Frontend Serverless Architecture: Глибоке занурення в композицію та оркестрацію функцій

У постійно мінливому ландшафті веб-розробки роль frontend переросла з рендерингу простих інтерфейсів користувача до управління складним станом додатків, обробки заплутаної бізнес-логіки та оркестрації численних асинхронних операцій. У міру того, як додатки стають складнішими, зростає і складність за лаштунками. Традиційний монолітний backend і навіть архітектури мікросервісів першого покоління іноді можуть створювати вузькі місця, пов'язуючи спритність frontend з циклами випуску backend. Саме тут serverless-архітектура, особливо для frontend, представляє собою зміну парадигми.

Але впровадження serverless не таке просте, як просто написання окремих функцій. Сучасний додаток рідко виконує завдання за допомогою однієї, ізольованої дії. Найчастіше це включає в себе послідовність кроків, паралельні процеси та умовну логіку. Як нам керувати цими складними робочими процесами, не повертаючись до монолітного мислення або не створюючи заплутаний безлад взаємопов'язаних функцій? Відповідь криється у двох потужних концепціях: композиція функцій та оркестрація функцій.

Цей вичерпний посібник досліджуватиме, як ці патерни трансформують рівень Backend-for-Frontend (BFF), дозволяючи розробникам створювати надійні, масштабовані та зручні в обслуговуванні додатки. Ми проаналізуємо основні концепції, розглянемо поширені патерни, оцінимо провідні хмарні сервіси оркестрації та пройдемося практичним прикладом, щоб закріпити ваше розуміння.

Еволюція Frontend-архітектури та підйом Serverless BFF

Щоб оцінити важливість serverless-оркестрації, корисно зрозуміти шлях frontend-архітектури. Ми перейшли від серверно відрендерених сторінок до насичених Single-Page Applications (SPA), які взаємодіють з backend через REST або GraphQL API. Це розділення відповідальності стало великим кроком вперед, але воно породило нові виклики.

Від моноліту до мікросервісів і BFF

Спочатку SPA часто зверталися до єдиного, монолітного backend API. Це було просто, але крихко. Невелика зміна для мобільного додатка могла зламати веб-додаток. Рух мікросервісів вирішив цю проблему, розбивши моноліт на менші, незалежно розгортаються сервіси. Однак це часто призводило до того, що frontend мав викликати кілька мікросервісів для рендерингу одного виду, що призводило до балакучої, складної логіки на стороні клієнта.

Патерн Backend-for-Frontend (BFF) з'явився як рішення. BFF - це спеціалізований backend-рівень для конкретного frontend-досвіду (наприклад, один для веб-додатка, один для iOS-додатка). Він діє як фасад, агрегуючи дані з різних вихідних мікросервісів і адаптуючи відповідь API спеціально для потреб клієнта. Це спрощує код frontend, зменшує кількість мережевих запитів і покращує продуктивність.

Serverless як ідеальний варіант для BFF

Serverless-функції, або Function-as-a-Service (FaaS), є природним вибором для реалізації BFF. Замість підтримки постійно працюючого сервера для вашого BFF, ви можете розгорнути колекцію невеликих функцій, керованих подіями. Кожна функція може обробляти конкретну кінцеву точку API або завдання, таке як отримання даних користувача, обробка платежу або агрегування стрічки новин.

Цей підхід пропонує неймовірні переваги:

• Масштабованість: Функції масштабуються автоматично залежно від попиту, від нуля до тисяч викликів.
• Економічність: Ви платите лише за використаний обчислювальний час, що ідеально підходить для часто імпульсивних патернів трафіку BFF.
• Швидкість розробки: Невеликі, незалежні функції легше розробляти, тестувати та розгортати.

Однак це призводить до нової проблеми. У міру зростання складності вашого додатка, ваш BFF може потребувати виклику кількох функцій у певному порядку для виконання одного клієнтського запиту. Наприклад, реєстрація користувача може включати створення запису в базі даних, виклик платіжного сервісу та надсилання привітального електронного листа. Наявність frontend-клієнта, який керує цією послідовністю, є неефективною та небезпечною. Це проблема, яку покликані вирішити композиція та оркестрація функцій.

