如何為微服務(wù)選擇數(shù)據(jù)庫

作者：Jeff Carpenter, InfoWorld

你的微服務(wù)架構(gòu)需要多種數(shù)據(jù)模型。你是應(yīng)該選擇混合持久化呢還是多模型數(shù)據(jù)庫？

在過去的十年，大規(guī)模的分布式系統(tǒng)呈現(xiàn)爆炸式增長。這一趨勢促使在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域產(chǎn)生了一股巨大的創(chuàng)造力，這在軟件業(yè)的歷史上無疑是沒有先例的。其結(jié)果是誕生了一個(gè)健康和充滿競爭的數(shù)據(jù)庫市場，我們可以因此在大量的平臺中各取所需。但是我們應(yīng)該如何抉擇？

在本文中，我們將探討如何為根據(jù)應(yīng)用程序去選擇核實(shí)的數(shù)據(jù)庫模式。（是的，可以有一個(gè)以上的選擇?。?，我們也會看看對數(shù)據(jù)模式的選擇可以幫助確定在數(shù)據(jù)層中將選用哪些技術(shù)。

云架構(gòu)，NoSQL 和微服務(wù)架構(gòu)

隨著開發(fā)人員開始創(chuàng)建可擴(kuò)展的Web應(yīng)用，歷史上在數(shù)據(jù)架構(gòu)上占主導(dǎo)地位的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，開始顯示出很大的壓力。我們開發(fā)了非常流行的社交應(yīng)用，并開始將越來越多的設(shè)備連接到物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。用戶大量的讀取和寫入數(shù)據(jù)導(dǎo)致了必須擴(kuò)展數(shù)據(jù)層，從而出現(xiàn)了新型的數(shù)據(jù)庫來滿足這些高可擴(kuò)展性需求。

在許多情況下，這些新的數(shù)據(jù)庫“NoSQL”或“非關(guān)系”的解決方案，所基于的數(shù)據(jù)模型和傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型不同。NoSQL數(shù)據(jù)庫包括有文檔型、鍵值對型（key-value）、列式數(shù)據(jù)庫甚至圖數(shù)據(jù)庫。通常來說，這些數(shù)據(jù)庫犧牲了一些關(guān)系數(shù)據(jù)庫的常見的的特性，如強(qiáng)一致性、ACID事務(wù)特性和join連接。

與此同時(shí)，和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的變革一樣，在本世紀(jì)初的SOA（面向服務(wù)的架構(gòu)），正逐漸演變?yōu)槲⒎?wù)架構(gòu)的體系架構(gòu)，許多企業(yè)也開始逐漸拋棄重量級的SOA體系架構(gòu)如企業(yè)服務(wù)總線（ESB），并傾向使用“去中心化”的架構(gòu)方法。微服務(wù)架構(gòu)的魅力在于其開發(fā)、管理和擴(kuò)展服務(wù)都是相對獨(dú)立的。這給了我們很多在實(shí)施方面的靈活性，包括基礎(chǔ)架構(gòu)技術(shù)，如數(shù)據(jù)庫。

舉個(gè)例子，我們假設(shè)正在為微服務(wù)架構(gòu)做開發(fā)工作，并期待著大規(guī)模的可擴(kuò)展性的需求。無論這個(gè)項(xiàng)目是一個(gè)新的應(yīng)用還是對現(xiàn)有應(yīng)用的重構(gòu)，我們都有機(jī)會針對數(shù)據(jù)庫做出新的選擇。

混合持久化（Polyglot persistence）

微服務(wù)架構(gòu)風(fēng)格的一個(gè)關(guān)鍵的好處，是持久性的封裝。我們可以根據(jù)每個(gè)服務(wù)的需要，去選擇不同的持久化技術(shù)。根據(jù)每種數(shù)據(jù)類型的特點(diǎn)而去選擇數(shù)據(jù)存儲的方法，被稱為混合持久化，這一術(shù)語起初是由Martin Fowler等人推廣起來的?；旌铣志没臀⒎?wù)架構(gòu)可謂是天作之合。

下圖中，展示了一系列的微服務(wù)，以及我們?nèi)绾螢槊總€(gè)服務(wù)選擇不同的數(shù)據(jù)模式。我不想在本文中，為每種類型的數(shù)據(jù)庫去選擇合適的用例。我的意圖是要突出各類型數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢，以及為什么混合持久化的方法是值得稱道的.

