Frontend API Gateway: GraphQL Federation en Schema Stitching

In de wereld van moderne webapplicatieontwikkeling kan het beheren van data uit meerdere bronnen een aanzienlijke uitdaging zijn. Naarmate applicaties complexer worden en microservices-architecturen omarmen, wordt de behoefte aan een uniforme en efficiënte manier om data te benaderen van het grootste belang. Een Frontend API Gateway fungeert als een centraal toegangspunt voor clientapplicaties, aggregeert data van verschillende backend-services en biedt een gestroomlijnde ervaring voor zowel ontwikkelaars als eindgebruikers. Deze blogpost verkent twee krachtige technieken voor het bouwen van een Frontend API Gateway: GraphQL Federation en Schema Stitching.

Wat is een Frontend API Gateway?

Een Frontend API Gateway is een architectonisch patroon waarbij een toegewijde server fungeert als tussenpersoon tussen frontend-clients (bijv. webbrowsers, mobiele apps) en meerdere backend-services. Het vereenvoudigt het ophalen van data door:

• Data aggregeren: Gegevens uit meerdere bronnen combineren in één respons.
• Data transformeren: Dataformaten aanpassen aan de behoeften van de frontend.
• Complexiteit abstraheren: De fijne kneepjes van backend-services verbergen voor de client.
• Beveiliging afdwingen: Authenticatie- en autorisatiebeleid implementeren.
• Prestaties optimaliseren: Veelgebruikte data cachen en het aantal netwerkverzoeken verminderen.

In wezen implementeert het het Backend for Frontend (BFF) patroon op grote schaal en stelt het front-end teams in staat om meer controle te nemen over de API's die ze consumeren. In grotere organisaties kan het beheer en de curatie van eigen API's door de front-end leiden tot snellere levering en verminderde afhankelijkheid van backend-teams.

Waarom GraphQL gebruiken voor een Frontend API Gateway?

GraphQL is een querytaal voor API's en een runtime om die queries uit te voeren met uw bestaande data. Het biedt verschillende voordelen ten opzichte van traditionele REST API's, waardoor het zeer geschikt is voor het bouwen van Frontend API Gateways:

• Efficiënte data-fetching: Clients vragen alleen de data op die ze nodig hebben, wat over-fetching vermindert en de prestaties verbetert.
• Sterke typering: GraphQL-schema's definiëren de structuur van de data, wat betere tooling en validatie mogelijk maakt.
• Introspectie: Clients kunnen de beschikbare data en operaties ontdekken via schema-introspectie.
• Real-time mogelijkheden: GraphQL-abonnementen maken real-time data-updates mogelijk.

Door gebruik te maken van GraphQL kan een Frontend API Gateway een flexibele, efficiënte en ontwikkelaarsvriendelijke interface bieden voor toegang tot data van meerdere backend-services. Dit staat in schril contrast met traditionele benaderingen die gebruikmaken van meerdere REST-eindpunten, die elk afzonderlijk moeten worden bevraagd en vaak meer data retourneren dan nodig is.

GraphQL Federation: Een Gedistribueerde Aanpak

Wat is GraphQL Federation?

GraphQL Federation is een krachtige techniek voor het bouwen van een gedistribueerde GraphQL API door meerdere GraphQL-services (genaamd "subgraphs") samen te voegen tot één, uniform schema. Elke subgraph is verantwoordelijk voor een specifiek domein of databron, en de Federation gateway orkestreert queries over deze subgraphs.

Het kernconcept draait om een supergraph, een enkel, uniform GraphQL-schema dat de gehele API vertegenwoordigt. Deze supergraph wordt opgebouwd door kleinere GraphQL-schema's, genaamd subgraphs, samen te stellen, die elk een specifieke microservice of databron vertegenwoordigen. De Federation gateway is verantwoordelijk voor het routeren van inkomende GraphQL-queries naar de juiste subgraphs en het combineren van de resultaten tot één enkele respons.

