微服務架構的服務與發現-Spring Cloud

1 爲什麼需要服務發現

簡單來說，服務化的核心就是將傳統的一站式應用根據業務拆分成一個一個的服務，而微服務在這個基礎上要更徹底地去耦合（不再共享DB、KV，去掉重量級ESB），並且強調DevOps和快速演化。這就要求我們必須採用與一站式時代、泛SOA時代不同的技術棧，而Spring Cloud就是其中的佼佼者。

DevOps是英文Development和Operations的合體，他要求開發、測試、運維進行一體化的合作，進行更小、更頻繁、更自動化的應用發佈，以及圍繞應用架構來構建基礎設施的架構。這就要求應用充分的內聚，也方便運維和管理。這個理念與微服務理念不謀而合。

接下來我們從服務化架構演進的角度來看看爲什麼Spring Cloud更適應微服務架構。

1.1 從使用nginx說起

最初的服務化解決方案是給提供相同服務提供一個統一的域名，然後服務調用者向這個域名發送HTTP請求，由Nginx負責請求的分發和跳轉。

NginxArch.png

這種架構存在很多問題:

Nginx作爲中間層，在配置文件中耦合了服務調用的邏輯，這削弱了微服務的完整性，也使得Nginx在一定程度上變成了一個重量級的ESB。
服務的信息分散在各個系統，無法統一管理和維護。每一次的服務調用都是一次嘗試，服務消費者並不知道有哪些實例在給他們提供服務。這不符合DevOps的理念。
無法直觀的看到服務提供者和服務消費者當前的運行狀況和通信頻率。這也不符合DevOps的理念。
消費者的失敗重發，負載均衡等都沒有統一策略，這加大了開發每個服務的難度，不利於快速演化。

爲了解決上面的問題，我們需要一個現成的中心組件對服務進行整合，將每個服務的信息彙總，包括服務的組件名稱、地址、數量等。服務的調用方在請求某項服務時首先通過中心組件獲取提供這項服務的實例的信息（IP、端口等），再通過默認或自定義的策略選擇該服務的某一提供者直接進行訪問。所以，我們引入了Dubbo。

1.2 基於Dubbo實現微服務

Dubbo是阿里開源的一個SOA服務治理解決方案，文檔豐富，在國內的使用度非常高。

使用Dubbo構建的微服務，已經可以比較好地解決上面提到的問題：

DubboArch.png

調用中間層變成了可選組件，消費者可以直接訪問服務提供者。
服務信息被集中到Registry中，形成了服務治理的中心組件。
通過Monitor監控系統，可以直觀地展示服務調用的統計信息。
Consumer可以進行負載均衡、服務降級的選擇。

但是對於微服務架構而言，Dubbo也並不是十全十美的：

Registry嚴重依賴第三方組件（zookeeper或者redis），當這些組件出現問題時，服務調用很快就會中斷。
DUBBO只支持RPC調用。使得服務提供方與調用方在代碼上產生了強依賴，服務提供者需要不斷將包含公共代碼的jar包打包出來供消費者使用。一旦打包出現問題，就會導致服務調用出錯。
最爲重要的是，DUBBO現在已經停止維護了，對於技術發展的新需求，需要由開發者自行拓展升級。這對於很多想要採用微服務架構的中小軟件組織，顯然是不太合適的。

目前Github社區上有一個DUBBO的升級版，叫DUBBOX，提供了更高效的RPC序列化方式和REST調用方式。但是該項目也基本停止維護了。

1.3 新的選擇——Spring Cloud

作爲新一代的服務框架，Spring Cloud提出的口號是開發“面向雲環境的應用程序”，它爲微服務架構提供了更加全面的技術支持。結合我們一開始提到的微服務的訴求，我們把Spring Cloud與DUBBO進行一番對比：

微服務需要的功能	Dubbo	Spring Cloud
服務註冊和發現	Zookeeper	Eureka
服務調用方式	RPC	RESTful API
斷路器	有	有
負載均衡	有	有
服務路由和過濾	有	有
分佈式配置	無	有
分佈式鎖	無	計劃開發
集羣選主	無	有
分佈式消息	無	有

Spring Cloud拋棄了Dubbo的RPC通信，採用的是基於HTTP的REST方式。嚴格來說，這兩種方式各有優劣。雖然從一定程度上來說，後者犧牲了服務調用的性能，但也避免了上面提到的原生RPC帶來的問題。而且REST相比RPC更爲靈活，服務提供方和調用方的依賴只依靠一紙契約，不存在代碼級別的強依賴，這在強調快速演化的微服務環境下，顯得更加合適。

