Создание высокомасштабируемой платформы для потребительских устройств в Windows Azure

Эта статья посвящена масштабируемости и взаимодействию — двум характеристикам, необходимым в архитектурах, которые должны поддерживать множество современных мобильных платформ, популярных в настоящее время, с потенциальной аудиторией в миллионы пользователей. В табл. 1 показано, с каким разнообразием приходится иметь дело современным разработчикам. Предоставление веб-сервисов для мобильных устройств — устрашающе сложная задача, требующая применения совершенно разных инструментов, языков и сред программирования. Помимо этого разнообразия, нужно учитывать потребность в эластичном масштабировании — в плане доступных веб-сервисов и объемов данных, которые могут исчисляться в терабайтах.

Табл. 1. Набор разных мобильных технологий — трудная задача для разработчиков

Разработчикам нужно масштабировать свои веб-приложения в двух областях. Первая область — вычисления, что, по сути, сводится к количеству экземпляров веб-сервиса, которое может быть доступно от провайдера хостинга в ответ на запросы с мобильных устройств. Вторая область — масштабируемые данные. Некоторые облачные платформы предлагают масштабирование данных через выделенные сервисы хранилищ. Это позволяет разработчикам передавать терабайты данных миллионам мобильных пользователей и безо всяких усилий распределять их по множеству серверов, что обеспечивает высокую производительность, поддержку избыточности и пропускные возможности для петабайтов данных.

Для поддержки взаимодействия с максимально разнообразными устройствами, крайне важен подход, рассчитанный на такое взаимодействие. Необходимо тщательно продумывать все — от форматов данных до сетевых протоколов. Решение должно сводить к минимуму кодирование со стороны потребителей сервисов и как можно шире использовать открытые стандарты.

В этой статье для решения задач взаимодействия и эластичного масштабирования мы используем веб-сервисы RESTful, размещенные в Windows Azure — облачной платформе Microsoft.

Эталонная архитектура веб-сервисов на основе RESTful приведена на рис. 2. RESTful-архитектуры обладают широкими возможностями во взаимодействии, так как они разработаны вместе с HTTP/1.x и обеспечивают согласованное взаимодействие между огромным массивом клиентских устройств. Архитектура, альтернативная REST, — SOAP. Мы предпочли не использовать SOAP, поскольку с ней связаны дополнительные сложности и она требует передачи несколько больших объемов вспомогательных данных.

Рис. 1. Решение на основе открытых стандартов

Увеличить

Windows Azure упрощает увеличение и уменьшение масштаба по требованию. Простым изменением одного числа — Instance Count в Windows Azure Portal или через API управления — вы можете почти без усилий масштабировать веб-сервисы RESTful под любой уровень запросов.

В нашей реализации в качестве формата данных используется JSON (а не XML), потому что он компактен и широко поддерживается. Недостаток XML для наших целей заключается в большем объеме вспомогательных данных.

Хотя хостинг в облаке для веб-сервисов RESTful предлагают многие провайдеры, у Windows Azure есть некоторые преимущества. Для начала вы можете выбирать между шестью высокоавтоматизированными информационными центрами в Азии, Европе и Северной Америке, в том числе с поддержкой 24 Content Delivery Networks (CDN), что обеспечивает пользователям соединения с низкими задержками и возможностью перенаправления в ближайшие к ним информационные центры.

Windows Azure предлагает множество вариантов хранения и вычислений в дополнение к мощному инструментарию для разработки. Вам доступны разнообразные механизмы хранения — от Binary Large Objects (BLOB) до реляционных хранилищ. Windows Azure также предоставляет системы управления идентификациями, безопасного обмена сообщениями и средства для создания гибридных подключений (облако/локальное предприятие).

Приступаем к работе

В оставшейся части статьи мы поделим архитектуру и реализацию на четыре части:

1. Создание учетной записи с помощью Windows Azure Portal.

2. Создание Windows Azure Cloud Project и написание кода для определения веб-сервиса на основе RESTful.

3. Развертывание облачного проекта с использованием учетной записи в Windows Azure Portal.

