Frontend API Gateway: Ovladavanje federacijom i spajanjem shema pomoću GraphQL-a

U brzo evoluirajućem krajoliku modernog web razvoja, usvajanje arhitekture mikroservisa postalo je kamen temeljac za izgradnju skalabilnih, otpornih i održivih aplikacija. Kako sustavi rastu i diverzificiraju se, upravljanje mnoštvom neovisnih servisa može predstavljati značajne izazove, posebno za frontend timove. Tu do izražaja dolazi snaga GraphQL-a, u kombinaciji sa sofisticiranim strategijama API gatewaya poput federacije i spajanja shema.

Ovaj sveobuhvatni vodič zaranja u zamršenosti korištenja GraphQL-a kao frontend API gatewaya, s dubinskim pregledom ključnih koncepata federacije shema i spajanja shema. Istražit ćemo kako ove tehnike omogućuju stvaranje jedinstvenog, moćnog GraphQL API-ja iz različitih shema mikroservisa, čime se pojednostavljuje frontend razvoj, poboljšava izvedba i potiče kohezivnije iskustvo za razvojne inženjere u globalnim timovima.

Uspon mikroservisa i izazov za frontend

Arhitektura mikroservisa nudi brojne prednosti, uključujući neovisnu implementaciju, tehnološku raznolikost i izolaciju grešaka. Međutim, za frontend aplikacije, ova distribuirana priroda može se prevesti u povećanu složenost. Frontend developeri se često nalaze u interakciji s brojnim backend servisima, svaki s vlastitim dizajnom API-ja, formatom podataka i komunikacijskim protokolima. To može dovesti do:

• Povećanog broja mrežnih zahtjeva: Dohvaćanje podataka često zahtijeva višestruke povratne pozive prema različitim servisima.
• Složenosti agregacije podataka: Frontend timovi moraju ručno kombinirati podatke iz različitih izvora.
• Čvrste povezanosti (tight coupling): Promjene u backend servisima mogu imati nerazmjeran utjecaj na frontend.
• Zamora developera: Dodatni napor upravljanja višestrukim API interakcijama može usporiti razvojne cikluse.

Pojava uzorka Backend for Frontend (BFF) nastojala je riješiti neke od ovih problema stvaranjem prilagođenih backend servisa za specifične frontend klijente. Iako učinkovit, čisti BFF pristup ponekad može dovesti do proliferacije backend servisa, povećavajući troškove održavanja. GraphQL predstavlja uvjerljivu alternativu, nudeći jednu krajnju točku (endpoint) za klijente da zatraže točno one podatke koji su im potrebni, smanjujući prekomjerno i nedovoljno dohvaćanje podataka (over-fetching i under-fetching).

GraphQL kao Frontend API Gateway

GraphQL, sa svojim deklarativnim mogućnostima dohvaćanja podataka, jedinstveno je pozicioniran da djeluje kao sloj agregacije u okruženju mikroservisa. Umjesto izravnog konzumiranja višestrukih REST API-ja ili gRPC servisa, frontend klijenti komuniciraju s jednom GraphQL krajnjom točkom. Ta GraphQL krajnja točka, djelujući kao API Gateway, može zatim rješavati upite orkestriranjem zahtjeva prema različitim temeljnim mikroservisima.

Glavni izazov tada postaje kako izgraditi ovu jedinstvenu GraphQL shemu iz pojedinačnih shema vaših mikroservisa. Upravo tu na scenu stupaju federacija shema i spajanje shema.

Razumijevanje spajanja shema (Schema Stitching)

Spajanje shema (Schema stitching), jedan od ranijih pristupa kombiniranju GraphQL shema, uključuje spajanje više GraphQL shema u jednu, kohezivnu shemu. Glavna ideja je uzeti sheme iz različitih GraphQL servisa i kombinirati ih, obično dodavanjem tipova i polja iz jedne sheme u drugu.

Kako funkcionira spajanje shema:

Spajanje shema obično uključuje:

1. Dohvaćanje pod-shema: Gateway za spajanje dohvaća introspekcijsku shemu iz svakog od temeljnih GraphQL mikroservisa.
2. Spajanje shema: Biblioteka (poput funkcije graphql-tools' mergeSchemas) spaja ove pod-sheme. Ovaj proces uključuje rješavanje potencijalnih sukoba, kao što su duplicirana imena tipova, i definiranje kako se tipovi iz različitih shema odnose jedni prema drugima.
3. Rješavanje upita preko više shema: Kada upit treba podatke iz više servisa, gateway za spajanje mora biti konfiguriran da delegira dijelove upita odgovarajućem temeljnom servisu. To često uključuje definiranje 'udaljenih shema' (remote schemas) i prosljeđivanje upita.