Розуміння основних концепцій: Композиція та Оркестрація

Перш ніж ми заглибимося в патерни та інструменти, давайте встановимо чітке визначення наших ключових термінів.

Що таке Serverless-функції (FaaS)?

В основі своїй serverless-функції (такі як AWS Lambda, Azure Functions або Google Cloud Functions) - це безстатні, короткочасні обчислювальні екземпляри, які запускаються у відповідь на подію. Подією може бути HTTP-запит з API Gateway, нове завантаження файлу у відро для зберігання або повідомлення в черзі. Ключовий принцип полягає в тому, що ви, розробник, не керуєте базовими серверами.

Що таке Композиція Функцій?

Композиція функцій - це патерн проектування для побудови складного процесу шляхом об'єднання кількох простих, одноцільових функцій. Уявіть собі будівництво з кубиків Lego. Кожен кубик (функція) має певну форму та призначення. З'єднуючи їх різними способами, ви можете будувати складні структури (робочі процеси). Основна увага композиції зосереджена на потоці даних між функціями.

Що таке Оркестрація Функцій?

Оркестрація функцій - це реалізація та управління цією композицією. Вона включає в себе центральний контролер - оркестратор, який керує виконанням функцій відповідно до заздалегідь визначеного робочого процесу. Оркестратор відповідає за:

• Керування потоком: Виконання функцій послідовно, паралельно або на основі умовної логіки (розгалуження).
• Керування станом: Відстеження стану робочого процесу в міру його прогресування, передача даних між кроками.
• Обробка помилок: Перехоплення помилок від функцій і реалізація логіки повторних спроб або компенсаційних дій (наприклад, відкат транзакції).
• Координація: Забезпечення успішного завершення всього багатоетапного процесу як єдиного транзакційного блоку.

Композиція проти Оркестрації: Чітка відмінність

Важливо розуміти різницю:

• Композиція - це дизайн або 'що'. Для оформлення замовлення в електронній комерції композиція може бути такою: 1. Перевірити кошик -> 2. Обробити платіж -> 3. Створити замовлення -> 4. Надіслати підтвердження.
• Оркестрація - це механізм виконання або 'як'. Оркестратор - це сервіс, який фактично викликає функцію `validateCart`, чекає на її відповідь, потім викликає функцію `processPayment` з результатом, обробляє будь-які збої платежу з повторними спробами і так далі.

У той час як простої композиції можна досягти, коли одна функція безпосередньо викликає іншу, це створює тісне зв'язування та крихкість. Справжня оркестрація відокремлює функції від логіки робочого процесу, що призводить до набагато більш стійкої та зручної в обслуговуванні системи.

Патерни для Serverless Композиції Функцій

Кілька поширених патернів виникають при компонуванні serverless-функцій. Розуміння їх є ключем до проектування ефективних робочих процесів.

1. Ланцюжок (Послідовне виконання)

Це найпростіший патерн, де функції виконуються одна за одною в послідовності. Вихід першої функції стає входом для другої і так далі. Це serverless-еквівалент конвеєра.

Випадок використання: Робочий процес обробки зображень. Frontend завантажує зображення, запускаючи робочий процес:

1. Функція A (ValidateImage): Перевіряє тип і розмір файлу.
2. Функція B (ResizeImage): Створює кілька версій мініатюр.
3. Функція C (AddWatermark): Додає водяний знак до змінених розмірів зображень.
4. Функція D (SaveToBucket): Зберігає кінцеві зображення у відро для зберігання в хмарі.

Це створює чіткий, передбачуваний потік: A -> B -> C -> D.

2. Розгалуження/Згортання (Паралельне виконання)

Цей патерн використовується, коли кілька незалежних завдань можуть виконуватися одночасно для покращення продуктивності. Одна функція (розгалуження) запускає кілька інших функцій для паралельного виконання. Кінцева функція (згортання) чекає завершення всіх паралельних завдань, а потім агрегує їх результати.

