微服务架构架构实战篇：一个可供中小团队参考的微服务架构技术栈

Posted 2021-04-14 产业智能官

近年，Spring Cloud俨然已经成为微服务开发的主流技术栈，在国内开发者社区非常火爆。

我近年一直在一线互联网公司（携程，拍拍贷等）开展微服务架构实践，根据我个人的一线实践经验和我平时对Spring Cloud的调研，我认为Spring Cloud技术栈中的有些组件离生产级开发尚有一定距离。

比方说Spring Cloud Config和Spring Cloud Sleuth都是Pivotal自研产品，尚未得到大规模企业级生产应用，很多企业级特性缺失（具体见我后文描述）。另外Spring Cloud体系还缺失一些关键的微服务基础组件，比如Metrics监控，健康检查和告警等。

所以我在参考Spring Cloud微服务技术栈的基础上，结合自身的实战落地经验，也结合国内外一线互联网公司（例如Netflix，点评，携程，Zalando等）的开源实践，综合提出更贴近国内技术文化特色的轻量级的微服务参考技术栈。希望这个参考技术栈对一线的架构师（或者是初创公司）有一个好的指导，能够少走弯路，快速落地微服务架构。

这个参考技术栈和总体架构如下图所示：

主要包含11大核心组件，分别是：

核心支撑组件

1. 服务网关Zuul

2. 服务注册发现Eureka+Ribbon

3. 服务配置中心Apollo

4. 认证授权中心Spring Security OAuth

5. 服务框架Spring MVC/Boot

监控反馈组件

1. 数据总线Kafka

2. 日志监控ELK

3. 调用链监控CAT

4. Metrics监控KairosDB

5. 健康检查和告警ZMon

6. 限流熔断和流聚合Hystrix/Turbine

一、核心支撑组件

服务网关Zuul

2013年左右，infoq曾经对前Netflix架构总监Adrian Cockcroft有过一次专访[附录1]，其中有问Adrian：“Netflix开源这么多项目，你认为哪一个是最不可或缺的(MOST Indispensable)”，Adrian回答说：“在NetflixOSS开源项目中，有一个容易被忽略，但是Netflix最强大的基础服务之一，它就是Zuul网关服务。Zuul网关主要用于智能路由，同时也支持认证，区域和内容感知路由，将多个底层服务聚合成统一的对外API。Zuul网关的一大亮点是动态可编程，配置可以秒级生效”。从Adrian的回答中，我们可以感受到Zuul网关对微服务基础架构的重要性。

Zuul在英文中是一种怪兽，星际争霸中虫族里头也有Zuul，Netflix为网关起名Zuul，寓意看门神兽

Zuul网关在Netflix经过生产级验证，在纳入Spring Cloud体系之后，在社区中也有众多成功的应用。Zuul网关在携程（日流量超50亿），拍拍贷等公司也有成功的落地实践，是微服务基础架构中网关一块的首选。其它开源产品像Kong或者nginx等也可以改造支持网关功能，但是较复杂门槛高一点。

Zuul网关虽然不完全支持异步，但是同步模型反而使它简单轻量，易于编程和扩展，当然同步模型需要做好限流熔断（和限流熔断组件Hystrix配合），否则可能造成资源耗尽甚至雪崩效应（cascading failure）。

服务注册发现Eureka + Ribbon

针对微服务注册发现场景，社区里头的开源产品当中，经过生产级大流量验证的，目前只有Netflix Eureka一个，它也已经纳入Spring Cloud体系，在社区中有众多成功应用，例如携程Apollo配置中心也是使用Eureka做软负载。其它产品如Zookeeper/Etcd/Consul等，都是比较通用的产品，还需要进一步封装定制才可生产级使用。Eureka支持跨数据中心高可用，但它是AP最终一致系统，不是强一致性系统。

Eureka是阿基米德洗澡时发现浮力原理时发出的惊叹声，在微服务中寓意发现

Ribbon是可以和Eureka配套对接的客户端软负载库，在Eureka的配合下能够支持多种灵活的动态路由和负载均衡策略。内部微服务直连可以直接走Ribbon客户端软负载，网关上也可以部署Ribbon，这时网关相当于一个具有路由和软负载能力的超级客户端。

