Wann, warum und wie man den Übergang vollzieht

Überlegungen zur Migration von Monolithen zu Microservices

Eine sorgfältige Planung ist entscheidend, wenn es um die Umstellung einer monolithischen Anwendung auf eine Microservices-Architektur geht. Eine verpasste Gelegenheit zur Migration kann dazu führen, dass Sie im Wettbewerb zurückfallen.

Der Übergang von monolithischen Strukturen zu Microservices hat in der Softwareentwicklung an Bedeutung gewonnen. Unternehmen suchen nach verbesserter Skalierbarkeit und Flexibilität. Doch was genau bedeutet diese Umstellung und warum könnte sie für Ihr Unternehmen sinnvoll sein?

Dieser Artikel untersucht die Unterschiede zwischen monolithischen, N-Tier- und Microservices-Architekturen und erläutert, wann und wie eine Migration zu einer Microservices-Architektur erfolgen sollte.

Lassen Sie uns eintauchen! 😀

Was ist eine monolithische Architektur?

Die monolithische Architektur ist ein Software-Designmuster, bei dem die gesamte Anwendung als eine einzige, zusammenhängende Einheit aufgebaut ist. Alle Komponenten, einschließlich Benutzeroberfläche, Geschäftslogik und Datenspeicherung, sind in einem einzigen Code-Repository zusammengefasst.

Vorteile 👍

• Einfach zu verstehen und zu handhaben.
• Einfache Bereitstellung, da es sich um eine einzelne Einheit handelt.
• Schnellere Kommunikation zwischen den Komponenten, was zu einer verbesserten Leistung führt.
• Kann kostengünstiger in der Entwicklung sein als andere Architekturen.
• Vertrautheit, da viele Entwickler mit monolithischen Architekturen vertraut sind.

Nachteile 👎

• Eingeschränkte Flexibilität, da Änderungen an einer Komponente das gesamte System beeinflussen können.
• Schwierigkeiten bei der Skalierung, da das gesamte System skaliert werden muss.
• Potenziell höhere Wartungskosten, wenn die Anwendung komplexer wird.
• Begrenzte Wiederverwendung von Code zwischen verschiedenen Teilen der Anwendung.

Was ist eine Multi-Tier-Architektur?

Die Multi-Tier-Architektur teilt das System in mehrere Schichten auf, die zusammenarbeiten, um eine bestimmte Funktion auszuführen. Jede Schicht ist für einen bestimmten Aspekt des Systems zuständig und kommuniziert mit anderen Schichten, um Aufgaben zu erledigen.

Diese Architektur trennt Verantwortlichkeiten und verwendet Schichten für spezifische Aufgaben. Eine dreischichtige Architektur für eine MVC-Anwendung besteht beispielsweise aus einer Datenschicht, einer Präsentationsschicht und einem Controller, der die Interaktion zwischen den beiden anderen Schichten handhabt.

Eine typische dreischichtige MVC-Architektur

Vorteile 👍

• Verbesserte Sicherheit, da es Angreifern schwerer gemacht wird, auf sensible Daten zuzugreifen.
• Bessere Skalierbarkeit, da die Schichten unabhängig voneinander skaliert werden können.
• Vereinfachte Wartung und Aktualisierung verschiedener Teile der Anwendung aufgrund der Trennung von Aufgaben.
• Größere Flexibilität beim Hinzufügen oder Ändern von Funktionalitäten sowie einfachere Integrationen mit anderen Systemen.
• Verbesserte Wiederverwendung von Code, z. B. die Verwendung derselben Geschäftslogikschicht mit verschiedenen Präsentationsschichten.

Nachteile 👎

• Erhöhte Komplexität, was das System schwieriger zu verstehen und zu warten macht.
• Längere Entwicklungszeit aufgrund der zusätzlichen Schichten und der Kommunikation zwischen ihnen.
• Komplexerer Bereitstellungs- und Konfigurationsaufwand.
• Höhere Anforderungen an Hardware- und Infrastrukturressourcen.
• Komplexerer und zeitaufwändigerer Testaufwand.

Was ist eine Microservices-Architektur?

