Frontend API Gateway: Schemafederatie en -stitching met GraphQL beheersen

In het snel evoluerende landschap van moderne webontwikkeling is de adoptie van de microservices-architectuur een hoeksteen geworden voor het bouwen van schaalbare, veerkrachtige en onderhoudbare applicaties. Naarmate systemen groeien en diversifiëren, kan het beheren van een veelheid aan onafhankelijke services aanzienlijke uitdagingen met zich meebrengen, met name voor frontend-teams. Dit is waar de kracht van GraphQL, gecombineerd met geavanceerde API-gatewaystrategieën zoals schemafederatie en -stitching, echt tot zijn recht komt.

Deze uitgebreide gids duikt in de complexiteit van het benutten van GraphQL als een frontend API-gateway, met een diepgaande analyse van de cruciale concepten van schemafederatie en schema-stitching. We zullen onderzoeken hoe deze technieken de creatie van een uniforme, krachtige GraphQL API mogelijk maken vanuit afzonderlijke microservice-schema's, waardoor de frontend-ontwikkeling wordt gestroomlijnd, de prestaties worden verbeterd en een meer samenhangende ontwikkelaarservaring voor wereldwijde teams wordt bevorderd.

De opkomst van microservices en de frontend-uitdaging

De microservices-architectuur biedt tal van voordelen, waaronder onafhankelijke implementatie, technologische diversiteit en foutisolatie. Voor frontend-applicaties kan deze gedistribueerde aard echter leiden tot verhoogde complexiteit. Frontend-ontwikkelaars hebben vaak te maken met tal van backend-services, elk met een eigen API-ontwerp, dataformaat en communicatieprotocol. Dit kan leiden tot:

• Verhoogd aantal netwerkverzoeken: Het ophalen van data vereist vaak meerdere round-trips naar verschillende services.
• Complexiteit van data-aggregatie: Frontend-teams moeten handmatig data uit verschillende bronnen combineren.
• Nauwkeurige koppeling: Wijzigingen in backend-services kunnen een onevenredige impact hebben op de frontend.
• Ontwikkelaarsvermoeidheid: De overhead van het beheren van meerdere API-interacties kan de ontwikkelingscycli vertragen.

De opkomst van het Backend for Frontend (BFF) patroon probeerde enkele van deze problemen aan te pakken door op maat gemaakte backend-services te creëren voor specifieke frontend-clients. Hoewel effectief, kan een pure BFF-aanpak soms leiden tot een wildgroei aan backend-services, wat de onderhoudslast verhoogt. GraphQL biedt een overtuigend alternatief, met een enkel eindpunt voor clients om precies de data op te vragen die ze nodig hebben, waardoor over-fetching en under-fetching worden verminderd.

GraphQL als Frontend API Gateway

GraphQL, met zijn declaratieve data-ophaalmogelijkheden, is uniek gepositioneerd om als aggregatielaag te fungeren in een microservices-omgeving. In plaats van rechtstreeks meerdere REST API's of gRPC-services te consumeren, interageren frontend-clients met één enkel GraphQL-eindpunt. Dit GraphQL-eindpunt, dat fungeert als een API Gateway, kan vervolgens queries oplossen door verzoeken naar verschillende onderliggende microservices te orkestreren.

De kernuitdaging wordt dan hoe dit uniforme GraphQL-schema kan worden opgebouwd uit de individuele schema's van uw microservices. Dit is precies waar schemafederatie en schema-stitching van pas komen.

Schema Stitching begrijpen

Schema-stitching, een van de eerdere benaderingen voor het combineren van GraphQL-schema's, omvat het samenvoegen van meerdere GraphQL-schema's tot één samenhangend schema. Het kernidee is om schema's van verschillende GraphQL-services te nemen en ze te combineren, meestal door typen en velden van het ene schema aan het andere toe te voegen.

Hoe Schema Stitching werkt:

Schema-stitching omvat doorgaans:

1. Ophalen van sub-schema's: De stitching-gateway haalt het introspectieschema op van elk van de onderliggende GraphQL-microservices.
2. Samenvoegen van schema's: Een bibliotheek (zoals de mergeSchemas-functie van graphql-tools) voegt deze sub-schema's samen. Dit proces omvat het oplossen van mogelijke conflicten, zoals dubbele typenamen, en het definiëren van hoe typen uit verschillende schema's met elkaar in verband staan.
3. Oplossen van cross-schema queries: Wanneer een query data uit meerdere services nodig heeft, moet de stitching-gateway worden geconfigureerd om delen van de query te delegeren naar de juiste onderliggende service. Dit omvat vaak het definiëren van 'remote schemas' en het doorsturen van queries.

