Frontend API Gateway: Mestring af Schema Federation og Stitching med GraphQL

I det hastigt udviklende landskab af moderne webudvikling er anvendelsen af microservices-arkitektur blevet en hjørnesten for at bygge skalerbare, robuste og vedligeholdelsesvenlige applikationer. Efterhånden som systemer vokser og diversificeres, kan håndteringen af et væld af uafhængige services udgøre betydelige udfordringer, især for frontend-teams. Det er her, styrken ved GraphQL, kombineret med sofistikerede API gateway-strategier som schema federation og stitching, virkelig skinner igennem.

Denne omfattende guide dykker ned i finesserne ved at udnytte GraphQL som en frontend API gateway, med et dybdegående kig på de kritiske koncepter schema federation og schema stitching. Vi vil udforske, hvordan disse teknikker muliggør skabelsen af en samlet, kraftfuld GraphQL API fra forskellige microservice-skemaer, og derved strømliner frontend-udvikling, forbedrer ydeevnen og fremmer en mere sammenhængende udvikleroplevelse på tværs af globale teams.

Fremkomsten af Microservices og Frontend-udfordringen

Microservices-arkitektur tilbyder adskillige fordele, herunder uafhængig implementering, teknologisk diversitet og fejlisolering. For frontend-applikationer kan denne distribuerede natur dog medføre øget kompleksitet. Frontend-udviklere interagerer ofte med adskillige backend-services, hver med sit eget API-design, dataformat og kommunikationsprotokoller. Dette kan føre til:

• Øgede netværksanmodninger: At hente data kræver ofte flere rundture til forskellige services.
• Kompleks dataaggregering: Frontend-teams skal manuelt kombinere data fra forskellige kilder.
• Tæt kobling: Ændringer i backend-services kan have en uforholdsmæssig stor indvirkning på frontend.
• Udvikler-træthed: Omkostningerne ved at håndtere flere API-interaktioner kan bremse udviklingscyklusser.

Fremkomsten af Backend for Frontend (BFF)-mønsteret søgte at løse nogle af disse problemer ved at skabe skræddersyede backend-services til specifikke frontend-klienter. Selvom det er effektivt, kan en ren BFF-tilgang undertiden føre til en spredning af backend-services, hvilket øger vedligeholdelsesomkostningerne. GraphQL præsenterer et overbevisende alternativ, der tilbyder et enkelt endepunkt, hvor klienter kan forespørge præcis de data, de har brug for, hvilket reducerer over-fetching og under-fetching.

GraphQL som en Frontend API Gateway

GraphQL, med sine deklarative datahentningsevner, er unikt positioneret til at fungere som et aggregeringslag i et microservices-miljø. I stedet for direkte at forbruge flere REST API'er eller gRPC-services, interagerer frontend-klienter med et enkelt GraphQL-endepunkt. Dette GraphQL-endepunkt, der fungerer som en API Gateway, kan derefter løse forespørgsler ved at orkestrere anmodninger til forskellige underliggende microservices.

Kerneudfordringen bliver så, hvordan man bygger dette samlede GraphQL-skema fra de individuelle skemaer i dine microservices. Det er præcis her, schema federation og schema stitching kommer ind i billedet.

Forståelse af Schema Stitching

Schema stitching, en af de tidligere tilgange til at kombinere GraphQL-skemaer, involverer at flette flere GraphQL-skemaer til et enkelt, sammenhængende skema. Kernen i ideen er at tage skemaer fra forskellige GraphQL-services og kombinere dem, typisk ved at tilføje typer og felter fra et skema til et andet.

Sådan fungerer Schema Stitching:

Schema stitching involverer typisk:

1. Hentning af underskemaer: Stitching-gateway'en henter introspektionsskemaet fra hver af de underliggende GraphQL-microservices.
2. Sammensmeltning af skemaer: Et bibliotek (som graphql-tools' mergeSchemas funktion) smelter disse underskemaer sammen. Denne proces indebærer at løse potentielle konflikter, såsom duplikerede typenavne, og definere, hvordan typer fra forskellige skemaer relaterer til hinanden.
3. Løsning af forespørgsler på tværs af skemaer: Når en forespørgsel har brug for data fra flere services, skal stitching-gateway'en konfigureres til at delegere dele af forespørgslen til den relevante underliggende service. Dette involverer ofte at definere 'remote schemas' og videresende forespørgsler.

