Hajutatud Tehingud: Süvaülevaade Kahefaasilisest Commit-protokollist (2PC)

Tänapäeval üha enam omavahel ühendatud maailmas peavad rakendused sageli suhtlema andmetega, mis on salvestatud mitmetes sõltumatutes süsteemides. See toob kaasa hajutatud tehingute mõiste, kus üks loogiline toiming nõuab muudatuste tegemist mitmes andmebaasis või teenuses. Andmete järjepidevuse tagamine sellistes stsenaariumides on ülimalt tähtis ning üks tuntumaid protokolle selle saavutamiseks on Kahefaasiline Commit (2PC).

Mis on Hajutatud Tehing?

Hajutatud tehing on toimingute jada, mida sooritatakse mitmetes geograafiliselt hajutatud süsteemides, käsitledes neid ühe aatomse üksusena. See tähendab, et kas kõik tehingu sees olevad toimingud peavad õnnestuma (commit), või ühtegi ei tohi teha (rollback). See "kõik või mitte midagi" põhimõte tagab andmete terviklikkuse kogu hajutatud süsteemis.

Kujutage ette stsenaariumi, kus klient Tokyos broneerib lennu Tokyost Londonisse ühel lennufirma süsteemil ja samal ajal reserveerib hotellitoa Londonis teises hotellibroneerimissüsteemis. Neid kahte toimingut (lennubroneering ja hotellisamine) tuleks ideaalis käsitleda ühe tehinguna. Kui lennubroneering õnnestub, kuid hotellisamine ebaõnnestub, peaks süsteem ideaalis tühistama lennubroneeringu, et vältida kliendi hätta jätmist Londonis ilma majutuseta. See koordineeritud käitumine on hajutatud tehingu olemus.

Tutvustus Kahefaasilise Commit (2PC) Protokolli

Kahefaasiline Commit (2PC) protokoll on hajutatud algoritm, mis tagab aatomilisuse mitme ressursihalduri (nt andmebaaside) vahel. See hõlmab keskset koordinaatorit ja mitmeid osalejaid, kus igaüks vastutab kindla ressursi haldamise eest. Protokoll töötab kahes eraldiseisvas faasis:

1. Faas: Ettevalmistusfaas

Selles faasis algatab koordinaator tehingu ja palub igal osalejal valmistuda tehingu commit'imiseks või tagasivõtmiseks. Kaasatud sammud on järgmised:

1. Koordinaator saadab ettevalmistustaotluse: Koordinaator saadab "prepare" sõnumi kõigile osalejatele. See sõnum annab märku, et koordinaator on valmis tehingu commit'ima ja palub igal osalejal selleks valmistuda.
2. Osalejad valmistuvad ja vastavad: Iga osaleja saab ettevalmistustaotluse ja sooritab järgmised toimingud:
   • See teeb vajalikud sammud, et tagada, et ta suudab tehingu commit'ida või tagasi võtta (nt kirjutades redo/undo logisid).
   • See saadab koordinaatorile tagasi "hääle", näidates kas "valmis commit'ima" ("jah" hääl) või "ei saa commit'ida" ("ei" hääl). "Ei" hääl võib olla tingitud ressursipiirangutest, andmete valideerimisest või muudest vigadest.

Osalejate jaoks on kriitiline garanteerida, et nad saavad pärast "jah" hääletamist muudatused kas commit'ida või tagasi võtta. See hõlmab tavaliselt muudatuste salvestamist püsivasse mällu (nt kettale).

2. Faas: Commit või Tagasivõtu Faas

Selle faasi algatab koordinaator ettevalmistusfaasis saadud häälte põhjal. Võimalikud on kaks tulemust:

Tulemus 1: Commit

Kui koordinaator saab kõigilt osalejatelt "jah" hääli, jätkab ta tehingu commit'imisega.

