Erkundung von Serverless-Architekturmustern: Ein umfassender Leitfaden

Serverless-Computing hat die Art und Weise, wie Anwendungen erstellt und bereitgestellt werden, revolutioniert. Durch die Abstraktion des zugrunde liegenden Infrastrukturmanagements können sich Entwickler auf das Schreiben von Code und die Bereitstellung von Mehrwert konzentrieren. Dieser Leitfaden untersucht gängige Serverless-Architekturmuster und bietet Einblicke in ihre Vorteile, Nachteile und realen Anwendungen.

Was ist eine Serverless-Architektur?

Eine Serverless-Architektur ist ein Cloud-Computing-Ausführungsmodell, bei dem der Cloud-Anbieter die Zuweisung von Maschinenressourcen dynamisch verwaltet. Der Serverless-Anbieter kümmert sich um die gesamte zugrunde liegende Infrastruktur, sodass Sie keine Server bereitstellen oder verwalten müssen. Sie zahlen nur für die Rechenzeit, die Sie verbrauchen.

Schlüsselmerkmale der Serverless-Architektur:

Kein Server-Management: Entwickler müssen keine Server bereitstellen, skalieren oder verwalten.
Nutzungsbasierte Bezahlung: Sie zahlen nur für die Rechenzeit, die Ihr Code verbraucht.
Automatische Skalierung: Serverless-Plattformen skalieren Ressourcen automatisch je nach Bedarf.
Ereignisgesteuert: Funktionen werden durch Ereignisse wie HTTP-Anfragen, Datenbankänderungen oder Nachrichten ausgelöst.

Vorteile der Serverless-Architektur

Die Einführung eines Serverless-Ansatzes bietet mehrere Vorteile:

Reduzierter Betriebsaufwand: Eliminiert die Notwendigkeit des Server-Managements, sodass sich Entwickler auf die Erstellung von Funktionen konzentrieren können.
Kostenoptimierung: Das nutzungsbasierte Preismodell senkt die Kosten, insbesondere bei Anwendungen mit schwankendem Datenverkehr.
Verbesserte Skalierbarkeit und Verfügbarkeit: Automatische Skalierung und Fehlertoleranz gewährleisten hohe Verfügbarkeit und Leistung.
Schnellere Markteinführung: Vereinfachte Bereitstellung und Verwaltung beschleunigen die Entwicklungszyklen.

Gängige Serverless-Architekturmuster

Es haben sich mehrere Architekturmuster herausgebildet, um die Vorteile des Serverless-Computing zu nutzen. Hier sind einige der gängigsten:

1. Ereignisgesteuerte Architektur

Die ereignisgesteuerte Architektur ist ein Softwarearchitekturparadigma, das die Produktion, Erkennung, den Verbrauch von und die Reaktion auf Ereignisse fördert. In einem Serverless-Kontext beinhaltet dieses Muster oft Dienste, die Funktionen durch Ereignisse auslösen.

Beispiel: Bildverarbeitungs-Pipeline

Stellen Sie sich eine Bildverarbeitungs-Pipeline vor. Wenn ein Benutzer ein Bild in einen Cloud-Speicherdienst (wie Amazon S3, Azure Blob Storage oder Google Cloud Storage) hochlädt, wird ein Ereignis ausgelöst. Dieses Ereignis ruft eine Serverless-Funktion (z. B. AWS Lambda, Azure Function, Google Cloud Function) auf, die die Bildgröße ändert, das Format konvertiert und andere Verarbeitungsaufgaben durchführt. Das verarbeitete Bild wird dann wieder im Speicherdienst gespeichert, was ein weiteres Ereignis auslöst, das den Benutzer benachrichtigen oder eine Datenbank aktualisieren könnte.

Komponenten:

Ereignisquelle: Cloud-Speicherdienst (S3, Blob Storage, Cloud Storage).
Ereignis: Bildupload.
Funktion: Bildverarbeitungsfunktion (Größenänderung, Konvertierung).
Ziel: Cloud-Speicherdienst, Datenbank.

Vorteile:

Entkopplung: Dienste sind unabhängig und kommunizieren über Ereignisse.
Skalierbarkeit: Funktionen skalieren automatisch basierend auf dem Ereignisvolumen.
Resilienz: Der Ausfall einer Funktion beeinträchtigt andere Teile des Systems nicht.

2. API-Gateway-Muster

Das API-Gateway-Muster beinhaltet die Verwendung eines API-Gateways zur Verwaltung eingehender Anfragen und deren Weiterleitung an die entsprechenden Serverless-Funktionen. Dies bietet einen einzigen Einstiegspunkt für Clients und ermöglicht Funktionen wie Authentifizierung, Autorisierung, Ratenbegrenzung und Anforderungstransformation.

