Saga-mønsteret: Implementering af distribuerede transaktioner for microservices

I en verden af microservices kan det være en betydelig udfordring at opretholde datakonsistens på tværs af flere services. Traditionelle ACID-transaktioner (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability), som almindeligvis bruges i monolitiske applikationer, er ofte uegnede til distribuerede miljøer. Det er her, Saga-mønsteret kommer ind i billedet og tilbyder en robust løsning til at håndtere distribuerede transaktioner og sikre dataintegritet på tværs af microservices.

Hvad er Saga-mønsteret?

Saga-mønsteret er et designmønster, der bruges til at styre en sekvens af lokale transaktioner på tværs af flere microservices. Det giver en måde at opnå eventual consistency på, hvilket betyder, at selvom data midlertidigt kan være inkonsistente, vil de til sidst konvergere til en konsistent tilstand. I stedet for at stole på en enkelt, atomisk transaktion, der spænder over flere services, opdeler Saga-mønsteret transaktionen i en række mindre, uafhængige transaktioner, som hver især udføres af en enkelt service.

Hver lokal transaktion inden for en Saga opdaterer databasen for en enkelt microservice. Hvis en af transaktionerne fejler, udfører Sagaen en række kompenserende transaktioner for at annullere de ændringer, der er foretaget af de foregående transaktioner, og ruller dermed effektivt den samlede operation tilbage.

Hvorfor bruge Saga-mønsteret?

Flere faktorer gør Saga-mønsteret til et værdifuldt værktøj til håndtering af transaktioner i microservice-arkitekturer:

• Afkobling: Sagaer fremmer løs kobling mellem microservices, hvilket giver dem mulighed for at udvikle sig uafhængigt uden at påvirke andre services. Dette er en afgørende fordel ved microservice-arkitekturer.
• Skalerbarhed: Ved at undgå langvarige, distribuerede transaktioner forbedrer Sagaer skalerbarhed og ydeevne. Hver microservice kan håndtere sine egne transaktioner uafhængigt, hvilket reducerer konflikter og forbedrer gennemløb.
• Robusthed: Sagaer er designet til at være robuste over for fejl. Hvis en transaktion fejler, kan Sagaen rulles tilbage, hvilket forhindrer datainkonsistens og sikrer, at systemet forbliver i en konsistent tilstand.
• Fleksibilitet: Saga-mønsteret giver fleksibilitet i håndteringen af komplekse forretningsprocesser, der spænder over flere services. Det giver dig mulighed for at definere sekvensen af transaktioner og de kompenserende handlinger, der skal træffes i tilfælde af fejl.

ACID vs. BASE

At forstå forskellen mellem ACID og BASE (Basically Available, Soft state, Eventually consistent) er afgørende, når man skal beslutte, om man skal bruge Saga-mønsteret.

• ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability): Garanterer, at transaktioner behandles pålideligt. Atomicitet sikrer, at enten alle operationer inden for en transaktion lykkes, eller ingen af dem gør. Konsistens sikrer, at en transaktion transformerer databasen fra én gyldig tilstand til en anden. Isolation sikrer, at samtidige transaktioner ikke forstyrrer hinanden. Holdbarhed sikrer, at når en transaktion er gennemført, forbliver den det, selv i tilfælde af et systemnedbrud.
• BASE (Basically Available, Soft state, Eventually consistent): Dette er en anderledes tilgang designet til distribuerede systemer. Basically Available betyder, at systemet er tilgængeligt det meste af tiden. Soft state betyder, at systemets tilstand kan ændre sig over tid, selv uden input. Eventually consistent betyder, at systemet til sidst vil blive konsistent, når det holder op med at modtage input. Saga-mønsteret er i overensstemmelse med BASE-principperne.

To primære implementeringsstrategier for Saga

Der er to primære måder at implementere Saga-mønsteret på: Koreografi og Orkestrering.

1. Koreografibaseret Saga

I en koreografibaseret Saga deltager hver microservice i Sagaen ved at lytte efter hændelser (events), der publiceres af andre microservices, og reagere i overensstemmelse hermed. Der er ingen central orkestrator; hver service kender sine ansvarsområder og ved, hvornår den skal udføre sine handlinger.

Sådan virker det:

1. Sagaen starter, når en microservice publicerer en hændelse, der indikerer starten på transaktionen.
2. Andre microservices abonnerer på denne hændelse og udfører, ved modtagelse, deres lokale transaktion.
3. Efter at have afsluttet deres transaktion publicerer hver microservice en anden hændelse, der indikerer succes eller fiasko for dens operation.
4. Andre microservices lytter efter disse hændelser og træffer passende foranstaltninger, enten ved at fortsætte til næste trin i Sagaen eller ved at starte kompenserende transaktioner, hvis der opstår en fejl.

