Как разработать масштабируемый web-сервис

Масштабируемость – одно из важнейших условий для успешной работы web-сервиса. В статье будет рассказано о главных критериях соответствия условию:

• что может ограничить структуру устойчивого и масштабируемого web-сервиса;
• какие технологии позволят воплотить идею масштабирования в жизнь;
• как разработать web-сервис, способный выдержать большое количество посетителей на пике успеха и безболезненно переносить расширение функциональности на любом этапе разработки и эксплуатации.

С чего начать разработку масштабируемого web-сервиса? Чтобы лучше понять основные принципы и выделить преимущества этого подхода, нужно рассмотреть определённые концепции, типы архитектуры сервисов и популярные фреймворки.

Зачем нужна масштабируемость?

Веб-сайты передовых компаний должны выдерживать огромную нагрузку. К тому же, для успеха компании крайне важны высокая производительность и удобство эксплуатации приложений, web-сервисов и сайтов.

Новички, которые приступают к разработке своих первых web-сервисов и приложений, зачастую не знают о некоторых проблемах, с которыми придётся столкнуться впоследствии:

• увеличение количества посетителей снижает производительность web-сервиса и увеличивает процент отказов;
• расширение ассортимента товаров негативно сказывается на времени загрузки страницы; обновление каталога интернет-магазина становится проблематичным;
• изменение структуры кода становится опасным и сложным; добавление нового продукта или услуги потребует много времени и финансовых затрат, а возможности проведения A/B-тестирования сокращаются.

В результате, если проблемы не решаются, предприниматель или владелец web-сервиса теряет возможности, а ограничения сохраняются.

Все ли web-сервисы при разработке и позже сталкиваются с такими проблемами?

В той или иной степени большинство из них подвержены определённым угрозам. Однако степень их сложности зависит от того, насколько хорошо web-сервис был разработан с самого начала.

Масштабная разработка – это не особый вид развития. Это набор принципов и методов, которые помогут разработать web-сервис в соответствии с высокими стандартами.

Придерживаясь определенных правил разработки веб-сервиса, вы сможете:

1. сократить время загрузки страницы, количество ошибок, время на внесение изменений и стоимость обновления web-сервиса;
2. улучшить пользовательский опыт;
3. продлить жизненный цикл предлагаемой продукции и услуг;
4. в результате уровень продаж и лояльность к бренду повышаются.

Определение термина «масштабируемость» в разработке web-сервисов

Определение масштабируемости web-сервиса при разработке – это способность системы, сети или определённого процесса справиться с увеличением нагрузки при добавлении ресурсов (зачастую это касается оборудования).

Масштабируемость оценивают через отношение повышения производительности системы к увеличению количества используемых ресурсов. Кроме того, масштабируемость подразумевает возможность добавления дополнительных ресурсов при сохранении структуры центрального узла.

Если масштабируемость в системе плохая, добавление новых ресурсов приводит лишь к незначительному повышению производительности, а после достижения определенного порога увеличение ресурсов вообще не приносит желаемого эффекта.

Помимо масштабируемости, существует ряд связанных понятий, которые помогают лучше понять проблему. И одно из них – восстанавливаемость. Термин подразумевает способность системы восстановить работоспособность после сбоя. Это понятие тесно связано с концепцией точки насыщения.

Точка насыщения – определенная степень интенсивности рабочей нагрузки, при которой разработанный сервис начинает давать сбой. Неоправданные скачки в работе системы обычно приводят к отказу.

В нормальных условиях производительность программы изменяется пропорционально нагрузке, которая постепенно увеличивается. Если в какой-то момент предсказуемый рост сменяется аномальными скачками – точка насыщения достигнута.

Тестирование, направленное на определение этой точки, называется тестом наращивания мощности. Это помогает определить надежность и масштабируемость в разработке web-сервиса, а также выявить проблемные области, которые мешают эффективной работе всей системы.

Какие характеристики влияют на масштабируемость web-сервиса?

1. Архитектура. Один из важнейших компонентов масштабируемости web-сервиса.
2. Каркасная нагрузка. Иногда масштабируемость ограничивается фреймворком, поэтому его выбор влияет на производительность приложения при увеличении количества функций.
3. Устойчивый дизайн кода. Качество кода также существенно влияет на масштабируемость.
4. Устойчивое тестирование. При правильном тестировании нагрузки и производительности вы сможете найти и устранить уязвимости в разработке web-сервиса и обеспечить плавный рост.
5. Аппаратные ограничения. На масштабируемость влияет не только программное обеспечение.
6. Интеграция сторонних компонентов. Самая распространенная причина возникновения проблем и сбоев в работе.