Kernconcepten in Schema Stitching:

• Samenvoegen van typen: Het toestaan dat typen met dezelfde naam in verschillende schema's worden gecombineerd.
• Schema-extensies: Het toevoegen van velden van het ene schema aan een type dat in een ander schema is gedefinieerd. Bijvoorbeeld, het toevoegen van een reviews-veld aan een Product-type dat is gedefinieerd in een aparte productservice.
• Delegatie: Het kernmechanisme voor het doorsturen van delen van een GraphQL-query naar de juiste onderliggende GraphQL-service.

Voordelen van Schema Stitching:

• Eenvoud voor kleinere projecten: Kan eenvoudig te implementeren zijn voor een beperkt aantal services.
• Flexibiliteit: Biedt gedetailleerde controle over hoe schema's worden gecombineerd.

Nadelen van Schema Stitching:

• Handmatige configuratie: Kan complex en foutgevoelig worden naarmate het aantal services groeit.
• Potentieel voor conflicten: Het beheren van naamconflicten voor typen en velden vereist zorgvuldige planning.
• Prestatieoverwegingen: Inefficiënte delegatie kan leiden tot prestatieknelpunten.
• Nauwkeurige koppeling: De gateway moet vaak op de hoogte zijn van de implementaties van de onderliggende services, wat een vorm van koppeling creëert.

Introductie van Schemafederatie

Schemafederatie kwam naar voren als een robuustere en schaalbaardere oplossing voor de uitdagingen van schema-stitching, met name in grote, gedistribueerde microservice-architecturen. Schemafederatie, voornamelijk ontwikkeld door Apollo, stelt u in staat om één enkele GraphQL API te bouwen vanuit meerdere onafhankelijke GraphQL-services, bekend als subgraphs.

Het fundamentele verschil ligt in de benadering van schema-compositie. In plaats van bestaande schema's samen te voegen, definieert schemafederatie een protocol waarbij subgraphs hun typen en velden declareren, en een centrale gateway (de router of supergraph) deze declaraties samenstelt tot een uniform schema. Deze compositie gebeurt zonder dat de gateway de intieme details van de implementatie van elke subgraph hoeft te kennen, alleen zijn schemacontract.

Hoe Schemafederatie werkt:

Schemafederatie omvat:

1. Subgraphs: Elke microservice stelt een GraphQL API beschikbaar die voldoet aan de federatiespecificatie. Subgraphs declareren hun typen met behulp van specifieke federatierichtlijnen (bijv. @key, @extends, @external, @requires, @provides).
2. Supergraph: Een federatierouter (zoals Apollo Federation Gateway) vraagt elke subgraph om zijn schemadefinitie. Vervolgens stelt het deze definities samen tot één enkel, uniform schema – de supergraph.
3. Entity Resolution: De sleutel tot federatie is het concept van entities. Een entity is een type dat uniek kan worden geïdentificeerd over meerdere subgraphs. De @key-richtlijn op een type in een subgraph markeert het als een entity en specificeert de velden die het uniek identificeren. Wanneer een query naar een entity verwijst, weet de gateway welke subgraph verantwoordelijk is voor het ophalen van die entity op basis van zijn @key-richtlijn.
4. Compositie: De gateway orkestreert queries. Als een query data van meerdere subgraphs vereist, breekt de gateway de query op intelligente wijze af en stuurt de juiste sub-queries naar elke subgraph, en combineert vervolgens de resultaten.

Kernconcepten in Schemafederatie:

• Subgraphs: Onafhankelijke GraphQL-services die bijdragen aan de supergraph.
• Supergraph: Het uniforme schema samengesteld uit alle subgraphs.
• Entities: Typen die uniek identificeerbaar zijn over subgraphs, meestal gemarkeerd met de @key-richtlijn.
• @key-richtlijn: Definieert de velden die een entity uniek identificeren. Dit is cruciaal voor relaties tussen subgraphs.
• @extends-richtlijn: Stelt een subgraph in staat om een type uit te breiden dat in een andere subgraph is gedefinieerd (bijv. velden toevoegen aan een User-type dat in een aparte User-subgraph is gedefinieerd).
• @external-richtlijn: Geeft aan dat een veld op een andere subgraph is gedefinieerd.
• @requires-richtlijn: Specificeert dat een veld op een entity bepaalde velden uit de sleutel van de entity vereist om te worden opgelost.
• @provides-richtlijn: Geeft aan dat een veld op een entity wordt geleverd door de subgraph.