Hoe GraphQL Federation werkt

1. Subgraph Definitie: Elke microservice stelt een GraphQL API (een subgraph) bloot die zijn eigen data en operaties definieert. Deze schema's bevatten directives die de Federation gateway vertellen hoe types en velden moeten worden opgelost. Belangrijke directives zijn `@key`, `@external` en `@requires`.
2. Supergraph Compositie: De Federation gateway (bijv. Apollo Gateway) haalt de schema's van elke subgraph op en stelt ze samen tot één, uniform schema (de supergraph). Dit proces omvat het oplossen van type- en veldconflicten en het leggen van relaties tussen types over verschillende subgraphs.
3. Queryplanning en -uitvoering: Wanneer een client een GraphQL-query naar de gateway stuurt, analyseert de gateway de query en bepaalt welke subgraphs moeten worden bevraagd om het verzoek te vervullen. Vervolgens distribueert het de query naar de juiste subgraphs, verzamelt de resultaten en combineert ze tot één enkele respons, die naar de client wordt teruggestuurd.

Voorbeeld: E-commerce Platform met GraphQL Federation

Beschouw een e-commerce platform met afzonderlijke microservices voor producten, klanten en bestellingen.

• Producten Subgraph: Beheert productinformatie (naam, beschrijving, prijs, enz.).
• Klanten Subgraph: Beheert klantgegevens (naam, adres, e-mail, enz.).
• Bestellingen Subgraph: Beheert bestelinformatie (bestel-ID, klant-ID, product-ID's, totaalbedrag, enz.).

Elke subgraph stelt een GraphQL API bloot, en de Federation gateway stelt deze API's samen tot één enkele supergraph. Een client kan vervolgens de supergraph bevragen om informatie over producten, klanten en bestellingen in één enkel verzoek op te halen.

Een query om bijvoorbeeld de naam van een klant en zijn bestelgeschiedenis op te halen, zou er als volgt uit kunnen zien:

query GetCustomerAndOrders($customerId: ID!) {
  customer(id: $customerId) {
    id
    name
    orders {
      id
      orderDate
      totalAmount
    }
  }
}

De Federation gateway zou deze query routeren naar de Klanten en Bestellingen subgraphs, de benodigde data ophalen en deze combineren tot één enkele respons.

Voordelen van GraphQL Federation

• Vereenvoudigde datatoegang: Clients communiceren met één enkel GraphQL-eindpunt, ongeacht de onderliggende databronnen.
• Verbeterde prestaties: Data-fetching wordt geoptimaliseerd door alleen de benodigde data van elke subgraph op te halen.
• Verhoogde schaalbaarheid: Elke subgraph kan onafhankelijk worden geschaald, wat een beter resourcegebruik mogelijk maakt.
• Gedecentraliseerde ontwikkeling: Teams kunnen subgraphs onafhankelijk ontwikkelen en implementeren, wat de wendbaarheid en innovatie bevordert.
• Schemabeheer: De Federation gateway dwingt schemaconsistentie en -compatibiliteit af over de subgraphs.

Tools voor GraphQL Federation

• Apollo Federation: Een populaire open-source implementatie van GraphQL Federation, die een gateway, een schema registry en tooling biedt voor het bouwen en beheren van gefedereerde GraphQL API's. Apollo Federation staat bekend om zijn schaalbaarheid en robuuste foutafhandeling.
• GraphQL Hive: Deze tool biedt een schema registry en governance voor GraphQL-gefedereerde services, met functies zoals wijzigingsdetectie, gebruiksanalyse en schemacontroles. Het verbetert de zichtbaarheid en controle over de supergraph.

Schema Stitching: Een Alternatieve Aanpak

Wat is Schema Stitching?

Schema Stitching is een andere techniek om meerdere GraphQL-schema's te combineren tot één, uniform schema. In tegenstelling tot Federation, omvat Schema Stitching doorgaans een meer handmatig proces voor het definiëren van hoe types en velden van verschillende schema's met elkaar verbonden zijn. Hoewel Federation wordt beschouwd als een modernere en robuustere oplossing, kan Schema Stitching een haalbare optie zijn voor eenvoudigere use cases of bij het migreren van bestaande GraphQL API's.

