Strežniško-neodvisna arhitektura na frontendu: Poglobljen vpogled v kompozicijo in orkestracijo funkcij

V nenehno razvijajočem se svetu spletnega razvoja se je vloga frontenda presegla od zgolj prikazovanja preprostih uporabniških vmesnikov do upravljanja kompleksnega stanja aplikacije, obravnave zapletene poslovne logike in orkestriranja številnih asinhronih operacij. Ko aplikacije postajajo vse bolj sofisticirane, se povečuje tudi kompleksnost v ozadju. Tradicionalni monolitni backend in celo prva generacija mikroservisnih arhitektur lahko včasih ustvarita ozka grla, saj vezujeta agilnost frontenda na cikle izdaje backenda. Tu strežniško-neodvisna arhitektura, zlasti za frontend, predstavlja paradigmo premika.

Vendar pa sprejetje strežniško-neodvisne arhitekture ni tako preprosto kot zgolj pisanje posameznih funkcij. Sodobna aplikacija redko opravi nalogo z enim samim, izoliranim dejanjem. Pogosteje vključuje zaporedje korakov, vzporedne procese in pogojno logiko. Kako upravljamo te kompleksne poteke dela, ne da bi se vrnili k monolitni miselnosti ali ustvarili zapleteno zmešnjavo medsebojno povezanih funkcij? Odgovor leži v dveh močnih konceptih: kompozicija funkcij in orkestracija funkcij.

Ta celovit vodnik bo raziskal, kako ti vzorci preoblikujejo plast Backend-for-Frontend (BFF), kar razvijalcem omogoča gradnjo robustnih, razširljivih in vzdržljivih aplikacij. Razčlenili bomo temeljne koncepte, preučili pogoste vzorce, ocenili vodilne storitve za orkestracijo v oblaku in prešli skozi praktični primer, da bi utrdili vaše razumevanje.

Razvoj frontend arhitekture in vzpon strežniško-neodvisnega BFF-ja

Da bi cenili pomen strežniško-neodvisne orkestracije, je koristno razumeti potovanje frontend arhitekture. Premaknili smo se od strani, prikazanih na strežniku, do bogatih enostranskih aplikacij (SPA), ki komunicirajo z backendi prek API-jev REST ali GraphQL. Ta ločitev skrbi je bila velik korak naprej, vendar je prinesla nove izzive.

Od monolita do mikroservisov in BFF-ja

Sprva so SPA-ji pogosto komunicirali z enim samim, monolitnim backend API-jem. To je bilo preprosto, a krhko. Majhna sprememba za mobilno aplikacijo je lahko prekinila delovanje spletne aplikacije. Gibanje mikroservisov je to rešilo tako, da je monolit razbilo na manjše, neodvisno razmestljive storitve. Vendar je to pogosto povzročilo, da je moral frontend klicati več mikroservisov za prikaz enega samega pogleda, kar je privedlo do pogovorne, kompleksne logike na strani odjemalca.

Vzorec Backend-for-Frontend (BFF) se je pojavil kot rešitev. BFF je namenska backend plast za specifično frontend izkušnjo (npr. ena za spletno aplikacijo, ena za aplikacijo iOS). Deluje kot fasada, ki agregira podatke iz različnih nizvodnih mikroservisov in prilagaja odgovor API-ja posebej za potrebe odjemalca. To poenostavi kodo frontenda, zmanjša število omrežnih zahtev in izboljša zmogljivost.

Strežniško-neodvisna arhitektura kot popolna ujemanje za BFF

Strežniško-neodvisne funkcije ali Funkcija-kot-storitev (FaaS) se naravno prilegajo za implementacijo BFF. Namesto da bi vzdrževali stalno delujoč strežnik za vaš BFF, lahko razmestite zbirko majhnih, dogodkovno gnanih funkcij. Vsaka funkcija lahko obravnava specifično API končno točko ali nalogo, kot je pridobivanje uporabniških podatkov, obdelava plačila ali agregacija novic.