Die Microservices-Architektur zerlegt eine Anwendung in kleine, unabhängige Dienste, die über APIs kommunizieren.

Diese Architektur bietet mehr Flexibilität und Skalierbarkeit, da jeder Dienst unabhängig entwickelt und bereitgestellt werden kann. Die Anpassung an den Bedarf wird erleichtert. Sie eignet sich besonders für Cloud-Umgebungen, in denen Ressourcen schnell zugewiesen und wieder freigegeben werden können.

Vorteile 👍

• Unabhängige Skalierbarkeit der Microservices.
• Höhere Ausfallsicherheit der Anwendung, da der Ausfall eines Microservice nicht andere Dienste beeinträchtigt.
• Unabhängige Entwicklung, Tests und Bereitstellung jedes Microservices.
• Flexibilität bei der Verwendung unterschiedlicher Technologien für verschiedene Dienste.
• Einfachere Bereitstellung neuer Versionen der Anwendung.

Nachteile 👎

• Höhere Komplexität in der Verwaltung mehrerer unabhängiger Dienste.
• Potenziell höhere Ressourcen- und Infrastrukturanforderungen.
• Erhöhter Kommunikationsaufwand durch die Verwendung von APIs.
• Komplexere Tests und Bereitstellung.

Monolithisch vs. Multi-Tier vs. Microservices

Die folgende Tabelle fasst die wesentlichen Unterschiede zusammen:

Vergleichsmetrik	Monolithische Architektur	Mehrschichtige Architektur	Microservices-Architektur
Komplexität	Am einfachsten	Komplexer	Am komplexesten
Netzwerkverkehr	Minimal	Minimal (wenn sich Schichten im selben Netzwerk befinden)	Maximal
Entwicklungszeit	Geringer	Mehr als bei monolithischer Architektur	Mehr als bei mehrschichtiger Architektur
Wiederverwendung von Code	Geringer	Maximal	Minimal
Abhängigkeit von DevOps	Nein	Nein	Hoch
Schwierigkeit bei globalen Tests und Debugging	Nein	Nein	Ja
Einfachheit der Skalierbarkeit	Gering	Mittel	Hoch
Bereitstellungszeit	Geringer	Hoch	Geringer
Einfachheit der Wartung und Aktualisierung	Gering	Mittel	Hoch
Time-to-Market	Langsamer	Langsamer	Schneller
Fehlertoleranz	Gering	Gering	Hoch
Modularität	Gering	Mittel	Hoch
Bereitstellungsunabhängigkeit	Gering	Gering	Hoch

Vergleich monolithischer, mehrschichtiger und Microservices-Architekturen

Monolithisch zu Microservices: Der richtige Zeitpunkt für den Übergang

Die Entscheidung für die Migration zu einer Microservices-Architektur hängt von den spezifischen Anforderungen und Zielen Ihrer Anwendung ab. Hier sind einige Faktoren, die Sie bei der Entscheidungsfindung berücksichtigen sollten:

• Größe und Komplexität der Anwendung: Für große, komplexe Anwendungen mit vielen miteinander verbundenen Komponenten kann eine Microservices-Architektur die Entwicklung und Wartung vereinfachen. Für relativ kleine, einfache Anwendungen kann eine monolithische Architektur ausreichen.
• Erforderliche Skalierbarkeit: Wenn Ihre Anwendung schnell und einfach an veränderte Anforderungen angepasst werden muss, kann eine Microservices-Architektur besser geeignet sein, da sie eine unabhängige Skalierung bestimmter Teile Ihrer Anwendung ermöglicht.
• Erforderliche Flexibilität: Die Fähigkeit, einzelne Komponenten der Anwendung zu ändern oder zu aktualisieren, ohne die gesamte Anwendung zu beeinträchtigen, ist ein Vorteil der Microservices-Architektur, da jeder Microservice unabhängig entwickelt, getestet und bereitgestellt werden kann.
• Verfügbare Ressourcen: Ein großes Team mit den erforderlichen Fähigkeiten zur Entwicklung und Wartung einer Microservices-Architektur ist von Vorteil. Wenn Ihr Team jedoch klein ist, kann eine monolithische Architektur einfacher zu handhaben sein.