Hoe Schema Stitching werkt

1. Schema Definitie: Elke microservice stelt een GraphQL API met een eigen schema bloot.
2. Stitching Logica: Een stitching-laag (vaak geïmplementeerd met bibliotheken zoals GraphQL Tools) definieert hoe types en velden van verschillende schema's met elkaar verbonden zijn. Dit omvat het schrijven van resolver-functies die data ophalen van de onderliggende services en deze mappen naar het uniforme schema.
3. Uniform Schema: De stitching-laag combineert de individuele schema's tot één, uniform schema dat aan de client wordt blootgesteld.

Voorbeeld: Producten en Recensies Samenvoegen

Stel je twee afzonderlijke GraphQL-services voor: een voor producten en een andere voor recensies.

• Producten Service: Biedt informatie over producten (ID, naam, beschrijving, prijs).
• Recensies Service: Biedt recensies voor producten (ID, product-ID, beoordeling, commentaar).

Met Schema Stitching kunt u een uniform schema creëren waarmee clients productinformatie en recensies in één query kunnen ophalen.

U zou een resolver-functie definiëren in de stitching-laag die recensies voor een bepaald product-ID ophaalt van de Recensies Service en deze toevoegt aan het Product-type in het uniforme schema.

// Voorbeeld (Conceptueel): Stitching-logica met GraphQL Tools
const { stitchSchemas } = require('@graphql-tools/stitch');

const productsSchema = ... // Definieer uw productenschema
const reviewsSchema = ... // Definieer uw recensieschema

const stitchedSchema = stitchSchemas({
  subschemas: [
    {
      schema: productsSchema,
    },
    {
      schema: reviewsSchema,
      transforms: [
        {
          transformSchema: (schema) => schema,
          transformRequest: (originalRequest) => {
            return originalRequest;
          },
          transformResult: (originalResult) => {
            return originalResult;
          }
        }
      ],
    },
  ],
  typeDefs: `
    extend type Product {
      reviews: [Review]
    }
  `,
  resolvers: {
    Product: {
      reviews: {
        resolve: (product, args, context, info) => {
          // Haal recensies op voor het product van de Recensies Service
          return fetchReviewsForProduct(product.id);
        },
      },
    },
  },
});

Dit voorbeeld demonstreert het kernconcept van het samenvoegen van schema's. Let op de noodzaak van aangepaste resolvers om het `reviews`-veld op te halen. Deze extra overhead van het coderen van resolvers voor elke relatie kan het ontwikkelingsproces trager maken dan bij het gebruik van Federation.

Voordelen van Schema Stitching

• Uniforme API: Clients benaderen één enkel GraphQL-eindpunt, wat de datatoegang vereenvoudigt.
• Incrementele adoptie: Schema Stitching kan stapsgewijs worden geïmplementeerd, waardoor u geleidelijk kunt migreren naar een uniforme API.
• Flexibiliteit: Schema Stitching biedt meer controle over hoe schema's worden gecombineerd, waardoor u de stitching-logica kunt aanpassen aan specifieke behoeften.

Nadelen van Schema Stitching

• Handmatige configuratie: Schema Stitching vereist handmatige configuratie van de stitching-logica, wat complex en tijdrovend kan zijn.
• Prestatie-overhead: Resolver-functies kunnen prestatie-overhead introduceren, vooral als ze complexe datatransformaties met zich meebrengen.
• Beperkte schaalbaarheid: Schema Stitching kan moeilijker te schalen zijn dan Federation, omdat de stitching-logica doorgaans gecentraliseerd is.
• Schema-eigendom: Kan leiden tot onduidelijkheid over het eigendom van het schema, vooral als verschillende teams de samengevoegde services beheren.

Tools voor Schema Stitching

• GraphQL Tools: Een populaire bibliotheek voor het bouwen en manipuleren van GraphQL-schema's, inclusief ondersteuning voor Schema Stitching.
• GraphQL Mesh: GraphQL Mesh stelt u in staat de GraphQL-querytaal te gebruiken om toegang te krijgen tot data uit verschillende bronnen zoals REST API's, databases en gRPC. Het kan deze API's samenvoegen tot een uniform GraphQL-schema.

