譯者 | 布加迪

審校 | 重樓

微服務(wù)體系結(jié)構(gòu)是Facebook、Netflix和優(yōu)步等跨國企業(yè)發(fā)布的分布式應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。精細(xì)化隔離服務(wù)，然后將它們聚合起來協(xié)同工作，這使得分布式系統(tǒng)比單體式系統(tǒng)更易于管理。但是對于嵌入式系統(tǒng)而言，情況就有點不同了。

不像在數(shù)據(jù)中心內(nèi)和跨數(shù)據(jù)中心運行的面向微服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（MOA），嵌入式系統(tǒng)往往在硬件和用例方面是專用的——比如運行在工業(yè)裝配廠中操作的一群機器人工人或控制自動駕駛汽車。

面向微服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)可以運用于這些類型的環(huán)境，但是需要特別注意出現(xiàn)問題時，您不能僅僅啟動另一個容器來替換失效的容器。要做的工作不止這些。

為嵌入式系統(tǒng)編寫面向微服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)需要一種不同的設(shè)計和實施方法。

面向微服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)簡介

在深入討論將MOA運用于嵌入式系統(tǒng)的細(xì)節(jié)之前，不妨先大致了解這種體系結(jié)構(gòu)的基本要素。

面向微服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)旨在將應(yīng)用程序的行為分解為一群獨立存在但一致行動的離散服務(wù)。MOA的工作方式是將離散服務(wù)分發(fā)到眾多遠(yuǎn)程位置。

通常，這些服務(wù)使用一種眾所周知的傳輸協(xié)議（比如TCP、UDP或HTTP）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。某種類型的組織、前端客戶端機制（比如在桌面或移動設(shè)備上運行的網(wǎng)頁或原生代碼）將各種服務(wù)聚集在一起，形成整個應(yīng)用程序的統(tǒng)一表示。然而如前所述，組成MOA的每個服務(wù)都是遠(yuǎn)程托管的。

應(yīng)用程序的前端調(diào)用遠(yuǎn)程路由/控制器服務(wù)。路由/控制器服務(wù)知道組成應(yīng)用程序的微服務(wù)的位置，并根據(jù)作為調(diào)用代碼一部分的某種標(biāo)識符將調(diào)用轉(zhuǎn)發(fā)到適當(dāng)?shù)姆?wù)。微服務(wù)處理調(diào)用，并將結(jié)果發(fā)回給路由器/控制器作進(jìn)一步處理——或者如果某個調(diào)用完成，則將響應(yīng)發(fā)回給調(diào)用客戶端。

圖1. 面向微服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)的基本模式

將應(yīng)用程序分成托管在遠(yuǎn)程位置的功能這個想法始于遠(yuǎn)程過程調(diào)用（RPC）。MOA通過添加一組常規(guī)需求來增強RPC模式。在MOA下，每個微服務(wù)：

• 支持單個關(guān)注點
• 是離散的
• 承載自己的數(shù)據(jù)
• 可以傳輸
• 是短暫的

以下是這每一項要求的含義：

支持單個關(guān)注點

微服務(wù)應(yīng)該將其行為限制在單個關(guān)注點上，比如登錄服務(wù)、訂購服務(wù)、購買、處理信用卡交易的服務(wù)、支持客戶配置文件的服務(wù)、執(zhí)行稅收計算的服務(wù)或日志記錄服務(wù)。

一個微服務(wù)可以使用另一個微服務(wù)，比如采購服務(wù)可以使用稅收計算服務(wù)來確定訂單的總金額。然而，不應(yīng)該將兩個服務(wù)組合到一個代碼庫或單個部署單元中。

是離散的

微服務(wù)應(yīng)該是離散的，因為它應(yīng)該被限制在單個部署單元中，并在網(wǎng)絡(luò)上有清晰的邊界。該部署單元可能是Linux容器，也可能是代碼工件，比如Java .jar文件、.NET DLL或Rust二進(jìn)制文件。以嵌入式系統(tǒng)為例，部署單元可能是一個實際的硬件。