4. Создание мобильных приложений для Windows Phone, Android и iOS (iPhone/iPad).

Давайте пройдем эти этапы вместе. Первый шаг мы должны сделать в Windows Azure Portal, доступный по ссылке windows.azure.com, если у вас есть подписка. (За более подробной информацией обращайтесь на azure.com.)

Часть 1: предоставление веб-сервиса в Windows Azure Portal

Два основных варианта в Windows Azure Portal: New Hosted Service и New Storage Account.

На рис. 2 показан рабочий процесс предоставления размещенного сервиса (hosted service). Этот процесс приведет к получению URL, представляющего конечную точку в каком-либо информационном центре Microsoft, где будет развернут веб-сервис RESTful. Этот URL понадобится разработчикам приложений Windows Phone, Android и iOS для взаимодействия с данным сервисом.

Рис. 2. Предоставление веб-сервиса RESTful в Windows Azure

Увеличить

Этот рабочий процесс достаточно прямолинеен:

1. Войдите в Windows Azure Portal.

2. Выберите New Hosted Service. Укажите имя учетной записи, URL и регион (местонахождение информационного центра).

3. Сохраните URL, генерируемый Windows Azure Portal; он потребуется позже (вместе с именем учетной записи), когда вы будете создавать веб-сервис RESTful и мобильные клиенты. Имя учетной записи будет использоваться и в третьей части.

Заметьте: в примере в этой статье применяется имя учетной записи fastmotorcycleservice, а URL представляет собой «http://fastmotorcycleservice.cloudapp.net».

Вторая задача в Windows Azure Portal — создание Storage Account (учетной записи хранилища). Этот процесс проиллюстрирован на рис. 3, в том числе приведены имя и месторасположение таблиц Windows Azure. И вновь у вас выбор из шести информационных центров. Для уменьшения расходов и увеличения производительности имеет смысл размещать веб-сервис и данные в одном и том же информационном центре.

Рис. 3. Предоставление учетной записи Windows Azure Storage

Увеличить

Этот рабочий процесс аналогичен ранее рассмотренному для размещения сервиса.

1. Войдите в Windows Azure Portal.

2. Создайте новую учетную запись хранилища и введите ее имя и регион.

3. Сохраните ключ доступа, который генерируется и предоставляется Windows Azure Portal, а также имя учетной записи; они потребуются при создании веб-сервиса RESTful.

С первой частью мы закончили, и необходимая информация Windows Azure Portal может использоваться для написания веб-сервиса RESTful, а также приложений Windows Phone, Android и iOS.

Часть 2: создание веб-сервиса RESTful, размещаемого в Windows Azure

Создать веб-сервис RESTful в Visual Studio довольно легко. Откройте Visual Studio как администратор из Start | All Programs | Microsoft Visual Studio 2010, щелкните правой кнопкой мыши ярлык Microsoft Visual Studio 2010 и выберите команду Run as administrator. В меню File укажите New | Project.

В диалоге New Project выберите предпочитаемый язык и раскройте список Installed Templates, в котором укажите Cloud. Выберите шаблон Windows Azure Project, присвойте проекту имя Fast­MotorcycleProject и задайте любое удобное вам месторасположение этого проекта.

Видеоролик, подробно демонстрирующий все эти операции, можно найти по ссылке bit.ly/VideoAzureRestfulService.

Окно Solution Explorer будет выглядеть как на рис. 4.

Рис. 4. Создание нового проекта для Windows Azure

В табл. 2 перечислены некоторые базовые операции, не рассматриваемые в этой статье (но показанные в упомянутом выше видеоролике).

Табл. 2. Базовые операции, не рассматриваемые в этой статье

Эти операции одинаковые почти для всех проектов Windows Azure. Например, использование веб-роли для размещения веб-сервисов RESTful является стандартной практикой. DataConnectionString нужна для доступа к учетной записи хранилища, определенной ранее в Windows Azure Portal. В проекте Visual Studio требуется стартовый код для чтения имен учетных записей и ключей доступа из конфигурационных файлов для последующего использования учетных записей хранилища.