Ta pristop ponuja neverjetne koristi:

• Skalabilnost: Funkcije se samodejno skalirajo glede na povpraševanje, od nič do tisočev klicev.
• Stroškovna učinkovitost: Plačate samo za čas izvajanja, ki ga porabite, kar je idealno za pogosto sunkovite prometne vzorce BFF-ja.
• Hitrost razvoja: Majhne, neodvisne funkcije so lažje za razvoj, testiranje in razmestitev.

Vendar pa to vodi do novega izziva. Ko se kompleksnost vaše aplikacije povečuje, bo vaš BFF morda moral klicati več funkcij v določenem zaporedju, da bi izpolnil eno samo zahtevo stranke. Na primer, registracija uporabnika lahko vključuje ustvarjanje zapisa v bazi podatkov, klicanje storitve za obračunavanje in pošiljanje pozdravnega e-poštnega sporočila. Upravljanje tega zaporedja s strani odjemalca frontenda je neučinkovito in nezaščiteno. To je problem, ki ga rešujeta kompozicija in orkestracija funkcij.

Razumevanje temeljnih konceptov: Kompozicija in orkestracija

Preden se poglobimo v vzorce in orodja, določimo jasne definicije naših ključnih izrazov.

Kaj so strežniško-neodvisne funkcije (FaaS)?

V svojem bistvu so strežniško-neodvisne funkcije (kot so AWS Lambda, Azure Functions ali Google Cloud Functions) brezstanjske, kratkotrajne računske instance, ki se izvajajo kot odgovor na dogodek. Dogodek je lahko HTTP zahteva iz API Gateway-a, nova naložena datoteka v shrambni vedro ali sporočilo v čakalni vrsti. Ključno načelo je, da vi, razvijalec, ne upravljate osnovnih strežnikov.

Kaj je kompozicija funkcij?

Kompozicija funkcij je vzorec oblikovanja kompleksnega procesa z združevanjem več preprostih, enonamenskih funkcij. Zamislite si jo kot gradnjo z Lego kockami. Vsaka kocka (funkcija) ima specifično obliko in namen. Z njihovim povezovanjem na različne načine lahko zgradite dodelane strukture (poteke dela). Osrednji poudarek kompozicije je na pretoku podatkov med funkcijami.

Kaj je orkestracija funkcij?

Orkestracija funkcij je implementacija in upravljanje te kompozicije. Vključuje centralni krmilnik – orkestrator – ki usmerja izvajanje funkcij glede na vnaprej določen potek dela. Orkestrator je odgovoren za:

• Nadzor pretoka: Izvajanje funkcij v zaporedju, vzporedno ali na podlagi pogojne logike (razvejanje).
• Upravljanje stanja: Spremljanje stanja poteka dela med njegovim napredovanjem, posredovanje podatkov med koraki.
• Obravnavanje napak: Zaznavanje napak iz funkcij in implementacija logike ponovnih poskusov ali kompenzacijskih dejanj (npr. razveljavitev transakcije).
• Koordinacija: Zagotavljanje uspešnega dokončanja celotnega večstopenjskega procesa kot ene same transakcijske enote.

Kompozicija proti orkestraciji: Jasna razlika

Ključno je razumeti razliko:

• Kompozicija je zasnova ali "kaj". Za blagajno e-trgovine je kompozicija lahko: 1. Preverjanje košarice -> 2. Obdelava plačila -> 3. Ustvarjanje naročila -> 4. Pošiljanje potrditve.
• Orkestracija je izvajalni motor ali "kako". Orkestrator je storitev, ki dejansko pokliče funkcijo `validateCart`, počaka na njen odgovor, nato pokliče funkcijo `processPayment` z rezultatom, obravnava morebitne neuspešne plačila s ponovnimi poskusi in tako naprej.

Medtem ko je preprosto kompozicijo mogoče doseči tako, da ena funkcija neposredno pokliče drugo, to ustvarja tesno povezavo in krhkost. Prava orkestracija loči funkcije od logike poteka dela, kar vodi do veliko bolj odpornega in vzdržljivega sistema.

Vzorci za kompozicijo strežniško-neodvisnih funkcij

Ko združujete strežniško-neodvisne funkcije, se pojavlja več pogostih vzorcev. Razumevanje teh je ključno za načrtovanje učinkovitih potekov dela.

