Průzkum architektonických vzorů serverless: Komplexní průvodce

Serverless computing přineslo revoluci do způsobu, jakým se aplikace vytvářejí a nasazují. Díky abstrakci správy podkladové infrastruktury se vývojáři mohou soustředit na psaní kódu a dodávání hodnoty. Tento průvodce zkoumá běžné architektonické vzory serverless a nabízí vhled do jejich výhod, nevýhod a reálných aplikací.

Co je to serverless architektura?

Serverless architektura je model provádění v cloud computingu, kde poskytovatel cloudu dynamicky spravuje přidělování strojových prostředků. Poskytovatel serverless se stará o veškerou podkladovou infrastrukturu, takže nemusíte zajišťovat ani spravovat žádné servery. Platíte pouze za výpočetní čas, který spotřebujete.

Klíčové charakteristiky serverless architektury:

• Žádná správa serverů: Vývojáři nemusí zřizovat, škálovat ani spravovat servery.
• Platba za použití: Platíte pouze za výpočetní čas, který váš kód spotřebuje.
• Automatické škálování: Serverless platformy automaticky škálují prostředky na základě poptávky.
• Řízení událostmi: Funkce jsou spouštěny událostmi, jako jsou HTTP požadavky, změny v databázi nebo zprávy.

Výhody serverless architektury

Přijetí serverless přístupu nabízí několik výhod:

• Snížená provozní zátěž: Odstraňuje potřebu správy serverů, což uvolňuje vývojářům ruce, aby se mohli soustředit na tvorbu funkcí.
• Optimalizace nákladů: Cenový model platby za použití snižuje náklady, zejména u aplikací s proměnlivým provozem.
• Zlepšená škálovatelnost a dostupnost: Automatické škálování a odolnost proti chybám zajišťují vysokou dostupnost a výkon.
• Rychlejší uvedení na trh: Zjednodušené nasazení a správa zrychlují vývojové cykly.

Běžné architektonické vzory serverless

Vzniklo několik architektonických vzorů, které využívají výhod serverless computingu. Zde jsou některé z nejběžnějších:

1. Architektura řízená událostmi

Architektura řízená událostmi je paradigma softwarové architektury, které podporuje produkci, detekci, spotřebu a reakci na události. V kontextu serverless tento vzor často zahrnuje služby, které spouštějí funkce prostřednictvím událostí.

Příklad: Pipeline pro zpracování obrázků

Představte si pipeline pro zpracování obrázků. Když uživatel nahraje obrázek do služby cloudového úložiště (jako je Amazon S3, Azure Blob Storage nebo Google Cloud Storage), je spuštěna událost. Tato událost vyvolá serverless funkci (např. AWS Lambda, Azure Function, Google Cloud Function), která provede změnu velikosti obrázku, konverzi formátu a další úlohy zpracování. Zpracovaný obrázek je poté uložen zpět do služby úložiště, což spustí další událost, která může informovat uživatele nebo aktualizovat databázi.

Komponenty:

• Zdroj události: Služba cloudového úložiště (S3, Blob Storage, Cloud Storage).
• Událost: Nahrání obrázku.
• Funkce: Funkce pro zpracování obrázku (změna velikosti, konverze).
• Cíl: Služba cloudového úložiště, databáze.

Výhody:

• Oddělení (Decoupling): Služby jsou nezávislé a komunikují prostřednictvím událostí.
• Škálovatelnost: Funkce se automaticky škálují na základě objemu událostí.
• Odolnost: Selhání jedné funkce neovlivní ostatní části systému.

2. Vzor API Gateway

Vzor API Gateway zahrnuje použití API gateway ke správě příchozích požadavků a jejich směrování na příslušné serverless funkce. To poskytuje jediný vstupní bod pro klienty a umožňuje funkce jako je autentizace, autorizace, omezování počtu požadavků (rate limiting) a transformace požadavků.

Příklad: REST API

Představte si vytvoření REST API pomocí serverless funkcí. API gateway (např. Amazon API Gateway, Azure API Management, Google Cloud Endpoints) funguje jako vstupní brána pro API. Když klient odešle požadavek, API gateway ho přesměruje na odpovídající serverless funkci na základě cesty a metody požadavku. Funkce zpracuje požadavek a vrátí odpověď, kterou API gateway poté odešle zpět klientovi. Gateway může také zpracovávat autentizaci, autorizaci a omezování počtu požadavků pro ochranu API.

Komponenty:

• API Gateway: Spravuje příchozí požadavky, autentizaci, autorizaci a směrování.
• Funkce: Zpracovávají specifické koncové body API.
• Databáze: Ukládá a načítá data.

Výhody:

• Centralizovaná správa: Jediný vstupní bod pro všechny požadavky na API.
• Bezpečnost: Autentizace a autorizace na úrovni gateway.
• Škálovatelnost: API gateway zvládne vysoké objemy provozu.