很明顯，Spring Cloud的功能比DUBBO更加強大，涵蓋面更廣，而且作爲Spring的拳頭項目，它也能夠與Spring Framework、Spring Boot、Spring Data、Spring Batch等其他Spring項目完美融合，這些對於微服務而言是至關重要的。前面提到，微服務背後一個重要的理念就是持續集成、快速交付，而在服務內部使用一個統一的技術框架，顯然比把分散的技術組合到一起更有效率。更重要的是，相比於Dubbo，它是一個正在持續維護的、社區更加火熱的開源項目，這就保證使用它構建的系統，可以持續地得到開源力量的支持。

2. Spring Cloud Netflix 組件

Netflix和Spring Cloud是什麼關係呢？Netflix是一家成功實踐微服務架構的互聯網公司，幾年前，Netflix就把它的幾乎整個微服務框架棧開源貢獻給了社區。Spring背後的Pivotal在2015年推出的Spring Cloud開源產品，主要對Netflix開源組件的進一步封裝，方便Spring開發人員構建微服務基礎框架。對於微服務的治理而言，核心就是服務的註冊和發現。所以選擇哪個組件，很大程度上要看它對於服務註冊與發現的解決方案。在這個領域，開源架構很多，最常見的是Zookeeper，但這並不是一個最佳選擇。

在分佈式系統領域有個著名的CAP定理：C——數據一致性，A——服務可用性，P——服務對網絡分區故障的容錯性。這三個特性在任何分佈式系統中不能同時滿足，最多同時滿足兩個。

Zookeeper是著名Hadoop的一個子項目，很多場景下Zookeeper也作爲Service發現服務解決方案。Zookeeper保證的是CP，即任何時刻對 Zookeeper的訪問請求能得到一致的數據結果，同時系統對網絡分割具備容錯性，但是它不能保證每次服務請求的可用性。從實際情況來分析，在使用Zookeeper獲取服務列表時，如果zookeeper正在選主，或者Zookeeper集羣中半數以上機器不可用，那麼將就無法獲得數據了。所以說，Zookeeper不能保證服務可用性。

誠然，對於大多數分佈式環境，尤其是涉及到數據存儲的場景，數據一致性應該是首先被保證的，這也是zookeeper設計成CP的原因。但是對於服務發現場景來說，情況就不太一樣了：針對同一個服務，即使註冊中心的不同節點保存的服務提供者信息不盡相同，也並不會造成災難性的後果。因爲對於服務消費者來說，能消費纔是最重要的——拿到可能不正確的服務實例信息後嘗試消費一下，也好過因爲無法獲取實例信息而不去消費。所以，對於服務發現而言，可用性比數據一致性更加重要——AP勝過CP。而Spring Cloud Netflix在設計Eureka時遵守的就是AP原則。

Eureka本身是Netflix開源的一款提供服務註冊和發現的產品，並且提供了相應的Java封裝。在它的實現中，節點之間是相互平等的，部分註冊中心的節點掛掉也不會對集羣造成影響，即使集羣只剩一個節點存活，也可以正常提供發現服務。哪怕是所有的服務註冊節點都掛了，Eureka Clients上也會緩存服務調用的信息。這就保證了我們微服務之間的互相調用是足夠健壯的。

除此之外，Spring Cloud Netflix背後強大的開源力量，也促使我們選擇了Spring Cloud Netflix：

前文提到過，Spring Cloud的社區十分活躍，其在業界的應用也十分廣泛（尤其是國外），而且整個框架也經受住了Netflix嚴酷生產環境的考驗。
除了服務註冊和發現，Spring Cloud Netflix的其他功能也十分強大，包括Ribbon，hystrix，Feign，Zuul等組件，結合到一起，讓服務的調用、路由也變得異常容易。
Spring Cloud Netflix作爲Spring的重量級整合框架，使用它也意味着我們能從Spring獲取到巨大的便利。Spring Cloud的其他子項目，比如Spring Cloud Stream、Spring Cloud Config等等，都爲微服務的各種需求提供了一站式的解決方案。

3. Spring Cloud 服務發現

Spring Cloud Netflix的核心是用於服務註冊與發現的Eureka，接下來我們將以Eureka爲線索，介紹Eureka、Ribbon、Hystrix、Feign這些Spring Cloud Netflix主要組件。

3.1 服務註冊與發現——Eureka

Eureka這個詞來源於古希臘語，意爲“我找到了！我發現了！”，據傳，阿基米德在洗澡時發現浮力原理，高興得來不及穿上褲子，跑到街上大喊：“Eureka(我找到了)！"。

