Frontend API Gateway: Bemästra schemafederation och stitching med GraphQL

I det snabbt föränderliga landskapet för modern webbutveckling har införandet av microservices-arkitektur blivit en hörnsten för att bygga skalbara, motståndskraftiga och underhållbara applikationer. När system växer och diversifieras kan hanteringen av en mängd oberoende tjänster innebära betydande utmaningar, särskilt för frontend-team. Det är här kraften i GraphQL, i kombination med sofistikerade API-gateway-strategier som schemafederation och stitching, verkligen kommer till sin rätt.

Denna omfattande guide fördjupar sig i komplexiteten i att använda GraphQL som en frontend API-gateway, med en djupdykning i de kritiska koncepten schemafederation och schemastitching. Vi kommer att utforska hur dessa tekniker möjliggör skapandet av ett enhetligt, kraftfullt GraphQL-API från skilda microservice-scheman, vilket effektiviserar frontend-utveckling, förbättrar prestanda och främjar en mer sammanhållen utvecklarupplevelse över globala team.

Framväxten av microservices och frontend-utmaningen

Microservices-arkitektur erbjuder många fördelar, inklusive oberoende driftsättning, teknisk mångfald och felisolering. Men för frontend-applikationer kan denna distribuerade natur leda till ökad komplexitet. Frontend-utvecklare interagerar ofta med många backend-tjänster, var och en med sin egen API-design, dataformat och kommunikationsprotokoll. Detta kan leda till:

• Ökat antal nätverksanrop: Att hämta data kräver ofta flera anrop till olika tjänster.
• Komplex dataaggregering: Frontend-team måste manuellt kombinera data från olika källor.
• Tät koppling: Ändringar i backend-tjänster kan ha en oproportionerligt stor inverkan på frontend.
• Utvecklarutmattning: Arbetet med att hantera flera API-interaktioner kan sakta ner utvecklingscyklerna.

Framväxten av mönstret Backend for Frontend (BFF) syftade till att lösa några av dessa problem genom att skapa skräddarsydda backend-tjänster för specifika frontend-klienter. Även om det är effektivt kan en ren BFF-strategi ibland leda till en spridning av backend-tjänster, vilket ökar underhållsbehovet. GraphQL presenterar ett övertygande alternativ som erbjuder en enda slutpunkt för klienter att fråga efter exakt den data de behöver, vilket minskar överflödig och otillräcklig datahämtning.

GraphQL som en frontend API-gateway

GraphQL, med sina deklarativa datahämtningsmöjligheter, är unikt positionerat för att fungera som ett aggregeringslager i en microservices-miljö. Istället för att direkt konsumera flera REST API:er eller gRPC-tjänster interagerar frontend-klienter med en enda GraphQL-slutpunkt. Denna GraphQL-slutpunkt, som fungerar som en API-gateway, kan sedan lösa frågor genom att orkestrera anrop till olika underliggande microservices.

Den centrala utmaningen blir då hur man bygger detta enhetliga GraphQL-schema från de enskilda scheman som dina microservices har. Det är precis här som schemafederation och schemastitching kommer in i bilden.

Förstå schemastitching

Schemastitching, en av de tidigare metoderna för att kombinera GraphQL-scheman, innebär att man slår samman flera GraphQL-scheman till ett enda, sammanhängande schema. Grundidén är att ta scheman från olika GraphQL-tjänster och kombinera dem, vanligtvis genom att lägga till typer och fält från ett schema till ett annat.

Hur schemastitching fungerar:

Schemastitching innefattar vanligtvis:

1. Hämta delscheman: Stitching-gatewayen hämtar introspektionsschemat från varje underliggande GraphQL-microservice.
2. Slå samman scheman: Ett bibliotek (som graphql-tools' mergeSchemas-funktion) slår samman dessa delscheman. Denna process innebär att lösa potentiella konflikter, som duplicerade typnamn, och att definiera hur typer från olika scheman relaterar till varandra.
3. Lösa frågor över scheman: När en fråga behöver data från flera tjänster måste stitching-gatewayen konfigureras för att delegera delar av frågan till lämplig underliggande tjänst. Detta innebär ofta att man definierar 'fjärrscheman' och vidarebefordrar frågor.