Ključni koncepti u spajanju shema:

• Spajanje tipova (Type Merging): Omogućavanje kombiniranja tipova s istim imenom u različitim shemama.
• Proširenja sheme (Schema Extensions): Dodavanje polja iz jedne sheme tipu definiranom u drugoj. Na primjer, dodavanje polja reviews (recenzije) tipu Product (proizvod) definiranom u zasebnom servisu za proizvode.
• Delegacija (Delegation): Osnovni mehanizam za prosljeđivanje dijelova GraphQL upita odgovarajućem temeljnom GraphQL servisu.

Prednosti spajanja shema:

• Jednostavnost za manje projekte: Može biti jednostavno za implementaciju za ograničen broj servisa.
• Fleksibilnost: Omogućuje detaljnu kontrolu nad načinom kombiniranja shema.

Nedostaci spajanja shema:

• Ručna konfiguracija: Može postati složeno i podložno greškama kako broj servisa raste.
• Potencijal za sukobe: Upravljanje kolizijama imena tipova i polja zahtijeva pažljivo planiranje.
• Razmatranja performansi: Neefikasna delegacija može dovesti do uskih grla u performansama.
• Čvrsta povezanost: Gateway često mora biti svjestan implementacija temeljnih servisa, stvarajući oblik povezanosti.

Uvod u federaciju shema (Schema Federation)

Federacija shema (Schema federation) pojavila se kao robusnije i skalabilnije rješenje za izazove s kojima se suočavalo spajanje shema, posebno u velikim, distribuiranim arhitekturama mikroservisa. Razvijena prvenstveno od strane Apolla, federacija shema omogućuje vam izgradnju jednog GraphQL API-ja iz više neovisnih GraphQL servisa, poznatih kao podgrafovi (subgraphs).

Temeljna razlika leži u pristupu kompoziciji sheme. Umjesto spajanja postojećih shema, federacija shema definira protokol gdje podgrafovi deklariraju svoje tipove i polja, a središnji gateway (router ili supergraf) sastavlja te deklaracije u jedinstvenu shemu. Ova kompozicija se događa bez da gateway treba znati intimne detalje implementacije svakog podgrafa, već samo njegov ugovor o shemi.

Kako funkcionira federacija shema:

Federacija shema uključuje:

1. Podgrafovi (Subgraphs): Svaki mikroservis izlaže GraphQL API koji se pridržava specifikacije federacije. Podgrafovi deklariraju svoje tipove koristeći specifične direktive federacije (npr. @key, @extends, @external, @requires, @provides).
2. Supergraf (Supergraph): Federacijski router (poput Apollo Federation Gatewaya) šalje upit svakom podgrafu za njegovu definiciju sheme. Zatim sastavlja te definicije u jednu, jedinstvenu shemu – supergraf.
3. Rezolucija entiteta (Entity Resolution): Ključ federacije je koncept entiteta. Entitet je tip koji se može jedinstveno identificirati preko više podgrafova. Direktiva @key na tipu u podgrafu označava ga kao entitet i specificira polja koja ga jedinstveno identificiraju. Kada upit referencira entitet, gateway zna koji je podgraf odgovoran za dohvaćanje tog entiteta na temelju njegove @key direktive.
4. Kompozicija: Gateway orkestrira upite. Ako upit zahtijeva podatke iz više podgrafova, gateway inteligentno razbija upit i šalje odgovarajuće pod-upite svakom podgrafu, a zatim kombinira rezultate.

Ključni koncepti u federaciji shema:

• Podgrafovi (Subgraphs): Neovisni GraphQL servisi koji doprinose supergrafu.
• Supergraf (Supergraph): Jedinstvena shema sastavljena od svih podgrafova.
• Entiteti (Entities): Tipovi koji su jedinstveno prepoznatljivi preko podgrafova, obično označeni direktivom @key.
• Direktiva @key: Definira polja koja jedinstveno identificiraju entitet. Ovo je ključno za odnose između podgrafova.
• Direktiva @extends: Omogućuje podgrafu da proširi tip koji je definiran u drugom podgrafu (npr. dodavanje polja tipu User definiranom u zasebnom User podgrafu).
• Direktiva @external: Označava da je polje definirano na drugom podgrafu.
• Direktiva @requires: Specificira da polje na entitetu zahtijeva da određena polja iz ključa entiteta budu prisutna za rezoluciju.
• Direktiva @provides: Označava da je polje na entitetu osigurano od strane podgrafa.