Закончив с подготовительными операциями, вы можете добавить веб-сервис RESTful с помощью шаблона WCF Service в Visual Studio.

Чтобы добавить веб-сервис, щелкните правой кнопкой мыши папку FastMotorcycleProject_WebRole, выберите Add | New Item и присвойте классу имя FastMotorcycleService.

После этого будет сгенерирован файл FastMotorcycleService.svc.cs. Замените весь код класса кодом, показанным на рис. 5.

Рис. 5. FastMotorcycleListService.svc.cs

[ServiceContract]
public class FastMotorcycleListService
{
  private FastMotorcycleListDataProvider _data;

  public FastMotorcycleListService()
  {
    _data = new FastMotorcycleListDataProvider();
  }

  [OperationContract]
  [WebGet(UriTemplate = "/list/{owner}", ResponseFormat =
    WebMessageFormat.Json)]
  public List<string> GetItems(string owner)
  {
    return _data.GetItems(owner);
  }

  [OperationContract]
  [WebInvoke(UriTemplate = "/list/{owner}", Method = "POST",
    RequestFormat = WebMessageFormat.Json)]
  public void AddItem(string owner, string item)
  {
    _data.AddItem(owner, item);
  }

  [OperationContract]
  [WebInvoke(UriTemplate = "/list/{owner}/{item}",
    Method = "DELETE")]
  public void DeleteItem(string owner, string item)
  {
    _data.DeleteItem(owner, item);
  }
}

Ключ к правильному выполнению этой работы — знание того, как сопоставляются различные URI и команды RESTful-методам. Для этого в код на рис. 5 нужно добавить атрибуты WebGet и WebInvoke.

Эти атрибуты сообщают инфраструктуре, что данный метод должен отвечать на HTTP-запросы GET. WebInvoke по умолчанию сопоставляется с HTTP POST. Кроме того, по умолчанию URI определяется именем метода (добавляемый к базовому URI конечной точки). (Некоторые эксперты и блюстители чистоты REST могут возразить, что имена наших методов должны быть не глаголами, а существительными.)

WCF-модель программирования REST, показанная на рис. 6, допускает настройку URI для каждого метода с помощью шаблонов, которые можно задать через свойство UriTemplate в атрибутах WebInvoke и WebGet. Эта модель поясняется в следующем списке, причем его нумерация соответствует используемой на рис. 6.

1. Мобильное приложение отправляет по стандартному HTTP сообщение-запрос, которое включает HTTP-команду и URL.
2. Веб-сервис RESTful перехватывает сообщение-запрос от мобильного приложения (запрос данных) и вызывает GetItems, передавая «Bruno» в качестве параметра. GetItems запрашивает данные через LINQ-запрос, используя «Bruno» как часть блока where.
3. Из Windows Azure Table Service возвращаются только записи, в которых PartitionKey равен «Bruno».
4. Данные автоматически преобразуются в формат JSON и возвращаются мобильному устройству.
5. Данные становятся доступными мобильному приложению. Эти данные применяются для заполнения ListBox и его вывода пользователю мобильного приложения.

Рис. 6. Рабочий процесс для мобильного приложения, запрашивающего RESTful-данные
Увеличить

Далее мы обсудим три вспомогательных класса, необходимых для взаимодействия с Windows Azure Table Service. Fast­MotorcycleListDataProvider, FastMotorcycleListItem и FastMotorcycleList — это классы, которые абстрагируют хранилище и API, специфичный для Windows Azure Table, от кода на рис. 7, позволяя приложению выполнять CRUD-операции (Create, Read, Update, Delete) с помощью Windows Azure Table Service.