Eksempel: E-handel ordreafgivelse (Koreografi)

1. Ordreservice: Modtager en ny ordreanmodning og publicerer en `OrderCreated`-hændelse.
2. Lagerservice: Abonnerer på `OrderCreated`. Ved modtagelse af hændelsen tjekker den lagerbeholdningen. Hvis der er nok, reserverer den varerne og publicerer `InventoryReserved`. Hvis der ikke er nok, publicerer den `InventoryReservationFailed`.
3. Betalingsservice: Abonnerer på `InventoryReserved`. Ved modtagelse af hændelsen behandler den betalingen. Hvis det lykkes, publicerer den `PaymentProcessed`. Hvis det mislykkes, publicerer den `PaymentFailed`.
4. Forsendelsesservice: Abonnerer på `PaymentProcessed`. Ved modtagelse af hændelsen forbereder den forsendelsen og publicerer `ShipmentPrepared`.
5. Ordreservice: Abonnerer på `ShipmentPrepared`. Ved modtagelse af hændelsen markerer den ordren som fuldført.
6. Kompensation: Hvis `PaymentFailed` eller `InventoryReservationFailed` publiceres, lytter de andre services og udfører kompenserende transaktioner (f.eks. frigivelse af reserveret lager).

Fordele ved koreografi:

• Simpelhed: Lettere at implementere for simple arbejdsgange.
• Decentraliseret: Fremmer løs kobling og uafhængig udvikling af microservices.

Ulemper ved koreografi:

• Kompleksitet: Kan blive komplekst at styre, efterhånden som antallet af deltagere i Sagaen stiger.
• Synlighed: Svært at spore den overordnede fremdrift og status for Sagaen.
• Kobling: Selvom det fremmer løs kobling, skal services stadig være opmærksomme på de hændelser, der publiceres af andre services.

2. Orkestreringsbaseret Saga

I en orkestreringsbaseret Saga styrer en central orkestrator (ofte implementeret som en dedikeret service eller en tilstandsmaskine) Sagaen og koordinerer udførelsen af lokale transaktioner af de deltagende microservices. Orkestratoren fortæller hver service, hvad den skal gøre, og hvornår den skal gøre det.

Sådan virker det:

1. Sagaen starter, når en klient anmoder orkestratoren om at igangsætte transaktionen.
2. Orkestratoren sender kommandoer til de deltagende microservices for at udføre deres lokale transaktioner.
3. Hver microservice udfører sin transaktion og meddeler orkestratoren om succes eller fiasko.
4. Baseret på resultatet beslutter orkestratoren, om den skal fortsætte til næste trin eller igangsætte kompenserende transaktioner.

Eksempel: E-handel ordreafgivelse (Orkestrering)

1. Ordreorkestrator: Modtager en ny ordreanmodning.
2. Ordreorkestrator: Sender en kommando til Lagerservice for at reservere varer.
3. Lagerservice: Reserverer varerne og meddeler Ordreorkestratoren.
4. Ordreorkestrator: Sender en kommando til Betalingsservice for at behandle betalingen.
5. Betalingsservice: Behandler betalingen og meddeler Ordreorkestratoren.
6. Ordreorkestrator: Sender en kommando til Forsendelsesservice for at forberede forsendelsen.
7. Forsendelsesservice: Forbereder forsendelsen og meddeler Ordreorkestratoren.
8. Ordreorkestrator: Markerer ordren som fuldført.
9. Kompensation: Hvis et trin fejler, sender Ordreorkestratoren kompenserende kommandoer til de relevante services (f.eks. frigivelse af reserveret lager).

Fordele ved orkestrering:

• Centraliseret kontrol: Lettere at styre og overvåge Sagaen fra et centralt punkt.
• Forbedret synlighed: Orkestratoren giver et klart overblik over den samlede fremdrift og status for Sagaen.
• Reduceret kobling: Microservices behøver kun at kommunikere med orkestratoren, hvilket reducerer direkte afhængigheder mellem dem.

Ulemper ved orkestrering:

• Kompleksitet: Kan være mere komplekst at implementere i starten, især for simple arbejdsgange.
• Enkelt fejlpunkt (Single Point of Failure): Orkestratoren kan blive et enkelt fejlpunkt, selvom dette kan afbødes med redundans og fejltolerancetiltag.

Implementering af kompenserende transaktioner

Et afgørende aspekt af Saga-mønsteret er implementeringen af kompenserende transaktioner. Disse transaktioner udføres for at annullere virkningerne af tidligere afsluttede transaktioner i tilfælde af fejl. Målet er at bringe systemet tilbage til en konsistent tilstand, selvom den samlede Saga ikke kan fuldføres.

