Краткое введение в микросервисы, SOA, Event-Driven, MicroKernel, Stream-Based и многое другое.
Что такое архитектура программного обеспечения?
Архитектура программного обеспечения – это процесс определения высокоуровневой структуры и организации программной системы. Он включает в себя идентификацию и выбор правильных компонентов, решение о том, как они должны взаимодействовать друг с другом, и определение того, как их следует организовать для достижения конкретных целей. Целью архитектуры программного обеспечения является создание удобной в обслуживании, масштабируемой и безопасной системы, способной с течением времени удовлетворять потребности пользователей и организаций.
Зачем нам нужна архитектура программного обеспечения?
Надежная архитектура обеспечивает прочную основу для создания программного обеспечения, отвечающего потребностям пользователей и заинтересованных сторон. Это гарантирует, что система отвечает своим функциональным и нефункциональным требованиям, таким как производительность, безопасность и надежность. Благодаря хорошо продуманной архитектуре разработчики могут создавать программное обеспечение, которое легко модифицировать и расширять, что упрощает адаптацию к меняющимся потребностям бизнеса.
Архитектура программного обеспечения также важна для управления сложностью. Поскольку программные системы становятся более сложными, становится все сложнее понять, как различные компоненты взаимодействуют друг с другом. Хорошо спроектированная архитектура обеспечивает высокоуровневое представление системы, облегчая понимание ее структуры и работы. Это, в свою очередь, помогает разработчикам выявлять потенциальные проблемы и принимать обоснованные решения о том, как модифицировать систему.
Как мы документируем архитектуру? Мы используем модель 4C.
Уровень контекста
На самом высоком уровне, уровне контекста, мы описываем внешнюю среду системы, такую как пользователи, другие системы, правила и т. д. Этот уровень обеспечивает общий обзор назначения системы и ее связи с внешним миром. Это помогает определить заинтересованные стороны, которые будут взаимодействовать с системой, а также факторы, которые будут влиять на ее проектирование и развитие.
Уровень контейнеров
Следующий уровень — это уровень «Контейнеры», который описывает среду выполнения системы, такую как серверы, базы данных или очереди сообщений. Этот уровень помогает определить основные технологические решения и решения по развертыванию. Он обеспечивает понимание физической инфраструктуры, которая будет поддерживать систему, а также инструментов и ресурсов, которые потребуются для ее развертывания и обслуживания.
Уровень компонентов
Третий уровень — это уровень компонентов, который описывает основные функциональные строительные блоки системы. Этот уровень помогает идентифицировать модули, классы или функции, составляющие систему. Он обеспечивает понимание функциональности системы и взаимосвязей между ее различными компонентами.
Уровень кода
Наконец, уровень кода — это самый низкий уровень, который описывает фактический код и то, как он реализует компоненты. Этот уровень обеспечивает детальное понимание того, как работает система и как ее различные компоненты взаимодействуют друг с другом. Разработчикам, которые будут работать с кодом, важно иметь четкое представление о том, как он структурирован и как работает.
Используя модель C4, архитекторы программного обеспечения могут создавать диаграммы и письменную документацию, описывающую каждый из этих уровней, обеспечивая полное представление об архитектуре системы. Этот подход помогает выявить потенциальные проблемы и компромиссы, а также облегчает масштабируемость, ремонтопригодность и адаптируемость. Документируя архитектуру таким образом, разработчики и заинтересованные стороны могут иметь четкое и понятное представление о системе, что упрощает ее модификацию и расширение по мере изменения потребностей бизнеса.
Вот 12 стилей архитектуры программного обеспечения, которые должен знать инженер-программист
1. Клиент-сервер
Архитектура клиент-сервер — это модель, в которой клиент, пользователь или приложение отправляет запрос на сервер, который, в свою очередь, отвечает запрошенными данными или услугой. Клиент и сервер могут находиться на одной машине или на разных машинах, подключенных через сеть.
Клиент отвечает за инициацию связи с сервером и отправку запроса. С другой стороны, сервер слушает входящие запросы от клиентов, обрабатывает их и возвращает ответ.
Преимущества клиент-серверной архитектуры
Масштабируемость. Архитектура клиент-сервер хорошо масштабируема, поскольку позволяет нескольким клиентам подключаться к одному и тому же серверу и совместно использовать ресурсы.
Безопасность. Архитектура клиент-сервер обеспечивает лучшую безопасность, чем другие сетевые модели, поскольку сервер может контролировать доступ к ресурсам и данным.
Надежность.Архитектура клиент-сервер очень надежна, поскольку сервер может предоставлять услуги резервного копирования и восстановления в случае сбоев.