Erfolgreiche Migrationen von monolithischen zu Microservices-Architekturen

Die Wahl des Architekturstils hängt letztlich von den Anforderungen Ihrer Anwendung ab. Es ist wichtig, die Vor- und Nachteile abzuwägen und die passende Lösung zu wählen.

Fallstudien von Amazon und Netflix verdeutlichen, wie große Unternehmen Entscheidungen zur Migration treffen.

Amazon-Fallstudie

Amazon nutzte ursprünglich eine monolithische Architektur für seine Website. Mit der Zunahme der Codebasis und der Anzahl der Entwickler wurde es schwieriger, Abhängigkeiten zu entwirren und Änderungen an der Plattform vorzunehmen. Dies führte zu Verzögerungen und erschwerte die Skalierung der Plattform, um die Bedürfnisse des wachsenden Kundenstamms zu erfüllen.

Amazon teilte seine monolithischen Anwendungen in kleinere, unabhängige, servicespezifische Anwendungen auf. Codeeinheiten, die einem einzigen funktionalen Zweck dienten, wurden identifiziert, in eine Webdienstschnittstelle verpackt und einem Entwicklungsteam zugeordnet.

Quelle: Echtzeit-Serviceabhängigkeitsdiagramm von Amazon

Dieser Ansatz ermöglichte es Amazon, Änderungen und Aktualisierungen der Plattform problemlos durchzuführen und bestimmte Komponenten nach Bedarf zu skalieren. Trotz der Herausforderungen waren die Vorteile der Microservices-Architektur erheblich. Die E-Commerce-Plattform von Amazon verarbeitet täglich über 2,5 Milliarden Produktsuchen und Millionen Produkte von Hunderttausenden von Verkäufern.

Netflix-Fallstudie

Netflix ist ein bekanntes Unternehmen, das in 190 Ländern mit über 223 Millionen zahlenden Nutzern (Stand 2022) aktiv ist.

Im Jahr 2008 hatte Netflix mit einer Datenbankbeschädigung zu kämpfen, die drei Tage lang anhielt. An diesem Punkt erkannte das Unternehmen die Probleme mit Single Points of Failure, die mit dem monolithischen Design einhergingen. Netflix wechselte daher schrittweise mithilfe von Amazon Web Services von einer monolithischen zu einer Cloud-Microservices-Architektur.

Die Migration der kundenorientierten und nicht-kundenorientierten Apps dauerte Jahre, aber die Vorteile sind enorm. Die monatlichen Überwachungsstunden stiegen zwischen 2008 und 2015 um das 1000-fache, was zu erheblichen Einnahmen und Gewinnen führte.

Manuelle Migration von einer monolithischen zu einer Microservices-Architektur

Hier sind die Schritte zur manuellen Migration Ihrer Anwendung:

• Identifizieren Sie die Geschäftsfunktionen: Analysieren Sie, welche Funktionen als eigenständige Microservices implementiert werden können.
• Teilen Sie die Anwendung in Microservices auf: Strukturieren Sie die Codebasis um, um die verschiedenen Funktionen in unabhängige Dienste aufzuteilen.
• Entwerfen Sie die Schnittstellen: Definieren Sie, wie Microservices über Schnittstellen oder APIs miteinander kommunizieren sollen.
• Implementieren Sie die Microservices: Erstellen Sie neue Dienste oder strukturieren Sie vorhandenen Code um, um der Microservices-Architektur zu entsprechen.
• Testen und bereitstellen Sie die Microservices: Testen Sie die Microservices gründlich, bevor Sie sie in der Produktion bereitstellen.
• Daten migrieren: Migrieren Sie Daten von der monolithischen Anwendung zu den Microservices und gestalten Sie die Datenmodelle bei Bedarf um.

Die Migration zu einer Microservices-Architektur kann komplex sein und erfordert eine sorgfältige Planung und Ausführung.

Tools für die Migration von monolithischen zu Microservices

Es gibt verschiedene Tools, die beim Aufteilen monolithischer Anwendungen in Microservices helfen können, wie z. B. Mono2Micro, Decomposition Tool und Decomposer von IBM. Diese bieten automatisierte Mechanismen zur Identifizierung von Microservices, zur Umstrukturierung des Codes und zur Verwaltung der Infrastruktur.