Nøglekoncepter i Schema Stitching:

• Type-sammensmeltning: Gør det muligt at kombinere typer med samme navn i forskellige skemaer.
• Skemaudvidelser: Tilføjelse af felter fra et skema til en type defineret i et andet. For eksempel at tilføje et reviews-felt til en Product-type defineret i en separat produktservice.
• Delegering: Kernemekanismen for at videresende dele af en GraphQL-forespørgsel til den relevante underliggende GraphQL-service.

Fordele ved Schema Stitching:

• Enkelhed for mindre projekter: Kan være ligetil at implementere for et begrænset antal services.
• Fleksibilitet: Giver mulighed for finkornet kontrol over, hvordan skemaer kombineres.

Ulemper ved Schema Stitching:

• Manuel konfiguration: Kan blive kompleks og fejlbehæftet, efterhånden som antallet af services vokser.
• Potentiale for konflikter: Håndtering af kollisioner i type- og feltnavne kræver omhyggelig planlægning.
• Ydelsesovervejelser: Ineffektiv delegering kan føre til ydelsesflaskehalse.
• Tæt kobling: Gateway'en skal ofte være bevidst om de underliggende serviceimplementeringer, hvilket skaber en form for kobling.

Introduktion til Schema Federation

Schema federation opstod som en mere robust og skalerbar løsning på de udfordringer, som schema stitching stod over for, især i store, distribuerede microservice-arkitekturer. Udviklet primært af Apollo, giver schema federation dig mulighed for at bygge en enkelt GraphQL API fra flere uafhængige GraphQL-services, kendt som subgraphs.

Den fundamentale forskel ligger i dens tilgang til skemakomposition. I stedet for at flette eksisterende skemaer, definerer schema federation en protokol, hvor subgraphs erklærer deres typer og felter, og en central gateway (routeren eller supergraph'en) sammensætter disse erklæringer til et samlet skema. Denne komposition sker uden at gateway'en behøver at kende de intime detaljer i hver subgraph's implementering, kun dens skemakontrakt.

Sådan fungerer Schema Federation:

Schema federation involverer:

1. Subgraphs: Hver microservice eksponerer en GraphQL API, der overholder federation-specifikationen. Subgraphs erklærer deres typer ved hjælp af specifikke federation-direktiver (f.eks. @key, @extends, @external, @requires, @provides).
2. Supergraph: En federation-router (som Apollo Federation Gateway) forespørger hver subgraph for dens skemadefinition. Den sammensætter derefter disse definitioner til et enkelt, samlet skema – supergraph'en.
3. Entity Resolution: Nøglen til federation er begrebet entities (entiteter). En entitet er en type, der kan identificeres unikt på tværs af flere subgraphs. @key-direktivet på en type i en subgraph markerer den som en entitet og specificerer de felter, der unikt identificerer den. Når en forespørgsel refererer til en entitet, ved gateway'en, hvilken subgraph der er ansvarlig for at hente den entitet baseret på dens @key-direktiv.
4. Komposition: Gateway'en orkestrerer forespørgsler. Hvis en forespørgsel kræver data fra flere subgraphs, opdeler gateway'en intelligent forespørgslen og sender de relevante under-forespørgsler til hver subgraph og kombinerer derefter resultaterne.

Nøglekoncepter i Schema Federation:

• Subgraphs: Uafhængige GraphQL-services, der bidrager til supergraph'en.
• Supergraph: Det samlede skema sammensat fra alle subgraphs.
• Entities: Typer, der kan identificeres unikt på tværs af subgraphs, typisk markeret med @key-direktivet.
• @key Directive: Definerer de felter, der unikt identificerer en entitet. Dette er afgørende for relationer på tværs af subgraphs.
• @extends Directive: Giver en subgraph mulighed for at udvide en type, der er defineret i en anden subgraph (f.eks. at tilføje felter til en User-type defineret i en separat User-subgraph).
• @external Directive: Indikerer, at et felt er defineret i en anden subgraph.
• @requires Directive: Specificerer, at et felt på en entitet kræver, at visse felter fra entitetens nøgle er til stede for at kunne løses.
• @provides Directive: Indikerer, at et felt på en entitet leveres af subgraph'en.