Beispiel: REST-API

Stellen Sie sich vor, Sie erstellen eine REST-API mit Serverless-Funktionen. Ein API-Gateway (z. B. Amazon API Gateway, Azure API Management, Google Cloud Endpoints) fungiert als Eingangstor für die API. Wenn ein Client eine Anfrage sendet, leitet das API-Gateway sie basierend auf dem Anfragepfad und der Methode an die entsprechende Serverless-Funktion weiter. Die Funktion verarbeitet die Anfrage und gibt eine Antwort zurück, die das API-Gateway dann an den Client sendet. Das Gateway kann auch Authentifizierung, Autorisierung und Ratenbegrenzung handhaben, um die API zu schützen.

Komponenten:

API-Gateway: Verwaltet eingehende Anfragen, Authentifizierung, Autorisierung und Routing.
Funktionen: Behandeln spezifische API-Endpunkte.
Datenbank: Speichert und ruft Daten ab.

Vorteile:

Zentralisierte Verwaltung: Einziger Einstiegspunkt für alle API-Anfragen.
Sicherheit: Authentifizierung und Autorisierung auf Gateway-Ebene.
Skalierbarkeit: Das API-Gateway kann hohe Verkehrsaufkommen bewältigen.

3. Fan-Out-Muster

Das Fan-Out-Muster beinhaltet die Verteilung eines einzelnen Ereignisses an mehrere Funktionen zur parallelen Verarbeitung. Dies ist nützlich für Aufgaben, die unabhängig voneinander ausgeführt werden können, wie z. B. das Senden von Benachrichtigungen an mehrere Benutzer oder die parallele Verarbeitung von Daten.

Beispiel: Senden von Benachrichtigungen

Angenommen, Sie müssen Benachrichtigungen an mehrere Benutzer senden, wenn ein neuer Artikel veröffentlicht wird. Wenn der Artikel veröffentlicht wird, wird ein Ereignis ausgelöst. Dieses Ereignis ruft eine Funktion auf, die die Benachrichtigung an mehrere Funktionen verteilt, von denen jede für das Senden der Benachrichtigung an einen bestimmten Benutzer oder eine Benutzergruppe verantwortlich ist. Dies ermöglicht das parallele Versenden von Benachrichtigungen und reduziert die Gesamtverarbeitungszeit.

Komponenten:

Ereignisquelle: Veröffentlichung eines Artikels.
Fan-Out-Funktion: Verteilt die Benachrichtigung an mehrere Funktionen.
Benachrichtigungsfunktionen: Senden Benachrichtigungen an einzelne Benutzer.

Vorteile:

Parallele Verarbeitung: Aufgaben werden gleichzeitig ausgeführt, was die Verarbeitungszeit reduziert.
Skalierbarkeit: Jede Funktion kann unabhängig skaliert werden.
Verbesserte Leistung: Schnellere Zustellung von Benachrichtigungen.

4. Aggregator-Muster

Das Aggregator-Muster beinhaltet das Sammeln von Daten aus mehreren Quellen und deren Zusammenführung zu einem einzigen Ergebnis. Dies ist nützlich für Aufgaben, die Daten aus mehreren APIs oder Datenbanken erfordern.

Beispiel: Datenaggregation

Stellen Sie sich eine Anwendung vor, die Informationen über ein Produkt anzeigen muss, einschließlich Preis, Verfügbarkeit und Bewertungen. Diese Informationen können in verschiedenen Datenbanken gespeichert sein oder von verschiedenen APIs abgerufen werden. Eine Aggregator-Funktion kann Daten aus diesen verschiedenen Quellen sammeln und zu einem einzigen JSON-Objekt zusammenfassen, das dann an den Client gesendet wird. Dies vereinfacht die Aufgabe des Clients, die Produktinformationen abzurufen und anzuzeigen.

Komponenten:

Datenquellen: Datenbanken, APIs.
Aggregator-Funktion: Sammelt und kombiniert Daten.
Ziel: Client-Anwendung.

Vorteile:

Vereinfachte Client-Logik: Der Client muss nur ein einziges Ergebnis abrufen.
Reduzierte Netzwerkanfragen: Weniger Anfragen an Datenquellen.
Verbesserte Leistung: Die Daten werden auf der Serverseite aggregiert.