Nyckelkoncept inom schemastitching:

• Typsammanslagning: Tillåter att typer med samma namn i olika scheman kombineras.
• Schematillägg: Lägger till fält från ett schema till en typ som definieras i ett annat. Till exempel att lägga till ett reviews-fält till en Product-typ som definieras i en separat produkttjänst.
• Delegering: Den centrala mekanismen för att vidarebefordra delar av en GraphQL-fråga till lämplig underliggande GraphQL-tjänst.

Fördelar med schemastitching:

• Enkelhet för mindre projekt: Kan vara enkelt att implementera för ett begränsat antal tjänster.
• Flexibilitet: Ger finkornig kontroll över hur scheman kombineras.

Nackdelar med schemastitching:

• Manuell konfiguration: Kan bli komplext och felbenäget när antalet tjänster växer.
• Risk för konflikter: Att hantera kollisioner mellan typ- och fältnamn kräver noggrann planering.
• Prestandaöverväganden: Ineffektiv delegering kan leda till prestandaflaskhalsar.
• Tät koppling: Gatewayen måste ofta vara medveten om de underliggande tjänsternas implementationer, vilket skapar en form av koppling.

Introduktion till schemafederation

Schemafederation uppstod som en mer robust och skalbar lösning på de utmaningar som schemastitching stod inför, särskilt i stora, distribuerade microservice-arkitekturer. Schemafederation, som främst utvecklats av Apollo, gör det möjligt att bygga ett enda GraphQL-API från flera oberoende GraphQL-tjänster, kända som subgrafer.

Den grundläggande skillnaden ligger i dess tillvägagångssätt för schemakomposition. Istället för att slå samman befintliga scheman definierar schemafederation ett protokoll där subgrafer deklarerar sina typer och fält, och en central gateway (routern eller supergrafen) komponerar dessa deklarationer till ett enhetligt schema. Denna komposition sker utan att gatewayen behöver känna till de intima detaljerna i varje subgrafs implementering, endast dess schemakontrakt.

Hur schemafederation fungerar:

Schemafederation innefattar:

1. Subgrafer: Varje microservice exponerar ett GraphQL-API som följer federationsspecifikationen. Subgrafer deklarerar sina typer med specifika federationsdirektiv (t.ex. @key, @extends, @external, @requires, @provides).
2. Supergraf: En federationsrouter (som Apollo Federation Gateway) frågar varje subgraf efter dess schemadefinition. Den komponerar sedan dessa definitioner till ett enda, enhetligt schema – supergrafen.
3. Entitetsupplösning: Nyckeln till federation är konceptet entiteter. En entitet är en typ som kan identifieras unikt över flera subgrafer. @key-direktivet på en typ i en subgraf markerar den som en entitet och specificerar de fält som unikt identifierar den. När en fråga refererar till en entitet vet gatewayen vilken subgraf som är ansvarig för att hämta den entiteten baserat på dess @key-direktiv.
4. Komposition: Gatewayen orkestrerar frågor. Om en fråga kräver data från flera subgrafer, delar gatewayen intelligent upp frågan och skickar lämpliga delfrågor till varje subgraf, och kombinerar sedan resultaten.

Nyckelkoncept inom schemafederation:

• Subgrafer: Oberoende GraphQL-tjänster som bidrar till supergrafen.
• Supergraf: Det enhetliga schemat som komponerats från alla subgrafer.
• Entiteter: Typer som är unikt identifierbara över subgrafer, vanligtvis markerade med @key-direktivet.
• @key-direktiv: Definierar de fält som unikt identifierar en entitet. Detta är avgörande för relationer mellan subgrafer.
• @extends-direktiv: Tillåter en subgraf att utöka en typ som är definierad i en annan subgraf (t.ex. lägga till fält till en User-typ som definieras i en separat User-subgraf).
• @external-direktiv: Indikerar att ett fält är definierat i en annan subgraf.
• @requires-direktiv: Specificerar att ett fält på en entitet kräver att vissa fält från entitetens nyckel är närvarande för att kunna lösas.
• @provides-direktiv: Indikerar att ett fält på en entitet tillhandahålls av subgrafen.

