使用 AWS 服务将有状态应用程序转换为无状态应用程序

关键要点

选择有状态或无状态系统的设计会对性能和可扩展性产生重要影响。有状态应用在于处理会话数据并保证用户体验，而无状态架构适应动态工作负载并提供灵活性。本文将阐述将有状态架构转换为无状态架构的步骤与优势。

在设计系统时，选择有状态或无状态架构是一项重要决策，涉及性能和可扩展性的权衡。有状态系统会将一个会话中的数据传递到下一个会话，而无状态系统则不保留会话之间的数据，依赖外部实体例如数据库或缓存来管理状态。

无状态与有状态架构均被广泛采用：

有状态 应用程序通常易于部署。它们会将客户端会话数据保存在服务器上，从而加快处理速度，提升性能。这类应用在可预测的工作负载中表现良好，并提供一致的用户体验。无状态 架构通常符合动态工作负载和不断变化的业务需求。无状态应用设计能够提高灵活性，支持水平扩展和动态部署。这种灵活性有助于应用程序处理突发流量，保持对故障的韧性，并优化成本。

以下是有状态和无状态架构的概念比较：

举例来说，一个可以通过网页和移动设备访问的电子商务应用管理客户交易生命周期的多个方面。生命周期从账户创建开始，然后是将商品放入购物车，接着是结账。会话和用户配置文件数据提供会话持久性和购物车管理，这使得购物车的内容可以保持，并且能够从任何设备上呈现最新更新的购物车。对于这个应用程序，无状态架构更为理想，因为它将用户数据解耦，卸载了会话数据。这种设计允许各个组件独立扩展，以满足不同的工作负载并优化资源利用。

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在这篇博客中，我们将概述将有状态架构转换为无状态架构的过程和收益。

解决方案概述

本节将引导您走过将有状态转换为无状态架构的步骤：

确定和理解有状态的要求将用户配置文件数据解耦卸载会话数据动态扩展各个组件设计无状态架构

步骤 1：确定和理解有状态组件

将有状态架构转换为无状态架构的第一步是审查应用程序的整体架构和源代码，并分析数据流和依赖关系。

审查架构和源代码

了解您的应用程序如何访问和共享数据非常重要。关注那些持久化状态数据并保留状态信息的组件。典型示例包括用户凭证、用户配置文件、会话令牌和特定于会话的数据例如购物车。识别这些数据的处理方式是规划向无状态架构转换的基础。

分析数据流和依赖关系

分析和理解在架构中维护状态的组件。这有助于评估转型为无状态设计的潜在影响。

您可以使用以下问卷来评估组件，问题应根据您的应用程序进行定制：

哪些数据是特定于用户或会话的？用户数据如何存储和管理？会话数据如何访问和更新？哪些组件依赖于用户和会话数据？是否存在共享或集中式数据存储？状态如何影响可扩展性和容错能力？是否可以将有状态组件解耦或使其无状态？

步骤 2：将用户配置文件数据解耦

将用户数据解耦涉及将用户数据从核心应用逻辑中分离并进行管理。将用户管理和机密例如 API 密钥和数据库凭证的职责委派给一个独立的服务，从而实现更高的可用性和独立扩展。例如，您可以使用：

Amazon Cognito 通过使用 身份池、用户池 和 Amazon Cognito Sync 来解耦用户数据。AWS Secrets Manager 将机密存储在安全的集中位置，从而使应用程序代码无需存储机密，从而提高安全性。Amazon S3 存储大规模的非结构化数据，例如图片和文档。应用程序可以在需要时检索这些数据，无需将其存储在内存中。Amazon DynamoDB 存储用户配置文件等信息。您的应用程序可以近实时查询这些数据。

步骤 3：卸载会话数据

卸载会话数据是指将存储和管理与会话相关的数据移到应用程序的有状态组件之外。这涉及将状态与业务逻辑分离。您可以将会话数据卸载到数据库、缓存或外部文件中。

卸载会话数据时需要考虑的因素包括：

会话数据的量访问和延迟的频率安全要求

可使用的 AWS 服务示例包括 Amazon ElastiCache、Amazon DynamoDB、Amazon Elastic File SystemAmazon EFS和 Amazon MemoryDB。您选择的卸载会话数据的 AWS 服务将取决于应用程序的需求。