Рис. 7. Классы FastMotorcycleListDataProvider, FastMotorcycleListItem и FastMotorcycleList

public class FastMotorcycleListDataProvider
{
  private FastMotorcycleList _list;

  public FastMotorcycleListDataProvider()
  {
    string configValue = RoleEnvironment.
      GetConfigurationSettingValue("DataConnectionString");
    var account = CloudStorageAccount.Parse(configValue);

    _list = new FastMotorcycleList(
      account.TableEndpoint.ToString(),account.Credentials);
  }

  public List<string> GetItems(string owner)
  {
    var results = from entity in _list.Items
                  where entity.PartitionKey == owner
                  select entity;

    var list = new List<string>();
    foreach (var item in results)
    {
      list.Add(item.RowKey);
    }

    return list;
  }

  public void AddItem(string owner, string item)
  {
    _list.AddObject("FastBikes",
      new FastMotorcycleListItem(owner, item));
    _list.SaveChanges();
  }

  public void DeleteItem(string owner, string item)
  {
    var entity = (from i in _list.Items
                  where i.PartitionKey == owner
                  && i.RowKey == item
                  select i).Single();

    _list.DeleteObject(entity);
    _list.SaveChanges();
  }
}

public class FastMotorcycleListItem : TableServiceEntity
{
  public FastMotorcycleListItem()
  {
  }

  public FastMotorcycleListItem(string partitionKey,
    string rowKey) : base(partitionKey, rowKey)
  {
  }
}

public class FastMotorcycleList : TableServiceContext
{
  public FastMotorcycleList(string baseAddress,
    StorageCredentials storageCredentials)
    : base(baseAddress, storageCredentials)
  {
  }

  public DataServiceQuery<FastMotorcycleListItem> Items
  {
    get
    {
      return this.CreateQuery<FastMotorcycleListItem>(
        "FastBikes");
    }
  }
}

В Visual Studio добавьте новый модуль классов с именем FastMotorcycle­ListDataProvider.cs. Замените в нем код на то, что показано на рис. 7.

Часть 3: развертывание веб-сервиса RESTful

Эта одна из областей, где особенно ярко проявляются преимущества Windows Azure. Развернуть 100 экземпляров веб-сервиса RESTful столь же легко, как и один. Для этого выполните следующее.

1. В Visual Studio щелкните правой кнопкой мыши FastMotorcycleProject и выберите Package.
2. Вернитесь в браузер с открытым в нем порталом и выберите «Hosted Services, Storage Accounts & CDN».
3. В верхней секции выберите Hosted Services.
4. В средней секции укажите Hosted Service, который вы создали ранее.
5. Щелкните правой кнопкой мыши и выберите New Production Deployment, а затем загрузите файлы (FastMotorcycleProject.cspkg и ServiceConfiguration.Cloud.cscfg), которые были сгенерированы на первой стадии.

Часть 4: использование веб-сервисов RESTful из мобильных приложений

Теперь мы обсудим использование веб-сервисов RESTful из различных мобильных приложений. В этом разделе основное внимание уделяется поддержке взаимодействия с различными мобильными платформами.

JSONKit (github.com/johnezang/JSONKit) упрощает взаимодействие с веб-сервисом RESTful для устройств под управлением iOS. С помощью нескольких строк кода можно вызвать веб-сервис RESTful, скачать данные в формате JSON, преобразовать их в более удобный формат и связать преобразованные данные с элементом управления TableView, который используется в приложениях iPhone или iPad (рис. 8).

Рис. 8. Код на Objective-C, разбирающий JSON-данные

// Передается в веб-сервис RESTful
NSString *username = @"Bruno";

NSString *serviceUri =
  "http://your_hosted_service_name.cloudapp.net/"+
  "FastMotorcycleListService.svc/list/";
// Формируем URI сервиса (будет указывать
// на наш веб-сервис RESTful)
NSString *url = [NSString stringWithFormat:@"%@%@",
  serviceUri, username];

// Получаем данные в виде JSON-массива
NSData *json = [NSData dataWithContentsOfURL:
  [NSURL URLWithString:url]];

// Преобразуем JSON-массив в NSArray, что упрощает
// заполнение элемента управления TableView
NSArray *itemArray = [json objectFromJSONData];

// Назначаем массив элементу TableView;
// fastbikes – это имя нашего элемента управления TableView
self.fastbikes = [[NSMutableArray alloc]
  initWithArray:itemArray];

В разработке для Android применяется язык программирования Java, который существует уже довольно давно и способен оперировать JSON-данными. Пример показан на рис. 9. В Windows Phone SDK включена поддержка вызова веб-сервисов RESTful и возможность обработки данных в формате JSON. Этот SDK облегчает обработку JSON-данных с помощью DataContractJsonSerializer. Пример приведен на рис. 10. Наконец, если вы предпочитаете использовать более надежный инструментальный набор для разработки под Android и iOS, зайдите по ссылке github.com/microsoft-dpe, рекомендуемой Microsoft.

