微服务系统的设计、监控和测试：从业者的视角

摘要

上下文：

微服务体系结构（MSA）在软件行业得到了广泛的关注。然而，在设计、监测和测试微服务系统。

目标：

本研究旨在深入了解微服务系统在业界是如何设计、监控和测试的。

方法：

一项混合方法研究进行了106个调查回答和6个来自微服务从业人员的访谈。

结果：

主要发现：（1）领域驱动设计与业务能力相结合是将应用分解为微服务的最常用策略；（2）超过半数的参与者在设计微服务系统时使用了架构评估和架构实现，（3）前端模式的API网关和后端是最常用的MSA模式，（4）资源使用和负载平衡作为监控指标，日志管理和异常跟踪作为监控实践被广泛使用，（5）单元和端到端测试是最常用的测试策略，微服务系统的复杂性给其设计、监控和测试带来了挑战，目前还没有专门的解决方案。

结论：

我们的研究结果表明，需要更多的研究来（1）在设计层面处理微服务的复杂性，（2）处理微服务系统中的安全问题，（3）通过专用解决方案解决监控和测试难题。

介绍

微服务体系结构（MSA）¹受面向服务架构（SOA）的启发，在过去几年里获得了极大的普及（Dragoni等人，2017b）。国际数据公司（IDC）预测，到2021年底，80%的云软件将采用MSA风格开发（Balalaie等人，2016）。在MSA风格下，应用程序被设计为一组业务驱动的微服务，可以独立开发、部署和测试（Taibi等人，2021）。MSA遵循“尽可能少地共享”的架构方法，并通过API层彼此通信（Tulie，2020，Richards，2015）。相比之下，SOA采用“尽可能共享”的架构方法，并且通常使用企业服务总线进行通信（Tulie，2020，Richards，2015）。MSA和SOA之间的另一个关键区别是，MSA提倡每个微服务使用一个数据存储，而SOA对整个系统使用一个数据存储（Tulie，2020）。此外，采用MSA风格的系统（即微服务系统）比基于SOA的系统具有更好的容错性（Rajput，2018）。MSA风格的优势是巨大的，与其他架构风格（例如SOA）相比，采用MSA的关键驱动因素是更快的交付、改进的可伸缩性和更大的自主性（Jamshidi等人，2018）。

越来越多的文献研究了MSA的不同方面（Waseem et al.，2020b，Waseem et al.，2020a，Di Francesco et al.，2019，Alshuqayran et al.，2016，Soldani et al.，2018，Pahl and Jamshidi，2016，Li et al.，2020）研究MSA的不同方面。一个值得注意的研究领域是如何将单片系统迁移到MSA（例如，Balalaie et al.，2016，Fan and Ma，2017，Taibi et al.，2017，Di Francesco et al.，2018）。其他人提出了保护微服务系统的解决方案（例如，Dragoni等人，2017b，Pereira Vale等人，2019年）。研究人员最近对了解微服务系统在行业中是如何开发和迁移的越来越感兴趣（例如，Pahl等人，2018年，Kang等人，2016年，Taibi等人，2018b）。Knoche和Hasselbringa进行了一项调查研究，以调查采用MSA的驱动因素、障碍和目标（Knoche和Hasselbring，2019年）。Ghofrani和Lübke报告了用于设计和开发微服务系统的服务边界识别技术（例如，域驱动设计（DDD））和符号（Ghofrani和Lübke，2018）。Viggiato等人进行的调查研究。报告了微服务系统中流行的编程语言、技术、优势和挑战（Viggiato等人，2018）。Haselbock等人。调查MSA专家，以确定微服务系统的基本设计领域（例如基础设施设计）和设计挑战（Haselböck等人，2018年）。

