Detaillierte Analyse der Evolution und Auswahl von Softwarearchitekturen

I. Die Entwicklungsgeschichte der Architektur

Das Verständnis der Softwarearchitekturtechnologie kann sich nicht nur auf Vergleichstabellen verlassen. Es ist notwendig, den Hintergrund ihres Entstehens, die Probleme, die sie löst, die daraus resultierenden Herausforderungen und die Gründe für ihre Ablösung eingehend zu untersuchen. Im Folgenden wird, in Kombination mit der Forschung von Wissenschaftlern wie Martin Fowler, der evolutionäre Kontext der Architektur sortiert.

1.1 Das Zeitalter der ursprünglichen verteilten Architektur

Die verteilte Architektur entstand früher als die monolithische Architektur. Im Jahr 1971 brachte Intel den ersten Mikrocomputer, den MCS-4, auf den Markt, und Computer wurden in der kommerziellen Produktion eingesetzt. Die Rechenleistung der Hardware eines einzelnen Computers war jedoch begrenzt, was den Umfang von Informationssystemen einschränkte. Universitäten, Forschungseinrichtungen und Unternehmen begannen, Lösungen für mehrere Computer zu erforschen, um gemeinsam dasselbe Softwaresystem zu unterstützen.

Am Beispiel von Remote-Aufrufen ist die von der Open Software Foundation und Mainstream-Herstellern formulierte DCE/RPC-Remote-Service-Aufrufspezifikation einer der Ursprünge des modernen RPC. Sein Design folgt dem UNIX-Prinzip "Einfachheit zuerst" und versucht, Service-Aufrufe und Ressourcenzugriffe in einer verteilten Umgebung transparent zu gestalten. In der Praxis steht sie jedoch vor vielen technischen Herausforderungen wie Service Discovery, Load Balancing, Circuit Breaking und Authentifizierung. Obwohl eine große Anzahl von Protokollen entwickelt wurde, um ein gewisses Maß an Transparenz zu erreichen, wurden Netzwerk-Performance-Probleme zu einem fatalen Fehler. Die Entwicklungslogik ist wie folgt: unzureichende Hardware-Performance → Einführung verteilter Dienste → Performance-Verschlechterung durch Remote-Aufrufe → Entwickler optimieren manuell die Netzwerk-Performance (entgegen der ursprünglichen Absicht der Transparenz) → menschliche Fähigkeiten werden zu einer Einschränkung des Software-Umfangs. Mit der rasanten Verbesserung der Hardware-Performance in den 1980er Jahren wurde die verteilte Architektur allmählich durch die monolithische Architektur ersetzt.

Zusammenfassung der Vor- und Nachteile der ursprünglichen verteilten Architektur:

• Vorteile: Durchbrechen der Performance-Beschränkungen eines einzelnen Computers und Erreichen einer Systemskalierung.
• Nachteile: Hoher Netzwerk-Performance-Verlust, komplexe technische Implementierung und hoher Entwicklungsaufwand.

Simuliertes Architekturdigramm (in einer einfachen textbasierten Form ähnlich dem Bash-Stil):

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| Computer A      |<--->| Computer B      |
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| Service 1       |     | Service 2       |
+-----------------+     +-----------------+

1.2 Das Zeitalter der monolithischen Architektur

Vor dem Aufkommen von Microservices wurde die monolithische Architektur nicht als eine spezielle Architektur betrachtet, weil sie so natürlich war. Das Hauptmerkmal der monolithischen Architektur ist, dass alle Prozessaufrufe innerhalb des Systems Intra-Prozess-Kommunikationen sind.

In Bezug auf die Ansicht, dass "die monolithische Architektur nicht für die Erweiterung geeignet ist", kann dies aus der Perspektive der Performance-Erweiterung durch die Bereitstellung mehrerer Service-Replikate und Load Balancing erreicht werden; aus der Perspektive der funktionalen Erweiterung verwenden große Systeme in der Regel eine Layered Architecture (wie das MVC-Pattern) und ein modulares Design, und jedes Modul kann unabhängig iteriert werden. Die monolithische Architektur hat jedoch auch offensichtliche Einschränkungen. Zum Beispiel ist ihre technische Stack-Skalierbarkeit schlecht, und sie ist nicht so flexibel wie Microservices, wenn es darum geht, verschiedene Technologien zu integrieren (z. B. die Implementierung von KI-Funktionen in einem C++-System); die Isolation ist schlecht, und ein einzelner Fehler kann dazu führen, dass der gesamte Prozess abstürzt.

Mit der Ausweitung des Systemumfangs und des Teams werden die Nachteile der monolithischen Architektur immer deutlicher. Die Erforschung der Aufteilung großer monolithischer Systeme hat drei typische Architekturen hervorgebracht:

• Silo-Architektur: Das System wird in unabhängige Subsysteme ohne Business-Interaktion aufgeteilt. In der Praxis hat jedoch jedes Subsystem in der Regel einen Bedarf an Resource Sharing, so dass es weniger eingesetzt wird.