微服務(wù)的內(nèi)部組件應(yīng)該是私有的，公眾無法訪問。然而，公共訪問應(yīng)該由定義良好的API提供。

承載自己的數(shù)據(jù)

微服務(wù)承載自己的數(shù)據(jù)，除了通過API外，不與另一微服務(wù)共享數(shù)據(jù)。通常，微服務(wù)會有自己的數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)庫中隔離良好的表。雖然微服務(wù)之間可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余，但這種情形是可以接受的，也是微服務(wù)維護(hù)自己的操作狀態(tài)和邊界所必需的。

可以傳輸

微服務(wù)必須能夠在任何時候傳輸?shù)饺魏瓮泄墉h(huán)境。當(dāng)微服務(wù)在一臺發(fā)生故障（比如斷電）的機器上運行，又必須重新部署到另一臺正常運行的機器上時，可傳輸性非常重要。

是短暫的

微服務(wù)必須能夠按需創(chuàng)建或銷毀。在微服務(wù)執(zhí)行高強度計算、只需要滿足暫時需求的情況下，這一點尤為重要。比如說，微服務(wù)對特定的視頻文件執(zhí)行特效處理。

面向嵌入式設(shè)備的MOA有何特別之處？

與為數(shù)據(jù)中心應(yīng)用程序編寫MOA相比，為嵌入式環(huán)境實施MOA需要不同的方法。

首先，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心使用Linux操作系統(tǒng)來驅(qū)動機器。Linux是一個功能齊全的操作系統(tǒng)，占用大量的內(nèi)存和磁盤空間。即使是Alpine之類精簡版的Linux發(fā)行版（只有一些基本功能），這個操作系統(tǒng)也占用5MB的存儲空間。

許多嵌入式芯片（比如EPS32）搭載大約520KB的內(nèi)部內(nèi)存，其中一些容量專用于非易失性存儲。使用特殊配置時，一些芯片可能擁有高達(dá)4MB的內(nèi)存和2MB到16MB的閃存。

不過，當(dāng)嵌入式設(shè)備的存儲量有限（小于4MB）時，Linux無法工作。相反，嵌入式設(shè)備通常使用某種版本的實時操作系統(tǒng)（RTOS）。ESP32芯片組上使用的FreeRTOS操作系統(tǒng)只需要5 KB到10KB的代碼存儲，內(nèi)存使用低至300 KB。正如您所見，與數(shù)據(jù)中心中運行的機器相比，嵌入式設(shè)備的系統(tǒng)需求非常小。

此外，雖然Linux支持容器，允許多個微服務(wù)在虛擬機集群中運行，但在嵌入式系統(tǒng)中，容器支持更多的是一種例外，而不是常態(tài)。通常，微服務(wù)將在專用的嵌入式微處理器上運行。微服務(wù)和運行微服務(wù)的硬件之間的一對一關(guān)系影響了部署和升級微服務(wù)的方式。

這不是使用Kubernetes之類的容器管理框架來重新部署容器的問題。相反，要進(jìn)行升級，需要直接連接到嵌入式處理器，并且在許多情況下需要停用作為升級目標(biāo)的設(shè)備。

比如說，升級運行汽車制動系統(tǒng)的微服務(wù)需要汽車沒有在路上行駛、處于靜止?fàn)顟B(tài)。

簡而言之，為嵌入式系統(tǒng)部署和升級微服務(wù)的過程高度依賴系統(tǒng)硬件的物理狀態(tài)，但是還有另一個重要的限制因素：數(shù)據(jù)交換。

嵌入式設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換最好使用二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式來實施。嵌入式處理器中的空間和帶寬容量有限，因此基于文本的格式（比如XML和JSON）不能很好地工作。

相反，像協(xié)議緩沖區(qū)這樣的二進(jìn)制格式或自定義二進(jìn)制格式更適合MOA場景中的通信，在這種場景中，體系結(jié)構(gòu)中的每個微服務(wù)都托管在嵌入式處理器上。

然而，本身在特定設(shè)備（比如汽車）內(nèi)運行的嵌入式處理器和外部設(shè)備（比如手機）之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換需要特別考慮。大多數(shù)嵌入式處理器在小型迷你板上搭載其他芯片，如圖2所示。