Fördelar med schemafederation:

• Skalbarhet: Designad för stora, distribuerade system och ett växande antal microservices.
• Frikoppling: Subgrafer behöver bara känna till sitt eget schema och hur de löser sina typer. Gatewayen hanterar kompositionen.
• Teamautonomi: Olika team kan äga och hantera sina respektive subgrafer oberoende av varandra.
• Typsäkerhet: Kompositionsprocessen upprätthåller schemakontrakt, vilket säkerställer typsäkerhet över hela supergrafen.
• Förenklad klientupplevelse: Klienter interagerar med ett enda, enhetligt schema.

Nackdelar med schemafederation:

• Inlärningskurva: Kräver förståelse för federationsspecifikationen och direktiven.
• Verktygsberoende: Förlitar sig ofta på specifika bibliotek och gateways (t.ex. Apollo Federation).
• Komplexitet vid initial installation: Att sätta upp subgrafer och gatewayen kan vara mer involverat än enkel stitching.

Federation vs. Stitching: En jämförande översikt

Medan både schemafederation och schemastitching syftar till att förena GraphQL-scheman, representerar de olika filosofier och erbjuder distinkta fördelar:

För de flesta moderna microservice-arkitekturer som siktar på långsiktig skalbarhet och teamautonomi är schemafederation generellt det föredragna tillvägagångssättet. Schemastitching kan fortfarande vara ett gångbart alternativ för mindre, mindre komplexa system eller för specifika integrationsscenarier där en mer manuell, direkt sammanslagning önskas.

Implementera schemafederation: Ett praktiskt exempel

Låt oss överväga ett enkelt e-handelsscenario med två microservices:

• Användartjänst: Hanterar användarinformation.
• Produkttjänst: Hanterar produktinformation.

Användartjänstens subgraf

Denna tjänst definierar en User-typ och markerar den som en entitet med @key-direktivet.

            # 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
              
            
          

Tjänsten skulle också ha resolvers för att hämta användardata baserat på deras ID.

Produkttjänstens subgraf

Denna tjänst definierar en Product-typ. Avgörande är att den också definierar en relation till User-entiteten genom att lägga till ett fält (t.ex. createdBy) som refererar till User-typen.

            # 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 {
  # Vi utökar User-typen från användartjänsten
  # @external-direktivet indikerar att 'id' är definierat någon annanstans
  createdBy: User @requires(fields: "userId")
}

type User @extends {
  # Deklarera att 'id' är ett externt fält på User, definierat i en annan subgraf
  id: ID! @external
}

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

            

              
                Copy
              
            
          

I Produkttjänsten:

• @extends på Product indikerar att detta schema utökar Product-typen.
• id: ID! @external på User betyder att id-fältet för User-typen är definierat i en annan subgraf (Användartjänsten).
• createdBy: User @requires(fields: "userId") på Product betyder att för att lösa createdBy-fältet (som returnerar ett User-objekt), måste produktdata innehålla ett userId. Gatewayen kommer att använda denna information för att veta vilka fält den ska begära från produkttjänsten och hur den ska länka det till användartjänsten.

Federationsgateway (Supergraf)

Federationsgatewayen (t.ex. Apollo Gateway) ansvarar för att:

1. Upptäcka subgraferna (vanligtvis genom att fråga deras introspektionsschema).
2. Komponera de enskilda subgrafscheman till ett enda supergrafschema.
3. Dirigera inkommande klientfrågor till lämpliga subgrafer och kombinera resultaten.

När en klient frågar efter en produkt och dess skapares namn:

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

            

              
                Copy
              
            
          

Gatewayen kommer att utföra följande:

1. Den ser product-fältet, som hanteras av Produkttjänsten.
2. Den löser name-fältet från Product-typen, som också hanteras av Produkttjänsten.
3. Den stöter på createdBy-fältet på Product. Eftersom createdBy är definierat som en User-typ och User-typen har ett @key(fields: "id")-direktiv i Användartjänsten, vet gatewayen att den behöver hämta User-entiteten.
4. @requires(fields: "userId") på createdBy talar om för gatewayen att Produkttjänsten behöver userId för att lösa denna relation. Så, gatewayen kommer att begära produkten och dess userId från Produkttjänsten.
5. Med det hämtade userId vet gatewayen sedan att den ska fråga Användartjänsten efter en användare med det specifika ID:t.
6. Slutligen löser den name-fältet från User-objektet som returnerats av Användartjänsten.