Prednosti federacije shema:

• Skalabilnost: Dizajnirano za velike, distribuirane sustave i rastući broj mikroservisa.
• Odvajanje (Decoupling): Podgrafovi trebaju znati samo vlastitu shemu i kako riješiti svoje tipove. Gateway se brine za kompoziciju.
• Autonomija timova: Različiti timovi mogu neovisno posjedovati i upravljati svojim podgrafovima.
• Sigurnost tipova (Type safety): Proces kompozicije provodi ugovore o shemi, osiguravajući sigurnost tipova preko cijelog supergrafa.
• Pojednostavljeno iskustvo klijenta: Klijenti komuniciraju s jednom, jedinstvenom shemom.

Nedostaci federacije shema:

• Krivulja učenja: Zahtijeva razumijevanje specifikacije federacije i direktiva.
• Ovisnost o alatima: Često se oslanja na specifične biblioteke i gatewaye (npr. Apollo Federation).
• Složenost početnog postavljanja: Postavljanje podgrafova i gatewaya može biti složenije od jednostavnog spajanja.

Federacija naspram spajanja: Usporedni pregled

Iako i federacija shema i spajanje shema imaju za cilj ujediniti GraphQL sheme, one predstavljaju različite filozofije i nude različite prednosti:

Za većinu modernih arhitektura mikroservisa koje teže dugoročnoj skalabilnosti i autonomiji timova, federacija shema je općenito preferirani pristup. Spajanje shema i dalje može biti održiva opcija za manje, manje složene sustave ili za specifične scenarije integracije gdje se želi ručnije, izravno spajanje.

Implementacija federacije shema: Praktičan primjer

Razmotrimo jednostavan scenarij e-trgovine s dva mikroservisa:

• Servis za korisnike (Users Service): Upravlja informacijama o korisnicima.
• Servis za proizvode (Products Service): Upravlja informacijama o proizvodima.

Podgraf servisa za korisnike

Ovaj servis definira tip User i označava ga kao entitet s direktivom @key.

            # users-service/schema.graphql

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

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

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

            

              
                Copy
              
            
          

Servis bi također imao resolver-e za dohvaćanje korisničkih podataka na temelju njihovog ID-a.

Podgraf servisa za proizvode

Ovaj servis definira tip Product. Ključno, također definira odnos prema entitetu User dodavanjem polja (npr. createdBy) koje referencira tip User.

            # products-service/schema.graphql

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

type Product @extends {
  # We are extending the User type from the Users Service
  # The @external directive indicates 'id' is defined elsewhere
  createdBy: User @requires(fields: "userId")
}

type User @extends {
  # Declare that 'id' is an external field on User, defined in another subgraph
  id: ID! @external
}

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

            

              
                Copy
              
            
          

U Servisu za proizvode:

• @extends na Product označava da ova shema proširuje tip Product.
• id: ID! @external na User označava da je polje id tipa User definirano u drugom podgrafu (Servis za korisnike).
• createdBy: User @requires(fields: "userId") na Product znači da za rješavanje polja createdBy (koje vraća objekt User), podaci o proizvodu moraju sadržavati userId. Gateway će koristiti ove informacije da zna koja polja treba zatražiti od servisa za proizvode i kako ga povezati sa servisom za korisnike.

Federacijski Gateway (Supergraf)

Federacijski gateway (npr. Apollo Gateway) odgovoran je za:

1. Otkrivanje podgrafova (obično slanjem upita njihovoj introspekcijskoj shemi).
2. Sastavljanje pojedinačnih shema podgrafova u jednu supergraf shemu.
3. Usmjeravanje dolaznih klijentskih upita prema odgovarajućim podgrafovima i kombiniranje rezultata.

Kada klijent pošalje upit za proizvod i ime njegovog kreatora:

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

            

              
                Copy
              
            
          

Gateway će izvršiti sljedeće:

1. Vidi polje product, kojim upravlja Servis za proizvode.
2. Rješava polje name iz tipa Product, kojim također upravlja Servis za proizvode.
3. Nailazi na polje createdBy na Product. Budući da je createdBy definiran kao tip User i tip User ima direktivu @key(fields: "id") u Servisu za korisnike, gateway zna da treba dohvatiti entitet User.
4. @requires(fields: "userId") na createdBy govori gatewayu da Servis za proizvode treba userId za rješavanje ovog odnosa. Stoga će gateway zatražiti proizvod i njegov userId od Servisa za proizvode.
5. Koristeći dohvaćeni userId, gateway tada zna da treba poslati upit Servisu za korisnike za korisnika s tim specifičnim ID-om.
6. Konačno, rješava polje name iz objekta User koji je vratio Servis za korisnike.