Eureka由多個instance(服務實例)組成，這些服務實例可以分爲兩種：Eureka Server和Eureka Client。爲了便於理解，我們將Eureka client再分爲Service Provider和Service Consumer。如下圖所示：

EurekaRole.png

Eureka Server：服務的註冊中心，負責維護註冊的服務列表。
Service Provider：服務提供方，作爲一個Eureka Client，向Eureka Server做服務註冊、續約和下線等操作，註冊的主要數據包括服務名、機器ip、端口號、域名等等。
Service Consumer：服務消費方，作爲一個Eureka Client，向Eureka Server獲取Service Provider的註冊信息，並通過遠程調用與Service Provider進行通信。

Service Provider和Service Consumer不是嚴格的概念，Service Consumer也可以隨時向Eureka Server註冊，來讓自己變成一個Service Provider。

Spring Cloud針對服務註冊與發現，進行了一層抽象，並提供了三種實現：Eureka、Consul、Zookeeper。目前支持得最好的就是Eureka，其次是Consul，最後是Zookeeper。

3.1.1 Eureka Server

Eureka Server作爲一個獨立的部署單元，以REST API的形式爲服務實例提供了註冊、管理和查詢等操作。同時，Eureka Server也爲我們提供了可視化的監控頁面，可以直觀地看到各個Eureka Server當前的運行狀態和所有已註冊服務的情況。

3.1.1.1 Eureka Server的高可用集羣

Eureka Server可以運行多個實例來構建集羣，解決單點問題，但不同於ZooKeeper的選舉leader的過程，Eureka Server採用的是Peer to Peer對等通信。這是一種去中心化的架構，無master/slave區分，每一個Peer都是對等的。在這種架構中，節點通過彼此互相註冊來提高可用性，每個節點需要添加一個或多個有效的serviceUrl指向其他節點。每個節點都可被視爲其他節點的副本。

如果某臺Eureka Server宕機，Eureka Client的請求會自動切換到新的Eureka Server節點，當宕機的服務器重新恢復後，Eureka會再次將其納入到服務器集羣管理之中。當節點開始接受客戶端請求時，所有的操作都會進行replicateToPeer（節點間複製）操作，將請求複製到其他Eureka Server當前所知的所有節點中。

一個新的Eureka Server節點啓動後，會首先嚐試從鄰近節點獲取所有實例註冊表信息，完成初始化。Eureka Server通過getEurekaServiceUrls()方法獲取所有的節點，並且會通過心跳續約的方式定期更新。默認配置下，如果Eureka Server在一定時間內沒有接收到某個服務實例的心跳，Eureka Server將會註銷該實例（默認爲90秒，通過eureka.instance.lease-expiration-duration-in-seconds配置）。當Eureka Server節點在短時間內丟失過多的心跳時（比如發生了網絡分區故障），那麼這個節點就會進入自我保護模式。下圖爲Eureka官網的架構圖

什麼是自我保護模式？默認配置下，如果Eureka Server每分鐘收到心跳續約的數量低於一個閾值（instance的數量*(60/每個instance的心跳間隔秒數)*自我保護係數），就會觸發自我保護。在自我保護模式中，Eureka Server會保護服務註冊表中的信息，不再註銷任何服務實例。當它收到的心跳數重新恢復到閾值以上時，該Eureka Server節點就會自動退出自我保護模式。它的設計哲學前面提到過，那就是寧可保留錯誤的服務註冊信息，也不盲目註銷任何可能健康的服務實例。該模式可以通過eureka.server.enable-self-preservation = false來禁用，同時eureka.instance.lease-renewal-interval-in-seconds可以用來更改心跳間隔，eureka.server.renewal-percent-threshold可以用來修改自我保護係數（默認0.85）。

EurekaArchitecture.png

3.1.1.2 Eureka Server的Region、Zone

Eureka的官方文檔對Regin、Zone幾乎沒有提及，由於概念抽象，新手很難理解。因此，我們先來了解一下Region、Zone、Eureka集羣三者的關係，如下圖所示：

RegionZone.png

region和zone（或者Availability Zone）均是AWS的概念。在非AWS環境下，我們可以先簡單地將region理解爲Eureka集羣，zone理解成機房。上圖就可以理解爲一個Eureka集羣被部署在了zone1機房和zone2機房中。

3.1.2 Service Provider

3.1.2.1 服務註冊

Service Provider本質上是一個Eureka Client。它啓動時，會調用服務註冊方法，向Eureka Server註冊自己的信息。Eureka Server會維護一個已註冊服務的列表，這個列表爲一個嵌套的hash map：

第一層，application name和對應的服務實例。
第二層，服務實例及其對應的註冊信息，包括IP，端口號等。

當實例狀態發生變化時（如自身檢測認爲Down的時候），也會向Eureka Server更新自己的服務狀態，同時用replicateToPeers()向其它Eureka Server節點做狀態同步。

![Uploading EurekaServerEvict_655129.png . . .]