Масштабируемая архитектура приложения

Далее речь пойдёт о том, как следует разрабатывать такой web-сервис.

Интерфейс и бэкэнд

Интерфейс – видимая часть web-сервиса, с которой пользователь взаимодействует напрямую. В конфигурации программного обеспечения между оборудованием и конечным пользователем может быть много уровней. У каждого из них также может быть интерфейс и бэкэнд.

Интерфейс – абстракция, которая предоставляет пользовательский интерфейс. Например, откройте новую вкладку браузера, введите адрес какого-либо веб-сайта и нажмите Enter. Сайт должен загрузиться мгновенно. Хорошо продуманный шаблон страницы понятен, а визуальная составляющая должна быть привлекательной для глаз, простой для понимания и удобной для навигации.

Однако, помимо простоты использования, правильно разработанный интерфейс web-сервиса также помогает избежать проблем с масштабируемостью в будущем.

Под термином «бэкэнд» подразумевается все, что происходит на сервере. Он интерпретирует все, что пользователь делает в интерфейсе, при необходимости передает это в базу данных и отправляет ответ обратно в браузер. Эта часть занимает до 80% всего кода и больше всего влияет на производительность в разработке web-сервиса.

Бэкэнд отвечает за динамические процессы на странице и управление хранилищем информации, в связи с чем могут возникать проблемы. Бэкэнд может быть построен на любом многофункциональном языке программирования, таком как Javascript (Node.js), Python, PHP, C# и др.

Многоуровневая масштабируемая архитектура web-сервиса

Многоуровневая модель – это модель программного обеспечения, которая должна содержать три компонента: клиент, сервер приложений, куда подключается клиентское приложение, и сервер базы данных для запуска приложения.

Каждый уровень такого разрабатываемого web-сервиса должен выполнять только самые важные функции, тем самым значительно улучшая производительность и масштабируемость.

Многоуровневая архитектура должна реализовывать два основных принципа:

• минимизировать функциональность клиентских компонентов, оставив клиенту только функции пользовательского интерфейса;
• освободить сервер базы данных от функций, которые он не должен запускать.

Такая архитектура грамотнее распределяет модули обработки, которые в этом случае выполняются на сервере (либо же на нескольких отдельных серверах).

Эти программные модули выполняют функции сервера для взаимодействия с пользователями и клиента для серверов баз данных. Кроме того, разные серверы приложений могут взаимодействовать друг с другом для более точного разделения системы на функциональные блоки, выполняющие определённые роли.

Вертикальное и горизонтальное масштабирование web-сервисов

Вертикальное масштабирование подразумевает увеличение производительности каждого компонента системы для повышения общей производительности web-сервисов.

Масштабируемость при разработке web-сервисов в данном контексте означает возможность заменять компоненты существующей вычислительной системы более мощными и быстрыми.

Это самый простой подход к масштабированию web-сервисов, поскольку он не требует внесения каких-либо изменений в прикладные программы, работающие в таких системах.

Горизонтальное масштабирование – разделение системы на более мелкие структурные единицы еще на этапе архитектуры или разработки web-сервиса. Сервисы распределяются по отдельным физическим устройствам, а количество серверов, одновременно выполняющих одну и ту же функцию, увеличивается при необходимости.

В этом случае масштабируемость подразумевает возможность добавлять в систему новые узлы, серверы для повышения общей производительности.

Такой подход к масштабированию зачастую требует внесения определённых изменений в web-сервисе при разработке, которые позволят в полной мере использовать дополнительные ресурсы.

Принципы масштабируемости в разработке web-сервисов

При создании масштабируемого web-сервиса, в его основе должны лежать следующие принципы:

• Бесперебойная работа. Помимо доступности, сервис должно иметь высокую производительность. В противном случае вы рискуете получить негативную реакцию со стороны клиентов и снизить позиции сайта в поисковой выдаче. Google с Яндексом хуже индексируют такие сайты. Веб-сервис с низкой производительностью вряд ли сможет привлечь серьезную аудиторию.
• Постоянная доступность. Для компаний очень важно, чтобы их web-сервис был доступен в любое время. Каждая упущенная минута наносит серьёзный ущерб прибыли и репутации компании. Для SaaS и облачных сервисов крайне важно обеспечить непрерывный доступ к сервисам на протяжении всей жизни. Следовательно, необходимо, чтобы масштабируемый web-сервис был доступен в любое время дня и из любой точки земного шара.
• Быстрый поиск данных по базам. Работа с данными обычно влечёт за собой значительные проблемы с производительностью. Дело в том, что для хранения и доступа к данным обычно используются сторонние технологии, а их интеграция – непростая задача. На стыке основной части приложения и сервисов базы данных часто можно найти уязвимые места.
• Отслеживание неисправности. Система должна быть простой в эксплуатации, обслуживании и обновлении. Кроме того, все проблемы, которые могут возникнуть уже на этапе функционирования продукта, должны легко отслеживаться и исправляться. Хорошие результаты достигаются за счет правильного структурирования и сегментации приложения на относительно изолированные компоненты еще при разработке и планировании архитектуры сервиса.
• Ответ в реальном времени. Конечно, скорость web-приложения важна. Это касается не только получения информации о хранилище или общей производительности, но и скорости операций и отклика. Каким бы полезным ни было приложение, у вас есть всего несколько секунд, чтобы удовлетворить потребности клиента. Если не уложиться в это время, клиент уйдет к конкурентам.

