Dapr 知多少 | 分布式應(yīng)用運(yùn)行時(shí)
Intro
Dapr 官方團(tuán)隊(duì)已于最近（2021.1.17）正式發(fā)布Dapr v1.0，Dapr已正式生產(chǎn)可用，可以部署到自托管環(huán)境或 Kubernetes 集群。對于絕大多數(shù)開發(fā)者來說，想必對Dapr只是有所耳聞，而具體是什么（What），可以解決什么樣的問題（Why&How），有怎樣的應(yīng)用場景（Where），并不知悉。本文就嘗試簡要梳理下Dapr，并嘗試回答以上問題。
What's Dapr
Distributed Application Runtime. An event-driven, portable runtime for building microservices on cloud and edge.分布式應(yīng)用運(yùn)行時(shí)。一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)、可移植的運(yùn)行時(shí)用于在云上和邊緣計(jì)算上構(gòu)建微服務(wù)。
以上是Dapr官方GitHub倉庫上對Dapr的簡介。文字雖短，口氣卻很大，因?yàn)槠涑撕w了當(dāng)前所有的技術(shù)熱點(diǎn)：分布式、云、微服務(wù)，還自我標(biāo)榜為：分布式應(yīng)用運(yùn)行時(shí)。分布式應(yīng)用我們或多或少有些了解，運(yùn)行時(shí)也聽到不少，比如常見的語言運(yùn)行時(shí)：Java 運(yùn)行時(shí)，.NET 運(yùn)行時(shí)，Go 運(yùn)行時(shí)等等，那運(yùn)行時(shí)又是什么東西？簡要來說：運(yùn)行時(shí)是程序運(yùn)行依賴的執(zhí)行環(huán)境。以.NET 程序運(yùn)行時(shí)CLR為例，它為.NET應(yīng)用程序提供了一個(gè)托管的代碼執(zhí)行環(huán)境負(fù)責(zé)應(yīng)用程序在整個(gè)執(zhí)行期間的內(nèi)存管理、線程管理、安全管理、遠(yuǎn)程管理、即時(shí)編譯等。
那分布式應(yīng)用運(yùn)行時(shí)，就是提供分布式應(yīng)用運(yùn)行所依賴的的執(zhí)行環(huán)境。那運(yùn)行分布式應(yīng)用需要哪些環(huán)境依賴呢？回答這個(gè)問題，我們要先思考開發(fā)分布式應(yīng)用的挑戰(zhàn)是什么？明確了挑戰(zhàn)，那就找到了答案。
從單機(jī)到分布式，是追求更快和更高的性能，但也帶來了更多的不確定性。比如，不確定計(jì)算機(jī)何時(shí)異常，不確定磁盤何時(shí)損壞，不確定網(wǎng)絡(luò)通信的延遲，也不確定消息是否被正常消費(fèi)。這些不確定性構(gòu)成了分布式應(yīng)用的挑戰(zhàn)，簡而言之：
異構(gòu)的機(jī)器與網(wǎng)絡(luò)：穩(wěn)定性問題 普遍的節(jié)點(diǎn)故障：可靠性問題 不可靠的網(wǎng)絡(luò)：一致性問題
面對這些挑戰(zhàn)，業(yè)界提出了諸多的分布式理論、協(xié)議，如CAP定理，BASE理論，一致性協(xié)議2PC/3PC/ZAB，來保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。雖然問題貌似是有了解決方案，但是應(yīng)用的復(fù)雜度升高了。應(yīng)用除了需要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)需求，還要兼顧非業(yè)務(wù)需求，集成諸如服務(wù)發(fā)現(xiàn)、負(fù)載均衡、失效轉(zhuǎn)移、動(dòng)態(tài)擴(kuò)容、數(shù)據(jù)分片、調(diào)用鏈路監(jiān)控等分布式系統(tǒng)的核心功能，對應(yīng)用有很強(qiáng)的侵入性，這就是以Spring Cloud為代表的微服務(wù)框架的常見做法。
