Иван Портянкин - Программирование Cloud Native. Микросервисы, Docker и Kubernetes

Реализовать это возможно с помощью так называемых «микросервисов» (microservices), слабо связанных между собой компонентов единой системы или приложения. Они обмениваются данными через сеть, используя стандартные сетевые протоколы, как правило это протокол HTTP и стандарт REST. Разработка и обновление одного микросервиса никак не затрагивает остальные части системы. Микросервисы связываются друг с другом через сетевые порты и абстрактные протоколы, и каждый из них может быть написан на любом подходящем языке и технологии. Обновляются и перезапускаются они также независимо. Микросервисы часто противопоставляются единому, большому серверному приложению, так называемому «монолиту» (monolith).

Запуск на одной операционной системе разнородных приложений, написанных с помощью самых разнообразных технологий, как правило не сулит в себе ничего хорошего из-за конфликта системных зависимостей, библиотек и правил доступа. Эту проблему блестяще решают контейнеры (containers). Контейнеры – легкая форма виртуализации, они надежно изолируют приложения друг от друга, и в отличие от виртуальных машин, не требуют полной установки отдельной операционной системы. Запуск и остановка контейнеров практически мгновенна. Множество разнородных модулей и библиотек теперь смогут ужиться в одном сервере Linux, не мешая друг другу, и не требуя для запуска минут, как требуют полноценные виртуальные машины.

Одно из преимуществ приложения, разбитого на модули и микросервисы, работающие из собственных контейнеров – тонко настроенное горизонтальное масштабирование. Появляется возможность выделить наиболее нагруженную часть системы и запустить для ее сервисов и компонентов столько экземпляров, сколько необходимо для обработки текущей нагрузки. Для этого требуется практически неограниченная вычислительная мощность, растущая по требованию (ее еще называют эластичной) – эту мощь обеспечивают коммерческие провайдеры облака, такие как Google Cloud (GCP), Amazon Web Services (AWS), SberCloud, Yandex.Cloud.

Наконец, мощное, динамично меняющееся приложение, состоящее из сотен распределенных компонентов, соединенных между собой по сети, требует постоянного надзора и очень сложного управления, в том числе и для масштабирования и обновления компонентов. Здесь главную роль играет оркестратор контейнеров (orchestrator), самым популярным среди них без сомнения является Kubernetes. Для наблюдения трафика между компонентами, задержек, графиков исполнения запросов, и сбора и анализа журналов (logs) существуют целые комплексы программных решений, хорошо интегрированных с Kubernetes.

Первые выводы

Подводя краткий итог, мы поставили задачу создать максимально гибкое, устойчивое к отказам, всегда доступное приложение, способное выдержать пиковые нагрузки, и увидели, как эта задача может быть решена. Именно описанный подход и методы являются основой приложения, созданного для работы и развертывания в облаке (cloud native). Вот его ключевые атрибуты:

– Микросервисы (microservices) как способ максимально возможной слабой связи между подсистемами приложения. По сути это компонентная разработка, с прицелом на абсолютно независимый друг от друга процесс разработки, свободный выбор технологии, а также независимые выпуски новых версий и их развертывание на сервере.

– Контейнеры (containers) – легкая виртуализация в пределах одной операционной системы (как правило Linux), не требующая «тяжелых» виртуальных машин, включающих в себя полную отдельную операционную систему. Контейнеры позволяют множеству микросервисов незаметно друг для друга работать на одном сервере, в пределах одной операционной системы.

– Эластичная, практически бесконечно доступная при необходимости вычислительная мощность, то есть новые и новые сервера для запуска контейнеров. Эти сервера должны обладать эффективным, автоматическим, легко воспроизводимым способом запуска и конфигурации. Как правило, это обеспечивают коммерческие провайдеры облаков, владеющие большими центрами данных. Большие организации могут себе позволить собственные центры данных с работающими на их основе частными облаками.

– Оркестровка и управление контейнерами, внутри которых находятся микросервисы, в одном или множестве экземпляров. Основным инструментом управления является сейчас Kubernetes, мощный, расширяемый оркестратор, способный управлять, обновлять, масштабировать, настраивать взаимодействие для сотен микросервисов. Оркестратор работает с набором физических или виртуальных серверов в кластере.

– Наблюдение (monitoring) за сложной сетью микросервисов и их взаимодействием, в том числе за состоящими из множества мелких сетевых вызовов транзакциями и комплексными операциями. Необходимы эффективные инструменты для сбора и анализа журналов (logs). В динамической, распределенной среде любой мелкий вызов может таить в себе причину общего сбоя.

Теперь давайте взглянем чуть подробнее, какие технологии, подходы и архитектура обеспечивают успех каждого из столпов концепции Cloud Native.

Микросервисы (microservices) – очередной виток развития компонентной разработки программных комплексов и приложений. Разбиение сложной задачи на составные более простые части, изоляция сложности, и поиск абстракций, позволяющих упростить и сделать задачу управляемой и решаемой – основа программирования в целом. Разбиение программы на пакеты, функции, классы, а затем и на совершенно независимо работающие друг от друга компоненты логически вытекает из анализа задачи.

Микросервисы – это компоненты вашего приложения, независимо друг от друга работающие в облаке и соединенные между собой не прямыми вызовами внутри одного процесса, а передачей данных по сети, используя заранее оговоренные протоколы (обычно HTTP или gRPC) и порты.

Эластичность и практически неограниченная вычислительная мощность облака дает нам возможность разбить приложение на логические компоненты и запускать их и управлять ими индивидуально. При необходимости легко увеличить пропускную способность приложения, увеличив количество экземпляров компонентов (работающих в виде микросервисов), испытывающих наибольшую нагрузку. Это так называемое горизонтальное масштабирование (horizontal scaling или scaling out) – при работе в облаке его возможности практически безграничны, при условии выбора удачной архитектуры приложения, дающей возможность разбить его вычислительные потоки на независимые части. Вертикальное масштабирование же подразумевает рост мощности одного сервера и его аппаратных возможностей, что крайне ограничено, и более того, мощные серверы обычно очень дороги.