Der Aufbau skalierbarer, wartbarer und belastbarer Systeme erfordert ein Bewusstsein für wichtige Entwurfsmuster, die mit der Microservices-Architektur immer häufiger auftreten. Im Gegensatz zu monolithischen Architekturen unterteilen Microservices große Systeme in besser verwaltbare, unabhängige Dienste, die über ein Netzwerk miteinander verbunden sind. Diese verteilte Natur führt jedoch zu Komplexität in Bereichen wie Kommunikation, Datenverwaltung und Dienstkoordination.

Die Übernahme bekannter Microservices-Designmuster kann dazu beitragen, diese Probleme zu entschärfen und die Zuverlässigkeit und Effektivität Ihres Systems erheblich zu verbessern. In diesem Artikel werden die sieben wichtigsten Entwurfsmuster für Microservices behandelt, die jeder Softwareentwickler kennen sollte.

1. API-Gateway-Muster

Das API Gateway fungiert als zentraler Einstiegspunkt für alle Client-Anfragen an die Microservices. Anstatt dass Clients direkt mit mehreren Diensten interagieren, konsolidiert das API Gateway diese Anfragen, leitet sie an die entsprechenden Mikrodienste weiter und aggregiert Antworten. Es vereinfacht die Client-Server-Kommunikation und bietet eine Möglichkeit, übergreifende Belange wie Authentifizierung, Protokollierung und Ratenbegrenzung zu verwalten.

Vorteile:

✓ Zentralisierte Kontrolle über die Bearbeitung von Anfragen/Antworten.

✓ Vereinfacht clientseitige Interaktionen durch Abstrahieren der internen Microservice-Komplexität.

✓ Ermöglicht eine einfachere Implementierung von Sicherheit, Caching und Drosselung.

Beispiel:

Express.js in Node.js verwenden, um ein einfaches API-Gateway zu erstellen:

import express from 'express';
import proxy from 'express-http-proxy';

const app = express();

// Forward requests to microservice A
app.use('/serviceA', proxy('http://serviceA-url'));

// Forward requests to microservice B
app.use('/serviceB', proxy('http://serviceB-url'));

app.listen(3000, () => {
  console.log('API Gateway running on port 3000');
});

2. Leistungsschaltermuster

In einer Microservices-Architektur sind Dienstausfälle unvermeidlich. Das Circuit Breaker Pattern trägt dazu bei, kaskadierende Ausfälle zu verhindern, indem es Dienstaufrufe überwacht und weitere Anrufe an einen ausgefallenen Dienst stoppt, wenn ein bestimmter Fehlerschwellenwert erreicht wird. Sobald der Dienst wiederhergestellt ist, lässt der Schutzschalter wieder Anrufe zu. Dies verbessert die Ausfallsicherheit des Systems und verhindert eine unnötige Belastung bereits angeschlagener Dienste.

Vorteile:

✓ Schützt vor systemweiten Ausfällen.

✓ Bietet Fallback oder alternative Antworten bei Fehlern.

✓ Verbessert die Robustheit der Microservice-Architektur.

Beispiel:

Verwendung der Opossum-Bibliothek in Node.js für einen Leistungsschalter:

import CircuitBreaker from 'opossum';
import axios from 'axios';

const options = {
  timeout: 5000,
  errorThresholdPercentage: 50,
  resetTimeout: 30000,
};

const circuitBreaker = new CircuitBreaker(() => axios.get('http://serviceB-url'), options);

circuitBreaker.fire()
  .then(response => console.log(response.data))
  .catch(err => console.log('Service B is down. Circuit is open.'));

3. Datenbank pro Servicemuster

Jeder Mikrodienst sollte über eine eigene dedizierte Datenbank verfügen, damit Teams unabhängig arbeiten können und eine enge Kopplung zwischen Diensten verringert wird. Dieses Entwurfsmuster stellt sicher, dass Microservices unabhängig voneinander weiterentwickelt werden können, ohne dass sie durch Änderungen an einem gemeinsam genutzten Datenbankschema beeinträchtigt werden.

Vorteile:

✓ Reduziert dienstübergreifende Abhängigkeiten und Konflikte.

✓ Erleichtert unabhängige Skalierung und Schemaentwicklung.

✓ Isoliert Dateneigentum und -verantwortung.

4. Saga-Muster

In einer verteilten Architektur kann die Abwicklung von Transaktionen, die sich über mehrere Dienste erstrecken, eine Herausforderung darstellen. Das Saga-Muster verwaltet verteilte Transaktionen mithilfe einer Reihe lokaler Transaktionen, die über mehrere Dienste hinweg koordiniert werden. Jeder Dienst führt seine Transaktion aus und löst die nächste aus, mit Kompensationsmechanismen, um Vorgänge rückgängig zu machen, wenn etwas schief geht.