Випадок використання: Обробка відеофайлу. Відео завантажується, запускаючи робочий процес:

1. Функція A (StartProcessing): Отримує відеофайл і запускає паралельні завдання.
2. Паралельні завдання:
   • Функція B (TranscodeTo1080p): Створює версію 1080p.
   • Функція C (TranscodeTo720p): Створює версію 720p.
   • Функція D (ExtractAudio): Витягує аудіодоріжку.
   • Функція E (GenerateThumbnails): Створює попередні мініатюри.
3. Функція F (AggregateResults): Після завершення B, C, D і E ця функція оновлює базу даних посиланнями на всі створені активи.

Ця паралельна обробка значно скорочує загальний час, необхідний порівняно з послідовним ланцюгом.

3. Асинхронний обмін повідомленнями (хореографія, керована подіями)

Хоча це не суворо оркестрація (її часто називають хореографією), цей патерн є життєво важливим в serverless-архітектурах. Замість центрального контролера, функції спілкуються шляхом публікації подій в шину повідомлень або чергу (наприклад, AWS SNS/SQS, Google Pub/Sub, Azure Service Bus). Інші функції підписуються на ці події та реагують відповідно.

Випадок використання: Система розміщення замовлень.

1. Frontend викликає функцію `placeOrder`.
2. Функція `placeOrder` перевіряє замовлення та публікує подію `OrderPlaced` в шину повідомлень.
3. Кілька незалежних функцій-підписників реагують на цю подію:
   • Функція `billing` обробляє платіж.
   • Функція `shipping` повідомляє склад.
   • Функція `notifications` надсилає електронний лист із підтвердженням клієнту.

Цей патерн створює високоефективну та стійку систему. Якщо служба сповіщень не працює, це не заважає виставленню рахунку та відправці замовлення.

Сила керованих сервісів оркестрації

Хоча ви можете реалізувати ці патерни вручну, швидко стає складно керувати станом, обробляти помилки та відстежувати виконання. Ось тут керовані сервіси оркестрації від основних хмарних провайдерів стають безцінними. Вони надають фреймворк для визначення, візуалізації та виконання складних робочих процесів.

AWS Step Functions

AWS Step Functions - це serverless-сервіс оркестрації, який дозволяє визначати ваші робочі процеси як кінцеві автомати. Ви визначаєте свій робочий процес декларативно, використовуючи формат на основі JSON, який називається Amazon States Language (ASL).

• Основна концепція: Кінцеві автомати, які можна візуально проектувати.
• Визначення: Декларативний JSON (ASL).
• Ключові функції: Візуальний редактор робочих процесів, вбудована логіка повторних спроб та обробки помилок, підтримка робочих процесів "людина в циклі" (зворотні виклики) та пряма інтеграція з понад 200 сервісами AWS.
• Найкраще підходить для: Команд, які віддають перевагу візуальному, декларативному підходу та глибокій інтеграції з екосистемою AWS.

Приклад ASL-фрагменту для простої послідовності:

{ "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 - це розширення Azure Functions, яке дозволяє писати робочі процеси зі станом за допомогою підходу "код первинний". Замість декларативної мови, ви визначаєте логіку оркестрації за допомогою мови програмування загального призначення, такої як C#, Python або JavaScript.

• Основна концепція: Написання логіки оркестрації як коду.
• Визначення: Імперативний код (C#, Python, JavaScript тощо).
• Ключові функції: Використовує патерн джерела подій для надійного підтримки стану. Надає концепції, такі як Orchestrator, Activity та Entity functions. Стан керується неявно фреймворком.
• Найкраще підходить для: Розробників, які віддають перевагу визначенню складної логіки, циклів і розгалужень у своїй знайомій мові програмування, а не в JSON або YAML.

Приклад Python-фрагменту для простої послідовності:

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 - це повністю керований сервіс оркестрації, який дозволяє визначати робочі процеси за допомогою YAML або JSON. Він чудово підходить для підключення та автоматизації сервісів Google Cloud та HTTP-based API.

• Основна концепція: Визначення робочого процесу на основі YAML/JSON.
• Визначення: Декларативний YAML або JSON.
• Ключові функції: Потужні можливості HTTP-запитів для виклику зовнішніх сервісів, вбудовані конектори для сервісів Google Cloud, підробочі процеси для модульного проектування та надійна обробка помилок.
• Найкраще підходить для: Робочих процесів, які значною мірою включають ланцюжки HTTP-based API, як всередині, так і за межами екосистеми Google Cloud.