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| Subsystem A     |     | Subsystem B     |
+-----------------+     +-----------------+

• Microkernel-Architektur: Konzentriert Daten, Ressourcen und öffentliche Services in den Kern, und Business-Systeme existieren in Form von Plugin-Modulen. Zum Beispiel die Eclipse IDE und einige Versicherungssysteme. Die Einschränkung ist, dass Plugins nur mit dem Kernel interagieren und nicht direkt miteinander kommunizieren können.

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| Microkernel     |
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| Plugin A        |
+-----------------+
| Plugin B        |
+-----------------+

• Event-driven-Architektur: Realisiert Message Publishing und Subscription zwischen Subsystemen über die Event Queue Pipeline, die das Interaktionsproblem von Plugins in der Microkernel-Architektur löst und in Bereichen wie E-Commerce-Systemen weit verbreitet ist.

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| Subsystem A     |     | Event Queue     |     | Subsystem B     |
+-----------------+     +-----------------+     +-----------------+
| Publish Message |---->| Receive/Forward |---->| Process Message |
+-----------------+     +-----------------+     +-----------------+

Zusammenfassung der Vor- und Nachteile der monolithischen Architektur:

• Vorteile: Einfache Entwicklung und Debugging; hohe Intra-Prozess-Kommunikationseffizienz; niedrige Anfangskosten.
• Nachteile: Begrenzter technischer Stack; schlechte Isolation und ein großer Wirkungsbereich von Fehlern; schwierige Wartung großer Systeme.

1.3 Das Zeitalter der SOA-Architektur

Während sich die monolithische Architektur weiterentwickelte, brachte die Entwicklung der verteilten Technologie die Service-Oriented Architecture (SOA) hervor. In SOA ist ein "Service" eine unabhängige Einheit, die vollständigen Business-Funktionscode und Daten enthält, mit einer relativ groben Granularität. Das Hauptziel ist die Service-Wiederverwendung. Durch die Formulierung einheitlicher Interface-Standards und Architekturmuster beschleunigt sie die Entwicklung neuer Anwendungen.

SOA hat viele Probleme in einer verteilten Umgebung auf technischer Ebene gelöst. Zum Beispiel verwendet es das SOAP-Protokoll für Remote-Aufrufe und realisiert die Kommunikation zwischen Subsystemen über den Enterprise Service Bus (ESB). Aufgrund ihrer übermäßig strengen Spezifikationen, des komplexen technischen Stacks und der hohen Implementierungskosten wurde sie jedoch nach und nach ausgemustert. Am Beispiel des SOAP-Protokolls versuchte es, alle Probleme des Distributed Computing zu lösen und baute eine große Protokollfamilie auf, zog sich aber schließlich aufgrund ihrer hohen Lern- und Nutzungskosten von der historischen Bühne zurück.

Zusammenfassung der Vor- und Nachteile der SOA-Architektur:

• Vorteile: Betont die Service-Wiederverwendung und verbessert die Entwicklungseffizienz; einheitliche Interface-Standards erleichtern die Systemintegration.
• Nachteile: Komplexe Spezifikationen und hohe Implementierungsschwierigkeit; unzureichende Flexibilität und langsame Reaktionsgeschwindigkeit.

Simuliertes Architekturdigramm (in einer einfachen textbasierten Form ähnlich dem Bash-Stil):

+-----------------+     +-----------------+     +-----------------+
| Service A       |<--->| ESB             |<--->| Service B       |
+-----------------+     +-----------------+     +-----------------+
| Business Logic A|     | Message Routing |     | Business Logic B|
+-----------------+     +-----------------+     +-----------------+

1.4 Das Zeitalter der Microservices-Architektur

Die Microservices-Architektur begann im Jahr 2014 aufzusteigen. Anfangs war sie eine Lightweight-Alternative zu SOA, die darauf abzielte, umständliche Zwänge aufzugeben und zur Transparenz und Einfachheit der verteilten Architektur zurückzukehren. Jetzt hat sie sich zu einem unabhängigen Architekturstil entwickelt, der die Ersetzung von "Spezifikationsstandards" durch "praktische Standards" betont und Entwicklern die Flexibilität gibt, Lösungen frei zu wählen.

Angetrieben durch Cloud Computing hat die Microservices-Architektur die Koordination zwischen Software und Hardware erreicht und die Schwierigkeit der Bereitstellung und des Betriebs verteilter Systeme reduziert. Gleichzeitig stellt sie jedoch höhere Anforderungen an die Fähigkeiten von Architekten, einschließlich komplexer Technologien wie Service-Registrierung und -Discovery, Load Balancing und Link Tracing.