那如何解決侵入性的問題呢？這個(gè)問題隨著容器編排技術(shù)的成熟有了新的解法。Kubernetes可以不侵入應(yīng)用層，在容器層解決問題，比如K8S Service就具有服務(wù)發(fā)現(xiàn)、負(fù)載均衡的能力，HPA具有動(dòng)態(tài)擴(kuò)容的能力。隨著K8S的快速發(fā)展，云原生的概念，也就越來越深入人心，那如何利用好K8S提供的基座能力，將更多的分布式能力下沉，讓應(yīng)用開發(fā)回歸業(yè)務(wù)呢？其中Service Mesh提出的Sidecar模式，就很好的解決了微服務(wù)架構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)通信的問題。Sidecar主要就是用來處理諸如服務(wù)發(fā)現(xiàn)、負(fù)載均衡、請求熔斷等一系列非業(yè)務(wù)需求，應(yīng)用在部署時(shí)動(dòng)態(tài)插入Sidecar，服務(wù)間的通信通過Sidecar進(jìn)行代理，以完成對服務(wù)間網(wǎng)絡(luò)通信的接管。
到這里，微服務(wù)開發(fā)在Service Mesh的幫助下，已經(jīng)漸漸回歸業(yè)務(wù)本身，讓更多的開發(fā)者看到了一絲曙光。It's enough? 來看下Bilgin Ibryam在Multi-Runtime Microservices Architecture文章中提及的分布式應(yīng)用的四大需求：
從上圖可以看出，除了網(wǎng)絡(luò)（Networking）外，生命周期（Lifecycle）、狀態(tài)（State）、捆綁（Binding）也是分布式應(yīng)用要解決的問題之一。網(wǎng)絡(luò)問題可以借由Service Mesh 比如Istio予以解決。那其他三個(gè)該如何解決呢？又要應(yīng)用自行開發(fā)集成嗎？顯然不符合應(yīng)用回歸業(yè)務(wù)本身的訴求。這時(shí)，Dapr登場了，Dapr提出的分布式應(yīng)用運(yùn)行時(shí)就是實(shí)現(xiàn)了以上四個(gè)需求并將其下沉作為分布式應(yīng)用的運(yùn)行環(huán)境。
簡而言之：Dapr將分布式能力進(jìn)行封裝下沉作為運(yùn)行時(shí)以簡化分布式應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)復(fù)雜度。
How Dapr Works
那Dapr如何簡化分布式應(yīng)用的開發(fā)呢？下面我們來看一看Dapr的主要特性。
一圖勝千言：Dapr通過以HTTP/gRPC API這種與語言無關(guān)的方式暴露封裝的分布式能力供應(yīng)用調(diào)用，從而支持使用任意語言或框架進(jìn)行開發(fā)集成。目前官方已經(jīng)提供了Go，Node，Python，.NET，Java， C++，PHP，Rust，Javascript的Sdk，簡化Dapr的集成。
其中Dapr的核心構(gòu)建塊（Building Block）就是用來提供各種不同的分布式能力，我們來分別看一看。
1. Service-to-service invocation（服務(wù)調(diào)用）
提到跨服務(wù)方法調(diào)用，這個(gè)大家肯定會想，這簡單啊，不就是服務(wù)暴露API就好了嘛。是，但不完全是。比如nodeapp暴露了一個(gè)API：http://10.0.0.2:8000/neworder，按照傳統(tǒng)的方式，直接HTTP POST這個(gè)API訪問就得了，但在Dapr中，其提供了服務(wù)間方法調(diào)用的接口規(guī)范，需要按照POST/GET/PUT/DELETE http://localhost:的格式進(jìn)行訪問。那假設(shè)pythonapp需要訪問nodeapp的方法，就需要POST一個(gè)請求到http://localhost:3500/v1.0/invoke/nodeapp/method/neworder。你可能會想為何多此一舉呢？此舉的意義何在呢？目的很簡單，就是為了實(shí)現(xiàn)對服務(wù)間網(wǎng)絡(luò)通信的控制以完成諸如服務(wù)發(fā)現(xiàn)、流量控制、重試熔斷、安全訪問等，而這相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)控制功能就是集成在Dapr的Sidecar中，以對應(yīng)用透明的方式集成進(jìn)來的。整體的服務(wù)調(diào)用流程如下圖所示：