Automatische Dekomposition für die Migration: Ein Zukunftstrend

Die Entwicklung im Bereich der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens hat traditionelle Vorgehensweisen verändert. Es wäre hilfreich, wenn Maschinen komplexe Aufgaben bei der Umstellung von Monolithen auf Microservices übernehmen könnten.

Trotz der scheinbaren Einfachheit gibt es Herausforderungen bei der Verwendung von KI zur Dekomposition monolithischer Anwendungen. Deshalb gibt es noch wenige umfassende Studien zu diesem Thema.

Abdullah et al. schlugen einen Ansatz des unüberwachten Lernens für die automatische Dekomposition von Webanwendungen vor. Das folgende Diagramm zeigt den automatischen Dekompositionsprozess.

Quelle: Abdullah, M., Iqbal, W., & Erradi, A. (2019). Unüberwachter Lernansatz für die automatische Dekomposition von Webanwendungen in Microservices. Zeitschrift für Systeme und Software, 151, 243-257.

Der automatische Dekompositionsprozess umfasst drei Schritte:

1. Zugriffsprotokolle von URIs sammeln: Webserver führen Zugriffsprotokolle zu eindeutigen Uniform Resource Identifiers (URIs).
2. Clustering-ML-Algorithmus anwenden: Verwenden Sie einen Clustering-Algorithmus, um Cluster von URIs mit ähnlicher Zugriffszeit und Dokumentgröße zu erstellen.
3. Cluster als Microservices bereitstellen: Erstellen Sie für jeden URI-Cluster einen Microservice und stellen Sie diese in der Cloud-Infrastruktur bereit.

Hinweis: Diese Technik ist speziell für monolithische Webanwendungen gedacht und dient dazu, Ihnen einen Einblick in die neuesten Trends zu geben.

Bewährte Praktiken für die Migration von monolithischen zu Microservices-Architekturen

Hier sind einige Best Practices, die Sie bei der Migration beachten sollten:

• Klein anfangen: Beginnen Sie mit der Migration eines kleinen, abgeschlossenen Teils der Anwendung.
• Die richtigen Microservices identifizieren: Bewerten Sie die Geschäftsfunktionen und entscheiden Sie, ob sie als unabhängige Microservices geeignet sind.
• Definieren Sie klare Schnittstellen: Entwerfen Sie klare, einfach zu bedienende Schnittstellen.
• Container verwenden: Fassen Sie die Microservices und ihre Abhängigkeiten in Containern zusammen, um die Bereitstellung zu vereinfachen.
• Microservices-freundliche Infrastruktur: Nutzen Sie eine Infrastruktur, die eine erhöhte Komplexität verarbeiten kann (z. B. Service Meshes, API-Gateways, verteilte Ablaufverfolgung).
• Gründliche Tests: Testen Sie die Microservices sorgfältig, um sicherzustellen, dass sie wie erwartet funktionieren.
• Überwachung und Verwaltung: Überwachen Sie Leistung und Zustand der Microservices und ergreifen Sie bei Bedarf Maßnahmen (z. B. Protokollanalyse, Leistungsüberwachung, Fehlerverfolgung).

Sorgfältige Planung und Umsetzung sind entscheidend für eine erfolgreiche Migration. Wenn Sie diese Best Practices befolgen, können Sie sicherstellen, dass die Migration reibungslos und zielorientiert abläuft.

Fazit

Die Microservices-Architektur ist flexibel und skalierbar für das moderne Cloud-Computing-Zeitalter. Sie ermöglicht die bedarfsgerechte Skalierung bestimmter Teile der Anwendung sowie die Änderung einzelner Dienste, ohne die gesamte Anwendung zu beeinträchtigen. Allerdings kann die Entwicklung und Wartung komplex sein.

Die Wahl des Architekturstils hängt von den spezifischen Anforderungen und Zielen Ihrer Anwendung ab. Die Größe und Komplexität, die erforderliche Skalierbarkeit und Flexibilität sowie die verfügbaren Ressourcen für Entwicklung und Wartung sind wichtige Faktoren, die Sie berücksichtigen sollten.