5. Kettenmuster

Das Kettenmuster (Chain Pattern) beinhaltet die Verkettung mehrerer Funktionen, um eine Reihe von Aufgaben auszuführen. Die Ausgabe einer Funktion wird zur Eingabe der nächsten Funktion. Dies ist nützlich für komplexe Arbeitsabläufe oder Datenverarbeitungs-Pipelines.

Beispiel: Datentransformations-Pipeline

Stellen Sie sich eine Datentransformations-Pipeline vor, die das Bereinigen, Validieren und Anreichern von Daten umfasst. Jeder Schritt in der Pipeline kann als separate Serverless-Funktion implementiert werden. Die Funktionen werden miteinander verkettet, wobei die Ausgabe einer Funktion als Eingabe an die nächste übergeben wird. Dies ermöglicht eine modulare und skalierbare Datenverarbeitungs-Pipeline.

Komponenten:

Funktionen: Jede Funktion führt eine spezifische Transformationsaufgabe aus.
Orchestrierung: Ein Mechanismus zur Verkettung der Funktionen (z. B. AWS Step Functions, Azure Durable Functions, Google Cloud Workflows).

Vorteile:

Modularität: Jede Funktion ist für eine bestimmte Aufgabe verantwortlich.
Skalierbarkeit: Jede Funktion kann unabhängig skaliert werden.
Wartbarkeit: Einfachere Aktualisierung und Wartung einzelner Funktionen.

6. Strangler-Fig-Muster

Das Strangler-Fig-Muster ist eine schrittweise Migrationsstrategie zur Modernisierung von Altanwendungen durch den inkrementellen Ersatz von Funktionalitäten durch Serverless-Komponenten. Dieses Muster ermöglicht es Ihnen, Serverless-Dienste einzuführen, ohne die bestehende Anwendung vollständig zu stören.

Beispiel: Migration eines Monolithen

Angenommen, Sie haben eine monolithische Anwendung, die Sie auf eine Serverless-Architektur migrieren möchten. Sie können damit beginnen, spezifische Funktionalitäten zu identifizieren, die leicht durch Serverless-Funktionen ersetzt werden können. Zum Beispiel könnten Sie das Benutzerauthentifizierungsmodul durch eine Serverless-Funktion ersetzen, die Benutzer bei einem externen Identitätsanbieter authentifiziert. Während Sie mehr Funktionalitäten durch Serverless-Komponenten ersetzen, schrumpft die monolithische Anwendung allmählich, bis sie schließlich vollständig ersetzt ist.

Komponenten:

Altanwendung: Die bestehende Anwendung, die modernisiert werden muss.
Serverless-Funktionen: Neue Serverless-Komponenten, die alte Funktionalitäten ersetzen.
Proxy/Router: Leitet Anfragen entweder an die Altanwendung oder die neuen Serverless-Funktionen weiter.

Vorteile:

Reduziertes Risiko: Die schrittweise Migration verringert das Risiko, die bestehende Anwendung zu stören.
Flexibilität: Ermöglicht die Modernisierung der Anwendung in Ihrem eigenen Tempo.
Kosteneinsparungen: Serverless-Komponenten können kostengünstiger sein als die Altanwendung.

Das richtige Muster wählen

Die Auswahl des geeigneten Serverless-Architekturmusters hängt von den spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung ab. Berücksichtigen Sie die folgenden Faktoren:

Anwendungskomplexität: Einfache Anwendungen benötigen möglicherweise nur ein grundlegendes API-Gateway-Muster, während komplexere Anwendungen von der Verkettung von Funktionen oder einer ereignisgesteuerten Architektur profitieren könnten.
Skalierbarkeitsanforderungen: Wählen Sie Muster, die automatisch skalieren können, um schwankenden Datenverkehr zu bewältigen.
Datenverarbeitungsbedürfnisse: Berücksichtigen Sie Muster, die parallele Verarbeitung oder Datenaggregation unterstützen.
Bestehende Infrastruktur: Wenn Sie von einer Altanwendung migrieren, könnte das Strangler-Fig-Muster eine gute Option sein.