2. Наслаивание
Это распространенный способ проектирования сложных программных систем, который предполагает разбиение системы на уровни, где каждый уровень отвечает за определенный набор функций. Такой подход помогает организовать код и упрощает обслуживание и изменение системы с течением времени.
Типичная многоуровневая архитектура состоит из трех основных уровней: представления, бизнес-логики и доступа к данным.
Уровень представления. Уровень представления отвечает за отображение информации пользователю и сбор вводимых данных. Этот уровень включает в себя пользовательский интерфейс и любые другие компоненты, которые напрямую взаимодействуют с пользователем. Пользовательский интерфейс — это то, что пользователь видит и с чем взаимодействует, например кнопки, текстовые поля и меню. Уровень представления также включает в себя любую логику, связанную с пользовательским интерфейсом, например обработчики событий и проверку.
Уровень бизнес-логики. Уровень бизнес-логики отвечает за реализацию бизнес-правил приложения. Этот уровень содержит код, который обрабатывает данные и манипулирует ими, а также любую другую логику приложения. Уровень бизнес-логики — это то место, где происходит, так сказать, волшебство. Здесь программное обеспечение выполняет расчеты, принимает решения и выполняет задачи. На этом уровне программное обеспечение действительно заслуживает своего существования.
Уровень доступа к данным. Уровень доступа к данным отвечает за взаимодействие с базой данных или другими внешними источниками данных. Этот уровень содержит код, который считывает и записывает данные в базу данных и из нее. Уровень доступа к данным — это то место, где программное обеспечение извлекает данные из базы данных, вносит в них изменения и сохраняет изменения обратно в базу данных. Этот уровень имеет решающее значение для функционирования программного обеспечения, поскольку он позволяет программному обеспечению хранить и извлекать данные.
3. Труба и фильтр
Архитектура каналов и фильтров — это шаблон проектирования, который позволяет программным системам обрабатывать данные путем разделения задач обработки на несколько независимых компонентов. Эта архитектура особенно полезна для систем, которым необходимо обрабатывать большие объемы данных, поскольку она может помочь повысить производительность, масштабируемость и удобство обслуживания.
Архитектура каналов и фильтров основана на идее конвейера, в котором данные проходят через ряд этапов обработки, каждый из которых выполняет определенную задачу. Каждый шаг обработки реализован как отдельный компонент или фильтр, который принимает данные в качестве входных данных, выполняет над ними некоторую операцию и создает выходные данные. Выходные данные затем передаются следующему фильтру в конвейере.
Фильтры в конвейере независимы друг от друга, а это означает, что их можно разрабатывать, тестировать и развертывать отдельно. Это позволяет легко добавлять в конвейер новые фильтры или изменять существующие, не затрагивая остальную часть системы.
Преимущества
Масштабируемость. Архитектуру можно масштабировать горизонтально, добавляя в конвейер дополнительные фильтры, что позволяет системе обрабатывать большие объемы данных.
Производительность. Архитектуру можно оптимизировать для повышения производительности за счет распараллеливания обработки данных с помощью нескольких фильтров.
Удобство обслуживания.Архитектура обеспечивает модульность и разделение задач, что упрощает обслуживание и обновление системы с течением времени.
4. Мастер-раб
Архитектура «главный-подчиненный» — это шаблон проектирования, используемый в распределенных системах, где один узел (главный) управляет одним или несколькими узлами (подчиненными) для выполнения определенных задач. Главный узел отвечает за распределение рабочей нагрузки между подчиненными и за координацию их действий. Подчиненные узлы не имеют такого же уровня управления, как главный узел, и выполняют только задачи, назначенные им главным узлом.
Преимущества
Одним из наиболее значительных преимуществ является то, что он позволяет эффективно распределять рабочую нагрузку между несколькими узлами. Это помогает снизить нагрузку на любой узел и гарантирует, что система сможет обрабатывать большие объемы данных и трафика.
Еще одним преимуществом использования архитектуры «главный-подчиненный» является то, что она обеспечивает отказоустойчивость. Если один из подчиненных узлов выходит из строя, главный узел может перераспределить свою рабочую нагрузку на другие подчиненные узлы. Это гарантирует, что система сможет продолжать функционировать даже в случае выхода из строя одного или нескольких узлов.
5. Микроядро
Архитектура MicroKernel — это шаблон проектирования программного обеспечения, который позволяет разработчикам создавать более модульные и гибкие системы. Он отделяет основную функциональность системы от дополнительных функций, которые реализованы в отдельных модулях. Основные функции системы реализованы в MicroKernel, минималистической базовой системе, которая предоставляет только самые необходимые сервисы, необходимые для работы системы. Это концепция Plug and Play.