Ovaj proces pokazuje kako federacija shema neprimjetno povezuje srodne podatke preko različitih mikroservisa, pružajući jedinstveno i učinkovito iskustvo slanja upita za frontend.

Odabir pravog pristupa za vaš projekt

Odluka između federacije shema i spajanja shema (ili čak drugih uzoraka API gatewaya) uvelike ovisi o specifičnim zahtjevima vašeg projekta, strukturi tima i dugoročnoj viziji.

Kada razmotriti spajanje shema:

• Mali do srednji projekti: Ako imate ograničen broj GraphQL mikroservisa i jednostavan model podataka, spajanje bi moglo biti dovoljno i lakše za početno postavljanje.
• Postojeći GraphQL servisi: Ako već imate nekoliko neovisnih GraphQL servisa i želite ih kombinirati bez značajnog refaktoriranja, spajanje može biti brži put integracije.
• Specifična logika spajanja: Kada trebate detaljnu kontrolu nad načinom spajanja shema i proširenja tipova, a složenost federacije se čini pretjeranom.

Kada prihvatiti federaciju shema:

• Veliki sustavi mikroservisa: Za organizacije sa značajnim brojem mikroservisa i timova, federacija pruža potrebnu skalabilnost i organizacijsku strukturu.
• Autonomija timova je ključna: Ako su različiti timovi odgovorni za različite domene i trebaju neovisno razvijati svoje GraphQL API-je, federacija omogućuje tu autonomiju.
• Dugoročna održivost: Jasni ugovori i model kompozicije federacije dovode do održivijih i otpornijih sustava tijekom vremena.
• Složeni odnosi: Kada vaš model podataka uključuje zamršene odnose između entiteta kojima upravljaju različiti servisi, rezolucija entiteta u federaciji je neprocjenjiva.
• Postupno usvajanje GraphQL-a: Federacija vam omogućuje postupno uvođenje GraphQL-a. Postojeći REST servisi mogu se omotati u GraphQL podgrafove, ili se novi GraphQL servisi mogu graditi kao podgrafovi od samog početka.

Najbolje prakse za Frontend API Gatewaye s GraphQL-om

Bez obzira odaberete li federaciju ili pristup spajanja, usvajanje najboljih praksi ključno je za uspjeh:

• Definirajte jasne ugovore: Za federaciju, sheme podgrafova i korištenje direktiva poput @key, @external i @requires definiraju te ugovore. Za spajanje, dogovori o načinu spajanja i delegiranja su vaši ugovori.
• Verzionirajte svoje API-je: Implementirajte jasnu strategiju verzioniranja za vaše podgrafove kako biste graciozno upravljali promjenama.
• Pratite performanse: Implementirajte robusno praćenje za vaš gateway i podgrafove. Pratite performanse upita, stope grešaka i latenciju. Alati poput Apollo Studija ovdje mogu biti neprocjenjivi.
• Implementirajte predmemoriranje (Caching): Iskoristite GraphQL strategije predmemoriranja na razini gatewaya ili klijenta kako biste poboljšali performanse i smanjili opterećenje na vašim backend servisima.
• Osigurajte svoj Gateway: Implementirajte autentifikaciju, autorizaciju i ograničenje broja zahtjeva (rate limiting) na razini API gatewaya kako biste zaštitili svoje backend servise.
• Optimizirajte upite: Educirajte frontend developere o pisanju učinkovitih GraphQL upita kako biste izbjegli prekomjerno dohvaćanje ili duboko ugniježđene upite koji mogu opteretiti gateway i podgrafove.
• Alati i automatizacija: Koristite alate za generiranje shema, validaciju i automatizaciju implementacije kako biste pojednostavili životni ciklus razvoja.
• Dokumentacija: Održavajte ažurnu dokumentaciju za vašu supergraf shemu i pojedinačne podgrafove. Alati poput GraphiQL i GraphQL Playground izvrsni su za interaktivno istraživanje.
• Rukovanje greškama: Implementirajte dosljedne strategije rukovanja greškama na vašem gatewayu i podgrafovima.
• Testiranje: Osigurajte temeljito testiranje vaših podgrafova i sastavljenog supergrafa kako biste rano otkrili probleme.