Zusammenfassung der Vor- und Nachteile der Microservices-Architektur:

• Vorteile: Services können unabhängig voneinander bereitgestellt werden, was für die Erweiterung bequem ist; Unterstützung mehrerer technischer Stacks; starke Fehlertrennung.
• Nachteile: Hohe Systemkomplexität und schwieriger Betrieb und Wartung; erhöhte Kommunikationskosten zwischen Services; erhöhte Entwicklungs- und Testkosten.

Simuliertes Architekturdigramm (in einer einfachen textbasierten Form ähnlich dem Bash-Stil):

+-----------------+     +-----------------+     +-----------------+
| Microservice A  |<--->| Microservice B  |<--->| Microservice C  |
+-----------------+     +-----------------+     +-----------------+
| Business Logic A|     | Business Logic B|     | Business Logic C|
+-----------------+     +-----------------+     +-----------------+
| Independent Data|     | Independent Data|     | Independent Data|
+-----------------+     +-----------------+     +-----------------+

1.5 Das Serverless-Zeitalter

Die Serverless-Architektur profitiert von der Entwicklung der Cloud-Computing-Technologie. In diesem Modus müssen sich Entwickler nicht um die Verwaltung von Serverressourcen kümmern und können sich auf die Implementierung von Business-Logik konzentrieren. Die Backend-Infrastruktur wird von Cloud-Service-Providern bereitgestellt, und Business-Logik läuft in Form von Funktionen ab. Obwohl sie sich noch im Entwicklungsstadium befindet, hat ihr Konzept traditionelle Architekturen tiefgreifend beeinflusst.

Zusammenfassung der Vor- und Nachteile der Serverless-Architektur:

• Vorteile: Keine Notwendigkeit, Server zu verwalten; Pay-as-you-use, und die Kosten sind kontrollierbar; einfache Bereitstellung und Betrieb und Wartung.
• Nachteile: Hohe Abhängigkeit von Cloud-Service-Providern; schwierig zu debuggen und zu überwachen; nicht für alle Szenarien geeignet.

Simuliertes Architekturdigramm (in einer einfachen textbasierten Form ähnlich dem Bash-Stil):

+-----------------+     +-----------------+
| Business Logic  |<--->| Infrastructure  |
+-----------------+     +-----------------+
| Function        |     | Log/Storage     |
+-----------------+     +-----------------+

II. Monolithisch oder Microservices

2.1 Anwendungsszenarien von Microservices

1. Einschränkung der Teamfähigkeiten: Wenn das Team groß ist und das Niveau der Mitglieder variiert, können Microservices die Auswirkungen individueller Fehler auf das System durch Service-Isolation reduzieren.
2. Einschränkung der technischen Stacks: Wenn es notwendig ist, mehrere technische Stacks zu integrieren (z. B. KI-Entwicklung), können Microservices eine unabhängige Bereitstellung und Verwaltung erreichen.
3. Einschränkung der Organisationsstruktur: Wenn die Organisationsstruktur häufig angepasst wird und die monolithische Architektur schwer an die teamübergreifende Zusammenarbeit anzupassen ist, haben Microservices mehr Vorteile.

2.2 Implementierungsbedingungen von Microservices

1. Professionelle Talente: Das Team benötigt Experten, die mit dem Microservices-Architekturdesign und dem Betrieb und der Wartung vertraut sind.
2. Automatisierter Betrieb und Wartung: Ein komplettes automatisiertes Bereitstellungs-, Überwachungs- und Messsystem ist erforderlich, um die Herausforderungen im Betrieb und der Wartung zu bewältigen, die durch die Zunahme der Anzahl der Services entstehen.

2.3 Praktische Vorschläge

• Kleine Teams: Geben Sie der monolithischen Architektur Vorrang, um die Anfangskosten zu senken und sich mit der Geschäftsentwicklung schrittweise weiterzuentwickeln.
• Große Teams: Teilen Sie Systemmodule durch Domain Modeling auf, übernehmen Sie die Microservices-Architektur, um eine unabhängige Bereitstellung zu erreichen, und die Dezentralisierung von Daten wird empfohlen.

III. Schlussfolgerung

Weder die monolithische noch die Microservices-Architektur ist ein "Krebsgeschwür". Stattdessen sind sie technische Entscheidungen in verschiedenen historischen Phasen und je nach Geschäftsanforderungen. In tatsächlichen Projekten sollten Faktoren wie Geschäftsumfang, Teamfähigkeiten und technische Anforderungen umfassend berücksichtigt werden, um die Architektur auszuwählen, die für die aktuelle Entwicklungsphase am besten geeignet ist, und die Flexibilität und Entwicklungsfähigkeit der Architektur zu erhalten.

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