PS：如果對Istio熟悉的同學(xué)需要注意，二者雖然都是通過Sidecar的模式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制，但二者是有有區(qū)別的。Dapr是以API的方式，而Istio是以代理的方式（不改變HTTP請求URI)。
2. State management（狀態(tài)管理）
在進(jìn)行微服務(wù)開發(fā)時(shí)，繞不開的話題就是服務(wù)間的狀態(tài)共享、并發(fā)一致性問題。對于狀態(tài)共享，你可能會說，各個(gè)服務(wù)連接到同一個(gè)Redis實(shí)例就OK了。是，但不得不考慮潛在的更新沖突的問題。Dapr 以更友好的HTTP API的方式進(jìn)行狀態(tài)的存儲和讀取，同時(shí)支持通過ETags進(jìn)行并發(fā)控制，并支持通過選項(xiàng)設(shè)置并發(fā)和一致性行為。
存儲： POST http://localhost:/v1.0/state/ 讀?。?code style="font-size: 14px;overflow-wrap: break-word;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;background-color: rgba(27, 31, 35, 0.05);font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;color: rgb(40, 202, 113);">GET http://localhost: /v1.0/state/ / 刪除： DELETE http://localhost:/v1.0/state/ /
以下是保存狀態(tài)的舉例：
concurrency用于指定并發(fā)選項(xiàng)：first-write-wins/last-write-wins（以第一次寫入為準(zhǔn)/以最后一次寫入為準(zhǔn)），默認(rèn)以最后一次寫入為準(zhǔn)。consistency用于指定一致性選項(xiàng)：strong/eventual（強(qiáng)一致性/最終一致性），默認(rèn)為最終一致性。
curl?-X?POST?http://localhost:3500/v1.0/state/starwars?\
??-H?"Content-Type:?application/json"?\
??-d?'[
????????{
??????????"key":?"weapon",
??????????"value":?"DeathStar",
??????????"etag":?"xxxxx",
??????????"options":?{
????????????"concurrency":?"first-write",
????????????"consistency":?"strong"
??????????}
????????}
??????]'
目前支持使用Azure CosmosDB、 Azure SQL Server、 PostgreSQL,、AWS DynamoDB、Redis 作為狀態(tài)存儲介質(zhì)。
3. Publish and subscribe（消息發(fā)布及訂閱）
發(fā)布訂閱模式，老生常談了，主要是用于微服務(wù)間基于消息進(jìn)行相互通信。你可能也會說，這也要拿出來說，我搞個(gè)RabbitMQ/RocketMQ就是了。是的，但我還是要說，Dapr提供了一致性的消息發(fā)布、訂閱API，而無需關(guān)注具體使用的是何種Message Broker，從而和底層基礎(chǔ)設(shè)施解耦。
發(fā)布： POST http://localhost:/v1.0/publish/ / [? ] 獲取可訂閱主題： GET http://localhost:/dapr/subscribe 訂閱： POST http://localhost:/
4. Resource bindings and triggers （資源綁定及事件觸發(fā)）
Dapr的Bindings與Azure Functions很類似，其是建立在事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的基礎(chǔ)之上的。通過建立觸發(fā)器與資源的綁定，可以從任何外部源（例如數(shù)據(jù)庫，隊(duì)列，文件系統(tǒng)等）接收和發(fā)送事件，而無需借助消息隊(duì)列，即可實(shí)現(xiàn)靈活的業(yè)務(wù)場景。Dapr的Bindings分為兩種：