Рис. 9. Код для Android, разбирающий JSON-данные

// HttpClient используется для взаимодействия с веб-сервисом
HttpClient httpclient = new DefaultHttpClient();

String url =
  "http://your_hosted_service_name.cloudapp.net/"+
  "FastMotorcycleListService.svc/list/Bruno";
// Это будет массивом, который мы должны будем преобразовать,
// чтобы получить данные от веб-сервиса
JSONArray listItems = null;
String jason = null;

// Настраиваем RESTful-вызов для получения данных через GET
HttpGet request_http_get = new HttpGet(url);

// Читаем JSON-данные и назначаем их ListView
try
{
  // Заполняем объект response, используя request
  HttpResponse response_http_get =
    httpclient.execute(request_http_get);

  // Length представляет количество элементов данных,
  // возвращенных веб-сервисом RESTful
  long length = response_http_get.getEntity().
    getContentLength();

  // Объект entity превращается в данные,
  // поступающие от веб-сервера
  HttpEntity entity = response_http_get.getEntity();

  // Считываем байты – по одному за раз
  InputStream stream = entity.getContent();

  // Создаем буфер под последовательность байтов
  byte[] buffer = new byte[(int) length];

  // Читаем байты от веб-сервиса RESTful. После этого цикла
  // мы получаем нечто вроде ["busa","gxr1000","ninja250"].
  for (int i = 0; i < length; i++)
  {
    buffer[i] = (byte) stream.read();
  }
  // Создаем массив строк
  jason = new String(buffer);
  // Преобразуем JSON-массив в Android ListBox
  listItems = new JSONArray(jason);
  }
  catch (Exception e)
  {
    System.out.println(e);
  }

Рис. 10. Код на C#, разбирающий JSON-данные

private void LoadList()
{
  string uri =
    @"http://your_hosted_service_name.cloudapp.net/"+
    "FastMotorcycleListService.svc/list/Bruno";
  var webRequest = (HttpWebRequest)WebRequest.Create(uri);
  webRequest.Method = "GET";

  try
  {
    webRequest.BeginGetResponse(new AsyncCallback((result) =>
    {
      var webResponse =
        (HttpWebResponse)webRequest.EndGetResponse(result);

      if (webResponse.StatusCode == HttpStatusCode.OK)
      {
        var jsonDeserializer =
          new DataContractJsonSerializer(typeof(List<string>));
        List<string> items =
          (List<string>)jsonDeserializer.ReadObject(
          webResponse.GetResponseStream());

        shoppingListBox.Dispatcher.BeginInvoke(new Action(() =>
        {
          shoppingListBox.Items.Clear();
          foreach (var item in items)
          {
            shoppingListBox.Items.Add(item);
          }
        }));
      }

    }), null);
  }
  catch
  {
     // Игнорируем
  }
}

Доступ к целому спектру устройств

Поскольку веб-сервисы RESTful, размещаемые в Windows Azure, опираются на HTTP, с ними может взаимодействовать любое клиентское приложение, поддерживающее этот протокол. Это открывает разработчикам возможности работы с широким спектром устройств, так как большинство из них подпадает под эту категорию. Хотя мы рассматривали в этой статье мобильные платформы, такие реализации JavaScript, как jQuery, тоже способны использовать веб-сервисы RESTful. Независимо от того, по какому пути пойдет развитие UI на мобильных устройствах, всегда имеет смысл опираться на простые, открытые и основанные на HTTP архитектуры веб-сервисов.