GraphQL Federation vs. Schema Stitching: Een Vergelijking

Zowel GraphQL Federation als Schema Stitching bieden manieren om meerdere GraphQL-schema's te combineren tot één API, maar ze verschillen in hun aanpak en mogelijkheden.

Kenmerk	GraphQL Federation	Schema Stitching
Aanpak	Gedistribueerd, geautomatiseerde compositie	Gecentraliseerd, handmatige configuratie
Complexiteit	Lagere complexiteit voor onderhoud en schalen	Hogere complexiteit door handmatige resolver-logica
Schaalbaarheid	Ontworpen voor grootschalige, gedistribueerde systemen	Minder schaalbaar, doorgaans gebruikt voor kleinere applicaties
Schemabeheer	Ingebouwd schemabeheer en validatie	Vereist handmatig schemabeheer en coördinatie
Tooling	Sterk ecosysteem van tools en bibliotheken (bijv. Apollo Federation)	Vereist meer aangepaste tooling en configuratie
Gebruiksscenario's	Microservices-architecturen, grootschalige API's, gedecentraliseerde ontwikkeling	Kleinere applicaties, incrementele migratie, specifieke aanpassingsvereisten

Wanneer GraphQL Federation gebruiken: Kies voor Federation wanneer u een complexe microservices-architectuur heeft, uw API moet schalen en u onafhankelijke teams wilt machtigen om hun eigen subgraphs te beheren. Het vereenvoudigt ook het schemabeheer en de governance.

Wanneer Schema Stitching gebruiken: Overweeg Schema Stitching wanneer u een eenvoudigere API heeft, meer controle nodig heeft over de stitching-logica, of migreert van bestaande GraphQL API's. Wees u echter bewust van de mogelijke complexiteit en schaalbaarheidsbeperkingen.

Implementatie van Authenticatie en Autorisatie

Ongeacht of u kiest voor GraphQL Federation of Schema Stitching, is de implementatie van authenticatie en autorisatie cruciaal voor het beveiligen van uw Frontend API Gateway. Er zijn verschillende benaderingen die u kunt volgen:

• Authenticatie op gateway-niveau: De API Gateway handelt authenticatie en autorisatie af voordat verzoeken naar de backend-services worden gerouteerd. Deze aanpak centraliseert de beveiligingslogica en vereenvoudigt de backend-services. Veelgebruikte methoden zijn JWT (JSON Web Token) validatie en OAuth 2.0.
• Authenticatie op service-niveau: Elke backend-service handelt zijn eigen authenticatie en autorisatie af. Deze aanpak biedt meer granulaire controle over de beveiliging, maar kan complexer zijn om te beheren.
• Hybride aanpak: Een combinatie van authenticatie op gateway- en serviceniveau. De gateway handelt de initiële authenticatie af, en de backend-services voeren meer granulaire autorisatiecontroles uit.

Voorbeeld: JWT Authenticatie met Apollo Federation

Met Apollo Federation kunt u de gateway configureren om JWT-tokens die in de request headers zijn opgenomen, te valideren. De gateway kan vervolgens de gebruikersinformatie die uit het token is geëxtraheerd, doorgeven aan de subgraphs, die deze informatie kunnen gebruiken voor autorisatie.

// Voorbeeld (Conceptueel): Apollo Gateway configuratie met JWT-validatie
const { ApolloGateway } = require('@apollo/gateway');

const gateway = new ApolloGateway({
  serviceList: [
    // ... uw subgraph-configuraties
  ],
  buildService: ({ name, url }) => {
    return new MyCustomService({
      name,  // Naam van de subgraph
      url,   // URL van de subgraph
    });
  },
});

class MyCustomService extends RemoteGraphQLDataSource {
  willSendRequest({ request, context }) {
    // Haal de gebruiker op uit de context
    const user = context.user;

    // Voeg het ID van de gebruiker toe aan de request headers
    if (user) {
      request.http.headers.set('user-id', user.id);
    }
  }
}

In dit voorbeeld wordt een aangepaste service gemaakt om de uitgaande verzoeken aan te passen en het gebruikers-ID, afgeleid van de JWT, toe te voegen. De downstream-services kunnen dit ID vervolgens gebruiken voor autorisatiecontroles.