3. Vzor Fan-Out (Rozvětvení)

Vzor Fan-Out zahrnuje distribuci jedné události do více funkcí pro paralelní zpracování. To je užitečné pro úkoly, které lze provádět nezávisle, jako je odesílání oznámení více uživatelům nebo paralelní zpracování dat.

Příklad: Odesílání oznámení

Předpokládejme, že potřebujete odeslat oznámení více uživatelům při publikaci nového článku. Když je článek publikován, je spuštěna událost. Tato událost vyvolá funkci, která rozvětví (fan-out) oznámení do více funkcí, z nichž každá je zodpovědná za odeslání oznámení konkrétnímu uživateli nebo skupině uživatelů. To umožňuje odesílání oznámení paralelně, což zkracuje celkovou dobu zpracování.

Komponenty:

• Zdroj události: Publikace článku.
• Funkce Fan-Out: Distribuuje oznámení do více funkcí.
• Notifikační funkce: Odesílají oznámení jednotlivým uživatelům.

Výhody:

• Paralelní zpracování: Úkoly se provádějí souběžně, což zkracuje dobu zpracování.
• Škálovatelnost: Každá funkce se může škálovat nezávisle.
• Zlepšený výkon: Rychlejší doručení oznámení.

4. Vzor Aggregator (Sběrač)

Vzor Aggregator zahrnuje sběr dat z více zdrojů a jejich kombinaci do jednoho výsledku. To je užitečné pro úkoly, které vyžadují data z více API nebo databází.

Příklad: Agregace dat

Představte si aplikaci, která potřebuje zobrazit informace o produktu, včetně jeho ceny, dostupnosti a recenzí. Tyto informace mohou být uloženy v různých databázích nebo získány z různých API. Funkce typu Aggregator může shromažďovat data z těchto různých zdrojů a kombinovat je do jednoho JSON objektu, který je poté odeslán klientovi. To zjednodušuje úlohu klienta při načítání a zobrazování informací o produktu.

Komponenty:

• Zdroje dat: Databáze, API.
• Funkce Aggregator: Shromažďuje a kombinuje data.
• Cíl: Klientská aplikace.

Výhody:

• Zjednodušená logika klienta: Klient potřebuje načíst pouze jeden výsledek.
• Snížený počet síťových požadavků: Méně požadavků na zdroje dat.
• Zlepšený výkon: Data jsou agregována na straně serveru.

5. Vzor Chain (Řetězení)

Vzor Chain zahrnuje řetězení více funkcí za sebou za účelem provedení série úkolů. Výstup jedné funkce se stává vstupem další funkce. To je užitečné pro složité pracovní postupy nebo pipeline pro zpracování dat.

Příklad: Pipeline pro transformaci dat

Představte si pipeline pro transformaci dat, která zahrnuje čištění, validaci a obohacování dat. Každý krok v pipeline může být implementován jako samostatná serverless funkce. Funkce jsou zřetězeny, přičemž výstup jedné funkce je předán jako vstup do další. To umožňuje modulární a škálovatelnou pipeline pro zpracování dat.

Komponenty:

• Funkce: Každá funkce provádí specifický transformační úkol.
• Orchestrace: Mechanismus pro řetězení funkcí (např. AWS Step Functions, Azure Durable Functions, Google Cloud Workflows).

Výhody:

• Modularita: Každá funkce je zodpovědná za specifický úkol.
• Škálovatelnost: Každá funkce se může škálovat nezávisle.
• Udržovatelnost: Snadnější aktualizace a údržba jednotlivých funkcí.

6. Vzor Strangler Fig (Škrtící fíkovník)

Vzor Strangler Fig je strategie postupné migrace pro modernizaci starších aplikací postupným nahrazováním funkcionalit serverless komponentami. Tento vzor vám umožňuje zavádět serverless služby bez úplného narušení stávající aplikace.

Příklad: Migrace monolitu

Předpokládejme, že máte monolitickou aplikaci, kterou chcete migrovat na serverless architekturu. Můžete začít identifikací specifických funkcionalit, které lze snadno nahradit serverless funkcemi. Například můžete nahradit modul pro autentizaci uživatelů serverless funkcí, která ověřuje uživatele vůči externímu poskytovateli identity. Jak nahrazujete více funkcionalit serverless komponentami, monolitická aplikace se postupně zmenšuje, až je nakonec zcela nahrazena.

Komponenty:

• Starší aplikace (Legacy): Stávající aplikace, která potřebuje modernizaci.
• Serverless funkce: Nové serverless komponenty, které nahrazují starší funkcionality.
• Proxy/Router: Směruje požadavky buď na starší aplikaci, nebo na nové serverless funkce.

Výhody:

• Snížené riziko: Postupná migrace snižuje riziko narušení stávající aplikace.
• Flexibilita: Umožňuje modernizovat aplikaci vlastním tempem.
• Úspora nákladů: Serverless komponenty mohou být nákladově efektivnější než starší aplikace.

