現代分散式系統架構的權衡分析

來源：小技術君

介紹

現代軟體系統，特別是遵循分散式架構的系統，以其複雜性和可變性而聞名。這些系統由許多元素組成，每個元素都引入潛在的權衡，可能影響成本、效能、可伸縮性和可靠性等因素。對於導航軟體現代化和轉型領域的IT架構師、業務分析師、資料架構師、軟體工程師和資料工程師來說，理解這些權衡至關重要。本文旨在闡明在分散式架構中進行權衡分析的過程和重要性，提供有關與這一複雜但不可或缺的實踐相關的方法、技術、工具和競爭方法的見解。

軟體架構傳統上是一個決策和權衡的領域。在一個以精確和創新為生的領域中，每個選擇都會產生後果。理解這些後果已經變得至關重要，因為我們正在迎來技術飛速發展的時代，在這個時代，每個決策既是一個機會，也是一個挑戰。

在科技風景的動態畫卷中，有一個有趣的演變故事：從過去的單體巨獸到今天的靈活的分散式系統。當我們站在這個前所未有的靈活性和不斷增長的複雜性的交匯點時，一件事變得非常明確 — 決策很重要。而做出這些決策呢？嗯，這是一種藝術、科學和一點點占卜的融合。

1. 瞭解現代分散式系統景觀

•進化飛躍: 曾經整個應用程式都駐留在單個伺服器或叢集上的日子已經過去。微服務的興起，容器化（比如Docker），雲端計算巨頭如AWS、Azure和GCP，甚至邊緣計算的前沿，都從根本上重新定義了軟體架構。這些創新解放了應用程式，賦予了它們無與倫比的可伸縮性和韌性。•雙刃劍: 分散式系統儘管有著諸多優點，卻也帶來了複雜的挑戰。微服務的自治性，例如，也引入了潛在的同步、延遲和通訊障礙。

2. 現代權衡分析的需求

•歷史背景: 僅僅十年或二十年前，單體架構是標準。那是一個簡單的時代，面臨的挑戰也很直接。然而，數字革命引入了許多新的架構模式。從微服務到無伺服器計算，這些模式提供了前所未有的靈活性和健壯性，重新定義了軟體可以實現的邊界。•複雜性和機會: 隨著技術的發展，與之相關的複雜性也在增加。現在，架構師必須考慮雲原生方法、Kubernetes等容器編排工具，以及持續整合和部署的複雜性。然而，隨著這些挑戰的出現，創新和最佳化的機會也隨之而來，使架構師的角色變得比以往任何時候都更加關鍵。

現代權衡分析的需求

3. 辨識現代軟體系統中的權衡

在現代軟體可能性的遼闊領域中航行，類似於穿越一個機遇和陷阱的海洋。正如蜘蛛俠的本·帕克叔叔明智地說過的那樣，“擁有強大的力量就意味著擁有巨大的責任。” 分散式系統提供了可伸縮性、韌性和靈活性。然而，它們也引入了資料一致性、系統編排、容錯等方面的挑戰。在這個領域做出的決策具有深遠的影響。

a. 架構風格:

1.微服務: 它們提供了模組化、可伸縮和獨立部署應用程式部分的能力。然而，它們也引入了與服務發現、服務間通訊和資料一致性相關的挑戰。2.無伺服器: 透過消除基礎設施管理的負擔並提供按需可伸縮性，無伺服器架構承諾成本效益。然而，由於啟動時間較長和潛在的供應商鎖定，它可能不適用於具有特定效能要求的應用程式。3.事件驅動架構: 傾向於非同步通訊，增強可伸縮性，但需要強大的機制來確保資料一致性。4.雲原生: 旨在充分利用雲端計算的好處，雲原生架構強調可伸縮性、韌性和靈

活性。它通常使用容器化、微服務和持續交付實踐。儘管它提供了快速的可伸縮性和適應性，但在編排、服務網格管理和多雲部署方面可能出現複雜性。

1.分層（或N層）架構: 將系統劃分為不同層次，例如表示、業務邏輯和資料訪問層。每一層都有特定的責任，只與其相鄰的層進行互動。2.響應式架構: 構建響應式、具有彈性和訊息驅動的系統。它設計用於處理現代應用程式的非同步性質。3.六邊形（或埠和介面卡）: 透過將應用程式劃分為內部和外部部分，側重於關注點的分離。這允許應用程式與外部技術和工具隔離。