Fordele ved Schema Federation:

• Skalerbarhed: Designet til store, distribuerede systemer og et voksende antal microservices.
• Afkobling: Subgraphs behøver kun at kende deres eget skema og hvordan de skal løse deres typer. Gateway'en håndterer komposition.
• Team-autonomi: Forskellige teams kan eje og administrere deres respektive subgraphs uafhængigt.
• Typesikkerhed: Kompositionsprocessen håndhæver skemakontrakter, hvilket sikrer typesikkerhed på tværs af supergraph'en.
• Forenklet klientoplevelse: Klienter interagerer med et enkelt, samlet skema.

Ulemper ved Schema Federation:

• Indlæringskurve: Kræver forståelse for federation-specifikationen og direktiverne.
• Afhængighed af værktøjer: Er ofte afhængig af specifikke biblioteker og gateways (f.eks. Apollo Federation).
• Kompleksitet i den indledende opsætning: Opsætning af subgraphs og gateway'en kan være mere involveret end simpel stitching.

Federation vs. Stitching: En sammenlignende oversigt

Selvom både schema federation og schema stitching sigter mod at samle GraphQL-skemaer, repræsenterer de forskellige filosofier og tilbyder forskellige fordele:

For de fleste moderne microservice-arkitekturer, der sigter mod langsigtet skalerbarhed og team-autonomi, er schema federation generelt den foretrukne tilgang. Schema stitching kan stadig være en levedygtig mulighed for mindre, mindre komplekse systemer eller for specifikke integrationsscenarier, hvor en mere manuel, direkte sammensmeltning ønskes.

Implementering af Schema Federation: Et praktisk eksempel

Lad os betragte et simpelt e-handelsscenarie med to microservices:

• Brugerservice: Håndterer brugerinformation.
• Produktservice: Håndterer produktinformation.

Brugerservice Subgraph

Denne service definerer en User-type og markerer den som en entitet med @key-direktivet.

            # brugerservice/schema.graphql

# Federation-direktiver
directive @key(fields: String!) on OBJECT

type User @key(fields: "id") {
  id: ID!
  name: String
}

type Query {
  user(id: ID!): User
}

            

              
                Copy
              
            
          

Servicen ville også have resolvers til at hente brugerdata baseret på deres ID.

Produktservice Subgraph

Denne service definerer en Product-type. Afgørende er det, at den også definerer en relation til User-entiteten ved at tilføje et felt (f.eks. createdBy), der refererer til User-typen.

            # produktservice/schema.graphql

# Federation-direktiver
directive @key(fields: String!) on OBJECT
directive @extends on OBJECT
directive @external on OBJECT
directive @requires(fields: String!) on FIELD_DEFINITION

type Product @extends {
  # Vi udvider User-typen fra Brugerservicen
  # @external-direktivet indikerer, at 'id' er defineret et andet sted
  createdBy: User @requires(fields: "userId")
}

type User @extends {
  # Erklær at 'id' er et eksternt felt på User, defineret i en anden subgraph
  id: ID! @external
}

type Query {
  product(id: ID!): Product
}

            

              
                Copy
              
            
          

I Produktservicen:

• @extends på Product indikerer, at dette skema udvider Product-typen.
• id: ID! @external på User betyder, at id-feltet på User-typen er defineret i en anden subgraph (Brugerservicen).
• createdBy: User @requires(fields: "userId") på Product betyder, at for at løse createdBy-feltet (som returnerer et User-objekt), skal produktdata indeholde et userId. Gateway'en vil bruge denne information til at vide, hvilke felter den skal anmode om fra produktservicen, og hvordan den skal linke det til brugerservicen.

Federation Gateway (Supergraph)

Federation-gateway'en (f.eks. Apollo Gateway) er ansvarlig for:

1. At opdage subgraphs (normalt ved at forespørge deres introspektionsskema).
2. At sammensætte de individuelle subgraph-skemaer til et enkelt supergraph-skema.
3. At route indkommende klientforespørgsler til de relevante subgraphs og kombinere resultaterne.