Приклад YAML-фрагменту для простої послідовності:

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}

Практичний Frontend-сценарій: Робочий процес адаптації користувача

Давайте поєднаємо все разом із загальним, реальним прикладом: новий користувач реєструється у вашому додатку. Необхідні кроки:

1. Створіть запис користувача в основній базі даних.
2. Паралельно:
   • Надішліть вітальний електронний лист.
   • Запустіть перевірку на шахрайство на основі IP та електронної пошти користувача.
3. Якщо перевірка на шахрайство пройдено, створіть пробну підписку в платіжній системі.
4. Якщо перевірка на шахрайство не пройдено, позначте обліковий запис і повідомте команду підтримки.
5. Поверніть повідомлення про успіх або помилку користувачеві.

Рішення 1: «Наївний» підхід, керований Frontend

Без оркестрованого BFF frontend-клієнт повинен був би керувати цією логікою. Він би зробив послідовність викликів API:

1. `POST /api/users` -> чекає відповіді.
2. `POST /api/emails/welcome` -> запускається у фоновому режимі.
3. `POST /api/fraud-check` -> чекає відповіді.
4. `if/else` на стороні клієнта на основі відповіді перевірки на шахрайство:
5. Якщо пройдено: `POST /api/subscriptions/trial`.
6. Якщо не пройдено: `POST /api/users/flag`.

Цей підхід глибоко недосконалий:

• Крихкий і балакучий: Клієнт тісно пов'язаний з backend-процесом. Будь-яка зміна робочого процесу вимагає розгортання frontend. Він також робить кілька мережевих запитів.
• Відсутність транзакційної цілісності: Що станеться, якщо створення підписки не вдасться після створення запису користувача? Система зараз знаходиться в неузгодженому стані, і клієнт повинен обробляти складну логіку відкату.
• Поганий досвід користувача: Користувачеві потрібно чекати завершення кількох послідовних мережевих викликів.
• Ризики безпеки: Надання детальних API, таких як `flag-user` або `create-trial`, безпосередньо клієнту може бути вразливістю безпеки.

Рішення 2: Оркестрований Serverless BFF підхід

Завдяки сервісу оркестрації архітектура значно покращена. Frontend робить лише один єдиний захищений виклик API:

POST /api/onboarding

Ця кінцева точка API Gateway запускає кінцевий автомат (наприклад, в AWS Step Functions). Оркестратор переймає управління та виконує робочий процес:

1. Стартовий стан: Отримує дані користувача з виклику API.
2. Створити запис користувача (Завдання): Викликає Lambda-функцію для створення користувача в DynamoDB або реляційній базі даних.
3. Паралельний стан: Виконує дві гілки одночасно.
   • Гілка 1 (Email): Викликає Lambda-функцію або SNS-тему для надсилання вітального електронного листа.
   • Гілка 2 (Fraud Check): Викликає Lambda-функцію, яка викликає сторонній сервіс виявлення шахрайства.
4. Стан вибору (Логіка розгалуження): Перевіряє вихідний результат кроку перевірки на шахрайство.
   • Якщо `fraud_score < threshold` (Пройдено): Переходить до стану 'Створити підписку'.
   • Якщо `fraud_score >= threshold` (Не пройдено): Переходить до стану 'Позначити обліковий запис'.
5. Створити підписку (Завдання): Викликає Lambda-функцію для взаємодії з API Stripe або Braintree. У разі успіху переходить до кінцевого стану 'Успіх'.
6. Позначити обліковий запис (Завдання): Викликає Lambda для оновлення запису користувача, а потім викликає іншу Lambda або SNS-тему для повідомлення команди підтримки. Переходить до кінцевого стану 'Помилка'.
7. Кінцеві стани (Успіх/Помилка): Робочий процес завершується, повертаючи чітке повідомлення про успіх або помилку через API Gateway до frontend.