1. Veriženje (zaporedno izvajanje)

To je najpreprostejši vzorec, kjer se funkcije izvajajo ena za drugo v zaporedju. Izhod prve funkcije postane vhod za drugo in tako naprej. To je strežniško-neodvisen ekvivalent cevovoda.

Primer uporabe: Potek dela obdelave slik. Frontend naloži sliko, kar sproži potek dela:

1. Funkcija A (ValidateImage): Preveri vrsto in velikost datoteke.
2. Funkcija B (ResizeImage): Ustvari več sličic.
3. Funkcija C (AddWatermark): Doda vodni žig na spremenjene slike.
4. Funkcija D (SaveToBucket): Shrani končne slike v vedro za shranjevanje v oblaku.

To ustvarja jasen, predvidljiv pretok: A -> B -> C -> D.

2. Razširitev/združitev (vzporedno izvajanje)

Ta vzorec se uporablja, ko je mogoče več neodvisnih nalog izvesti hkrati za izboljšanje zmogljivosti. Ena funkcija (razširitev) sproži izvajanje več drugih funkcij vzporedno. Končna funkcija (združitev) počaka, da se vse vzporedne naloge dokončajo, in nato združi njihove rezultate.

Primer uporabe: Obdelava video datoteke. Video je naložen, kar sproži potek dela:

1. Funkcija A (StartProcessing): Prejme video datoteko in sproži vzporedne naloge.
2. Vzporedne naloge:
   • Funkcija B (TranscodeTo1080p): Ustvari različico 1080p.
   • Funkcija C (TranscodeTo720p): Ustvari različico 720p.
   • Funkcija D (ExtractAudio): Ekstrahira zvočno sled.
   • Funkcija E (GenerateThumbnails): Generira sličice predogleda.
3. Funkcija F (AggregateResults): Ko so B, C, D in E končane, ta funkcija posodobi bazo podatkov s povezavami do vseh ustvarjenih sredstev.

Ta vzporedna obdelava drastično zmanjša skupni čas, potreben v primerjavi z zaporednim veriženjem.

3. Asinhrono sporočanje (dogodkovno gnana koreografija)

Čeprav ni strogo orkestracija (pogosto se imenuje koreografija), je ta vzorec ključen v strežniško-neodvisnih arhitekturah. Namesto centralnega krmilnika funkcije komunicirajo z objavljanjem dogodkov v sporočilno vodilo ali čakalno vrsto (npr. AWS SNS/SQS, Google Pub/Sub, Azure Service Bus). Druge funkcije se naročijo na te dogodke in ustrezno reagirajo.

Primer uporabe: Sistem za oddajo naročil.

1. Frontend pokliče funkcijo `placeOrder`.
2. Funkcija `placeOrder` preveri naročilo in objavi dogodek `OrderPlaced` v sporočilno vodilo.
3. Več, neodvisnih naročniških funkcij reagira na ta dogodek:
   • Funkcija `billing` obdela plačilo.
   • Funkcija `shipping` obvesti skladišče.
   • Funkcija `notifications` pošlje potrditveno e-poštno sporočilo stranki.

Ta vzorec ustvarja visoko razvezan in odporen sistem. Če storitev za obveščanje ne deluje, to ne prepreči zaračunavanja in pošiljanja naročila.

Moč upravljanih storitev za orkestracijo

Čeprav lahko te vzorce implementirate ročno, hitro postane kompleksno upravljati stanje, obravnavati napake in slediti izvedbam. Tukaj pridejo do izraza upravljane storitve za orkestracijo s strani velikih ponudnikov oblaka. Zagotavljajo okvir za definiranje, vizualizacijo in izvajanje kompleksnih potekov dela.

AWS Step Functions

AWS Step Functions je strežniško-neodvisna storitev za orkestracijo, ki vam omogoča definiranje potekov dela kot avtomatov stanj. Potek dela deklarativno definirate z uporabo formata, ki temelji na JSON, imenovanega Amazon States Language (ASL).