1. Koordinaator saadab Commit-taotluse: Koordinaator saadab "commit" sõnumi kõigile osalejatele.
2. Osalejad Commit'ivad: Iga osaleja saab commit-taotluse ja rakendab püsivalt tehinguga seotud muudatused oma ressursile.
3. Osalejad Kinnitavad: Iga osaleja saadab koordinaatorile tagasi kinnitussõnumi, et kinnitada, et commit-toiming õnnestus.
4. Koordinaator Lõpetab: Pärast kõigilt osalejatelt kinnituste saamist märgib koordinaator tehingu lõpetatuks.

Tulemus 2: Tagasivõtt

Kui koordinaator saab kasvõi ühe "ei" hääle mõnelt osalejalt või kui tema ooteaeg vastuse saamiseks osalejalt aegub, otsustab ta tehingu tagasi võtta.

1. Koordinaator saadab Tagasivõtu-taotluse: Koordinaator saadab "rollback" sõnumi kõigile osalejatele.
2. Osalejad Võtavad Tagasi: Iga osaleja saab tagasivõtutaotluse ja tühistab kõik muudatused, mis tehti tehingu ettevalmistamiseks.
3. Osalejad Kinnitavad: Iga osaleja saadab koordinaatorile tagasi kinnitussõnumi, et kinnitada, et tagasivõtutoiming õnnestus.
4. Koordinaator Lõpetab: Pärast kõigilt osalejatelt kinnituste saamist märgib koordinaator tehingu lõpetatuks.

Illustratiivne Näide: E-kaubanduse Tellimuste Töötlus

Mõelge e-kaubanduse süsteemile, kus tellimus hõlmab inventuuride andmebaasi värskendamist ja makse töötlemist eraldi maksevärava kaudu. Need on kaks erinevat süsteemi, mis peavad osalema hajutatud tehingus.

1. Ettevalmistusfaas:
   • E-kaubanduse süsteem (koordinaator) saadab ettevalmistustaotluse inventuuride andmebaasile ja makseväravale.
   • Inventuuride andmebaas kontrollib, kas taotletud esemed on laos ja reserveerib need. Seejärel hääletab "jah", kui õnnestub, või "ei", kui esemed on otsas.
   • Maksevärav e-autoriseerib makse. Seejärel hääletab "jah", kui õnnestub, või "ei", kui autoriseerimine ebaõnnestub (nt ebapiisavad vahendid).
2. Commit/Tagasivõtu Faas:
   • Commit-stsenaarium: Kui nii inventuuride andmebaas kui ka maksevärav hääletavad "jah", saadab koordinaator mõlemale commit-taotluse. Inventuuride andmebaas vähendab püsivalt laoseisu ja maksevärav võtab makse vastu.
   • Tagasivõtu-stsenaarium: Kui kas inventuuride andmebaas või maksevärav hääletab "ei", saadab koordinaator mõlemale tagasivõtutaotluse. Inventuuride andmebaas vabastab reserveeritud esemed ja maksevärav tühistab e-autoriseerimise.

Kahefaasilise Commit Eelised

• Aatomilisus: 2PC garanteerib aatomilisuse, tagades, et kõik osalevad süsteemid kas commit'ivad või võtavad tehingu koos tagasi, säilitades andmete järjepidevuse.
• Lihtsus: 2PC protokoll on suhteliselt lihtne mõista ja rakendada.
• Lai Kasutus: Paljud andmebaasisüsteemid ja tehingutöötlussüsteemid toetavad 2PC-d.

Kahefaasilise Commit Puudused

• Blokeerimine: 2PC võib põhjustada blokeerimist, kus osalejad on sunnitud ootama, kuni koordinaator teeb otsuse. Kui koordinaator ebaõnnestub, võivad osalejad jääda määramatuks ajaks blokeerituks, hoides ressursse ja takistades teiste tehingute jätkumist. See on oluline mure kõrge kättesaadavusega süsteemides.
• Üksik tõrkeallikas: Koordinaator on üksik tõrkeallikas. Kui koordinaator ebaõnnestub enne commit- või tagasivõtutaotluse saatmist, jäävad osalejad ebakindlasse olukorda. See võib põhjustada andmete ebajärjepidevusi või ressursi lukustusi.
• Toimivusülesanded: Protokolli kahefaasiline olemus toob kaasa märkimisväärsed ülesanded, eriti geograafiliselt hajutatud süsteemides, kus võrgu viivitus on suur. Koordinaatori ja osalejate vahelised mitmed suhtlusringid võivad tehingutöötluse aega oluliselt mõjutada.
• Tõrgete Käitlemise Keerukus: Koordinaatori tõrgetest või võrgu jaotumistest taastumine võib olla keeruline, nõudes käsitsi sekkumist või keerukaid taastamismehhanisme.
• Skaleeritavuse Piirangud: Osalejate arvu kasvades kasvavad 2PC keerukus ja ülesanded eksponentsiaalselt, piirates selle skaleeritavust suurtel hajutatud süsteemidel.