Масштабируемые методы и стратегии проектирования

При разработке и проектировании масштабируемого web-сервиса помогут следующие методы:

1. Микросервисы и функционирование узлов. Здесь имеется в виду сервис-ориентированная архитектура (SOA), в которой каждая служба имеет свой функциональный контекст и не должна влиять на другие службы. Каждый компонент в разработке web-сервиса имеет собственную функцию и грамотную связь другими сервисами. Акцент делается не на скорости и простоте разработки, а на структурной целостности, которая в будущем позволит сэкономить много времени и усилий, направленных на поддержание старой конструкции. В результате проблемы будут изолированы. То есть, проблемы с одной функцией не повлияют на другие. То же самое касается и узлов приложения.
2. Балансировщики нагрузки. Балансировщики нагрузки имеют решающее значение для масштабируемых веб-сервисов, поскольку они распределяют нагрузку при увеличении количества одновременных подключений, а также распределяют подключения по узлам. Это позволяет увеличить производительность разработанного web-сервиса за счет добавления узлов. Балансировщик нагрузки распределяет нагрузки в соответствии с заданными критериями. Для работы со сложной системой рекомендуется использовать несколько балансировщиков нагрузки.
3. Кэш. Есть несколько способов ускорить получение запроса. Кэши – наиболее распространенное решение, которое не повредит, а улучшит работу платформы. Идея заключается в том, что запрос, который выполнялся ранее с высокой частотой, с большой вероятностью будет выполнен повторно. Таким образом, мы можем создать небольшое хранилище для быстрого доступа к результатам частых запросов и сократить время ожидания ответа пользователя.

Кэш используется на разных уровнях приложения, метод работает уже после разработки web-сервисе и наилучшим образом эта идея реализована в следующем:

• Вы можете вставить кэш на запрашивающем узле, чтобы сделать получение данных для ваших клиентов практически мгновенным. Чем больше узлов будет у приложения, тем больше будет кэшей, поскольку каждый узел web-сервиса должен иметь свой кэш.
• Если необходимо создать один общий кэш для всех узлов и таким образом избежать многочисленных промахов, используется глобальный кэш.
• Распределенный кэш обеспечивает распределение фрагментов данных по всем узлам. Чем больше данных кэшируется ближе к пользователю, тем быстрее они извлекаются.
• Прокси. Основным преимуществом прокси при масштабировании является координация множества запросов. Он может свернуть несколько идентичных запросов в один и уменьшить количество запросов к диску базы данных. Таким образом, увеличивается время отклика и производительность базы данных. Лучшая практика в работе web-сервиса - использование прокси – объединение их с кэшами. В этом случае их использование оценивается как наибольшее.
• Индексация. Индексы тесно связаны с извлечением данных в случае, если они распределены между физическими устройствами. Они позволяют быстро находить небольшой фрагмент информации в огромной базе данных, даже если они распределены на множестве физических устройств.

Для разработки и реализации быстрого поиска применяются индексные таблицы, в зависимости от того, где размещены эти данные. Хотя запрос добавлен в поиск и таблицу, пользователь получит ответ быстрее за счет индексации.

Несмотря на очевидные преимущества этого подхода, при значительном увеличении объема данных таблицы становятся слишком громоздкими. Поэтому их необходимо использовать с осторожностью.

• Очередь. С ростом разработки и общего количества web-сервисов процедура записи и обработки запросов может замедлиться. Также существует необходимость регулирования одновременных запросов и обработки большого количества запросов. В этом случае имеет смысл выполнять некоторые запросы асинхронно и ставить их в очередь. Это позволяет клиенту делать запрос, получать подтверждение, а затем переходить к другой работе, периодически её проверяя. В обычном случае клиент вынужден ждать, пока запрос будет обработан, не выполняя никакой другой работы.