• Temeljni koncept: Vizualno oblikovani avtomati stanj.
• Definicija: Deklarativni JSON (ASL).
• Ključne značilnosti: Vizualni urejevalnik potekov dela, vgrajena logika ponovnega poskusa in obravnave napak, podpora za poteke dela "človek v zanki" (povratni klici) in neposredna integracija z več kot 200 storitvami AWS.
• Najboljše za: Ekipe, ki imajo raje vizualen, deklarativen pristop in globoko integracijo z ekosistemom AWS.

Primer ASL izseka za preprosto zaporedje:

{ "Comment": "A simple sequential workflow", "StartAt": "FirstState", "States": { "FirstState": { "Type": "Task", "Resource": "arn:aws:lambda:us-east-1:123456789012:function:MyFirstFunction", "Next": "SecondState" }, "SecondState": { "Type": "Task", "Resource": "arn:aws:lambda:us-east-1:123456789012:function:MySecondFunction", "End": true } } }

Azure Durable Functions

Durable Functions je razširitev Azure Functions, ki vam omogoča pisanje potekov dela z ohranjanjem stanja v pristopu "najprej koda". Namesto deklarativnega jezika, logiko orkestracije definirate z uporabo splošnega programskega jezika, kot so C#, Python ali JavaScript.

• Temeljni koncept: Pisanje logike orkestracije kot kode.
• Definicija: Imperativna koda (C#, Python, JavaScript itd.).
• Ključne značilnosti: Uporablja vzorec virnega dogodka za zanesljivo vzdrževanje stanja. Zagotavlja koncepte, kot so funkcije Orchestrator, Activity in Entity. Stanje se implicitno upravlja s strani ogrodja.
• Najboljše za: Razvijalce, ki raje definirajo kompleksno logiko, zanke in razvejanje v svojem znanem programskem jeziku namesto v JSON ali YAML.

Primer Python izseka za preprosto zaporedje:

import azure.durable_functions as df def orchestrator_function(context: df.DurableOrchestrationContext): result1 = yield context.call_activity('MyFirstFunction', 'input1') result2 = yield context.call_activity('MySecondFunction', result1) return result2

Google Cloud Workflows

Google Cloud Workflows je popolnoma upravljana storitev za orkestracijo, ki vam omogoča definiranje potekov dela z uporabo YAML ali JSON. Odlično se izkaže pri povezovanju in avtomatizaciji storitev Google Cloud in API-jev, ki temeljijo na HTTP.

• Temeljni koncept: Definicija poteka dela, ki temelji na YAML/JSON.
• Definicija: Deklarativni YAML ali JSON.
• Ključne značilnosti: Možne zmožnosti HTTP zahtev za klicanje zunanjih storitev, vgrajeni konektorji za storitve Google Cloud, podpoteki dela za modularno zasnovo in robustno obravnavanje napak.
• Najboljše za: Poteke dela, ki močno vključujejo veriženje API-jev, ki temeljijo na HTTP, tako znotraj kot zunaj ekosistema Google Cloud.

Primer YAML izseka za preprosto zaporedje:

main: params: [args] steps: - first_step: call: http.post args: url: https://example.com/myFirstFunction body: input: ${args.input} result: firstResult - second_step: call: http.post args: url: https://example.com/mySecondFunction body: data: ${firstResult.body} result: finalResult - return_value: return: ${finalResult.body}

Praktičen scenarij na frontendu: Potek dela za vključitev uporabnika

Povežimo vse skupaj s pogostim, resničnim primerom: nov uporabnik se prijavi v vašo aplikacijo. Potrebni koraki so:

1. Ustvarite zapis uporabnika v primarni bazi podatkov.
2. Vzporedno:
   • Pošljite pozdravno e-poštno sporočilo.
   • Izvedite preverjanje goljufije na podlagi IP naslova in e-pošte uporabnika.
3. Če preverjanje goljufije uspe, ustvarite poskusno naročnino v sistemu za obračunavanje.
4. Če preverjanje goljufije ne uspe, označite račun in obvestite ekipo za podporo.
5. Vrnite sporočilo o uspehu ali neuspehu uporabniku.