Výběr správného vzoru

Výběr vhodného architektonického vzoru serverless závisí na specifických požadavcích vaší aplikace. Zvažte následující faktory:

• Složitost aplikace: Jednoduché aplikace mohou vyžadovat pouze základní vzor API gateway, zatímco složitější aplikace mohou těžit z řetězení funkcí nebo použití architektury řízené událostmi.
• Požadavky na škálovatelnost: Vybírejte vzory, které se mohou automaticky škálovat, aby zvládly proměnlivý provoz.
• Potřeby zpracování dat: Zvažte vzory, které podporují paralelní zpracování nebo agregaci dat.
• Stávající infrastruktura: Pokud migrujete ze starší aplikace, může být vzor Strangler Fig dobrou volbou.

Osvědčené postupy pro serverless architekturu

Pro zajištění úspěchu se serverless architekturou dodržujte tyto osvědčené postupy:

• Udržujte funkce malé a zaměřené: Každá funkce by měla mít jediný, dobře definovaný účel. To zlepšuje udržovatelnost a škálovatelnost.
• Používejte proměnné prostředí pro konfiguraci: Vyhněte se pevnému kódování konfiguračních hodnot ve vašich funkcích. Pro správu nastavení konfigurace používejte proměnné prostředí.
• Zpracovávejte chyby elegantně: Implementujte robustní zpracování chyb, abyste zabránili kaskádovému šíření selhání systémem.
• Monitorujte a logujte své funkce: Používejte monitorovací nástroje ke sledování výkonu funkcí a identifikaci potenciálních problémů. Zaznamenávejte důležité události pro pomoc při ladění.
• Zabezpečte své funkce: Implementujte vhodná bezpečnostní opatření k ochraně vašich funkcí před neoprávněným přístupem.
• Optimalizujte studené starty (cold starts): Minimalizujte latenci studeného startu použitím vhodných běhových prostředí a optimalizací kódu funkce.
• Implementujte správné CI/CD pipelines: Automatizujte nasazování a testování vašich serverless funkcí, abyste zajistili konzistentní a spolehlivé vydání.

Serverless napříč různými poskytovateli cloudu

Základní koncepty serverless architektury jsou použitelné napříč různými poskytovateli cloudu, i když se konkrétní implementace a služby mohou lišit. Zde je rychlý přehled:

• Amazon Web Services (AWS): AWS Lambda je vlajkovou lodí serverless výpočetních služeb. AWS také nabízí API Gateway, Step Functions (pro orchestraci) a S3 pro úložiště.
• Microsoft Azure: Azure Functions je serverless výpočetní služba od Microsoftu. Azure také poskytuje API Management, Durable Functions (pro orchestraci) a Blob Storage.
• Google Cloud Platform (GCP): Google Cloud Functions je serverless výpočetní služba od Googlu. GCP nabízí Cloud Endpoints (API gateway), Cloud Workflows (pro orchestraci) a Cloud Storage.

Ačkoli každý poskytovatel má své jedinečné funkce a cenové modely, základní principy serverless architektury zůstávají konzistentní. Výběr správného poskytovatele závisí na vašich specifických potřebách, stávající infrastruktuře a obeznámenosti s platformou.

Serverless a globální aspekty

Při navrhování serverless aplikací pro globální publikum se stává obzvláště důležitých několik faktorů:

• Latence: Minimalizujte latenci nasazením funkcí v regionech blízko vašim uživatelům. Poskytovatelé cloudu nabízejí nasazení serverless funkcí pro konkrétní regiony. Content Delivery Networks (CDN) mohou také pomoci ukládat obsah do mezipaměti blíže k uživatelům, což zlepšuje výkon.
• Rezidence dat: Mějte na paměti požadavky na rezidenci dat v různých zemích a regionech. Ujistěte se, že data jsou ukládána a zpracovávána v souladu s místními předpisy.
• Lokalizace: Navrhujte své aplikace tak, aby podporovaly více jazyků a měn. Serverless funkce lze použít k dynamickému generování obsahu na základě preferencí nebo polohy uživatele.
• Soulad s předpisy (Compliance): Ujistěte se, že vaše aplikace splňují příslušné průmyslové standardy a nařízení, jako jsou GDPR, HIPAA a PCI DSS.
• Optimalizace nákladů: Optimalizujte výkon funkcí a využití zdrojů, abyste minimalizovali náklady. Věnujte zvláštní pozornost cenovým modelům a vzorcům využití specifickým pro daný region.

Pečlivým zvážením těchto faktorů můžete vytvářet serverless aplikace, které jsou globálně dostupné, výkonné a v souladu s předpisy.

Závěr

Serverless architektura nabízí výkonný přístup k vytváření a nasazování moderních aplikací. Porozuměním běžným architektonickým vzorům serverless a dodržováním osvědčených postupů můžete využít výhod snížené provozní zátěže, optimalizace nákladů a zlepšené škálovatelnosti. Jak se technologie serverless neustále vyvíjí, zkoumání a přizpůsobování těchto vzorů bude klíčové pro vytváření efektivních a inovativních řešení v cloudu.