服务配置中心Apollo

Spring Cloud体系里头有个Spring Cloud Config产品，但是功能远远达不到生产级，只能小规模场景下用，中大规模企业级场景不建议采用。携程框架研发部开源的Apollo是一款在携程和其它众多互联网公司生产落地下来的产品，开源两年多，目前在github上有超过4k星，非常成功，文档齐全也是它的一大亮点，推荐作为企业级的配置中心产品。Apollo支持完善的管理界面，支持多环境，配置变更实时生效，权限和配置审计等多种生产级功能。Apollo既可以用于连接字符串等常规配置场景，也可用于发布开关（Feature Flag）和业务配置等高级场景。在《微服务架构实战160讲》课程中，第二个模块就配置中心相关主题，会深度剖析携程Apollo的架构和实践，预计6月份推出，欢迎大家关注学习。

认证授权中心Spring Security OAuth

目前开源社区还没有特别成熟的微服务安全认证中心产品，之前我工作过的一些中大型互联网公司，比如携程，唯品会等，在这一块基本都是定制自研的，但是对一般企业来说，定制自研还是有门槛的。OAuth2是一种基于令牌Token的授权框架，已经得到众多大厂（Google, Facebook, Twitter, Microsoft等）的支持，可以认为是事实上的微服务安全协议标准，适用于开放平台联合登录，现代微服务安全（包括单页浏览器App/无线原生App/服务器端WebApp接入微服务，以及微服务之间调用等场景），和企业内部应用认证授权(IAM/SSO)等多种场景。

Spring Security OAuth2是Spring Security基础上的一个扩展，支持四种主要的OAuth2 Flows，基本可以作为微服务认证授权中心的推荐产品。但是Spring Security OAuth2还只是一个框架，不是一个端到端的开箱即用的产品，企业级应用仍需在其上进行定制，例如提供Web端管理界面，对接企业内部的用户认证登录系统，使用Cache缓存令牌，和微服务网关对接等，才能作为生产级使用。

Spring Security OAuth2 是 Spring Security框架的一个扩展

服务框架Spring/Boot

Spring可以说是史上最成功的Web App/API开发框架之一，它融入了Java社区中多年来沉淀下来的最佳实践，虽然有将近15年历史，但目前的社区活跃度仍呈上升趋势。Spring Boot在Spring的基础上进一步打包封装，提供更贴心的Starter工程，自启动能力，自动依赖管理，基于代码的配置等特性进一步降低接入门槛。另外Spring Boot也提供actuator这样的生产级监控特性，支持DevOps研发模式，它是微服务开发框架的推荐首选。

REST契约规范Swagger和Spring有比较好的集成，使得Spring也支持契约驱动开发(Contract Driven Development)模型。对于一些中大规模的企业，如果业务复杂团队较多，考虑到互操作性和集成成本，建议采用契约驱动开发模型，也就是开发时先定义Swagger契约，然后再通过契约生成服务端接口和客户端，再实现服务端业务逻辑，这种开发模型能够标准化接口，降低系统间集成成本，对于多团队协同并行开发非常重要。

二、监控反馈组件

数据总线Kafka

最初由Linkedin研发并在其内部大规模成功应用，然后在Apache上开源的Kafka，是业内数据总线(Databus)一块的标配，几乎每一家互联网公司都可以看到Kafka的身影。Kafka堪称开源项目的一个经典成功案例，其创始人团队从Linkedin离职后还专门成立了一家叫confluent的企业软件服务公司，围绕Kafka周边提供配套和增值服务。在监控一块，日志和Metrics等数据可以通过Kafka做收集、存储和转发，相当于中间增加了一个大容量缓冲，能够应对海量日志数据的场景。除了日志监控数据收集，Kafka在业务大数据分析，IoT等场景都有广泛应用。如果对Kafka进行适当定制增强，还可以用于传统消息中间件场景。

Kafka的特性是大容量，高吞吐，高可用，数据可重复消费，可水平扩展，支持消费者组等。Kafka尤其适用于不严格要求实时和不丢数据的大数据日志场景。

Kafka创始人三人组，离开Linkedin后，创立了基于Kafka的创业公司Confluent

日志监控ELK

ELK（ElasticSearch/Logstash/Kibana）是日志监控一块的标配技术栈，几乎每一家互联网公司都可以看到ELK的身影，据称携程是国内ELK的最大用户，每日增量日志数据量达到80~90TB。ELK已经非常成熟，基本上是开箱即用，后续主要的工作在运维、治理和调优。ELK一般和Kafka配套使用，因为日志分词操作还是比较耗时的，Kafka主要作为前置缓冲，起到流量消峰作用，抵消日志流量高峰和消费（分词建索引）的不匹配问题。一旦反向索引建立，日志检索是非常快的，所以日志检索快和灵活是ElasticSearch的最大亮点。另外ELK还有大容量，高吞吐，高可用，可水平扩容等企业级特性。