Voordelen van Schemafederatie:

• Schaalbaarheid: Ontworpen voor grote, gedistribueerde systemen en een groeiend aantal microservices.
• Ontkoppeling: Subgraphs hoeven alleen hun eigen schema te kennen en hoe ze hun typen moeten oplossen. De gateway regelt de compositie.
• Teamautonomie: Verschillende teams kunnen hun respectievelijke subgraphs onafhankelijk bezitten en beheren.
• Typeveiligheid: Het compositieproces dwingt schemacontracten af, wat zorgt voor typeveiligheid over de hele supergraph.
• Vereenvoudigde clientervaring: Clients interageren met één enkel, uniform schema.

Nadelen van Schemafederatie:

• Leercurve: Vereist begrip van de federatiespecificatie en -richtlijnen.
• Afhankelijkheid van tooling: Steunt vaak op specifieke bibliotheken en gateways (bijv. Apollo Federation).
• Complexiteit bij de initiële opzet: Het opzetten van subgraphs en de gateway kan ingewikkelder zijn dan eenvoudig stitchen.

Federatie vs. Stitching: Een vergelijkend overzicht

Hoewel zowel schemafederatie als schema-stitching tot doel hebben GraphQL-schema's te verenigen, vertegenwoordigen ze verschillende filosofieën en bieden ze duidelijke voordelen:

Voor de meeste moderne microservice-architecturen die streven naar langetermijnschaalbaarheid en teamautonomie, is schemafederatie over het algemeen de voorkeursbenadering. Schema-stitching kan nog steeds een haalbare optie zijn voor kleinere, minder complexe systemen of voor specifieke integratiescenario's waar een meer handmatige, directe samenvoeging gewenst is.

Schemafederatie implementeren: Een praktisch voorbeeld

Laten we een eenvoudig e-commercescenario bekijken met twee microservices:

• Users Service: Beheert gebruikersinformatie.
• Products Service: Beheert productinformatie.

User Service Subgraph

Deze service definieert een User-type en markeert dit als een entity met de @key-richtlijn.

            # users-service/schema.graphql

# Federatierichtlijnen
directive @key(fields: "id") on OBJECT

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

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

            

              
                Copy
              
            
          

De service zou ook resolvers hebben om gebruikersdata op te halen op basis van hun ID.

Products Service Subgraph

Deze service definieert een Product-type. Cruciaal is dat het ook een relatie definieert met de User-entity door een veld toe te voegen (bijv. createdBy) dat verwijst naar het User-type.

            # products-service/schema.graphql

# Federatierichtlijnen
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 breiden het User-type uit van de Users Service
  # De @external-richtlijn geeft aan dat 'id' elders is gedefinieerd
  createdBy: User @requires(fields: "userId")
}

type User @extends {
  # Declareer dat 'id' een extern veld is op User, gedefinieerd in een andere subgraph
  id: ID! @external
}

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

            

              
                Copy
              
            
          

In de Products Service:

• @extends op Product geeft aan dat dit schema het Product-type uitbreidt.
• id: ID! @external op User betekent dat het id-veld van het User-type in een andere subgraph is gedefinieerd (de Users Service).
• createdBy: User @requires(fields: "userId") op Product betekent dat om het createdBy-veld (dat een User-object retourneert) op te lossen, de productdata een userId moet bevatten. De gateway zal deze informatie gebruiken om te weten welke velden het van de productservice moet opvragen en hoe het dit aan de userservice moet koppelen.

Federation Gateway (Supergraph)

De federatiegateway (bijv. Apollo Gateway) is verantwoordelijk voor:

1. Het ontdekken van de subgraphs (meestal door hun introspectieschema op te vragen).
2. Het samenstellen van de individuele subgraph-schema's tot één enkel supergraph-schema.
3. Het routeren van inkomende client-queries naar de juiste subgraphs en het combineren van de resultaten.

Wanneer een client een query uitvoert voor een product en de naam van de maker:

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

            

              
                Copy
              
            
          

De gateway zal het volgende uitvoeren:

1. Het ziet het product-veld, dat wordt afgehandeld door de Products Service.
2. Het lost het name-veld van het Product-type op, dat ook wordt afgehandeld door de Products Service.
3. Het komt het createdBy-veld tegen op het Product. Omdat createdBy is gedefinieerd als een User-type en het User-type een @key(fields: "id")-richtlijn heeft in de Users Service, weet de gateway dat het de User-entity moet ophalen.
4. De @requires(fields: "userId") op createdBy vertelt de gateway dat de Products Service de userId nodig heeft om deze relatie op te lossen. Dus, de gateway zal het product en zijn userId opvragen bij de Products Service.
5. Met de opgehaalde userId weet de gateway vervolgens dat het de Users Service moet bevragen voor een gebruiker met dat specifieke ID.
6. Ten slotte lost het het name-veld op van het User-object dat door de Users Service wordt geretourneerd.