b. 資料庫型別: 資料是現代應用程式的生命線。

1.關聯式資料庫: 以其結構化的模式和強大的ACID保證而聞名，在需要複雜連線和事務的情況下表現出色。然而，它們的權衡可能包括潛在的可伸縮性問題。2.NoSQL: 設計用於靈活性、可伸縮性和高效能。然而，一致性有時可能是一個挑戰，特別是在將可用性置於嚴格一致性之上的資料庫中。3.向量資料庫: 適用於高效能分析，但可能引入資料處理的複雜性。4.圖資料庫: 適用於互聯資料探索，但對於非圖操作可能不夠高效。5.時間序列資料庫: 最佳化處理時間戳資料，特別適用於監控、金融和物聯網應用程式。它們的權衡可能包括對非時間序列操作的有限功能。6.記憶體資料庫: 將資料儲存在計算機的主記憶體（RAM）中，以實現更快的響應時間。它們用於速度至關重要的應用程式。7.物件導向資料庫: 以物件導向程式設計中使用的物件形式儲存資料。8.分散式資料庫: 將資料分佈在多個伺服器上，可以在單個位置或多個位置擴充套件。9.分層資料庫: 將資料組織成樹狀結構，其中每個記錄都有一個單一的父節點。10.網路資料庫: 與分層資料庫類似，但允許每個記錄具有多個父節點。11.多模式資料庫: 支援多種資料模型，可以儲存不同型別的資料。

c. 整合平臺模式:

隨著系統的增長，其元件之間的有效通訊變得至關重要。

1.點對點: 直接的點對點整合可能導致緊密耦合並阻礙系統的可擴充套件性。訊息代理解耦了服務通訊，提供了訊息佇列和負載分佈，但引入了另一層複雜性，可能成為單點故障。採用非同步處理的事件驅動架構具有可伸縮性和實時響應的優勢，但要求強大的機制來確保資料一致性和順序。2.API閘道器: API閘道器充當客戶端和服務之間的橋樑，提供統一的訪問點、集中的身份驗證等功能。需要考慮的權衡包括由於額外的網路跳躍而導致的增加的延遲、如果沒有適當縮放可能產生的潛在瓶頸，以及管理另一個元件的複雜性。然而，它簡化了客戶端互動，提供了集中的日誌記錄和分析，並可以抽象底層服務的複雜性。3.訊息代理: 解耦服務通訊，提供訊息佇列和負載分佈。然而，它們可能引入另一層複雜性併成為單點故障。4.釋出/訂閱（Pub/Sub）: 允許服務釋出事件/訊息，而其他服務訂閱它們。這解耦了服務並提供了可伸縮性，但管理訊息順序和確保傳遞可能是個挑戰。5.請求/回覆: 一種同步模式，其中一個服務傳送請求並等待回覆。這可能引入延遲，特別是如果響應服務需要時間來處理。6.事件溯源: 將狀態更改捕獲為事件，允許系統透過重播事件來重建狀態。對於需要審計跟蹤的系統非常有用。7.資料整合（ETL）: 用於在系統之間移動資料的流程，通常是從作業系統到資料倉儲。8.批次整合: 資料以批次而不是單獨的方式在系統之間傳遞。對於大量資料來說是高效的，但可能引入等待下一批次的延遲。9.編排: 一箇中央服務（編排器）負責管理服務之間的互動，確保它們按特定順序執行。10.流式處理: 資料的連續流，按記錄或在滑動時間視窗上逐步處理。

d. 可觀測性:

1.度量: 關於程序的定量資料，通常用於系統健康檢查。2.追蹤: 跟蹤請求在元件之間傳播的過程。3.日誌: 軟體元件生成的詳細記錄，對除錯至關重要。4.事件: 系統內的顯著發生，值得注意。事件可以是從使用者操作到系統警報的任何內容。5.使用者體驗監控: 觀察和了解終端使用者如何與系統互動，關注效能和可用性。6.網路效能監控: 監控和分析網路流量和指標，以評估網路的效能和健康狀況。7.合成監控: 模擬使用者與系統的互動，以測試效能和可用性。8.實時使用者監控（RUM）: 捕獲和分析使用者實時互動，以瞭解實際使用者體驗。9.容器和編排監控: 監控容器化應用程式和Kubernetes等編排平臺的健康和效能。

e. DevSecOps:

1.自動化安全: 使用工具自動執行安全檢查和掃描。包括靜態應用程式安全測試（SAST）、動態應用程式安全測試（DAST）和依賴掃描。2.持續監控: 確保實時監控應用程式以檢測和響應威脅。這包括監控系統日誌、使用者活動和網路流量以發現任何可疑活動。3.CI/CD自動化: 持續整合和持續部署（CI/CD）管道確保程式碼更改在部署之前自動進行測試、構建和部署。在這些流水線中整合安全檢查可以確保在部署之前檢測到並解決漏洞。4.基礎設施即程式碼（IaC): 使用程式碼和自動化管理和配置基礎設施。像Terraform和Ansible這樣的工具可以用於此，確保在這些指令碼中遵循安全最佳實踐。5.容器安全: 隨著容器化變得更為普遍，確保容器映像和執行時的安全性至關重要。這包括掃描容器映像以查詢漏洞，並確保執行時安全。6.秘密管理: 確保像API金鑰、密碼和證書等敏感資料得到安全儲存和管理。像HashiCorp Vault這樣的工具可以幫助安全地管理和訪問秘密。7.威脅建模: 定期評估並建模對應用程式的潛在威脅。這種主動方法有助於瞭解潛在的攻擊向量並加以緩解。8.質量保證（QA）整合: 在整個開發週期中嵌入質量檢查和測試，而不僅僅是在開發後階段。9.協作和溝通: 促進開發、運維和安全團隊之間的有效溝通和協作。10.配置管理: 透過控制對軟體的更改來管理和保持產品效能的一致性。11.持續改進: 實施機制以從所有利益相關方那裡收集反饋，並持續改進流程和工具。12.漏洞管理: 不僅僅是掃描，還包括系統性地管理、優先排序和修復發現的漏洞。

f. 通訊協議:

1.HTTP/REST: 一種廣泛採用的協議，以其簡單性和狀態無關性而聞名，通常用於Web服務和API。2.gRPC: 一種高效能、開源的RPC框架，使用Protocol Buffers並支援雙向流等特性，使其對於微服務通訊非常高效。3.GraphQL: 一種用於API的查詢語言，允許客戶端精確請求所需內容，減少了REST中常見的過度獲取和不足獲取問題。4.WebSocket: 一種提供全雙工通訊通道的協議，非常適用於實時Web應用程式。5.SOAP（Simple Object Access Protocol）: 一種用於在Web服務中交換結構化資訊的協議，使用XML，以其穩健性和可擴充套件性而聞名。6.MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）: 一種輕量級的訊息協議，設計用於低頻寬、高延遲或不可靠網路，通常在物聯網場景中使用。7.AMQP（Advanced Message Queuing Protocol）: 一種面向訊息的中介軟體協議，專注於訊息排隊、路由和可靠性，適用於企業級訊息傳遞。8.Thrift（Apache Thrift）: 用於可伸縮的跨語言服務開發的軟體框架，結合了軟體堆疊和用於高效的多語言服務部署的程式碼生成引擎。9.CoAP（Constrained Application Protocol）: 用於物聯網中受限節點和網路的Web傳輸協議，類似於HTTP但更適用於低功率裝置。10.ZeroMQ: 高效能非同步訊息庫，提供訊息佇列但無需專用訊息代理，用於分散式或併發應用程式。11.SignalR: ASP.NET的庫，簡化嚮應用程式新增實時Web功能的過程，非常適合Web應用程式中的實時通訊。

g. 安全性:

1.身份驗證: 確認使用者或系統的身份。2.授權: 確保使用者或系統只能訪問其有權訪問的資源。3.加密: 透過使用演算法將資料轉換為不可讀的格式，以保護資料的機密性。4.漏洞管理: 持續監測、識別和解決系統中的漏洞，以減小潛在的攻擊面。5.審計和合規性: 記錄系統中的活動，以及確保系統遵循相關法規和標準。6.網路安全: 確保網路的安全性，包括防火牆、入侵檢測系統（IDS）等。7.終端安全: 保護終端裝置免受威脅，包括惡意軟體、病毒和網路攻擊。8.應急響應: 開發計劃以應對安全事件，包括對潛在威脅的快速響應。9.容器安全: 確保容器映像和執行時的安全性，包括掃描容器映像以查詢漏洞，限制容器許可權等。10.API安全: 保護API免受濫用和攻擊，包括使用API金鑰、OAuth等安全措施。11.開發人員培訓: 向開發人員提供安全培訓，以確保他們瞭解並遵循安全最佳實踐。12.業務連續性和災難恢復: 制定計劃以確保在安全事件發生時能夠迅速有效地恢復業務運營。13.漏洞披露和響應: 為外部研究人員提供漏洞披露通道，並建立響應機制以及漏洞修復的過程。14.合作伙伴和供應鏈安全: 確保與合作伙伴和供應鏈的互動是安全的，防止攻擊者透過這些渠道進入系統。