Input Bindings（輸入綁定）：當(dāng)外部資源的事件發(fā)生時(shí)，借助輸入綁定，你的應(yīng)用即可通過特定的API： POST http://localhost:收到外部資源的事件，用于處理特定邏輯。/ Output Bindings（輸出綁定）：輸出綁定允許你調(diào)用外部資源。比如，在訂單處理場景中，在訂單創(chuàng)建成功后，可以將訂單信息通過Dapr的綁定API： POST/PUT http://localhost:輸出到Kafka特定隊(duì)列上。/v1.0/bindings/
5. Actors
Dapr中的Actor模型，和Orleans的Virtual Actor一脈相傳，之前寫過一篇文章.NET分布式框架 | Orleans 知多少介紹過。簡單來講：Actor模型 = 狀態(tài) + 行為 + 消息。一個(gè)應(yīng)用/服務(wù)由多個(gè)Actor組成，每個(gè)Actor都是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行單元，擁有隔離的運(yùn)行空間，在隔離的空間內(nèi)，其有獨(dú)立的狀態(tài)和行為，不被外界干預(yù)，Actor之間通過消息進(jìn)行交互，而同一時(shí)刻，每個(gè)Actor只能被單個(gè)線程執(zhí)行，這樣既有效避免了數(shù)據(jù)共享和并發(fā)問題，又確保了應(yīng)用的伸縮性。
Actor模型大大簡化了并發(fā)編程的復(fù)雜度，Dapr在Actor運(yùn)行時(shí)中提供了許多功能，包括并發(fā)控制，狀態(tài)管理，生命周期管理如Actor的激活/停用以及用于喚醒Actor的Timer(計(jì)時(shí)器)和Reminder(提醒)。這些功能同樣也是通過API的方式予以提供。
調(diào)用Actor 方法： POST/GET/PUT/DELETE http://localhost:3500/v1.0/actors// /method/ 創(chuàng)建 Timer： POST/PUT http://localhost:3500/v1.0/actors// /timers/ 創(chuàng)建 Reminder： POST/PUT http://localhost:3500/v1.0/actors// /reminders/
6. Observability（遙測）
Dapr記錄指標(biāo)，日志，鏈路以調(diào)試和監(jiān)視Dapr和用戶應(yīng)用的運(yùn)行狀況。Dapr支持分布式跟蹤，其使用W3C跟蹤上下文標(biāo)準(zhǔn)和開放式遙測技術(shù)，可以輕松地診斷在生產(chǎn)環(huán)境中服務(wù)間的網(wǎng)絡(luò)調(diào)用，并發(fā)送到不同的監(jiān)視工具，如Prometheus。
7. Secrets（安全）
Dapr 提供了Secret管理，不過不同于K8S中的Secret，其支持與公有云和本地的Secret存儲集成，以供應(yīng)用檢索使用。
What Can We Do With Dapr
了解了Dapr是什么，以及其提供的特性，那Dapr的應(yīng)用場景就一目了然了。也就是官網(wǎng)首頁的Slogan：Simplify cloud-native application development--Focus on your application’s core logic and keep your code simple and portable。簡化云原生應(yīng)用的開發(fā)，確保應(yīng)用專注于業(yè)務(wù)，并保證代碼簡單可移植。
因此，在考慮云原生應(yīng)用開發(fā)的技術(shù)選型時(shí)，盡情嘗試吧，目前在國內(nèi)阿里云也已采用。
Last
在云原生如火如荼發(fā)展之際，Dapr V1.0 的正式發(fā)布，為開發(fā)者指明了云原生時(shí)代微服務(wù)的開發(fā)方向。相信Dapr 在未來的微服務(wù)架構(gòu)選型中必將占有一席之地！
參考：
什么是分布式系統(tǒng)，如何學(xué)習(xí)分布式系統(tǒng)
Multi-Runtime Microservices Architecture