3.1.2.2 續約與剔除

前面提到過，服務實例啓動後，會週期性地向Eureka Server發送心跳以續約自己的信息，避免自己的註冊信息被剔除。續約的方式與服務註冊基本一致：首先更新自身狀態，再同步到其它Peer。

如果Eureka Server在一段時間內沒有接收到某個微服務節點的心跳，Eureka Server將會註銷該微服務節點（自我保護模式除外）。

EurekaServerRegister.png

3.1.3 Service Consumer

Service Consumer本質上也是一個Eureka Client（它也會向Eureka Server註冊，只是這個註冊信息無關緊要罷了）。它啓動後，會從Eureka Server上獲取所有實例的註冊信息，包括IP地址、端口等，並緩存到本地。這些信息默認每30秒更新一次。前文提到過，如果與Eureka Server通信中斷，Service Consumer仍然可以通過本地緩存與Service Provider通信。

實際開發Eureka的過程中，有時會遇見Service Consumer獲取到Server Provider的信息有延遲，在Eureka Wiki中有這麼一段話:

All operations from Eureka client may take some time to reflect in the Eureka servers and subsequently in other Eureka clients. This is because of the caching of the payload on the eureka server which is refreshed periodically to reflect new information. Eureka clients also fetch deltas periodically. Hence, it may take up to 2 mins for changes to propagate to all Eureka clients.

最後一句話提到，服務端的更改可能需要2分鐘才能傳播到所有客戶端，至於原因並沒有介紹。這是因爲Eureka有三處緩存和一處延遲造成的。

Eureka Server對註冊列表進行緩存，默認時間爲30s。
Eureka Client對獲取到的註冊信息進行緩存，默認時間爲30s。
Ribbon會從上面提到的Eureka Client獲取服務列表，將負載均衡後的結果緩存30s。
如果不是在Spring Cloud環境下使用這些組件(Eureka, Ribbon)，服務啓動後並不會馬上向Eureka註冊，而是需要等到第一次發送心跳請求時纔會註冊。心跳請求的發送間隔默認是30s。Spring Cloud對此做了修改，服務啓動後會馬上註冊。

基於Service Consumer獲取到的服務實例信息，我們就可以進行服務調用了。而Spring Cloud也爲Service Consumer提供了豐富的服務調用工具：

Ribbon，實現客戶端的負載均衡。
Hystrix，斷路器。
Feign，RESTful Web Service客戶端，整合了Ribbon和Hystrix。

接下來我們就一一介紹。

3.2 服務調用端負載均衡——Ribbon

Ribbon是Netflix發佈的開源項目，主要功能是爲REST客戶端實現負載均衡。它主要包括六個組件：

ServerList，負載均衡使用的服務器列表。這個列表會緩存在負載均衡器中，並定期更新。當Ribbon與Eureka結合使用時，ServerList的實現類就是DiscoveryEnabledNIWSServerList，它會保存Eureka Server中註冊的服務實例表。
ServerListFilter，服務器列表過濾器。這是一個接口，主要用於對Service Consumer獲取到的服務器列表進行預過濾，過濾的結果也是ServerList。Ribbon提供了多種過濾器的實現。
IPing，探測服務實例是否存活的策略。
IRule，負載均衡策略，其實現類表述的策略包括：輪詢、隨機、根據響應時間加權等。

我們也可以自己定義負載均衡策略，比如我們就利用自己實現的策略，實現了服務的版本控制和直連配置。實現好之後，將實現類重新注入到Ribbon中即可。

ILoadBalancer，負載均衡器。這也是一個接口，Ribbon爲其提供了多個實現，比如ZoneAwareLoadBalancer。而上層代碼通過調用其API進行服務調用的負載均衡選擇。一般ILoadBalancer的實現類中會引用一個IRule。
RestClient，服務調用器。顧名思義，這就是負載均衡後，Ribbon向Service Provider發起REST請求的工具。