Når en klient forespørger på et produkt og navnet på dets skaber:

            
query GetProductCreator($productId: ID!) {
  product(id: $productId) {
    id
    name
    createdBy {
      id
      name
    }
  }
}

            

              
                Copy
              
            
          

Gateway'en vil udføre følgende:

1. Den ser product-feltet, som håndteres af Produktservicen.
2. Den løser name-feltet fra Product-typen, som også håndteres af Produktservicen.
3. Den støder på createdBy-feltet på Product. Fordi createdBy er defineret som en User-type, og User-typen har et @key(fields: "id")-direktiv i Brugerservicen, ved gateway'en, at den skal hente User-entiteten.
4. @requires(fields: "userId") på createdBy fortæller gateway'en, at Produktservicen har brug for userId for at løse denne relation. Så gateway'en vil anmode om produktet og dets userId fra Produktservicen.
5. Ved hjælp af det hentede userId ved gateway'en, at den skal forespørge Brugerservicen for en bruger med det specifikke ID.
6. Til sidst løser den name-feltet fra User-objektet, der returneres af Brugerservicen.

Denne proces demonstrerer, hvordan schema federation problemfrit forbinder relaterede data på tværs af forskellige microservices, hvilket giver en samlet og effektiv forespørgselsoplevelse for frontend.

Valg af den rette tilgang til dit projekt

Beslutningen mellem schema federation og schema stitching (eller endda andre API gateway-mønstre) afhænger i høj grad af dit projekts specifikke krav, teamstruktur og langsigtede vision.

Hvornår man skal overveje Schema Stitching:

• Små til mellemstore projekter: Hvis du har et begrænset antal GraphQL-microservices og en ligetil datamodel, kan stitching være tilstrækkeligt og lettere at sætte op i starten.
• Eksisterende GraphQL-services: Hvis du allerede har flere uafhængige GraphQL-services og ønsker at kombinere dem uden betydelig refaktorering, kan stitching være en hurtigere integrationsvej.
• Specifik flettelogik: Når du har brug for finkornet kontrol over, hvordan skemaer flettes og typer udvides, og kompleksiteten af federation virker som overkill.

Hvornår man skal omfavne Schema Federation:

• Storskala microservices: For organisationer med et betydeligt antal microservices og teams giver federation den nødvendige skalerbarhed og organisatoriske struktur.
• Team-autonomi er nøglen: Hvis forskellige teams er ansvarlige for forskellige domæner og har brug for at udvikle deres GraphQL API'er uafhængigt, muliggør federation denne autonomi.
• Langsigtet vedligeholdelighed: De klare kontrakter og kompositionsmodellen i federation fører til mere vedligeholdelsesvenlige og robuste systemer over tid.
• Komplekse relationer: Når din datamodel involverer indviklede relationer mellem entiteter, der administreres af forskellige services, er federations entity resolution uvurderlig.
• Gradvis adoption af GraphQL: Federation giver dig mulighed for at introducere GraphQL trinvist. Eksisterende REST-services kan pakkes ind i GraphQL-subgraphs, eller nye GraphQL-services kan bygges som subgraphs fra starten.

Bedste praksis for Frontend API Gateways med GraphQL

Uanset om du vælger federation eller en stitching-tilgang, er det afgørende at følge bedste praksis for at opnå succes:

• Definér klare kontrakter: For federation definerer subgraph-skemaerne og brugen af direktiver som @key, @external og @requires disse kontrakter. For stitching er aftalerne om, hvordan man fletter og delegerer, dine kontrakter.
• Versionér dine API'er: Implementer en klar versioneringsstrategi for dine subgraphs for at håndtere ændringer elegant.
• Overvåg ydeevne: Implementer robust overvågning for din gateway og dine subgraphs. Spor forespørgselsydelse, fejlprocenter og latens. Værktøjer som Apollo Studio kan være uvurderlige her.
• Implementér caching: Udnyt GraphQL-cachingstrategier på gateway- eller klientniveau for at forbedre ydeevnen og reducere belastningen på dine backend-services.
• Sikr din gateway: Implementer autentificering, autorisation og rate limiting på API gateway-niveau for at beskytte dine backend-services.
• Optimer forespørgsler: Uddan frontend-udviklere i at skrive effektive GraphQL-forespørgsler for at undgå over-fetching eller dybt indlejrede forespørgsler, der kan belaste gateway'en og subgraphs.
• Værktøjer og automatisering: Brug værktøjer til skemagenerering, validering og implementeringsautomatisering for at strømline udviklingslivscyklussen.
• Dokumentation: Vedligehold opdateret dokumentation for dit supergraph-skema og individuelle subgraphs. Værktøjer som GraphiQL og GraphQL Playground er fremragende til interaktiv udforskning.
• Fejlhåndtering: Implementer konsistente fejlhåndteringsstrategier på tværs af din gateway og dine subgraphs.
• Testning: Sørg for grundig testning af dine subgraphs og den sammensatte supergraph for at fange problemer tidligt.