Rešitev 1: "Naivni" pristop, ki ga poganja frontend

Brez orkestriranega BFF-ja bi moral klient frontenda upravljati to logiko. Izvedel bi zaporedje API klicev:

1. `POST /api/users` -> čaka na odgovor.
2. `POST /api/emails/welcome` -> se izvaja v ozadju.
3. `POST /api/fraud-check` -> čaka na odgovor.
4. `if/else` na strani klienta na podlagi odgovora preverjanja goljufije:
5. Če uspe: `POST /api/subscriptions/trial`.
6. Če ne uspe: `POST /api/users/flag`.

Ta pristop je globoko pomanjkljiv:

• Krhko in klepetavo: Klient je tesno povezan z backend procesom. Vsaka sprememba poteka dela zahteva razmestitev frontenda. Prav tako opravlja več omrežnih zahtev.
• Brez transakcijske celovitosti: Kaj če ustvarjanje naročnine ne uspe, potem ko je bil uporabniški zapis že ustvarjen? Sistem je zdaj v nedoslednem stanju, klient pa mora obravnavati kompleksno logiko razveljavitve.
• Slaba uporabniška izkušnja: Uporabnik mora čakati na dokončanje več zaporednih omrežnih klicev.
• Varnostna tveganja: Izpostavljanje granularnih API-jev, kot sta `flag-user` ali `create-trial` neposredno klientu, je lahko varnostna ranljivost.

Rešitev 2: Orkestrirani strežniško-neodvisni pristop BFF

Z orkestracijsko storitvijo je arhitektura bistveno izboljšana. Frontend izvede samo en sam, varen API klic:

POST /api/onboarding

Ta končna točka API Gateway sproži avtomat stanj (npr. v AWS Step Functions). Orkestrator prevzame in izvede potek dela:

1. Začetno stanje: Prejme uporabniške podatke iz API klica.
2. Ustvarjanje uporabniškega zapisa (naloga): Pokliče funkcijo Lambda za ustvarjanje uporabnika v DynamoDB ali relacijski bazi podatkov.
3. Vzporedno stanje: Vzporedno izvaja dve veji.
   • Veja 1 (E-pošta): Priključi funkcijo Lambda ali temo SNS za pošiljanje pozdravnega e-poštnega sporočila.
   • Veja 2 (Preverjanje goljufije): Priključi funkcijo Lambda, ki kliče storitev za zaznavanje goljufij tretje osebe.
4. Stanje izbire (logika razvejanja): Pregleda izhod koraka preverjanja goljufije.
   • Če je `fraud_score < threshold` (uspešno): Preide v stanje 'Ustvari naročnino'.
   • Če je `fraud_score >= threshold` (neuspešno): Preide v stanje 'Označite račun'.
5. Ustvari naročnino (naloga): Pokliče funkcijo Lambda za interakcijo z API-jem Stripe ali Braintree. Ob uspehu preide v končno stanje 'Uspeh'.
6. Označite račun (naloga): Pokliče funkcijo Lambda za posodobitev uporabniškega zapisa in nato pokliče drugo funkcijo Lambda ali temo SNS za obvestitev podporne ekipe. Preide v končno stanje 'Neuspeh'.
7. Končna stanja (Uspeh/Neuspeh): Potek dela se zaključi, vrne jasno sporočilo o uspehu ali neuspehu prek API Gateway-a frontendu.

Prednosti tega orkestriranega pristopa so ogromne:

• Poenostavljen Frontend: Edina naloga klienta je izvesti en klic in obravnavati en odgovor. Vsa kompleksna logika je vgrajena v backend.
• Odpornost in zanesljivost: Orkestrator lahko samodejno ponovi neuspešne korake (npr. če je API za obračunavanje začasno nedosegljiv). Celoten proces je transakcijski.
• Vidnost in odpravljanje napak: Upravljani orkestratorji zagotavljajo podrobne vizualne dnevnike vsake izvedbe, kar olajša ugotavljanje, kje je potek dela neuspel in zakaj.
• Vzdržljivost: Logika poteka dela je ločena od poslovne logike znotraj funkcij. Potek dela lahko spremenite (npr. dodate nov korak), ne da bi se dotaknili katere koli posamezne funkcije Lambda.
• Izboljšana varnost: Frontend komunicira samo z eno, utrjeno API končno točko. Granularne funkcije in njihova dovoljenja so skrite znotraj backend VPC-ja ali omrežja.