Пример:
Давайте рассмотрим пример сайта электронной коммерции. MicroKernel будет предоставлять такие важные услуги, как обработка аутентификации пользователей, управление сеансами пользователей и обработка платежей. Дополнительные функции, такие как рекомендации продуктов, отзывы пользователей и интеграция с социальными сетями, будут реализованы в отдельных модулях.
Если на веб-сайте требуется добавить новую функцию, например программу лояльности, ее можно разработать и добавить как отдельный модуль, не затрагивая основную функциональность системы. Эта модульность упрощает добавление новых функций или удаление существующих, не затрагивая основные функции системы.
Более того, если веб-сайт хочет настроить свою систему для удовлетворения конкретных потребностей разных пользователей, он может выбрать модули, необходимые для каждого пользователя. Например, пользователю, который часто покупает электронику, можно предоставить модуль, который рекомендует электронные продукты. С другой стороны, пользователю, который часто покупает косметику, можно предоставить модуль, рекомендующий косметические продукты.
Наконец, если веб-сайт хочет масштабировать свою систему для обработки большего количества пользователей или изменений в оборудовании, он может легко добавлять или удалять модули по мере необходимости. Такая масштабируемость упрощает адаптацию системы к изменениям требований пользователя или изменениям в базовом оборудовании.
6. DDD (проектирование, управляемое предметной областью)
По своей сути DDD — это способ мышления об архитектуре программного обеспечения, который подчеркивает предметную область или проблемное пространство проекта. Это означает, что разработчики сосредотачиваются на бизнес-логике программного обеспечения, а не только на технической реализации.
На практике это означает, что разработчики начинают с понимания предметной области, в которой они работают, и разбивают ее на более мелкие и более управляемые части. Затем они используют это понимание для создания модели предметной области, которая представляет собой представление различных сущностей внутри предметной области и того, как они взаимодействуют друг с другом.
После создания модели предметной области разработчики могут использовать ее для управления остальной архитектурой программного обеспечения. Это включает в себя создание ограниченных контекстов, которые представляют собой области программного обеспечения, определяемые конкретным языком и контекстом, и агрегатов, которые представляют собой коллекции связанных объектов, которые рассматриваются как единое целое.
7. Компонентная основа
В разработке программного обеспечения компонентная архитектура (CBA) — это подход к проектированию и разработке программного обеспечения, в котором особое внимание уделяется использованию повторно используемых программных компонентов. Идея CBA заключается в том, что разработку программного обеспечения можно сделать более эффективной и результативной, разбив сложные системы на более мелкие и более управляемые компоненты.
Что такое компонент?
Программный компонент — это модульная автономная единица программного обеспечения, которую можно повторно использовать в разных системах. Компонент обычно имеет четко определенный интерфейс, который определяет, как другие компоненты могут с ним взаимодействовать. Этот интерфейс включает информацию о входах, выходах и поведении компонента.
Компоненты можно разделить на различные типы в зависимости от их функциональности, например компоненты пользовательского интерфейса, компоненты доступа к данным и компоненты бизнес-логики. Каждый тип компонента играет определенную роль в программной системе и может взаимодействовать с другими компонентами через свои интерфейсы.
8. СОА
SOA — это архитектурный стиль, целью которого является создание модульных, повторно используемых сервисов, которые можно легко интегрировать с другими сервисами для создания более крупной системы. При таком подходе службы раскрывают свою функциональность через интерфейсы, к которым могут получить доступ другие службы или приложения.
По своей сути SOA заключается в создании программного обеспечения путем его разбиения на более мелкие части или модули, которые можно повторно использовать в различных приложениях. Этот модульный подход позволяет разработчикам сосредоточиться на создании конкретных частей функциональности, а затем интегрировать их с другими частями для создания более крупной системы.
Основные компоненты SOA
Поставщик услуг. Поставщик услуг отвечает за создание и предоставление услуг внешнему миру. Эти службы могут использоваться другими службами, приложениями или конечными пользователями. Например, поставщик услуг обработки платежей может создать и предоставить службу, позволяющую другим приложениям обрабатывать платежи.
Реестр служб. Реестр служб — это каталог доступных служб, к которым могут получить доступ другие службы или приложения. Реестр службы предоставляет информацию о службе, такую как ее имя, расположение и интерфейс. Например, если приложению необходимо обрабатывать платежи, оно может использовать реестр служб, чтобы найти службу обработки платежей и получить доступ к ее интерфейсу.