Denna process visar hur schemafederation sömlöst kopplar samman relaterad data över olika microservices, vilket ger en enhetlig och effektiv frågeupplevelse för frontend.

Välja rätt tillvägagångssätt för ditt projekt

Beslutet mellan schemafederation och schemastitching (eller till och med andra API-gateway-mönster) beror starkt på ditt projekts specifika krav, teamstruktur och långsiktiga vision.

När man bör överväga schemastitching:

• Små till medelstora projekt: Om du har ett begränsat antal GraphQL-microservices och en enkel datamodell kan stitching vara tillräckligt och lättare att sätta upp initialt.
• Befintliga GraphQL-tjänster: Om du redan har flera oberoende GraphQL-tjänster och vill kombinera dem utan betydande refaktorering, kan stitching vara en snabbare integrationsväg.
• Specifik sammanslagningslogik: När du behöver finkornig kontroll över hur scheman slås samman och typer utökas, och komplexiteten i federation verkar överdriven.

När man bör anamma schemafederation:

• Storskaliga microservices: För organisationer med ett betydande antal microservices och team ger federation den nödvändiga skalbarheten och organisationsstrukturen.
• Teamautonomi är avgörande: Om olika team ansvarar för olika domäner och behöver utveckla sina GraphQL-API:er oberoende, möjliggör federation denna autonomi.
• Långsiktig underhållbarhet: De tydliga kontrakten och kompositionsmodellen i federation leder till mer underhållbara och motståndskraftiga system över tid.
• Komplexa relationer: När din datamodell involverar invecklade relationer mellan entiteter som hanteras av olika tjänster är federationens entitetsupplösning ovärderlig.
• Införa GraphQL gradvis: Federation låter dig introducera GraphQL stegvis. Befintliga REST-tjänster kan lindas in i GraphQL-subgrafer, eller nya GraphQL-tjänster kan byggas som subgrafer från början.

Bästa praxis för frontend API-gateways med GraphQL

Oavsett om du väljer federation eller en stitching-strategi är det avgörande att anta bästa praxis för att lyckas:

• Definiera tydliga kontrakt: För federation definierar subgrafscheman och användningen av direktiv som @key, @external och @requires dessa kontrakt. För stitching är överenskommelserna om hur man slår samman och delegerar dina kontrakt.
• Versionera dina API:er: Implementera en tydlig versionsstrategi för dina subgrafer för att hantera ändringar smidigt.
• Övervaka prestanda: Implementera robust övervakning för din gateway och dina subgrafer. Spåra frågeprestanda, felfrekvenser och latens. Verktyg som Apollo Studio kan vara ovärderliga här.
• Implementera cachning: Utnyttja GraphQL-cachningsstrategier på gateway- eller klientnivå för att förbättra prestanda och minska belastningen på dina backend-tjänster.
• Säkra din gateway: Implementera autentisering, auktorisering och hastighetsbegränsning på API-gatewaynivå för att skydda dina backend-tjänster.
• Optimera frågor: Utbilda frontend-utvecklare i att skriva effektiva GraphQL-frågor för att undvika överdriven datahämtning eller djupt nästlade frågor som kan anstränga gatewayen och subgraferna.
• Verktyg och automation: Använd verktyg för schemagenerering, validering och driftsättningsautomation för att effektivisera utvecklingslivscykeln.
• Dokumentation: Underhåll uppdaterad dokumentation för ditt supergrafschema och enskilda subgrafer. Verktyg som GraphiQL och GraphQL Playground är utmärkta för interaktiv utforskning.
• Felhantering: Implementera konsekventa felhanteringsstrategier över din gateway och dina subgrafer.
• Testning: Säkerställ noggrann testning av dina subgrafer och den komponerade supergrafen för att fånga problem tidigt.

