankaufruf durchführt.
• Wenn die Daten nicht zwischengespeichert sind, werden die Daten abgerufen, zwischengespeichert und die Antwort gesendet.

4. Staatenlose Microservices

Indem Sie eine monolithische Node.js-Anwendung in zustandslose Mikrodienste aufteilen, können Sie jeden Dienst unabhängig skalieren. Dadurch wird sichergestellt, dass die Skalierung eines Teils der Anwendung (z. B. Benutzerauthentifizierung) keine Auswirkungen auf andere Teile (z. B. Zahlungsabwicklung) hat.

Beispiel: Microservices-Architektur

• Jeder Microservice (Authentifizierung, Produktkatalog, Bestellverwaltung) wird unabhängig bereitgestellt.
• API Gateway oder Service Mesh verarbeitet Routing-Anfragen an den richtigen Microservice.

5. Verwendung eines Reverse-Proxys

Ein Reverse-Proxy-Server kann verschiedene Aufgaben wie Lastausgleich, SSL-Terminierung und die Bereitstellung statischer Inhalte übernehmen und so die Belastung Ihrer Node.js-Server reduzieren.

Beispiel: Bereitstellung statischer Inhalte mit NGINX

server {
    listen 80;

    location / {
        proxy_pass http://localhost:3000;
    }

    location /static/ {
        root /var/www/html;
    }
}

Erläuterung:

• NGINX wird verwendet, um dynamische Anfragen an Node.js weiterzuleiten und statische Dateien (CSS, JS, Bilder) direkt vom Server bereitzustellen.

Tools zum Skalieren von Node.js-Anwendungen

1. PM2

PM2 ist ein produktionsbereiter Prozessmanager für Node.js-Anwendungen, der Clustering, automatische Neustarts, Lastausgleich und Prozessüberwachung unterstützt.

Beispiel: Verwendung von PM2 zum Skalieren einer Anwendung

# Start the application with cluster mode and 4 instances
pm2 start app.js -i 4

Erläuterung:

• PM2 verwaltet mehrere Instanzen der Anwendung und bietet automatischen Lastausgleich und Prozessüberwachung.

2. Docker und Kubernetes

Durch die Containerisierung Ihrer Anwendung mit Docker und deren Bereitstellung auf Kubernetes können Sie Ihre Node.js-Anwendung problemlos auf mehreren Servern skalieren. Kubernetes übernimmt die Orchestrierung, den Lastausgleich und die Skalierung automatisch.

Beispiel: Dockerisieren einer Node.js-Anwendung

# Dockerfile
FROM node:14
WORKDIR /app
COPY package*.json ./
RUN npm install
COPY . .
EXPOSE 3000
CMD ["node", "app.js"]

Best Practices für die Skalierung von Node.js-Anwendungen

1. Leistung überwachen: Verwenden Sie Tools wie New Relic, Datadog oder Prometheus, um Leistungsmetriken zu verfolgen und Engpässe zu identifizieren.
2. Asynchrone Programmierung verwenden: Node.js schneidet am besten ab, wenn Aufgaben wie E/A-Vorgänge asynchron abgewickelt werden. Vermeiden Sie es, die Ereignisschleife zu blockieren.
3. Datenbankabfragen optimieren: Verwenden Sie Verbindungspooling, Indizes und Caching, um die Datenbanklast zu reduzieren.
4. Horizontale Skalierung gegenüber vertikaler Skalierung: Horizontale Skalierung (Hinzufügen weiterer Server) bietet mehr Flexibilität und Fehlertoleranz als vertikale Skalierung (Erhöhung der Serverressourcen).
5. Dienste zustandslos halten: Zustandslose Dienste sind einfacher zu skalieren, da sie nicht auf den Speicherstatus zwischen Anforderungen angewiesen sind. Nutzen Sie externe Systeme wie Redis oder Datenbanken für die Sitzungsverwaltung.

Abschluss

Die Skalierung von Node.js-Anwendungen ist für die Aufrechterhaltung der Leistung bei wachsender Anwendung von entscheidender Bedeutung. Durch den Einsatz von Techniken wie Lastausgleich, Clustering, Caching und zustandslosen Mikrodiensten sowie Tools wie PM2, Docker und Kubernetes können Sie sicherstellen, dass Ihre Node.js-Anwendung effizient skaliert. Durch die Implementierung dieser Strategien kann Ihre Anwendung erhöhten Datenverkehr und größere Datenmengen bewältigen, ohne Kompromisse bei Geschwindigkeit oder Zuverlässigkeit einzugehen.