Запрашивающая служба. Запрашивающая служба несет ответственность за использование услуг, предоставляемых поставщиком услуг. Это можно сделать, используя реестр служб, чтобы найти соответствующую службу, а затем вызвать ее интерфейс. Например, приложение может использовать реестр служб, чтобы найти службу обработки платежей, а затем использовать ее интерфейс для обработки платежей.
9. Монолитный
Монолитная архитектура — это шаблон проектирования программного обеспечения, который существует уже несколько десятилетий. Это способ структурировать приложение как единое целое, а не разбивать его на отдельные более мелкие компоненты.
В монолитной архитектуре все приложение построено как единый автономный блок. Весь код и зависимости упакованы вместе, поэтому приложение можно развернуть и запустить на одном сервере.
Это упрощает разработку и развертывание приложения, поскольку все находится в одном месте. Это также упрощает горизонтальное масштабирование приложения за счет добавления дополнительных серверов.
Преимущества монолитной архитектуры
Одним из самых больших преимуществ монолитной архитектуры является ее простота. Поскольку все содержится в одном блоке, вам придется беспокоиться о меньшем количестве движущихся частей. Это упрощает разработку, тестирование и развертывание приложения.
Еще одним преимуществом является то, что монолитное приложение легче поддерживать и отлаживать. Поскольку все находится в одном месте, легче отслеживать проблемы и устранять их.
Недостатки монолитной архитектуры
Одним из самых больших недостатков монолитной архитектуры является сложность вертикального масштабирования приложения. Поскольку все работает на одном сервере, существует ограничение на объем трафика, который может обработать приложение.
Еще одним недостатком является то, что может быть сложно внедрить новые технологии и языки в монолитное приложение. Поскольку все упаковано вместе, может быть сложно обновить отдельные компоненты, не нарушив при этом все приложение.
10. Микросервис
Микросервисная архитектура — это стиль архитектуры программного обеспечения, который структурирует приложение как набор небольших независимых сервисов, которые взаимодействуют друг с другом по сети. Каждый сервис ориентирован на конкретные бизнес-возможности и может разрабатываться, развертываться и масштабироваться независимо от других сервисов в системе.
Основная идея микросервисной архитектуры — разбить большое монолитное приложение на более мелкие и более управляемые сервисы. Этот подход дает несколько преимуществ, таких как улучшенная масштабируемость, повышенная гибкость и сокращение времени вывода на рынок новых функций. Благодаря микросервисной архитектуре каждый сервис можно масштабировать независимо, что упрощает обработку всплесков трафика или изменений спроса. Разработчики также могут изменять или добавлять новые сервисы, не затрагивая другие части системы, что ускоряет процесс разработки.
Проблемы микросервисной архитектуры
Несмотря на преимущества микросервисной архитектуры, она также вносит дополнительную сложность. Одной из самых больших проблем является управление межсервисной связью. Сервисы должны иметь возможность обнаруживать друг друга и эффективно взаимодействовать, что может быть сложно сделать в масштабе. Балансировка нагрузки и отказоустойчивость также более сложны в микросервисной архитектуре.
Еще одна задача — обеспечить, чтобы у каждого сервиса было собственное хранилище данных. В монолитном приложении все данные обычно хранятся в одной базе данных. При использовании микросервисов каждая служба должна иметь собственное хранилище данных, чтобы гарантировать, что изменения в одной службе не повлияют на другие службы в системе. Это может привести к увеличению сложности управления и синхронизации данных.
Рекомендации по микросервисной архитектуре
Чтобы обеспечить успех системы на основе микросервисов, разработчики должны следовать передовым практикам проектирования и реализации микросервисов. Некоторые из этих передовых практик включают в себя:
1. Создавайте слабосвязанные и высокосвязанные сервисы с четкими границами и четко определенными интерфейсами.
2. Используйте технологию контейнеризации, например Docker, для упаковки и развертывания каждой службы как отдельного контейнера. Это позволяет легко масштабировать и развертывать отдельные сервисы по мере необходимости.
3. Внедрить эффективные инструменты мониторинга и управления, чтобы обеспечить бесперебойную работу системы, а также быстро обнаружить и устранить проблемы.
4. Используйте сервисную сеть, например Istio, для управления межсервисной связью и балансировки нагрузки.
5. Внедрите конвейер непрерывной интеграции и развертывания (CI/CD) для автоматизации тестирования и развертывания микросервисов.
11. Управляемый событиями
Архитектура, управляемая событиями (EDA) — это подход к разработке программных систем, который обеспечивает быструю и эффективную связь между различными компонентами или службами. В этой парадигме различные программные компоненты взаимодействуют друг с другом с помощью событий, а не посредством прямых запросов или ответов.