4. 權衡分析的方法

a. 成本與效能:

•選擇雲服務: 在成本和效能之間進行權衡的一個關鍵方面是選擇雲服務。一些提供商可能在某些方面更具成本效益，而在其他方面則提供更好的效能。進行基於工作負載需求的綜合評估，以選擇最適合的雲服務提供商。•彈性伸縮: 使用彈性伸縮來調整資源，以適應變化的工作負載。這可以在低峰時期減少成本，而在高峰時期提供足夠的效能。•成本最佳化工具: 利用雲提供商的成本最佳化工具和服務，以分析和最佳化資源使用，確保在提供足夠效能的同時最小化成本。

b. 可靠性與可伸縮性:

•多區域部署: 在多個區域部署應用程式以提高可用性。這可能會增加一些複雜性和成本，但可以顯著提高系統的可靠性。•負載均衡: 使用負載均衡來分發流量，確保沒有單個點成為系統的瓶頸。這有助於提高可伸縮性和可用性。•自動化運維: 利用自動化運維工具，確保系統的自愈能力。自動化可以降低系統故障的影響，提高可靠性。

c. 一致性與效能:

•分散式事務: 在需要一致性的場景中使用分散式事務。這可能對效能產生一些影響，但確保了資料的一致性。•分片: 將資料分片以提高效能。然而，這可能會導致在跨分片的事務中更難維護一致性。•快取: 使用快取來加速讀取操作，但要注意快取可能導致一致性的問題。採用合適的快取策略，如快取失效策略或寫入時更新快取，以維護一致性。

d. 管理複雜性:

•微服務通訊: 在微服務架構中，微服務之間的通訊可能是複雜性的一個關鍵來源。選擇合適的通訊模式，如HTTP/REST、gRPC等，並使用適當的工具來簡化通訊。•整合平臺選擇: 選擇合適的整合平臺模式，如API閘道器、訊息代理等，以管理服務之間的通訊。這有助於減輕通訊複雜性。•監控和觀察: 使用適當的監控和觀察工具來了解系統的執行狀況。這有助於快速診斷和解決問題，減輕管理複雜性。

e. 安全性與靈活性:

•零信任安全模型: 採用零信任安全模型，即不信任系統內部和外部的任何實體。這有助於提高系統的安全性，但可能增加一些管理和配置的複雜性。•角色基礎訪問控制（RBAC): 使用RBAC來管理對系統資源的

訪問。這有助於提高安全性，但需要靈活的配置和管理。

f. 開發速度與質量:

•敏捷開發實踐: 採用敏捷開發實踐，如Scrum或Kanban，以提高開發速度。然而，確保在快速開發的同時不犧牲程式碼質量。•自動化測試: 利用自動化測試以確保程式碼質量。這有助於加速開發過程，但需要一些額外的時間來編寫和維護測試套件。•程式碼審查: 實施程式碼審查以確保高質量的程式碼。這可能增加開發時間，但提高了程式碼的可維護性和質量。

g. 使用者體驗與效能:

•前端最佳化: 透過前端最佳化措施，如快取、資源合併、非同步載入等，提高使用者體驗。然而，這可能會增加一些開發和維護的複雜性。•全球內容分發網路（CDN): 使用CDN以提高全球使用者的訪問效能。這可以顯著減少載入時間，但需要管理CDN配置和成本。

h. 靈活性與穩定性:

•特性切分: 將系統切分為小的功能單元，以提高靈活性。但要注意，這可能增加系統的複雜性，因為需要管理多個功能單元。•特性開關: 使用特性開關以便在執行時啟用或禁用特定功能。這有助於在不影響整個系統的情況下進行特性切換，但需要額外的配置。

結論

權衡分析在設計和管理複雜系統時至關重要。團隊需要認真考慮不同方面之間的權衡，以便在各種需求和約束下做出明智的決策。這可能涉及技術選擇、架構決策、流程設計等多個方面。在整個開發和運維週期中，持續的監控和反饋機制對於適應變化和不斷最佳化系統也非常關鍵。最終，權衡不僅是一次性的決策，更是系統演進過程中的不斷迭代和調整。