创业公司起步期，考虑到资源时间限制，调用链监控和Metrics监控可以不是第一优先级，但是ELK是必须搭一套的，应用日志数据一定要收集并建立索引，基本能够覆盖大部分Trouble Shooting场景（业务，性能，程序bug等）。另外用好ELK的关键是治理，需要制定一些规则（比如只收集Warn级别以上日志），对应用的日志数据量做好监控，否则开发人员会滥用，什么垃圾数据都往ELK里头丢，造成大量空间被浪费，严重的还可能造成性能可用性问题。

调用链监控CAT

Spring Cloud支持基于Zipkin的调用链监控，我个人基于实践经验认为Zipkin还不能算一款企业级调用链监控产品，充其量只能算是一个半成品，很多重要的企业级特性缺失。Zipkin最早是由Twitter在消化Google Dapper论文的基础上研发，在Twitter内部有较成功应用，但是在开源出来的时候把不少重要的统计报表功能给阉割了（因为依赖于一些比较重的大数据分析平台），只是开源了一个半成品，能简单查询和呈现可视化调用链，但是细粒度的调用性能数据报表没有开源。

Google大致在2007年左右开始研发称为Dapper的调用链监控系统，但在远远早于这个时间（大致在2002左右），eBay就已经有了自己的调用链监控系统CAL（Centralized Application Logging），Google和eBay的设计思路大致相同，但是也有一些差别。CAL在eBay有大规模成功应用，被称为是eBay的四大神器之一（另外三个是DAL，Messaging和SOA）。开源调用链监控系统CAT的作者吴其敏（我曾经和他同事，习惯叫他老吴），曾经在eBay工作近十年，期间深入消化吸收了CAL的设计。2011年后老吴离开eBay去了点评，用三年时间在点评再造了一款调用链监控产品CAT（Centralized Application Tracking），CAT具有CAL的基因和影子，同时也融入了老吴在点评的探索实践和创新。

CAT是一款更完整的企业级调用链监控产品，甚至已经接近一个APM（Application Performance Management）产品的范畴，它不仅支持调用链的查询和可视化，还支持细粒度的调用性能数据统计报表，这块是CAT和市面上其它开源调用链监控产品最本质的差异点，实际上开发人员大部分时间用CAT是看性能统计报表（主要是CAT的Transaction和Problem报表），这些报表相当于给了开发人员一把尺子，可以自助测量并持续改进应用性能。另外CAT还支持应用报错大盘，自助告警等功能，也是企业级监控非常实用的功能。

CAT在点评，携程，陆金所，拍拍贷等公司有成功落地案例，因为是国产调用链监控产品，界面展示和功能等更契合国内文化，更易于在国内公司落地。个人推荐CAT作为微服务调用链监控的首选。至于社区里头有人提到CAT的侵入性问题，我觉得是要一分为二看，有利有弊，有耦合性但是性能更好，一般企业中基础架构团队会使用CAT统一为基础组件埋点，开发人员一般不用自己埋点；另外企业用了一款调用链监控产品以后，一般是不会换的，开发人员用习惯就好了，侵入不是大问题。

CAT的Transaction报表

Metrics监控KariosDB

除了日志和调用链，Metrics也是应用监控的重要关注点。互联网应用提倡度量驱动开发（Metrics Driven Development），也就是说开发人员不仅要关注功能实现，做好单元测试（TDD），还要做好业务层（例如注册，登录和下单数等）和应用层（例如调用数，调用延迟等）的监控埋点，这个也是DevOps（开发即运维）理念的体现，DevOps要求开发人员必须关注运维需求，监控埋点是一种生产级运维需求。

Metrics监控产品底层依赖于时间序列数据库（TSDB），最近比较热的开源产品有Prometheus和InfluxDB，社区用户数量和反馈都不错，可以采纳。但是这些产品分布式能力比较弱，定制扩展门槛比较高，一般建议刚起步量不大的公司采用。如果企业业务和团队规模发展到一定阶段，建议考虑支持分布式能力的时间序列监控产品，例如KairosDB或者OpenTSDB，我本人对这两款产品都有一些实践经验，KariosDB基于Cassandra，相对更轻量一点，建议中大规模公司采用，如果你们公司已经采用Hadoop/HBase，则OpenTSDB也是不错选择。