Alternatiivid Kahefaasilisele Commitile

Tulenevalt 2PC piirangutest on tekkinud mitmeid alternatiivseid lähenemisviise hajutatud tehingute haldamiseks. Nende hulka kuuluvad:

• Kolmefaasiline Commit (3PC): 2PC laiendus, mis püüab lahendada blokeerimisprobleemi, lisades täiendava faasi commit-otsuse ettevalmistamiseks. 3PC on aga siiski blokeerimisele vastuvõtlik ja keerukam kui 2PC.
• Saga Muster: Pikaajalise tehingu muster, mis jagab hajutatud tehingu kohalike tehingute seeriasse. Iga kohalik tehing värskendab ühte teenust. Kui üks tehing ebaõnnestub, täidetakse kompenseerivate tehingutega, et tühistada eelnevate tehingute mõjud. See muster sobib lõpliku järjepidevuse stsenaariumideks.
• Kahefaasiline Commit Kompenseerivate Tehingutega: Ühendab 2PC kriitiliste toimingute jaoks kompenseerivate tehingutega vähem kriitiliste toimingute jaoks. See lähenemisviis võimaldab tasakaalu tugeva järjepidevuse ja jõudluse vahel.
• Lõplik Järjepidevus: Järjepidevuse mudel, mis võimaldab ajutisi järjepidevusi süsteemide vahel. Andmed muutuvad lõpuks järjepidevaks, kuid võib esineda viivitus. See lähenemisviis sobib rakendustele, mis taluvad teatud tasemel järjepidevust.
• BASE (Põhimõtteliselt Kättesaadav, Pehme olek, Lõpuks Järjepidev): Põhimõtete kogum, mis seab kättesaadavuse ja jõudluse tugeva järjepidevuse ees. BASE-põhimõtete järgi kujundatud süsteemid on tõrgetele vastupidavamad ja neid saab kergemini skaleerida.

Kahefaasilise Commit Praktilised Rakendused

Vaatamata selle piirangutele kasutatakse 2PC-d endiselt erinevates stsenaariumides, kus tugev järjepidevus on kriitiline nõue. Mõned näited hõlmavad:

• Pangandussüsteemid: Raha ülekandmine kontode vahel nõuab sageli hajutatud tehingut, et tagada raha debiteerimine ühest kontolt ja krediteerimine teisele aatomselt. Mõelge piiriülesele maksesüsteemile, kus saatja pank ja vastuvõttev pank on erinevatel süsteemidel. 2PC-d võidakse kasutada selle tagamiseks, et raha kantakse õigesti üle, isegi kui üks pank kogeb ajutist tõrget.
• Tellimuste Töötlussüsteemid: Nagu e-kaubanduse näites illustreeritud, võib 2PC tagada, et tellimuste esitamine, inventuuri värskendused ja maksete töötlemine toimuvad aatomselt.
• Ressursside Haldussüsteemid: Ressursside eraldamine erinevate süsteemide vahel, näiteks virtuaalmasinate või võrguriba laiuse, võib nõuda hajutatud tehingut, et tagada ressursside järjepidev eraldamine.
• Andmebaaside Replikatsioon: Järjepidevuse säilitamine replikeeritud andmebaaside vahel võib hõlmata hajutatud tehinguid, eriti stsenaariumides, kus andmeid värskendatakse samaaegselt mitmel replikal.