Best Practices für die Serverless-Architektur

Um den Erfolg mit einer Serverless-Architektur sicherzustellen, befolgen Sie diese Best Practices:

Funktionen klein und fokussiert halten: Jede Funktion sollte einen einzigen, klar definierten Zweck haben. Dies verbessert die Wartbarkeit und Skalierbarkeit.
Umgebungsvariablen für die Konfiguration verwenden: Vermeiden Sie das Hardcoding von Konfigurationswerten in Ihren Funktionen. Verwenden Sie Umgebungsvariablen, um Konfigurationseinstellungen zu verwalten.
Fehler elegant behandeln: Implementieren Sie eine robuste Fehlerbehandlung, um zu verhindern, dass sich Ausfälle im gesamten System ausbreiten.
Ihre Funktionen überwachen und protokollieren: Verwenden Sie Überwachungstools, um die Leistung der Funktionen zu verfolgen und potenzielle Probleme zu identifizieren. Protokollieren Sie wichtige Ereignisse zur Unterstützung bei der Fehlersuche.
Ihre Funktionen sichern: Implementieren Sie geeignete Sicherheitsmaßnahmen, um Ihre Funktionen vor unbefugtem Zugriff zu schützen.
Kaltstarts optimieren: Minimieren Sie die Latenz bei Kaltstarts durch die Verwendung geeigneter Sprachlaufzeitumgebungen und die Optimierung des Funktionscodes.
Ordnungsgemäße CI/CD-Pipelines implementieren: Automatisieren Sie die Bereitstellung und das Testen Ihrer Serverless-Funktionen, um konsistente und zuverlässige Veröffentlichungen zu gewährleisten.

Serverless bei verschiedenen Cloud-Anbietern

Die Kernkonzepte der Serverless-Architektur sind bei verschiedenen Cloud-Anbietern anwendbar, obwohl die spezifischen Implementierungen und Dienste variieren können. Hier ist ein kurzer Überblick:

Amazon Web Services (AWS): AWS Lambda ist der führende Serverless-Compute-Dienst. AWS bietet auch API Gateway, Step Functions (für die Orchestrierung) und S3 für die Speicherung an.
Microsoft Azure: Azure Functions ist der Serverless-Compute-Dienst von Microsoft. Azure bietet auch API Management, Durable Functions (für die Orchestrierung) und Blob Storage an.
Google Cloud Platform (GCP): Google Cloud Functions ist der Serverless-Compute-Dienst von Google. GCP bietet Cloud Endpoints (API-Gateway), Cloud Workflows (für die Orchestrierung) und Cloud Storage an.

Obwohl jeder Anbieter seine einzigartigen Funktionen und Preismodelle hat, bleiben die grundlegenden Prinzipien der Serverless-Architektur konsistent. Die Wahl des richtigen Anbieters hängt von Ihren spezifischen Bedürfnissen, der bestehenden Infrastruktur und Ihrer Vertrautheit mit der Plattform ab.

Serverless und globale Überlegungen

Bei der Gestaltung von Serverless-Anwendungen für ein globales Publikum werden mehrere Faktoren besonders wichtig:

Latenz: Minimieren Sie die Latenz, indem Sie Funktionen in Regionen bereitstellen, die sich in der Nähe Ihrer Benutzer befinden. Cloud-Anbieter bieten regionenspezifische Bereitstellungen für Serverless-Funktionen an. Content Delivery Networks (CDNs) können ebenfalls helfen, Inhalte näher bei den Benutzern zu cachen und die Leistung zu verbessern.
Datenresidenz: Achten Sie auf die Anforderungen zur Datenresidenz in verschiedenen Ländern und Regionen. Stellen Sie sicher, dass Daten in Übereinstimmung mit den lokalen Vorschriften gespeichert und verarbeitet werden.
Lokalisierung: Gestalten Sie Ihre Anwendungen so, dass sie mehrere Sprachen und Währungen unterstützen. Serverless-Funktionen können verwendet werden, um Inhalte dynamisch basierend auf den Vorlieben oder dem Standort des Benutzers zu generieren.
Compliance: Stellen Sie sicher, dass Ihre Anwendungen den relevanten Branchenstandards und Vorschriften wie DSGVO, HIPAA und PCI DSS entsprechen.
Kostenoptimierung: Optimieren Sie die Leistung der Funktionen und die Ressourcennutzung, um die Kosten zu minimieren. Achten Sie genau auf regionenspezifische Preismodelle und Nutzungsmuster.

Indem Sie diese Faktoren sorgfältig berücksichtigen, können Sie Serverless-Anwendungen erstellen, die global zugänglich, leistungsstark und konform sind.

Fazit

Die Serverless-Architektur bietet einen leistungsstarken Ansatz zum Erstellen und Bereitstellen moderner Anwendungen. Durch das Verständnis gängiger Serverless-Architekturmuster und die Befolgung von Best Practices können Sie die Vorteile eines reduzierten Betriebsaufwands, der Kostenoptimierung und einer verbesserten Skalierbarkeit nutzen. Da sich die Serverless-Technologie weiterentwickelt, wird die Erkundung und Anpassung dieser Muster entscheidend für die Erstellung effizienter und innovativer Lösungen in der Cloud sein.