Vigtige overvejelser for kompenserende transaktioner:

• Idempotens: Kompenserende transaktioner skal være idempotente, hvilket betyder, at de kan udføres flere gange uden at ændre resultatet. Dette er vigtigt, fordi fejl kan opstå på et hvilket som helst tidspunkt, og den kompenserende transaktion kan blive forsøgt igen.
• Håndtering af fejl: Kompenserende transaktioner kan også fejle. Du skal have en strategi for at håndtere fejl i kompenserende transaktioner, såsom at prøve igen, logge fejl og alarmere administratorer.
• Datakonsistens: Kompenserende transaktioner skal sikre, at data forbliver konsistente. Dette kan involvere at gendanne data til deres tidligere tilstand, slette nyoprettede data eller opdatere data for at afspejle annulleringen af transaktionen.

Eksempler på kompenserende transaktioner:

• Lagerservice: Hvis Lagerservice reserverede varer, men betalingen mislykkedes, ville den kompenserende transaktion være at frigive de reserverede varer.
• Betalingsservice: Hvis Betalingsservice behandlede en betaling, men forsendelsen mislykkedes, kan den kompenserende transaktion involvere at udstede en refusion.

Udfordringer og overvejelser

Selvom Saga-mønsteret tilbyder betydelige fordele, præsenterer det også nogle udfordringer og overvejelser:

• Kompleksitet: Implementering af Saga-mønsteret kan være komplekst, især for indviklede forretningsprocesser. Omhyggelig planlægning og design er afgørende.
• Eventual Consistency: Saga-mønsteret giver eventual consistency, hvilket betyder, at data midlertidigt kan være inkonsistente. Dette kan være en bekymring for applikationer, der kræver stærke konsistensgarantier.
• Testning: Testning af Sagaer kan være udfordrende på grund af deres distribuerede natur og potentialet for fejl på forskellige punkter.
• Overvågning: Overvågning af fremdriften og tilstanden af Sagaer er afgørende for at identificere og løse problemer. Du skal have passende overvågningsværktøjer og -processer på plads.
• Idempotens: At sikre, at transaktioner og kompenserende transaktioner er idempotente, er afgørende for at forhindre datainkonsistens.
• Isolation: Da Sagaer involverer flere lokale transaktioner, kan isolation være en bekymring. Strategier som semantiske låse eller optimistisk låsning kan være påkrævet.

Anvendelsestilfælde og eksempler

Saga-mønsteret er velegnet til en række anvendelsestilfælde, især i distribuerede systemer og microservice-arkitekturer. Her er nogle almindelige eksempler:

• E-handel ordrestyring: Som illustreret i eksemplerne ovenfor kan Saga-mønsteret bruges til at styre hele ordrens livscyklus, fra oprettelse af ordre til betalingsbehandling til forsendelse.
• Finansielle transaktioner: Saga-mønsteret kan bruges til at styre komplekse finansielle transaktioner, der involverer flere systemer, såsom pengeoverførsler, låneansøgninger og forsikringskrav.
• Forsyningskædestyring: Saga-mønsteret kan bruges til at koordinere aktiviteter på tværs af flere enheder i en forsyningskæde, såsom producenter, distributører og detailhandlere.
• Sundhedssystemer: Saga-mønsteret kan bruges til at styre patientjournaler og koordinere pleje på tværs af forskellige afdelinger og udbydere.

Eksempel: Global banktransaktion

Forestil dig et scenarie, der involverer en global banktransaktion mellem to forskellige banker i forskellige lande, underlagt forskellige regulativer og overensstemmelseskontroller. Saga-mønsteret kan sikre, at transaktionen følger de definerede trin:

1. Igangsæt transaktion: Kunden igangsætter en pengeoverførsel fra sin konto i Bank A (placeret i USA) til en modtagers konto i Bank B (placeret i Tyskland).
2. Bank A - Kontovalidering: Bank A validerer kundens konto, tjekker for tilstrækkelige midler og sikrer, at der ikke er nogen spærringer eller restriktioner.
3. Overensstemmelseskontrol (Bank A): Bank A kører en overensstemmelseskontrol for at sikre, at transaktionen ikke overtræder regler om hvidvaskning af penge (AML) eller internationale sanktioner.
4. Pengeoverførsel (Bank A): Bank A debiterer kundens konto og sender midlerne til et clearinghouse eller en mellemliggende bank.
5. Clearinghouse-behandling: Clearinghouse behandler transaktionen, udfører valutaomregning (USD til EUR) og sender midlerne til Bank B.
6. Bank B - Kontovalidering: Bank B validerer modtagerens konto og sikrer, at den er aktiv og berettiget til at modtage midler.
7. Overensstemmelseskontrol (Bank B): Bank B kører sin egen overensstemmelseskontrol i henhold til tyske og EU-regler.
8. Krediter konto (Bank B): Bank B krediterer modtagerens konto.
9. Bekræftelse: Bank B sender en bekræftelsesmeddelelse til Bank A, som derefter underretter kunden om, at transaktionen er fuldført.