在另一项研究中，Baškarada等人。实证研究了从业者对MSA相对于单片体系结构的优势的看法，以及MSA从业者在开发微服务系统时面临的挑战（Baškarada et al.，2018）。Zhang等人。研究了MSA在实践中的特点、效益和成本（Zhang等人，2019年）。周等。通过行业调查，调查微服务的故障分析和调试（Zhou et al.，2021）。在同一条线上，Wang等人。与从业人员进行混合方法研究（即访谈和调查），收集微服务系统成功开发的最佳实践、挑战和解决方案（Wang等人，2021年）。Taibi等人。进行混合方法研究（即访谈和调查），调查微服务架构的动机（如可维护性、可扩展性）、问题（如整体分离、数据库迁移和数据拆分）和好处（如可维护性改进、可扩展性改进）（Taibi等人，2017）。他们还开发了一个迁移过程框架，该框架由三个部分组成（即系统结构分析、系统架构定义和特征开发优先级划分）（Taibi等人，2017）。difrancesco等人的混合方法研究。专注于从业者迁移到MSA时所面临的活动（如域分解、服务识别）和挑战（例如，遗留系统各部分之间的高耦合、每个服务边界的识别）（Di Francesco等人，2018）。

尽管做出了这些努力，软件行业如何设计、监控和测试微服务系统，却鲜为人知。这三个方面对微服务系统的成功起着重要作用（Rajput，2018，Newman，2015）。微服务系统的设计（即MSA设计）为利益相关者之间交流架构决策、公开系统结构、实现用例以及满足功能和质量需求提供了基础（Richardson和Smith，2016）。然而，为了保持微服务系统的优势（例如灵活性和关注点分离），必须在设计级别降低复杂性。监视和测试有助于更好地理解系统，并在整个开发过程中提高质量。然而，微服务系统越来越复杂，需要比其他类型的系统（例如SOA、monolith）更密集的监控和测试（Rajput，2018）。这源于微服务系统的独特特性：更高的复杂性、多语言编程语言、异构和独立的微服务、运行时的通信行为、部署基础设施模型（例如，应用服务器与容器）、频繁变化以及其他一些特性（Arijs，2020年，Swersky，2020年）。因此，软件开发组织需要开发新的监控和测试策略，或者发展传统的策略来匹配微服务系统的独特特性。

本研究旨在通过全面了解微服务系统在实践中是如何设计、监控和测试的，从而弥合上述差距。为此，我们进行了一个混合方法研究，包括一个相对大规模的调查，106个回答和6个来自微服务从业人员的访谈。总的来说，我们的结果表明，DDD和业务能力的结合是将应用程序分解为微服务的最有效策略，解决安全性和可用性是MSA从业者关注的一个重要问题。我们发现，“API网关”和“前端后端”模式是提供微服务系统客户端请求入口点的最常用的MSA模式。我们注意到，MSA从业者认为在设计微服务系统时，“明确定义微服务的边界”是最关键的挑战。关于监控微服务系统，大多数受访者收集支持监控质量方面的指标，例如性能（例如，资源使用率）、可用性（例如，系统可用时间与总工作时间的比率）、可伸缩性（例如，负载平衡）和可靠性（例如，服务级别协议）。关于测试微服务系统，我们发现端到端（E2E）测试和合同相关（例如，消费者驱动）测试正在行业中获得发展空间。我们的发现还表明，微服务系统的复杂性对其设计、监控和测试提出了挑战。

本研究主要贡献如下三点：

1

它为从业者如何设计、监控和测试微服务系统带来了定量和定性的证据。

2

它确定了从业者在设计、监视和测试微服务系统时所面临的挑战以及他们所采用的解决方案。

三。

它从微服务从业者的角度对研究结果进行了深入讨论，并对研究人员和实践者产生了启示。

本文的其余部分结构如下：第二部分介绍了调查的背景。第三部分详细介绍了研究方法。第四节报告调查结果。第5节和第6节分别讨论调查结果和对调查有效性的威胁。第七节总结了相关工作。第8节总结了本次调查，并提出了今后的研究方向。