Ribbon工作時會做四件事情：

優先選擇在同一個Zone且負載較少的Eureka Server；
定期從Eureka更新並過濾服務實例列表；
根據用戶指定的策略，在從Server取到的服務註冊列表中選擇一個實例的地址；
通過RestClient進行服務調用。

3.3 服務調用端熔斷——Hystrix

Netflix創建了一個名爲Hystrix的庫,實現了斷路器的模式。“斷路器”本身是一種開關裝置，當某個服務單元發生故障之後，通過斷路器的故障監控（類似熔斷保險絲），向調用方返回一個符合預期的、可處理的備選響應（FallBack），而不是長時間的等待或者拋出調用方無法處理的異常，這樣就保證了服務調用方的線程不會被長時間、不必要地佔用，從而避免了故障在分佈式系統中的蔓延，乃至雪崩。

Hystrix.png

當然，在請求失敗頻率較低的情況下，Hystrix還是會直接把故障返回給客戶端。只有當失敗次數達到閾值（默認在20秒內失敗5次）時，斷路器打開並且不進行後續通信，而是直接返回備選響應。當然，Hystrix的備選響應也是可以由開發者定製的。

HystrixFallback.png

除了隔離依賴服務的調用以外，Hystrix還提供了準實時的調用監控（Hystrix Dashboard），Hystrix會持續地記錄所有通過Hystrix發起的請求的執行信息，並以統計報表和圖形的形式展示給用戶，包括每秒執行多少請求多少成功，多少失敗等。Netflix通過hystrix-metrics-event-stream項目實現了對以上指標的監控。Spring Cloud也提供了Hystrix Dashboard的整合，對監控內容轉化成可視化界面，Hystrix Dashboard Wiki上詳細說明了圖上每個指標的含義。

HystrixDashboard.png

3.4 服務調用端代碼抽象和封裝——Feign

Feign是一個聲明式的Web Service客戶端，它的目的就是讓Web Service調用更加簡單。它整合了Ribbon和Hystrix，從而讓我們不再需要顯式地使用這兩個組件。Feign還提供了HTTP請求的模板，通過編寫簡單的接口和插入註解，我們就可以定義好HTTP請求的參數、格式、地址等信息。接下來，Feign會完全代理HTTP的請求，我們只需要像調用方法一樣調用它就可以完成服務請求。

Feign具有如下特性：

可插拔的註解支持，包括Feign註解和JAX-RS註解
支持可插拔的HTTP編碼器和解碼器
支持Hystrix和它的Fallback
支持Ribbon的負載均衡
支持HTTP請求和響應的壓縮

以下是一個Feign的簡單示例：

@SpringBootApplication
@EnableDiscoveryClient //啓用Feign
@EnableFeignClients
public class Application
{
    public static void main(String[] args)
    {
        SpringApplication.run(Application.class, args);
    }
}

@FeignClient(name = "elements", fallback = ElementsFallback.class) //指定feign調用的服務和Hystrix Fallback（name即eureka的application name）
public interface Elements
{
    @RequestMapping(value = "/index")
    String index();
}

//Hystrix Fallback  
@Component
public class ElementsFallback implements Elements
{
    @Override
    public String index()
    {
        return "**************";
    }
}

//測試類
@Component  
public class TestController {
    @Autowired
    Elements elements;

    @RequestMapping(value = "/testEureka", method = RequestMethod.GET)
    public String testeureka()
    {
        return elements.index();
    }
}

4. 參考文獻

http://cloud.spring.io/spring-cloud-static/Brixton.SR7

https://github.com/Netflix/eureka/wiki

http://itmuch.com/spring-cloud-sum-eureka

http://nobodyiam.com/2016/06/25/dive-into-eureka

http://blog.csdn.net/neosmith/article/details/53131023

微服務架構的服務與發現-Spring Cloud

微服務架構的服務與發現-Spring Cloud

1 爲什麼需要服務發現

1.1 從使用nginx說起

1.2 基於Dubbo實現微服務

1.3 新的選擇——Spring Cloud

2. Spring Cloud Netflix 組件

3. Spring Cloud 服務發現

3.1 服務註冊與發現——Eureka

3.1.1 Eureka Server

3.1.1.1 Eureka Server的高可用集羣

3.1.1.2 Eureka Server的Region、Zone

3.1.2 Service Provider

3.1.2.1 服務註冊

3.1.2.2 續約與剔除

3.1.3 Service Consumer

3.2 服務調用端負載均衡——Ribbon

3.3 服務調用端熔斷——Hystrix

3.4 服務調用端代碼抽象和封裝——Feign

4. 參考文獻

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