其中，開發(fā)服務(wù)A的團(tuán)隊(duì)，因?yàn)樵摲?wù)是基于大規(guī)模數(shù)據(jù)管理的核心應(yīng)用，可能使用如Apache Cassandra這樣的表格模型數(shù)據(jù)庫。例如，一個(gè)零售應(yīng)用庫存應(yīng)用，可能很適合使用Apache Cassandra。Cassandra提供了一系列協(xié)調(diào)機(jī)制工具，如可調(diào)一致，批處理和輕量級的事務(wù)機(jī)制，可以作為完整ACID事務(wù)機(jī)制的替代。

服務(wù)B支持用眾所周知的關(guān)鍵字查找值的方式，例如針對產(chǎn)品目錄的描述性數(shù)據(jù)。對于鍵值存儲模型來說，這是一個(gè)很好的例子，在這里，我們通過一個(gè)眾所周知的鍵值（如產(chǎn)品ID）查找一系列的數(shù)據(jù)。很多內(nèi)存緩存都使用鍵值對數(shù)據(jù)模式去支持大規(guī)模的快速讀取。

服務(wù)C可能主要關(guān)注半結(jié)構(gòu)化內(nèi)容，例如Web站點(diǎn)的表單或頁面，而文檔存儲可能非常適合該類型數(shù)據(jù)。文檔存儲與鍵值存儲有許多相似之處，但是一個(gè)關(guān)鍵的區(qū)別是文檔型數(shù)據(jù)支持?jǐn)?shù)據(jù)上增加結(jié)構(gòu)，例如對特定屬性進(jìn)行索引以支持快速檢索。

服務(wù)D可能涉及數(shù)據(jù)之間的復(fù)雜關(guān)系導(dǎo)航，例如客戶數(shù)據(jù)和與組織中各部門的客戶聯(lián)系歷史數(shù)據(jù)。這可能涉及其他服務(wù)所擁有的數(shù)據(jù)類型之間的關(guān)系。這是一個(gè)有趣的案例，因?yàn)樗_始與上面提到的服務(wù)有各自的數(shù)據(jù)類型的約束相反。在這種情況下，你可以選擇為你的服務(wù)創(chuàng)建一個(gè)具有對底層表的只讀訪問的圖，然后通過這個(gè)“前門”處理所有的變化——即通過這個(gè)“前門”去調(diào)用那些“擁有”這些數(shù)據(jù)類型的其他服務(wù)的API。

最后，我們可能還有一個(gè)使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)的遺留系統(tǒng)或服務(wù)，或者我們有一個(gè)服務(wù)來管理那些數(shù)據(jù)量較少，或者不經(jīng)常變更的數(shù)據(jù)。關(guān)系數(shù)據(jù)庫可能完全適合于這些場景。

單個(gè)服務(wù)是否應(yīng)該使用混合持久化？

也有可能的是，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)服務(wù)，這個(gè)服務(wù)需要多種數(shù)據(jù)庫支撐。例如，我們可以創(chuàng)建一個(gè)使用鍵值存儲模式作為索引的酒店服務(wù)，在酒店名稱和ID之間實(shí)現(xiàn)映射，而存將關(guān)于酒店的描述性數(shù)據(jù)存儲在Cassandra中。

注意，名稱映射到ID可以在Cassandra中采用規(guī)范化的設(shè)計(jì)方法去實(shí)現(xiàn)，其中一個(gè)單獨(dú)表去維護(hù)名稱至ID的映射關(guān)系。這使用了更多的存儲空間，但降低了管理單獨(dú)鍵值存儲的操作復(fù)雜性。

這是我推薦的做法-?針對某個(gè)微服務(wù)，只要可行，就應(yīng)該堅(jiān)持使用單一數(shù)據(jù)模型（數(shù)據(jù)庫）。如果你發(fā)現(xiàn)一種情況，認(rèn)為單個(gè)服務(wù)需要兩個(gè)不同數(shù)據(jù)庫支撐，那么請考慮該服務(wù)的粒度是否可能變得太大。你可能需要考慮將該服務(wù)拆分為較小的服務(wù)。

混合持久化局限性的權(quán)衡

混合持久化的主要缺點(diǎn)在于支持多種技術(shù)的成本，無論是在最初的開發(fā)階段和將來的運(yùn)營方面。

主要的開發(fā)成本，是在需要培訓(xùn)每個(gè)開發(fā)人員去掌握每個(gè)新的數(shù)據(jù)庫技術(shù)。這是非常重要的，尤其是在開發(fā)人員頻繁流動團(tuán)隊(duì)中。

另一個(gè)成本是支持多個(gè)數(shù)據(jù)庫的操作成本。這會成為一個(gè)問題，尤其是當(dāng)數(shù)據(jù)庫是集中管理，并且團(tuán)隊(duì)必須在多種技術(shù)的掌握上維持高水平，但這在DevOps環(huán)境下，該問題并不會太突出，因?yàn)殚_發(fā)團(tuán)隊(duì)需要支持他們在生產(chǎn)環(huán)境中選擇的數(shù)據(jù)庫。