Globale overvejelser

Når man implementerer en API gateway-strategi for et globalt publikum, bliver flere faktorer kritiske:

• Latens: Design din gateway- og subgraph-distribution for at minimere latens for brugere i forskellige geografiske regioner. Overvej at bruge Content Delivery Networks (CDN'er) til statiske aktiver og at implementere gateway-instanser tættere på din brugerbase.
• Dataopbevaring og overholdelse: Forstå, hvor dine data opbevares og behandles. Sørg for, at din API gateway og subgraph-konfigurationer overholder regionale databeskyttelsesregler (f.eks. GDPR, CCPA). Federation kan hjælpe med at administrere datalokation ved at lade subgraphs håndtere data, der er relevante for specifikke regioner.
• Valuta og lokalisering: Hvis din applikation håndterer finansielle data eller lokaliseret indhold, skal du sikre, at dit GraphQL-skema og dine resolvers kan håndtere forskellige valutaer, sprog og datoformater korrekt.
• Tidszoner: Vær opmærksom på tidszoneforskelle, når du behandler og viser tidsfølsomme data.
• Infrastrukturskalering: Planlæg skalering af din gateway og dine subgraphs for at håndtere svingende globale trafikmønstre.

Fremtiden for GraphQL Gateways

GraphQL-økosystemet fortsætter med at udvikle sig. Vi ser fremskridt inden for:

• Forbedrede Federation-specifikationer: Den løbende udvikling af GraphQL Federation-specifikationen af Apollo og det bredere community fører til mere robuste og standardiserede måder at bygge distribuerede GraphQL API'er på.
• Administrerede GraphQL-services: Cloud-udbydere og tredjepartstjenester tilbyder administrerede GraphQL gateway-løsninger, hvilket forenkler implementering og drift.
• Nye biblioteker og værktøjer: Udviklingen af nye værktøjer og biblioteker til at bygge, teste og overvåge GraphQL-gateways og subgraphs gør adoptionen lettere og mere effektiv.
• GraphQL Mesh: Nye værktøjer som GraphQL Mesh sigter mod at abstrahere kompleksiteten af forskellige datakilder (REST, gRPC, GraphQL, OpenAPI) og tillade dem at blive serveret som en samlet GraphQL API, hvilket tilbyder et alternativ til traditionel federation for bredere integrationsbehov.

Konklusion

Efterhånden som organisationer i stigende grad adopterer microservices-arkitekturer, bliver behovet for effektive API gateway-strategier altafgørende. GraphQL, med sine kraftfulde forespørgselsmuligheder, tilbyder en elegant løsning, og schema federation fremstår som den mest skalerbare og vedligeholdelsesvenlige tilgang til at samle forskellige GraphQL-microservices.

Ved at forstå principperne bag schema federation og stitching, og ved at følge bedste praksis for implementering og global udrulning, kan frontend-teams betydeligt strømline deres udviklingsprocesser, bygge mere robuste applikationer og levere exceptionelle brugeroplevelser. Uanset om du starter et nyt projekt eller udvikler et eksisterende microservices-landskab, er investering i en velarkitekteret GraphQL API gateway drevet af federation et strategisk skridt mod at bygge den næste generation af robuste, skalerbare og brugercentrerede applikationer.

Vigtigste pointer:

• GraphQL fungerer som en kraftfuld API gateway for microservices.
• Schema Federation bygger en samlet supergraph fra uafhængige subgraphs ved hjælp af en klar kontraktprotokol.
• Schema Stitching fletter eksisterende skemaer, hvilket giver mere manuel kontrol, men mindre skalerbarhed for store systemer.
• Federation foretrækkes generelt for sin skalerbarhed, afkobling og team-autonomi.
• Bedste praksis inkluderer klare kontrakter, overvågning, sikkerhed og globale overvejelser.

At omfavne disse koncepter vil styrke dine udviklingsteams til at navigere i kompleksiteten af microservices og bygge applikationer, der er både kraftfulde og tilpasningsdygtige til de evigt skiftende krav i det globale digitale landskab.