Переваги цього оркестрованого підходу величезні:

• Спрощений Frontend: Єдине завдання клієнта - зробити один виклик і обробити одну відповідь. Вся складна логіка інкапсульована в backend.
• Стійкість і надійність: Оркестратор може автоматично повторювати невдалі кроки (наприклад, якщо платіжний API тимчасово недоступний). Весь процес є транзакційним.
• Видимість і налагодження: Керовані оркестратори надають детальні візуальні журнали кожного виконання, що полегшує визначення місця та причини збою робочого процесу.
• Зручність обслуговування: Логіка робочого процесу відокремлена від бізнес-логіки всередині функцій. Ви можете змінити робочий процес (наприклад, додати новий крок), не торкаючись жодної з окремих Lambda-функцій.
• Підвищена безпека: Frontend взаємодіє лише з однією захищеною кінцевою точкою API. Детальні функції та їх дозволи приховані в межах backend VPC або мережі.

Рекомендації для Frontend Serverless Оркестрації

Під час впровадження цих патернів, пам'ятайте про ці загальні рекомендації, щоб забезпечити чистоту та ефективність вашої архітектури.

• Підтримуйте функції деталізованими та безстатними: Кожна функція повинна добре виконувати одне завдання (Принцип єдиної відповідальності). Уникайте функцій, які підтримують власний стан; це завдання оркестратора.
• Дозвольте оркестратору керувати станом: Не передавайте великі, складні JSON-пакети даних з однієї функції в іншу. Замість цього передавайте мінімальні дані (наприклад, `userID` або `orderID`) і дозвольте кожній функції отримувати необхідні дані. Оркестратор є джерелом істини для стану робочого процесу.
• Проектуйте для ідемпотентності: Переконайтеся, що ваші функції можна безпечно повторювати, не викликаючи ненавмисних побічних ефектів. Наприклад, функція `createUser` повинна перевіряти, чи вже існує користувач з цією електронною поштою, перш ніж намагатися створити нового. Це запобігає дублюванню записів, якщо оркестратор повторює крок.
• Реалізуйте комплексне ведення журналів та відстеження: Використовуйте інструменти, такі як AWS X-Ray, Azure Application Insights або Google Cloud Trace, щоб отримати єдине представлення запиту, коли він проходить через API Gateway, оркестратор і кілька функцій. Записуйте ідентифікатор виконання з оркестратора в кожному виклику функції.
• Захистіть свій робочий процес: Використовуйте принцип найменших привілеїв. Роль IAM оркестратора повинна мати лише дозвіл на виклик конкретних функцій у своєму робочому процесі. Кожна функція, в свою чергу, повинна мати лише дозволи, необхідні для виконання свого завдання (наприклад, читання/запис в конкретну таблицю бази даних).
• Знайте, коли оркеструвати: Не перевантажуйте. Для простого ланцюжка A -> B прямого виклику може бути достатньо. Але як тільки ви вводите розгалуження, паралельні завдання або необхідність надійної обробки помилок і повторних спроб, спеціалізований сервіс оркестрації заощадить вам значний час і запобіжить майбутнім головним болям.

Висновок: Побудова наступного покоління Frontend-досвіду

Композиція та оркестрація функцій - це не просто питання backend-інфраструктури; вони є фундаментальними факторами, що дозволяють створювати складні, надійні та масштабовані сучасні frontend-додатки. Переміщуючи складну логіку робочого процесу з клієнта до оркестрованого serverless Backend-for-Frontend, ви даєте можливість своїм frontend-командам зосередитися на тому, що вони роблять найкраще: створювати винятковий досвід користувача.

Цей архітектурний патерн спрощує клієнта, централізує логіку бізнес-процесів, покращує стійкість системи та забезпечує неперевершену видимість найважливіших робочих процесів вашого додатка. Незалежно від того, чи ви обираєте декларативну потужність AWS Step Functions і Google Cloud Workflows, чи гнучкість коду Azure Durable Functions, впровадження оркестрації є стратегічною інвестицією в довгострокове здоров'я та гнучкість вашої frontend-архітектури.

Serverless-ера вже тут, і це більше, ніж просто функції. Йдеться про створення потужних систем, керованих подіями. Освоївши композицію та оркестрацію, ви розкриєте весь потенціал цієї парадигми, прокладаючи шлях для наступного покоління стійких, глобально-масштабованих додатків.