KairosDB一般也和Kafka配套使用，Kafka作为前置缓冲。另外注意使用KariosDB打点的话tag的值不能太离散，否则会有查询性能问题，这个和KariosDB底层存储结构有关系。Grafana是Metrics展示标配，可以和KariosDB无缝集成。

Grafana是Metrics展示标配，和主流时间序列数据库都可以集成

健康检查和告警ZMon

除了上述监控手段，我们仍需要健康检查和告警系统作为配套的监控手段。ZMon是德国电商公司Zalando开源的一款健康检查和告警平台，具备强大灵活的监控告警能力。ZMon本质上可以认为是一套分布式监控任务调度平台，它提供众多的Check脚本（也可以自己再定制扩展），能够对各种硬件资源或者目标服务（例如HTTP端口，Spring的Actuator端点，KariosDB中的Metrics，ELK中的错误日志等等）进行定期的健康检查和告警，它的告警逻辑和策略采用Python脚本实现，开发人员可以实现自助式告警。ZMon同时适用于系统，应用，业务，甚至端用户体验层的监控和告警。

ZMon分布式监控告警系统架构，底层基于KairosDB时间序列数据库

限流熔断和流聚合Hystrix+Turbine

2010年左右，Netflix也饱受分布式微服务系统中雪崩效应（Cascading Failure）的困扰，于是专门启动了一个叫做弹性工程的项目来解决这个问题，Hystrix就是弹性工程最终落地下来的一个产品。Hystrix在Netflix微服务系统中大规模推广应用后，雪崩效应问题基本得到解决，整个体统更具弹性。之后Netflix把Hystrix开源贡献给了社区，短期获得社区的大量正面反馈，目前Hystrix在github上有超过1.3万颗星，据说支持奥巴马总统选举的系统也曾使用Hystrix进行限流熔断保护[参考附录2]，可见限流熔断是分布式系统稳定性的强需求，Netflix很好的抓住了这个需求并给出了经过生产级验证的解决方案。Hystrix已经被纳入Spring Cloud体系，它是Java社区中限流熔断组件的首选（目前还看不到第二个更好的产品）。

Turbine是和Hystrix配套的一个流聚合服务，能够对Hystrix监控数据流进行聚合，聚合以后可以在Hystrix Dashboard上看到集群的流量和性能情况。

Hystrix在英文中是豪猪兽的意思，豪猪兽通过身上的刺保护自己，Netflix为限流熔断组件起名Hystrix，寓意Hystrix能够保护微服务调用。

总结

1. 技术栈没有好坏之分，只有适合一说。本文推荐的技术栈主要基于我个人的实践和总结，但是未必适合所有场景，毕竟每个企业的上下文各不相同。作为架构师你可以参考我推荐的技术栈，但不可拘泥照搬，你必须在深入理解分布系统原理的基础上，再结合企业实际场景灵活应用。

2. 在整个互联网基础技术平台体系中，还有消息，任务，数据访问层，发布系统，容器云平台，分布式事务，分布式一致性，测试，CI/CD等其它重要主题，请大家持续关注。

人工智能赛博物理操作系统

AI-CPS OS

“人工智能赛博物理操作系统”（新一代技术+商业操作系统“AI-CPS OS”：云计算+大数据+物联网+区块链+人工智能）分支用来的今天，企业领导者必须了解如何将“技术”全面渗入整个公司、产品等“商业”场景中，利用AI-CPS OS形成数字化+智能化力量，实现行业的重新布局、企业的重新构建和自我的焕然新生。

AI-CPS OS的真正价值并不来自构成技术或功能，而是要以一种传递独特竞争优势的方式将自动化+信息化、智造+产品+服务和数据+分析一体化，这种整合方式能够释放新的业务和运营模式。如果不能实现跨功能的更大规模融合，没有颠覆现状的意愿，这些将不可能实现。

领导者无法依靠某种单一战略方法来应对多维度的数字化变革。面对新一代技术+商业操作系统AI-CPS OS颠覆性的数字化+智能化力量，领导者必须在行业、企业与个人这三个层面都保持领先地位：