Kompenserende transaktioner:

• Hvis overensstemmelseskontrollen i Bank A fejler, annulleres transaktionen, og kundens konto debiteres ikke.
• Hvis overensstemmelseskontrollen i Bank B fejler, returneres midlerne til Bank A, og kundens konto krediteres tilbage.
• Hvis der er problemer med valutaomregning eller routing i clearinghouse, tilbageføres transaktionen, og midlerne returneres til Bank A.

Værktøjer og teknologier

Flere værktøjer og teknologier kan hjælpe med at implementere Saga-mønsteret:

• Meddelelseskøer: Apache Kafka, RabbitMQ og Amazon SQS kan bruges til at publicere og abonnere på hændelser i en koreografibaseret Saga.
• Workflow-motorer: Camunda, Zeebe og Apache Airflow kan bruges til at implementere orkestratorer og styre komplekse arbejdsgange.
• Event Sourcing: Event sourcing kan bruges til at spore historikken af hændelser i en Saga og lette tilbageføring i tilfælde af fejl.
• Distribuerede transaktionsstyringssystemer: Nogle distribuerede transaktionsstyringssystemer, såsom Atomikos, kan bruges til at koordinere transaktioner på tværs af flere services. De er dog muligvis ikke egnede til alle microservice-arkitekturer på grund af deres iboende begrænsninger i distribuerede miljøer.
• Saga-frameworks: Der findes også Saga-frameworks, der tilbyder abstraktioner og værktøjer til implementering af Saga-mønsteret.

Bedste praksis for implementering af Saga-mønsteret

For effektivt at implementere Saga-mønsteret bør du overveje følgende bedste praksis:

• Omhyggeligt design: Analyser dine forretningskrav grundigt og design Sagaen i overensstemmelse hermed. Identificer de deltagende microservices, sekvensen af transaktioner og de kompenserende handlinger.
• Idempotens: Sørg for, at alle transaktioner og kompenserende transaktioner er idempotente.
• Fejlhåndtering: Implementer robuste fejlhåndteringsmekanismer til at håndtere fejl på ethvert tidspunkt i Sagaen.
• Overvågning og logning: Implementer omfattende overvågning og logning for at spore fremdriften og tilstanden af Sagaer.
• Testning: Test dine Sagaer grundigt for at sikre, at de fungerer korrekt og håndterer fejl elegant.
• Semantiske låse: Implementer semantiske låse for at forhindre samtidige opdateringer af de samme data af forskellige Sagaer.
• Optimistisk låsning: Brug optimistisk låsning til at opdage og forhindre konflikter mellem samtidige transaktioner.
• Vælg den rigtige implementeringsstrategi: Overvej omhyggeligt afvejningerne mellem koreografi og orkestrering, og vælg den strategi, der bedst passer til dine behov.
• Definer klare kompensationspolitikker: Etabler klare politikker for håndtering af kompensation, herunder betingelserne for, hvornår kompensation udløses, og de specifikke handlinger, der skal træffes.

Konklusion

Saga-mønsteret er et kraftfuldt værktøj til at styre distribuerede transaktioner i microservice-arkitekturer. Ved at opdele transaktioner i en række mindre, uafhængige transaktioner og tilbyde en mekanisme til at kompensere for fejl, gør Saga-mønsteret det muligt for dig at opretholde datakonsistens og bygge robuste, skalerbare og afkoblede systemer. Selvom Saga-mønsteret kan være komplekst at implementere, gør de fordele, det tilbyder med hensyn til fleksibilitet, skalerbarhed og robusthed, det til et værdifuldt aktiv for enhver microservice-arkitektur.

At forstå nuancerne i Saga-mønsteret, afvejningerne mellem koreografi og orkestrering samt vigtigheden af kompenserende transaktioner vil give dig mulighed for at designe og implementere robuste distribuerede systemer, der imødekommer kravene i nutidens komplekse forretningsmiljøer. At omfavne Saga-mønsteret er et skridt mod at bygge virkelig robuste og skalerbare microservice-arkitekturer, der er i stand til at håndtere selv de mest komplekse distribuerede transaktioner med selvtillid. Husk at overveje dine specifikke behov og kontekst, når du anvender dette mønster, og finpuds løbende din implementering baseret på erfaringer fra den virkelige verden og feedback.