Najboljše prakse za strežniško-neodvisno orkestracijo frontenda

Ko sprejemate te vzorce, upoštevajte te globalne najboljše prakse, da zagotovite, da bo vaša arhitektura ostala čista in učinkovita.

• Funkcije naj bodo granularne in brezstanjske: Vsaka funkcija naj dobro opravi eno stvar (načelo enotne odgovornosti). Izogibajte se, da bi funkcije vzdrževale lastno stanje; to je naloga orkestratorja.
• Orkestrator naj upravlja stanje: Ne posredujte velikih, kompleksnih JSON podatkovnih nizov iz ene funkcije v drugo. Namesto tega posredujte minimalne podatke (kot sta `userID` ali `orderID`), in naj vsaka funkcija pridobi podatke, ki jih potrebuje. Orkestrator je vir resnice za stanje poteka dela.
• Oblikujte za idempotenco: Zagotovite, da je vaše funkcije mogoče varno ponovno zagnati, ne da bi povzročale nenamerne stranske učinke. Na primer, funkcija `createUser` naj preveri, ali uporabnik s to e-pošto že obstaja, preden poskusi ustvariti novega. To preprečuje podvojene zapise, če orkestrator ponovi korak.
• Implementirajte celovito beleženje in sledenje: Uporabite orodja, kot so AWS X-Ray, Azure Application Insights ali Google Cloud Trace, da dobite enoten pogled na zahtevo, ko poteka skozi API Gateway, orkestrator in več funkcij. Beležite ID izvedbe iz orkestratorja v vsakem klicu funkcije.
• Zavarujte svoj potek dela: Uporabite načelo najmanjših privilegijev. Vloga IAM orkestratorja naj ima dovoljenje samo za priklic specifičnih funkcij v njegovem poteku dela. Vsaka funkcija pa naj ima samo dovoljenja, ki jih potrebuje za izvedbo svoje naloge (npr. branje/pisanje v določeno tabelo baze podatkov).
• Vedite, kdaj orkestrirati: Ne pretiravajte z inženiringom. Za preprosto verigo A -> B je lahko zadosten neposreden priklic. Toda takoj, ko uvedete razvejanje, vzporedne naloge ali potrebo po robustnem obravnavanju napak in ponovnih poskusih, vam bo namenska storitev za orkestracijo prihranila veliko časa in preprečila prihodnje težave.

Zaključek: Gradnja naslednje generacije frontend izkušenj

Kompozicija in orkestracija funkcij nista le skrbi za backend infrastrukturo; sta temeljna omogočevalca za gradnjo sofisticiranih, zanesljivih in razširljivih sodobnih frontend aplikacij. S premikanjem kompleksne logike poteka dela iz klienta v orkestriran, strežniško-neodvisen Backend-for-Frontend, pooblastite svoje frontend ekipe, da se osredotočijo na tisto, kar najbolje znajo: ustvarjanje izjemnih uporabniških izkušenj.

Ta arhitekturni vzorec poenostavi klienta, centralizira logiko poslovnih procesov, izboljša odpornost sistema in zagotavlja neprimerljivo vidljivost v najpomembnejše poteke dela vaše aplikacije. Ne glede na to, ali izberete deklarativno moč AWS Step Functions in Google Cloud Workflows ali prilagodljivost Azure Durable Functions, ki temelji na kodi, je sprejetje orkestracije strateška naložba v dolgoročno zdravje in agilnost vaše frontend arhitekture.

Strežniško-neodvisna doba je tu in gre za več kot le funkcije. Gre za gradnjo zmogljivih, dogodkovno gnanih sistemov. Z obvladovanjem kompozicije in orkestracije odklenete celoten potencial te paradigme in utrete pot naslednji generaciji odpornih, globalno razširljivih aplikacij.