Dit proces demonstreert hoe schemafederatie naadloos gerelateerde data over verschillende microservices verbindt, wat een uniforme en efficiënte query-ervaring voor de frontend biedt.

De juiste aanpak voor uw project kiezen

De beslissing tussen schemafederatie en schema-stitching (of zelfs andere API-gatewaypatronen) hangt sterk af van de specifieke eisen van uw project, de teamstructuur en de langetermijnvisie.

Wanneer schema-stitching overwegen:

• Kleine tot middelgrote projecten: Als u een beperkt aantal GraphQL-microservices en een eenvoudig datamodel hebt, kan stitching voldoende en gemakkelijker zijn om initieel op te zetten.
• Bestaande GraphQL-services: Als u al meerdere onafhankelijke GraphQL-services hebt en deze wilt combineren zonder significante refactoring, kan stitching een sneller integratiepad zijn.
• Specifieke samenvoeglogica: Wanneer u gedetailleerde controle nodig hebt over hoe schema's worden samengevoegd en typen worden uitgebreid, en de complexiteit van federatie overbodig lijkt.

Wanneer schemafederatie omarmen:

• Grootschalige microservices: Voor organisaties met een aanzienlijk aantal microservices en teams biedt federatie de nodige schaalbaarheid en organisatiestructuur.
• Teamautonomie is essentieel: Als verschillende teams verantwoordelijk zijn voor verschillende domeinen en hun GraphQL API's onafhankelijk moeten ontwikkelen, maakt federatie deze autonomie mogelijk.
• Onderhoudbaarheid op lange termijn: De duidelijke contracten en het compositiemodel van federatie leiden op termijn tot meer onderhoudbare en veerkrachtige systemen.
• Complexe relaties: Wanneer uw datamodel ingewikkelde relaties tussen entiteiten omvat die door verschillende services worden beheerd, is de entity-resolutie van federatie van onschatbare waarde.
• GraphQL geleidelijk adopteren: Federatie stelt u in staat GraphQL stapsgewijs te introduceren. Bestaande REST-services kunnen worden verpakt in GraphQL-subgraphs, of nieuwe GraphQL-services kunnen vanaf het begin als subgraphs worden gebouwd.

Best practices voor Frontend API Gateways met GraphQL

Ongeacht of u kiest voor federatie of een stitching-aanpak, het toepassen van best practices is cruciaal voor succes:

• Definieer duidelijke contracten: Voor federatie definiëren de subgraph-schema's en het gebruik van richtlijnen zoals @key, @external en @requires deze contracten. Voor stitching zijn de afspraken over hoe te fuseren en te delegeren uw contracten.
• Versioneer uw API's: Implementeer een duidelijke versioneringsstrategie voor uw subgraphs om wijzigingen soepel te beheren.
• Monitor de prestaties: Implementeer robuuste monitoring voor uw gateway en subgraphs. Volg query-prestaties, foutpercentages en latentie. Tools zoals Apollo Studio kunnen hier van onschatbare waarde zijn.
• Implementeer caching: Maak gebruik van GraphQL-cachingstrategieën op gateway- of clientniveau om de prestaties te verbeteren en de belasting van uw backend-services te verminderen.
• Beveilig uw gateway: Implementeer authenticatie, autorisatie en rate limiting op het API-gatewayniveau om uw backend-services te beschermen.
• Optimaliseer queries: Leer frontend-ontwikkelaars efficiënte GraphQL-queries te schrijven om over-fetching of diep geneste queries te vermijden die de gateway en subgraphs kunnen belasten.
• Tooling en automatisering: Gebruik tools voor schemageneratie, validatie en implementatieautomatisering om de ontwikkelingslevenscyclus te stroomlijnen.
• Documentatie: Onderhoud up-to-date documentatie voor uw supergraph-schema en individuele subgraphs. Tools zoals GraphiQL en GraphQL Playground zijn uitstekend voor interactieve verkenning.
• Foutafhandeling: Implementeer consistente strategieën voor foutafhandeling in uw gateway en subgraphs.
• Testen: Zorg voor grondige tests van uw subgraphs en de samengestelde supergraph om problemen vroegtijdig op te sporen.