圖2. ESP32迷你板支持藍(lán)牙和Wi-Fi通信

這些迷你板內(nèi)置藍(lán)牙和Wi-Fi功能。嵌入式芯片組可以使用這些功能與板外設(shè)備進(jìn)行通信。在嵌入式芯片組根據(jù)已知格式與已知外部設(shè)備通信的情況下，使用二進(jìn)制格式進(jìn)行通信仍然是切實可行的。

在某些情況下，比如使用HTTP與遠(yuǎn)程Web API通信時，較笨拙的基于文本的數(shù)據(jù)格式是規(guī)定的數(shù)據(jù)交換方式。考慮到芯片在存儲和內(nèi)存方面的限制，讓每個嵌入式芯片組參與基于文本的通信可能是個問題。

另一種方法是使用專用代理芯片組與外部設(shè)備進(jìn)行通信，該芯片組支持HTTP，并擁有增強的存儲和內(nèi)存功能。專用代理負(fù)責(zé)管理來自其他板載嵌入式處理器的外部目標(biāo)的通信。（參見圖3。）

圖3. 外部目標(biāo)的專用代理使嵌入式芯片組能夠有效地通信

服務(wù)路由是另一個需要考慮的問題。正如數(shù)據(jù)中心中運行的MOA需要API網(wǎng)關(guān)將流量路由到指定的微服務(wù)一樣，嵌入式環(huán)境中運行的MOA也需要這樣的路由器/控制器機制。在一輛汽車中，路由器/控制器是在汽車控制器局域網(wǎng)（CAN）上運行的電子控制單元（ECU）。（參見圖4。）

圖4. 汽車中的CAN使用電子控制單元（ECU）來協(xié)調(diào)嵌入式設(shè)備上運行的微服務(wù)之間的數(shù)據(jù)交換

ECU可以感知汽車內(nèi)運行的所有組件，并據(jù)此制定路由路線。此外，ECU還可以是維護(hù)全局狀態(tài)的控制點。

許多傳統(tǒng)的分布式應(yīng)用程序可以在不需要應(yīng)用程序中的每個微服務(wù)立即了解應(yīng)用程序整體狀態(tài)的情況下運行。然而，了解系統(tǒng)的整體狀態(tài)對于在嵌入式系統(tǒng)中運行的微服務(wù)非常重要。

比如說，當(dāng)自動駕駛汽車中的傳感器看到道路上的障礙物時，制動系統(tǒng)需要知道車輛處于危險的全局狀態(tài)，以便做出相應(yīng)的反應(yīng)，因此需要普遍感知全局狀態(tài)。

飛行控制系統(tǒng)（FCS）和樓宇管理系統(tǒng)（BMS）也有維護(hù)和報告全局狀態(tài)的機制。在FCS中，控制機制名為飛行管理系統(tǒng)或飛行管理計算機。

在BMS中，該組件名為樓宇自動化控制器或樓宇自動化系統(tǒng)控制器。樓宇自動化控制器報告樓宇中所有子系統(tǒng)的狀態(tài)，比如暖通空調(diào)、照明、安全、電梯、電氣系統(tǒng)和消防安全設(shè)備。

需要理解的重要一點是，任何嵌入式系統(tǒng)都需要一種路由機制來協(xié)調(diào)組成系統(tǒng)的各種設(shè)備之間的流量和數(shù)據(jù)交換。

把它們組合起來

從智能家居、自動駕駛汽車到機器人運行的工廠，物聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備呈爆炸式增長，為精通面向微服務(wù)體系結(jié)構(gòu)的軟件開發(fā)人員提供了處理嵌入式系統(tǒng)的更多機會。

將面向微服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)運用于嵌入式系統(tǒng)需要一些新知識，還需要與用于創(chuàng)建在數(shù)據(jù)中心虛擬化環(huán)境中運行的業(yè)務(wù)應(yīng)用程序的平常做法略有不同的軟件開發(fā)方法。但考慮到面臨的機會，有望獲得重大的投資回報，值得我們應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

原文標(biāo)題：How to Apply Microservice Architecture to Embedded Systems，作者：Bob Reselman