Cachingstrategieën voor Prestatieoptimalisatie

Caching is essentieel voor het verbeteren van de prestaties van een Frontend API Gateway. Door veelgebruikte data te cachen, kunt u de belasting van backend-services verminderen en de responstijden voor clients verbeteren. Hier zijn enkele cachingstrategieën:

• HTTP Caching: Maak gebruik van HTTP-cachingmechanismen (bijv. `Cache-Control` headers) om responsen in de browser en tussenliggende proxies te cachen.
• In-Memory Caching: Gebruik in-memory caches (bijv. Redis, Memcached) om veelgebruikte data op de gateway te cachen.
• CDN Caching: Gebruik Content Delivery Networks (CDN's) om statische middelen en API-responsen dichter bij de client te cachen.
• GraphQL Query Caching: Cache de resultaten van GraphQL-queries op basis van hun query-string en variabelen. Dit kan bijzonder effectief zijn voor veelvuldig uitgevoerde queries. Apollo Server biedt ingebouwde ondersteuning voor query caching.

Bij het implementeren van caching, overweeg strategieën voor cache-invalidatie om ervoor te zorgen dat clients up-to-date data ontvangen. Veelvoorkomende strategieën zijn:

• Op tijd gebaseerde vervaldatum: Stel een vaste vervaltijd in voor gecachete data.
• Op gebeurtenissen gebaseerde invalidatie: Invalideer de cache wanneer data in de backend-services verandert. Dit kan worden bereikt met webhooks of message queues.

Monitoring en Observability

Monitoring en observability zijn cruciaal om de gezondheid en prestaties van uw Frontend API Gateway te garanderen. Implementeer uitgebreide monitoring om belangrijke metrieken te volgen, zoals:

• Verzoeklatentie: De tijd die nodig is om een verzoek te verwerken.
• Foutpercentages: Het percentage verzoeken dat resulteert in fouten.
• Doorvoersnelheid: Het aantal verzoeken dat per tijdseenheid wordt verwerkt.
• Resourcegebruik: CPU-, geheugen- en netwerkgebruik van de gateway en backend-services.

Gebruik tracing om verzoeken te volgen terwijl ze door het systeem stromen, om knelpunten en prestatieproblemen te identificeren. Logging biedt waardevolle inzichten in het gedrag van de gateway en backend-services.

Tools voor monitoring en observability zijn onder andere:

• Prometheus: Een open-source monitoring- en waarschuwingssysteem.
• Grafana: Een tool voor datavisualisatie en monitoring.
• Jaeger: Een open-source gedistribueerd tracingsysteem.
• Datadog: Een monitoring- en beveiligingsplatform voor cloudapplicaties.
• New Relic: Een digitaal intelligentieplatform voor het monitoren en verbeteren van softwareprestaties.

Door robuuste monitoring en observability te implementeren, kunt u proactief problemen identificeren en oplossen, waardoor de betrouwbaarheid en prestaties van uw Frontend API Gateway worden gewaarborgd.

Conclusie

Een Frontend API Gateway gebouwd met GraphQL Federation of Schema Stitching kan de datatoegang aanzienlijk vereenvoudigen, de prestaties verbeteren en de ontwikkelaarservaring in moderne webapplicaties verbeteren. GraphQL Federation biedt een krachtige en schaalbare oplossing voor het samenstellen van gedistribueerde GraphQL API's, terwijl Schema Stitching een flexibelere aanpak biedt voor het combineren van bestaande schema's. Door zorgvuldig de specifieke vereisten van uw applicatie en de afwegingen tussen deze technieken te overwegen, kunt u de beste aanpak kiezen voor het bouwen van een robuuste en efficiënte Frontend API Gateway.

Vergeet niet om de juiste authenticatie en autorisatie, cachingstrategieën, en monitoring en observability te implementeren om de beveiliging, prestaties en betrouwbaarheid van uw gateway te garanderen. Door deze best practices te omarmen, kunt u het volledige potentieel van GraphQL benutten en moderne webapplicaties bouwen die uitzonderlijke gebruikerservaringen leveren.