Globala överväganden

När man implementerar en API-gateway-strategi för en global publik blir flera faktorer kritiska:

• Latens: Designa din gateway och subgrafdistribution för att minimera latens för användare i olika geografiska regioner. Överväg att använda Content Delivery Networks (CDN) för statiska tillgångar och att driftsätta gateway-instanser närmare din användarbas.
• Datalagring och efterlevnad: Förstå var din data lagras och behandlas. Se till att din API-gateway och subgrafkonfigurationer följer regionala dataskyddsförordningar (t.ex. GDPR, CCPA). Federation kan hjälpa till att hantera datalokalisering genom att låta subgrafer hantera data som är relevant för specifika regioner.
• Valuta och lokalisering: Om din applikation hanterar finansiell data eller lokaliserat innehåll, se till att ditt GraphQL-schema och resolvers kan hantera olika valutor, språk och datumformat på lämpligt sätt.
• Tidszoner: Var medveten om tidszonsskillnader vid bearbetning och visning av tidskänslig data.
• Infrastrukturskalning: Planera för att skala din gateway och dina subgrafer för att hantera fluktuerande globala trafikmönster.

Framtiden för GraphQL-gateways

GraphQL-ekosystemet fortsätter att utvecklas. Vi ser framsteg inom:

• Förbättrade federationsspecifikationer: Den pågående utvecklingen av GraphQL Federation-specifikationen av Apollo och den bredare communityn leder till mer robusta och standardiserade sätt att bygga distribuerade GraphQL-API:er.
• Hanterade GraphQL-tjänster: Molnleverantörer och tredjepartstjänster erbjuder hanterade GraphQL-gateway-lösningar, vilket förenklar driftsättning och drift.
• Nya bibliotek och verktyg: Utvecklingen av nya verktyg och bibliotek för att bygga, testa och övervaka GraphQL-gateways och subgrafer gör införandet enklare och mer effektivt.
• GraphQL Mesh: Framväxande verktyg som GraphQL Mesh syftar till att abstrahera bort komplexiteten hos olika datakällor (REST, gRPC, GraphQL, OpenAPI) och låta dem serveras som ett enhetligt GraphQL-API, vilket erbjuder ett alternativ till traditionell federation för bredare integrationsbehov.

Slutsats

I takt med att organisationer i allt högre grad antar microservices-arkitekturer blir behovet av effektiva API-gateway-strategier av största vikt. GraphQL, med sina kraftfulla frågemöjligheter, erbjuder en elegant lösning, och schemafederation utmärker sig som det mest skalbara och underhållbara tillvägagångssättet för att förena skilda GraphQL-microservices.

Genom att förstå principerna för schemafederation och stitching, och genom att anta bästa praxis för implementering och global driftsättning, kan frontend-team avsevärt effektivisera sina utvecklingsprocesser, bygga mer motståndskraftiga applikationer och leverera exceptionella användarupplevelser. Oavsett om du startar ett nytt projekt eller utvecklar ett befintligt microservices-landskap, är en investering i en välarkitekterad GraphQL API-gateway som drivs av federation ett strategiskt drag mot att bygga nästa generation av robusta, skalbara och användarcentrerade applikationer.

Viktiga insikter:

• GraphQL fungerar som en kraftfull API-gateway för microservices.
• Schemafederation bygger en enhetlig supergraf från oberoende subgrafer med hjälp av ett tydligt kontraktsprotokoll.
• Schemastitching slår samman befintliga scheman, vilket ger mer manuell kontroll men mindre skalbarhet för stora system.
• Federation är generellt sett att föredra för sin skalbarhet, frikoppling och teamautonomi.
• Bästa praxis inkluderar tydliga kontrakt, övervakning, säkerhet och globala överväganden.

Att anamma dessa koncept kommer att ge dina utvecklingsteam möjlighet att navigera komplexiteten i microservices och bygga applikationer som är både kraftfulla och anpassningsbara till de ständigt föränderliga kraven i det globala digitala landskapet.