Globalna razmatranja

Prilikom implementacije strategije API gatewaya za globalnu publiku, nekoliko faktora postaje ključno:

• Latencija: Dizajnirajte distribuciju vašeg gatewaya i podgrafova kako biste minimalizirali latenciju za korisnike u različitim geografskim regijama. Razmislite o korištenju mreža za isporuku sadržaja (CDN) za statičke resurse i implementaciji instanci gatewaya bliže vašoj korisničkoj bazi.
• Rezidentnost podataka i usklađenost: Razumijte gdje se vaši podaci pohranjuju i obrađuju. Osigurajte da vaše konfiguracije API gatewaya i podgrafova budu u skladu s regionalnim propisima o privatnosti podataka (npr. GDPR, CCPA). Federacija može pomoći u upravljanju lokacijom podataka tako što podgrafovi obrađuju podatke relevantne za određene regije.
• Valuta i lokalizacija: Ako vaša aplikacija radi s financijskim podacima ili lokaliziranim sadržajem, osigurajte da vaša GraphQL shema i resolveri mogu ispravno rukovati različitim valutama, jezicima i formatima datuma.
• Vremenske zone: Budite svjesni razlika u vremenskim zonama prilikom obrade i prikaza vremenski osjetljivih podataka.
• Skaliranje infrastrukture: Planirajte skaliranje vašeg gatewaya i podgrafova kako biste se nosili s promjenjivim globalnim obrascima prometa.

Budućnost GraphQL Gatewaya

GraphQL ekosustav nastavlja se razvijati. Vidimo napredak u:

• Poboljšanim specifikacijama federacije: Kontinuirani razvoj GraphQL Federation specifikacije od strane Apolla i šire zajednice vodi do robusnijih i standardiziranih načina za izgradnju distribuiranih GraphQL API-ja.
• Upravljanim GraphQL servisima (Managed GraphQL Services): Pružatelji usluga u oblaku i treće strane nude upravljana rješenja za GraphQL gateway, pojednostavljujući implementaciju i operacije.
• Novim bibliotekama i alatima: Razvoj novih alata i biblioteka za izgradnju, testiranje i praćenje GraphQL gatewaya i podgrafova čini usvajanje lakšim i učinkovitijim.
• GraphQL Mesh: Alati u nastajanju poput GraphQL Mesh-a imaju za cilj apstrahirati složenost različitih izvora podataka (REST, gRPC, GraphQL, OpenAPI) i omogućiti im da se poslužuju kao jedinstveni GraphQL API, nudeći alternativu tradicionalnoj federaciji za šire potrebe integracije.

Zaključak

Kako organizacije sve više usvajaju arhitekture mikroservisa, potreba za učinkovitim strategijama API gatewaya postaje najvažnija. GraphQL, sa svojim moćnim mogućnostima slanja upita, nudi elegantno rješenje, a federacija shema se ističe kao najskalabilniji i najodrživiji pristup za ujedinjenje različitih GraphQL mikroservisa.

Razumijevanjem principa federacije i spajanja shema, te usvajanjem najboljih praksi za implementaciju i globalnu primjenu, frontend timovi mogu značajno pojednostaviti svoje razvojne procese, graditi otpornije aplikacije i pružati izvanredna korisnička iskustva. Bilo da započinjete novi projekt ili razvijate postojeći krajolik mikroservisa, ulaganje u dobro arhitektiran GraphQL API gateway pokretan federacijom strateški je potez prema izgradnji sljedeće generacije robusnih, skalabilnih i korisnički orijentiranih aplikacija.

Ključne poruke:

• GraphQL djeluje kao moćan API gateway za mikroservise.
• Federacija shema gradi jedinstveni supergraf iz neovisnih podgrafova koristeći jasan protokol ugovora.
• Spajanje shema spaja postojeće sheme, nudeći više ručne kontrole, ali manju skalabilnost za velike sustave.
• Federacija je općenito preferirana zbog svoje skalabilnosti, odvajanja i autonomije timova.
• Najbolje prakse uključuju jasne ugovore, praćenje, sigurnost i globalna razmatranja.

Prihvaćanje ovih koncepata osnažit će vaše razvojne timove da se snađu u složenosti mikroservisa i grade aplikacije koje su istovremeno moćne i prilagodljive stalno promjenjivim zahtjevima globalnog digitalnog krajolika.