Kahefaasilise Commit Rakendamine

2PC rakendamine nõuab erinevate tegurite hoolikat kaalumist, sealhulgas:

• Tehingute Koordinaator: Sobiva tehingukoordinaatori valimine on kriitiline. Paljud andmebaasisüsteemid pakuvad sisseehitatud tehingukoordinaatoreid, samas kui teised võimalused hõlmavad eraldiseisvaid tehinguhaldureid nagu JTA (Java Transaction API) või sõnumijärjekordade hajutatud tehingukoordinaatoreid.
• Ressursihaldurid: Ressursihaldurid, mis toetavad 2PC-d, on hädavajalikud. Enamik kaasaegseid andmebaasisüsteeme ja sõnumijärjekordi pakuvad 2PC tuge.
• Tõrgete Käitlemine: Tugevate tõrgete käitlemismehhanismide rakendamine on kriitiline, et minimeerida koordinaatori või osalejate tõrgete mõju. See võib hõlmata tehingulogide kasutamist, ooteaja mehhanismide rakendamist ja käsitsi sekkumise võimaluste pakkumist.
• Jõudluse Häälestus: 2PC jõudluse optimeerimine nõuab erinevate parameetrite, nagu tehingu ooteajad, võrgusätted ja andmebaasisätted, hoolikat häälestust.
• Järelevalve ja Logimine: Põhjaliku järelevalve ja logimise rakendamine on hädavajalik hajutatud tehingute oleku jälgimiseks ja võimalike probleemide tuvastamiseks.

Globaalsed Kaalutlused Hajutatud Tehingute Kohta

Hajutatud tehingute kavandamisel ja rakendamisel globaalses keskkonnas tuleb kaaluda mitmeid täiendavaid tegureid:

• Võrgu Viivitus: Võrgu viivitus võib 2PC jõudlust oluliselt mõjutada, eriti geograafiliselt hajutatud süsteemides. Võrguühenduste optimeerimine ja andmete vahemälu tehnoloogiate kasutamine võib aidata viivituse mõju leevendada.
• Ajavööndi Erinevused: Ajavööndi erinevused võivad tehingutöötlust keerulisemaks muuta, eriti kui tegemist on ajatemplite ja plaanitud sündmustega. Ühtse ajavööndi (nt UTC) kasutamine on soovitatav.
• Andmete Lokaliseerimine: Andmete lokaliseerimise nõuded võivad vajalikuks teha andmete salvestamist erinevates piirkondades. See võib hajutatud tehinguhaldust veelgi keerulisemaks muuta ja nõuab hoolikat planeerimist, et tagada vastavus andmete privaatsuse määrustele.
• Valuuta Konverteerimine: Kui tegeletakse mitme valuuta kaasavate finantstehingutega, tuleb valuuta konverteerimist hoolikalt käsitleda, et tagada täpsus ja vastavus määrustele.
• Regulatiivne Vastavus: Erinevatel riikidel on erinevad andmete privaatsuse, turvalisuse ja finantstehingutega seotud määrused. Nende määruste vastavuse tagamine on hädavajalik hajutatud tehingute kavandamisel ja rakendamisel.

Kokkuvõte

Hajutatud tehingud ja Kahefaasiline Commit (2PC) protokoll on olulised mõisted robustsete ja järjepidevate hajutatud süsteemide ehitamisel. Kuigi 2PC pakub lihtsat ja laialt kasutatavat lahendust aatomilisuse tagamiseks, tingivad selle piirangud, eriti blokeerimise ja üksikute tõrkeallikate osas, alternatiivsete lähenemisviiside nagu Saga ja lõpliku järjepidevuse hoolika kaalumise. Tugeva järjepidevuse, kättesaadavuse ja jõudluse vaheliste kompromisside mõistmine on teie konkreetsete rakendusvajaduste jaoks õige lähenemisviisi valimisel ülioluline. Lisaks, globaalses keskkonnas tegutsedes tuleb täiendavaid kaalutlusi võtta seoses võrgu viivituse, ajavööndite, andmete lokaliseerimise ja regulatiivse vastavuse kohta, et tagada hajutatud tehingute edukus.