多模型數(shù)據(jù)庫(Multi Model Databases)

作為另外的選擇方案或混合持久化模式的補(bǔ)充， 數(shù)據(jù)庫廠商已經(jīng)開始建立和推廣多模型的數(shù)據(jù)庫。術(shù)語“模型”指的是數(shù)據(jù)存儲所提供的核心抽象，如表（關(guān)系和非關(guān)系）、列存儲、鍵值、文檔或圖。我們可以將一個(gè)多模型應(yīng)用程序看作一個(gè)使用多個(gè)數(shù)據(jù)存儲類型的應(yīng)用程序，而多模型數(shù)據(jù)庫是支持多個(gè)抽象模型的數(shù)據(jù)庫。

DataStax企業(yè)版（DSE）是多模型數(shù)據(jù)庫的典型例子，它核心支持Cassandra的分區(qū)行存儲（表格）模型，同時(shí)也支持基于在其之上的圖的抽象層（DSE圖）。DSE在核心模型之上構(gòu)建對應(yīng)的鍵值和文檔模型也是很簡單的，如下圖所示。這樣，我們可以修改上面的混合持久化的方法，從而利用一個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫引擎為我們所有的服務(wù)提供對應(yīng)的服務(wù)，而使用單獨(dú)的Cassandra keyspaces在不同服務(wù)擁有的數(shù)據(jù)間維護(hù)清晰的邊界。

下面是它能實(shí)現(xiàn)的功能：
[list]

Cassandra，例如：
代碼

多模型數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點(diǎn)和限制

在考慮是否投資使用多模型數(shù)據(jù)庫（或你已經(jīng)在使用的數(shù)據(jù)庫的多模型的特性）時(shí)，你要考慮我們前文討論的關(guān)于混合持久化中，同樣的開發(fā)和運(yùn)營成本的問題。

使用多模型數(shù)據(jù)庫可以讓運(yùn)營變得簡單。即使不同的開發(fā)團(tuán)隊(duì)使用不同的API和不同的交互模式和后端數(shù)據(jù)庫平臺打交道，我們也只需要管理一個(gè)平臺而已，從而提高了效率。

在選擇多模型數(shù)據(jù)庫時(shí)要考慮的一個(gè)問題是如何支持各種模型。一種常見的方法，是基于單一的原生的基礎(chǔ)模型的數(shù)據(jù)庫引擎，而其他模型都是構(gòu)建在其之上。分層數(shù)據(jù)模型更能展現(xiàn)底層基本模型的特性。

例如，ThoughtWorks技術(shù)雷達(dá)第16期中，討論了基于Cassandra構(gòu)建的DSE圖數(shù)據(jù)庫的特性，并且也提到其中需要權(quán)衡的內(nèi)容：

引用

基于Cassandra 構(gòu)建的DSE圖數(shù)據(jù)庫定位是大規(guī)模的數(shù)據(jù)集，相比之下我們長期喜愛的Neo4j開始表現(xiàn)出一定的局限性。這是需要取舍的；比如，你會失去了ACID的事務(wù)特性和Neo4j運(yùn)行時(shí)的模式自由的特性，但卻可以訪問Cassandra的基礎(chǔ)表，以及針對分析工作負(fù)載和Spark的整合，還有強(qiáng)大的TinkerPop/Gremlin查詢語言可以使用，這的確是一個(gè)值得考慮的選擇。
如果考慮Web應(yīng)用中的各種數(shù)據(jù)類型，你可能會發(fā)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)類型對一致性有不同的需求，而且實(shí)際需要立即一致性的數(shù)據(jù)類型數(shù)量相對較少。

上面引用的ThoughtWorks的觀點(diǎn)中，還提到了在考慮多模型數(shù)據(jù)庫中另一個(gè)重要的因素?-?在不同的模型和數(shù)據(jù)引擎間的整合和交互問題，以及為訪問數(shù)據(jù)的各種操作和分析的用例。DSE支持通過Spark(DSE分析)訪問圖數(shù)據(jù)以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并且DSE搜索引擎提供了針對DSE數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)創(chuàng)建各種查詢索引的能力。

微服務(wù)數(shù)據(jù)模型操作的四個(gè)步驟

既然我們已經(jīng)探討混合持久化和多模型兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，我們應(yīng)該如何去決定哪些數(shù)據(jù)模型適用于大規(guī)?？蓴U(kuò)展的微服務(wù)應(yīng)用呢？可以按照以下步驟：

我希望本文為讀者提供了一個(gè)有用的框架，來考慮在應(yīng)用程序中如何和怎么樣去支持多數(shù)據(jù)模型，以及何時(shí)考慮使用多模型數(shù)據(jù)庫。

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