Abbau von Microservices: Wenn .NET Core auf Lenkgetriebesteuerung stößt

Haben Sie ein Gerät, das eine präzise Steuerung erfordert? Zum Beispiel ein Roboterarm, der sich auf einen Servo stützt, um einen Winkel zu drehen, oder eine Reihe von Förderbändern, die von Servomotoren angetrieben werden. Sie laufen sehr gut, aber jedes Mal, wenn Sie die Geschwindigkeit anpassen, den Aktionsprozess ändern oder einfach nur Echtzeitdaten überwachen möchten, müssen Sie die Firmware neu brennen und das System neu starten – ist das ein bisschen Kopfschmerzen?

Es ist, als ob jedes Gerät in Ihrem Zuhause einzeln und ohne Hauptschalter gesteuert werden müsste. Mit der Zeit wird die Bedienung immer ermüdender.

Sprechen wir also über Microservices. Haben Sie keine Angst vor diesem Wort, es bedeutet eigentlich, eine große Software in mehrere unabhängige kleine Module aufzuteilen, wobei jedes Modul nur für eine Sache verantwortlich ist. Beispielsweise ist ein Modul für die Berechnung des Lenkwinkels verantwortlich, während das andere nur die Planung der Bewegungsbahn übernimmt. Sie „chatten“ und arbeiten über das Internet zusammen. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Wechsel eines Moduls die anderen davon kaum betroffen sind.

Warum ist .NET Core C# für viele Menschen die erste Wahl geworden?

Stellen Sie sich vor, dass das Steuerungsprogramm, das Sie zuvor für Windows geschrieben haben, nun zur Ausführung auf ein eingebettetes Linux-Gerät übertragen werden möchte. Was sollten Sie tun? In der Vergangenheit mussten Sie möglicherweise viel Code neu schreiben. Und mit .NET Core können Sie denselben C#-Code für die Ausführung unter Windows, Linux und sogar macOS verwenden. In den Szenarien, in denen ein Industrie-PC oder Raspberry Pi als Steuerungskern verwendet wird, gibt es plötzlich viel weniger repetitive Arbeiten.

Darüber hinaus verfügt C# über eine klare Syntax und eine ausgereifte asynchrone Programmierung. Diese Funktionen sind im Stillen sehr hilfreich, wenn Sie Daten von mehreren Sensoren gleichzeitig überwachen und sicherstellen müssen, dass die Servosteuerungsanweisungen nicht hängen bleiben.

Der Wandel von der „großen Haushälterin“ zur „Gruppenleiterin“

Traditionell erledigt ein monolithisches Programm alles: Sensoren auslesen, Logik berechnen, Steuerbefehle erteilen und Protokolle aufzeichnen. Sobald die Anzahl der Funktionen zunimmt, gleicht das Programm einem immer größer werdenden Raum, in dem sich die Dinge stapeln und immer unübersichtlicher werden.

Microservices unterteilen einen Raum in kleine Kompartimente mit klaren Funktionen. Sie können es beispielsweise so aufteilen:

• Bewegungssteuerungsdienste: Konzentrieren Sie sich nur auf den Empfang des Zielwinkels und die Ausgabe des PWM-Signals an den Servo.
• Routenplanungsdienst: Berechnen Sie eine glatte Bewegungskurve basierend auf der Aufgabe.
• Statusüberwachungsdienst: Sammeln Sie Daten wie Temperatur und Last und alarmieren Sie, wenn der Schwellenwert überschritten wird.

Jeder Dienst kommuniziert über leichtgewichtiges HTTP oder eine Nachrichtenwarteschlange. Fällt ein Dienst aus, hat dies in der Regel keine Auswirkungen auf den Betrieb anderer Dienste. Bei einem Upgrade können Sie Trassenpläne einzeln austauschen, ohne das gesamte System herunterfahren zu müssen.

Es ist wie beim modularen Aufbau von Maschinen: Wenn Sie einen bestimmten Zahnradsatz benötigen, müssen Sie nicht die gesamte Maschine demontieren.