Vorteile:

✓ Ermöglicht konsistente verteilte Transaktionen ohne einen zentralen Transaktionsmanager.

✓ Unterstützt letztendliche Konsistenz über Microservices hinweg.

✓ Ermöglicht bei Bedarf das Rollback unvollständiger Vorgänge.

Beispiel:

In einem E-Commerce-System erstellt der Bestelldienst möglicherweise eine Bestellung, der Zahlungsdienst verarbeitet die Zahlung und der Inventardienst aktualisiert die Lagerbestände. Wenn die Zahlung fehlschlägt, müssen die Bestell- und Bestandsaktualisierungen zurückgesetzt werden, was über Ausgleichstransaktionen abgewickelt wird.

5. Ereignisbeschaffungsmuster

Das Event Sourcing Pattern speichert den Zustand eines Systems als eine Abfolge von Ereignissen. Anstatt den aktuellen Status in einer Datenbank zu speichern, speichern Microservices Ereignisse, die Statusänderungen darstellen. Durch die Wiedergabe dieser Ereignisse kann jederzeit der aktuelle Zustand rekonstruiert werden, was einen vollständigen Audit-Trail bietet und ausgefeilte Wiederherstellungsmechanismen ermöglicht.

Vorteile:

✓ Bietet einen klaren Prüfpfad aller Änderungen.

✓ Ermöglicht die historische Analyse durch die Wiedergabe vergangener Ereignisse.

✓ Erleichtert bei Bedarf die Wiederherstellung des Status.

Beispiel:

In einem Buchhaltungssystem werden Ereignisse wie „Transaktion erstellt“, „Transaktion genehmigt“ und „Transaktion abgeschlossen“ als Ereignisse gespeichert. Der aktuelle Saldo kann durch erneutes Abspielen aller Transaktionsereignisse neu berechnet werden.

6. CQRS-Muster (Command Query Responsibility Segregation)

Das CQRS-Muster unterteilt die Lese- und Schreibvorgänge in verschiedene Modelle. Schreibvorgänge werden vom Befehlsmodell verarbeitet, Lesevorgänge vom Abfragemodell. Dieses Muster ist besonders nützlich für Hochleistungsanwendungen, bei denen Lesevorgänge viel häufiger sind als Schreibvorgänge.

Vorteile:

✓ Optimiert die Leistung durch die Trennung von Lese-/Schreibproblemen.

✓ Unterstützt verschiedene Skalierbarkeitsstrategien für Lese- und Schreibvorgänge.

✓ Ermöglicht flexible Modelle, die auf spezifische Aufgaben zugeschnitten sind.

7. Würgefeigenmuster

Das Strangler Fig Pattern ist eine schrittweise Migrationsstrategie, die es Ihnen ermöglicht, Teile eines Monolithen umzugestalten oder durch Microservices zu ersetzen. Wenn neue Funktionen hinzugefügt werden, wird sie als Microservice erstellt. Im Laufe der Zeit wird der Monolith Service für Service ausgetauscht, ohne dass das gesamte System auf einmal gestört wird.

Vorteile:

✓ Bietet einen unterbrechungsfreien Weg für die Migration von Monolithen zu Microservices.

✓ Reduziert das Risiko kompletter Systemneuschreibungen.

✓ Ermöglicht inkrementelle Verbesserungen und Refactoring.

Beispiel:

Sie könnten damit beginnen, die Benutzerauthentifizierungskomponente einer monolithischen Anwendung in einen eigenständigen Mikrodienst zu extrahieren, während andere Teile des Systems intakt bleiben. Im Laufe der Zeit werden weitere Komponenten in Microservices verschoben, bis das gesamte System modularisiert ist.

Abschluss

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten, die Probleme anzugehen, die in verteilten Systemen auftreten, wenn die Designprinzipien von Microservices verwendet werden. Der Aufbau einer zuverlässigen, skalierbaren Microservices-Architektur erfordert ein Verständnis dieser Muster, unabhängig von Ihren Zielen – Datenverwaltung über Dienste hinweg, Verbesserung der Kommunikation zwischen Diensten oder elegante Fehlerbehandlung. Durch die Berücksichtigung bestimmter Anforderungen und Kompromisse trägt jedes dieser Muster zur Belastbarkeit und Leistung Ihrer Microservices bei.