В EDA события генерируются различными компонентами программной системы, такими как пользовательский интерфейс или серверная служба. Эти события затем передаются другим компонентам системы, которые могут подписаться на них и действовать по мере необходимости.
Например, рассмотрим простое приложение электронной коммерции. При размещении нового заказа служба обработки заказов может генерировать событие «заказ создан», которое затем передается другим службам, таким как управление запасами, доставка и выставление счетов. Каждая из этих служб может затем обработать событие и внести обновления в свои соответствующие системы.
Преимущества EDA
Одним из ключевых преимуществ EDA является его способность отделять различные компоненты программной системы. Когда разные компоненты взаимодействуют посредством событий, а не прямых запросов, они становятся менее зависимыми друг от друга. Это упрощает изменение или обновление отдельных компонентов системы, не затрагивая остальную часть системы.
Еще одним преимуществом EDA является его масштабируемость. Поскольку события передаются нескольким компонентам системы, можно параллельно обрабатывать большие объемы данных и транзакций. Это облегчает обработку большого трафика и всплесков спроса.
Проблемы EDA
Хотя EDA имеет множество преимуществ, у нее также есть некоторые проблемы. Одной из основных проблем является управление сложностью систем, управляемых событиями. Поскольку события могут создаваться и потребляться множеством различных компонентов, может быть сложно отслеживать и устранять возникающие проблемы.
Другая проблема — обеспечить правильную последовательность обработки событий. Поскольку события могут создаваться и обрабатываться асинхронно, они могут обрабатываться не по порядку. Это может вызвать такие проблемы, как несогласованность данных или неверные расчеты.
12. На основе потоков
Поскольку разработка программного обеспечения становится все более сложной и требует большей масштабируемости, традиционные архитектуры становятся все менее и менее эффективными. Потоковая архитектура становится многообещающей альтернативой, которая позволяет разработчикам создавать системы, способные обрабатывать огромные объемы данных в режиме реального времени.
По своей сути потоковая архитектура основана на принципах событийно-ориентированного программирования. Вместо пакетной обработки данных потоковые системы обрабатывают данные по мере их генерации в режиме реального времени. Это позволяет разработчикам создавать системы, способные реагировать на изменения данных с минимальной задержкой.
Преимущества потоковой архитектуры
Одним из ключевых преимуществ потоковой архитектуры является ее масштабируемость. Поскольку данные обрабатываются в режиме реального времени, потоковые системы могут обрабатывать огромные объемы данных без необходимости использования сложных конвейеров пакетной обработки. Это позволяет создавать системы, способные обрабатывать миллионы событий в секунду, что делает их идеальными для таких случаев использования, как обработка данных датчиков, финансовая торговля и онлайн-реклама.
Еще одним преимуществом потоковой архитектуры является ее гибкость. Поскольку данные обрабатываются в режиме реального времени, можно создавать системы, способные реагировать на изменения данных с минимальной задержкой. Это позволяет создавать сложные, управляемые событиями системы, способные адаптироваться к меняющимся требованиям бизнеса. Например, на платформе электронной коммерции потоковая архитектура может использоваться для отслеживания активности пользователей в режиме реального времени и предоставления персонализированных рекомендаций и рекламных акций на основе истории просмотров и покупок пользователя.
Более того, потоковая архитектура может обеспечить значительную экономию средств. Традиционные конвейеры пакетной обработки требуют дорогостоящего оборудования и сложной программной инфраструктуры для управления обработкой данных. С другой стороны, потоковые системы могут быть построены на недорогом стандартном оборудовании, что значительно упрощает масштабирование и обслуживание.
Наконец, потоковая архитектура отличается высокой отказоустойчивостью. Поскольку данные обрабатываются в режиме реального времени, можно создавать системы, которые могут автоматически восстанавливаться после сбоев без необходимости ручного вмешательства. Это позволяет создавать системы, которые могут работать в масштабе с высоким уровнем надежности, снижая риск потери данных или простоя системы.
Заключение
В заключение, архитектура программного обеспечения имеет решающее значение для создания успешных программных систем, отвечающих потребностям пользователей и заинтересованных сторон. Он предоставляет основу для проектирования и разработки программных систем, гарантирует, что система соответствует функциональным и нефункциональным требованиям, облегчает адаптируемость и помогает управлять сложностью. Поэтому очень важно инвестировать время и ресурсы в проектирование надежной архитектуры в начале проекта разработки программного обеспечения. Надеюсь, вам понравится и приятного обучения.