1. 重新行业布局：你的世界观要怎样改变才算足够？你必须对行业典范进行怎样的反思？

2. 重新构建企业：你的企业需要做出什么样的变化？你准备如何重新定义你的公司？

3. 重新打造自己：你需要成为怎样的人？要重塑自己并在数字化+智能化时代保有领先地位，你必须如何去做？

AI-CPS OS是数字化智能化创新平台，设计思路是将大数据、物联网、区块链和人工智能等无缝整合在云端，可以帮助企业将创新成果融入自身业务体系，实现各个前沿技术在云端的优势协同。AI-CPS OS形成的数字化+智能化力量与行业、企业及个人三个层面的交叉，形成了领导力模式，使数字化融入到领导者所在企业与领导方式的核心位置：

1. 精细：这种力量能够使人在更加真实、细致的层面观察与感知现实世界和数字化世界正在发生的一切，进而理解和更加精细地进行产品个性化控制、微观业务场景事件和结果控制。

2. 智能：模型随着时间（数据）的变化而变化，整个系统就具备了智能（自学习）的能力。

3. 高效：企业需要建立实时或者准实时的数据采集传输、模型预测和响应决策能力，这样智能就从批量性、阶段性的行为变成一个可以实时触达的行为。

4. 不确定性：数字化变更颠覆和改变了领导者曾经仰仗的思维方式、结构和实践经验，其结果就是形成了复合不确定性这种颠覆性力量。主要的不确定性蕴含于三个领域：技术、文化、制度。

5. 边界模糊：数字世界与现实世界的不断融合成CPS不仅让人们所知行业的核心产品、经济学定理和可能性都产生了变化，还模糊了不同行业间的界限。这种效应正在向生态系统、企业、客户、产品快速蔓延。

AI-CPS OS形成的数字化+智能化力量通过三个方式激发经济增长：

1. 创造虚拟劳动力，承担需要适应性和敏捷性的复杂任务，即“智能自动化”，以区别于传统的自动化解决方案；

2. 对现有劳动力和实物资产进行有利的补充和提升，提高资本效率；

3. 人工智能的普及，将推动多行业的相关创新，开辟崭新的经济增长空间。

给决策制定者和商业领袖的建议：

1. 超越自动化，开启新创新模式：利用具有自主学习和自我控制能力的动态机器智能，为企业创造新商机；

2. 迎接新一代信息技术，迎接人工智能：无缝整合人类智慧与机器智能，重新

   评估未来的知识和技能类型；

3. 制定道德规范：切实为人工智能生态系统制定道德准则，并在智能机器的开

   发过程中确定更加明晰的标准和最佳实践；

4. 重视再分配效应：对人工智能可能带来的冲击做好准备，制定战略帮助面临

   较高失业风险的人群；

5. 开发数字化+智能化企业所需新能力：员工团队需要积极掌握判断、沟通及想象力和创造力等人类所特有的重要能力。对于中国企业来说，创造兼具包容性和多样性的文化也非常重要。

子曰：“君子和而不同，小人同而不和。”  《论语·子路》云计算、大数据、物联网、区块链和 人工智能，像君子一般融合，一起体现科技就是生产力。

如果说上一次哥伦布地理大发现，拓展的是人类的物理空间。那么这一次地理大发现，拓展的就是人们的数字空间。在数学空间，建立新的商业文明，从而发现新的创富模式，为人类社会带来新的财富空间。云计算，大数据、物联网和区块链，是进入这个数字空间的船，而人工智能就是那船上的帆，哥伦布之帆！

新一代技术+商业的人工智能赛博物理操作系统AI-CPS OS作为新一轮产业变革的核心驱动力，将进一步释放历次科技革命和产业变革积蓄的巨大能量，并创造新的强大引擎。重构生产、分配、交换、消费等经济活动各环节，形成从宏观到微观各领域的智能化新需求，催生新技术、新产品、新产业、新业态、新模式。引发经济结构重大变革，深刻改变人类生产生活方式和思维模式，实现社会生产力的整体跃升。

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产业智能官  AI-CPS

用“人工智能赛博物理操作系统”（新一代技术+商业操作系统“AI-CPS OS”：云计算+大数据+物联网+区块链+人工智能），在场景中构建状态感知-实时分析-自主决策-精准执行-学习提升的认知计算和机器智能；实现产业转型升级、DT驱动业务、价值创新创造的产业互联生态链。

新技术：“云计算”、“大数据”、“物联网”、“区块链”、“人工智能”；新产业：“智能制造”、“智能金融”、“智能零售”、“智能驾驶”、“智能城市”；新模式：“财富空间”、“工业互联网”、“数据科学家”、“赛博物理系统CPS”、“供应链金融”。

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