步骤 4：动态扩展各个组件

无状态架构提供了灵活性，可以独立扩展各个组件，使应用程序能够满足不同的工作负载并优化资源利用。在扩展时，考虑使用：

AWS Autoscaling，可基于预定义的策略和指标自动扩展资源。AWS Load Balancer，支持动态扩展，通过自动添加或删除实例来维持已配置的扩展策略和健康检查。AWS 上的 容器编排和管理服务 和 Amazon API Gateway、AWS Lambda、Amazon Aurora Serverless 等服务可根据工作负载自动扩展容量。

步骤 5：设计无状态架构

在您识别哪些状态和用户数据需要持久保存及您选择的存储解决方案后，便可以开始设计无状态架构。这包括：

理解应用程序如何与存储解决方案交互。规划会话创建、检索和过期逻辑在整体会话管理中的工作方式。重新构建应用逻辑，以移除对服务器上存储的状态信息的引用。将应用程序重新架构为更小、独立的服务，如步骤 2、3 和 4 所描述的。进行彻底测试，以确保在转换后所有功能产生所需结果。

以下示例展示了 AWS 上的无状态架构。这种架构将用户界面、应用逻辑和数据存储分为不同的层，使得在设计和部署应用时具备可扩展性、模块性和灵活性。各个层通过明确的接口和API进行交互，确保每个组件专注于其特定责任。

收益

采用无状态架构的好处包括：

可扩展性：无状态组件不维护本地状态，通常可以轻松复制和分发，以应对不断增加的工作负荷。这支持横向扩展，使得可以根据流量和需求的波动增加或减少容量。可靠性与故障容错：无状态架构本质上对故障具备韧性。如果无状态组件出现故障，可以在不影响整体系统的情况下替换或重启。由于无状态应用没有共享状态，因此一个组件的故障不会影响其他组件。这有助于确保用户会话的连续性，减少中断，提高故障容错能力和整体系统可靠性。成本效益：通过利用按需扩展能力，应用程序可以根据实际需求动态调整资源，从而避免基础设施的过度配置。无状态架构适合服务器无关的计算模型，实际运行时间付费，从而节约成本。性能：通过使用优化为高速访问的服务如内存缓存来外部化会话数据，相对于在内部维护会话数据，可以降低延迟。灵活性与可扩展性：无状态架构在应用开发中提供了灵活性和敏捷性。卸载的会话数据提供了在架构中采用不同技术和服务的更多灵活性。应用程序可以轻松与其他 AWS 服务集成，以提升功能，例如分析、近实时通知或个性化服务。

结论

将有状态应用程序转换为无状态应用程序需要仔细的规划、设计和实施。架构选择取决于应用程序的具体需求。如果一个应用程序简单易开发和调试，则有状态架构可能是一个不错的选择。然而，如果应用程序需要可扩展性和故障容错能力，那么无状态架构可能更为合适。在开始重构之旅之前，深入理解当前的应用程序至关重要。

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作者介绍

Sarat ParaSarat Para 是 AWS 的高级解决方案架构师，位于乔治亚州亚特兰大。他喜欢学习新技术，帮助客户进行云端采用。他在软件开发、架构和 IT 管理方面拥有超过 20 年的技术经验。

Sanjukta MukherjeeSanjukta Mukherjee 是 AWS 的解决方案架构师，位于纽约。她与来自各行各业的客户合作，帮助他们加速采用 AWS 云，她负责帮助客户创新并现代化其应用程序。

Pavan YanamadalaPavan Yanamadala 是 AWS 世界公共部门的解决方案架构师，专注于迁移与现代化。他热衷于指导组织成功进行云迁移，并为简化迁移路径提供解决方案和方法。

Vimala PydiVimala Pydi 是位于佛罗里达州奥兰多的高级解决方案架构师。她作为迁移专家与万国公共部门团队合作，热衷于帮助客户进行云迁移和现代化之旅。在加入 AWS 之前，她曾帮助各行业客户进行数字化转型，拥有超过 20 年的 IT 行业经验。