Was bewirkt das in einem Maschinensteuerungsszenario?

Seien Sie flexibel. Sie können zunächst einen Dienst verwenden, um die grundlegende Hin- und Herbewegung des Servos zu implementieren, und dann später langsam einen visuellen Erkennungsdienst hinzufügen, damit der Roboterarm die Greifposition „sehen“ und anpassen kann. Jedes Mal, wenn eine neue Funktion hinzugefügt wird, ist es wie das Ein- und Ausstecken eines Bausteins.

Es ist fehlertolerant. Wenn der Statusüberwachungsdienst aufgrund von Netzwerkschwankungen vorübergehend getrennt wird, kann der Bewegungssteuerungsdienst weiterhin gemäß den empfangenen Anweisungen arbeiten, um ein plötzliches Herunterfahren der Geräte zu vermeiden. Solche „schwachen Abhängigkeiten“ sind beim Entwurf hochzuverlässiger Systeme wertvoll.

Ein weiterer Grund ist die Freiheit der technologischen Heterogenität. Der Kern-Bewegungssteuerungsdienst kann in C# geschrieben werden, und wenn es bequemer ist, Python zu verwenden, kann der Teil des maschinellen Lernens als ein anderer Dienst völlig unabhängig sein. Sie können zusammenarbeiten, indem sie sich auf das Datenformat einigen.

Aber Microservices sind kein Allheilmittel. Wenn der Dienst zu fein aufgeteilt wird, erhöht sich der Kommunikationsaufwand. Auch das Debuggen in einer verteilten Umgebung ist komplizierter als das einer einzelnen. Daher lautet der übliche Rat: Beginnen Sie mit der Aufteilung beim Kernengpass. Der komplexeste Teil Ihres mechanischen Systems ist beispielsweise die Flugbahn. Teilen Sie sie dann zunächst in einen Dienst auf.

Wie mache ich den ersten Schritt?

Sie müssen nicht von Anfang an eine perfekte Trennung anstreben. Sie können ein relativ unabhängiges Funktionsmodul aus dem vorhandenen Einzelprogramm extrahieren und es in einen Dienst umwandeln, der über das Netzwerk aufgerufen werden kann. Trennen Sie beispielsweise zunächst die Protokollierungsfunktion und lassen Sie sie Protokollnachrichten von anderen Modulen über HTTP empfangen.

.NET Core bietet eine Fülle von Tools, um diesen Prozess zu vereinfachen. Sie können ASP.NET Core verwenden, um schnell eine einfache Web-API als Dienstendpunkt zu erstellen, Docker-Container zum Kapseln von Umgebungsabhängigkeiten verwenden und dann Middleware für die Diensterkennung und den Lastausgleich verwenden.

Während des Prozesses werden Sie auf Probleme wie Datenkonsistenz und Timeout-Verarbeitung zwischen Diensten stoßen, die alle entsprechend dem tatsächlichen Szenario angepasst werden müssen. Wichtig ist jedoch, dass Sie beginnen, Ihren Code lockerer zu organisieren, was für die langfristige Wartung oft mehr Vor- als Nachteile hat.

Genau wie bei der Anpassung der mechanischen Struktur geht es manchmal nicht darum, die Geschwindigkeit sofort zu erhöhen, sondern um nachfolgende Änderungen reibungsloser zu gestalten.

Letztlich dient die Technologieauswahl letztlich dem Problem, das Sie lösen möchten. Microservice ist eine Architekturidee und .NET Core ist eines der Implementierungstools. Wenn Ihre Gerätesteuerungslogik immer komplexer wird und häufige Updates und Erweiterungen zur Norm werden, kann Ihnen dieses entkoppelte Denken dabei helfen, den Wartungsaufwand erheblich zu reduzieren.

Gute Architektur macht einfache Dinge nicht kompliziert, sondern macht komplizierte Dinge nachhaltig.

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