Globale overwegingen

Bij het implementeren van een API-gatewaystrategie voor een wereldwijd publiek worden verschillende factoren cruciaal:

• Latentie: Ontwerp uw gateway- en subgraph-distributie om de latentie voor gebruikers in verschillende geografische regio's te minimaliseren. Overweeg het gebruik van Content Delivery Networks (CDN's) voor statische activa en het implementeren van gateway-instanties dichter bij uw gebruikersbestand.
• Datasoevereiniteit en compliance: Begrijp waar uw data wordt opgeslagen en verwerkt. Zorg ervoor dat uw API-gateway en subgraph-configuraties voldoen aan regionale dataprivacy-regelgeving (bijv. GDPR, CCPA). Federatie kan helpen bij het beheren van datalocatie door subgraphs data te laten verwerken die relevant is voor specifieke regio's.
• Valuta en lokalisatie: Als uw applicatie te maken heeft met financiële data of gelokaliseerde content, zorg er dan voor dat uw GraphQL-schema en resolvers op de juiste manier kunnen omgaan met verschillende valuta's, talen en datumnotaties.
• Tijdzones: Wees u bewust van tijdzoneverschillen bij het verwerken en weergeven van tijdgevoelige data.
• Infrastructuurschaling: Plan voor het schalen van uw gateway en subgraphs om fluctuerende wereldwijde verkeerspatronen aan te kunnen.

De toekomst van GraphQL Gateways

Het GraphQL-ecosysteem blijft evolueren. We zien vooruitgang in:

• Verbeterde federatiespecificaties: De voortdurende ontwikkeling van de GraphQL Federation-specificatie door Apollo en de bredere community leidt tot robuustere en gestandaardiseerde manieren om gedistribueerde GraphQL API's te bouwen.
• Beheerde GraphQL-services: Cloudproviders en externe services bieden beheerde GraphQL-gatewayoplossingen, wat de implementatie en operaties vereenvoudigt.
• Nieuwe bibliotheken en tools: De ontwikkeling van nieuwe tools en bibliotheken voor het bouwen, testen en monitoren van GraphQL-gateways en subgraphs maakt de adoptie eenvoudiger en efficiënter.
• GraphQL Mesh: Opkomende tools zoals GraphQL Mesh streven ernaar de complexiteit van verschillende databronnen (REST, gRPC, GraphQL, OpenAPI) te abstraheren en ze als een uniforme GraphQL API te serveren, wat een alternatief biedt voor traditionele federatie voor bredere integratiebehoeften.

Conclusie

Naarmate organisaties steeds vaker microservices-architecturen adopteren, wordt de noodzaak voor effectieve API-gatewaystrategieën van het grootste belang. GraphQL, met zijn krachtige query-mogelijkheden, biedt een elegante oplossing, en schemafederatie springt eruit als de meest schaalbare en onderhoudbare aanpak voor het verenigen van uiteenlopende GraphQL-microservices.

Door de principes van schemafederatie en -stitching te begrijpen, en door best practices voor implementatie en wereldwijde uitrol toe te passen, kunnen frontend-teams hun ontwikkelingsprocessen aanzienlijk stroomlijnen, veerkrachtigere applicaties bouwen en uitzonderlijke gebruikerservaringen leveren. Of u nu een nieuw project start of een bestaand microservices-landschap evolueert, investeren in een goed ontworpen GraphQL API-gateway, aangedreven door federatie, is een strategische stap naar het bouwen van de volgende generatie robuuste, schaalbare en gebruikersgerichte applicaties.

Belangrijkste punten:

• GraphQL fungeert als een krachtige API-gateway voor microservices.
• Schemafederatie bouwt een uniforme supergraph op uit onafhankelijke subgraphs met behulp van een duidelijk contractprotocol.
• Schema Stitching voegt bestaande schema's samen, wat meer handmatige controle biedt maar minder schaalbaarheid voor grote systemen.
• Federatie heeft over het algemeen de voorkeur vanwege de schaalbaarheid, ontkoppeling en teamautonomie.
• Best practices omvatten duidelijke contracten, monitoring, beveiliging en wereldwijde overwegingen.

Het omarmen van deze concepten zal uw ontwikkelingsteams in staat stellen om de complexiteit van microservices te navigeren en applicaties te bouwen die zowel krachtig als aanpasbaar zijn aan de steeds veranderende eisen van het wereldwijde digitale landschap.