Sõnumijärjekordade disain: sõnumite järjestuse tagamine

Sõnumijärjekorrad on kaasaegsete hajutatud süsteemide oluline ehituskivi, mis võimaldab asünkroonset suhtlust teenuste vahel, parandab skaleeritavust ja suurendab vastupidavust. Siiski on paljude rakenduste jaoks kriitiline nõue tagada, et sõnumeid töödeldakse samas järjekorras, nagu need saadeti. See blogipostitus uurib hajutatud sõnumijärjekordades sõnumite järjestuse säilitamise väljakutseid ning pakub põhjalikku juhendit erinevate disainistrateegiate ja kompromisside kohta.

Miks sõnumite järjestus on oluline

Sõnumite järjestus on ülioluline stsenaariumides, kus sündmuste järjekord on oluline andmete konsistentsuse ja rakenduse loogika säilitamiseks. Mõelge järgmistele näidetele:

• Finantstehingud: Pangandussüsteemis tuleb deebet- ja kreeditoperatsioonid töödelda õiges järjekorras, et vältida arvelduskrediidi ületamist või valesid saldosid. Deebetsõnumi saabumine pärast kreeditsõnumit võib põhjustada ebatäpse kontoseisu.
• Tellimuste töötlemine: E-kaubanduse platvormil tuleb tellimuse esitamise, makse töötlemise ja saadetise kinnitamise sõnumid töödelda õiges järjekorras, et tagada sujuv kliendikogemus ja täpne laohaldus.
• Sündmuste logimine (Event Sourcing): Sündmustepõhises süsteemis esindab sündmuste järjekord rakenduse olekut. Sündmuste töötlemine vales järjekorras võib põhjustada andmete riknemist ja vastuolusid.
• Sotsiaalmeedia vood: Kuigi lõplik konsistentsus on sageli vastuvõetav, võib postituste kuvamine mittekronoloogilises järjekorras olla kasutajale pettumust valmistav kogemus. Sageli soovitakse peaaegu reaalajas järjestust.
• Laohaldus: Laovarude taseme uuendamisel, eriti hajutatud keskkonnas, on täpsuse tagamiseks ülioluline, et laolisamised ja -vähendamised töödeldaks õiges järjekorras. Stsenaarium, kus müük töödeldakse enne vastavat laolisamist (tagastuse tõttu), võib viia valede laovarude ja potentsiaalse üle-müümiseni.

Sõnumite järjestuse säilitamata jätmine võib põhjustada andmete riknemist, valet rakenduse olekut ja halvenenud kasutajakogemust. Seetõttu on sõnumijärjekorra disainimisel oluline hoolikalt kaaluda sõnumite järjestuse tagamist.

Sõnumite järjestuse säilitamise väljakutsed

Sõnumite järjestuse säilitamine hajutatud sõnumijärjekorras on keeruline mitmete tegurite tõttu:

• Hajutatud arhitektuur: Sõnumijärjekorrad töötavad sageli hajutatud keskkonnas mitme vahendaja või sõlmega. On raske tagada, et sõnumeid töödeldakse kõigis sõlmedes samas järjekorras.
• Samaaegsus: Mitmed tarbijad võivad sõnumeid töödelda samaaegselt, mis võib viia järjestusest väljas töötlemiseni.
• Tõrked: Sõlmede tõrked, võrgu partitsioonid või tarbijate krahhid võivad sõnumite töötlemist häirida ja põhjustada järjestusprobleeme.
• Sõnumite korduskatsed: Ebaõnnestunud sõnumite uuesti proovimine võib tekitada järjestusprobleeme, kui uuesti proovitud sõnum töödeldakse enne järgnevaid sõnumeid.
• Koormuse jaotamine: Sõnumite jaotamine mitme tarbija vahel koormuse jaotamise strateegiate abil võib tahtmatult viia sõnumite töötlemiseni vales järjekorras.

Strateegiad sõnumite järjestuse tagamiseks

Hajutatud sõnumijärjekordades sõnumite järjestuse tagamiseks saab kasutada mitmeid strateegiaid. Igal strateegial on oma kompromissid jõudluse, skaleeritavuse ja keerukuse osas.

1. Üks järjekord, üks tarbija

Kõige lihtsam lähenemine on kasutada ühte järjekorda ja ühte tarbijat. See tagab, et sõnumeid töödeldakse vastuvõtmise järjekorras. Kuid see lähenemine piirab skaleeritavust ja läbilaskevõimet, kuna korraga saab sõnumeid töödelda ainult üks tarbija. See lähenemine on elujõuline madala mahuga, järjestuskriitiliste stsenaariumide jaoks, näiteks pangaülekannete töötlemine ükshaaval väikese finantsasutuse jaoks.

Eelised:

• Lihtne rakendada
• Tagab range järjestuse

Puudused:

• Piiratud skaleeritavus ja läbilaskevõime
• Üksainus tõrkepunkt

2. Partitsioonimine järjestusvõtmetega

Skaleeritavam lähenemine on järjekorra partitsioonimine järjestusvõtme alusel. Sama järjestusvõtmega sõnumid toimetatakse garanteeritult samasse partitsiooni ja tarbijad töötlevad sõnumeid igas partitsioonis järjekorras. Levinud järjestusvõtmed võivad olla kasutaja ID, tellimuse ID või kontonumber. See võimaldab erinevate järjestusvõtmetega sõnumite paralleelset töötlemist, säilitades samal ajal järjestuse iga võtme piires.

Näide:

Kujutage ette e-kaubanduse platvormi, kus konkreetse tellimusega seotud sõnumid tuleb töödelda järjekorras. Tellimuse ID-d saab kasutada järjestusvõtmena. Kõik tellimuse ID-ga 123 seotud sõnumid (nt tellimuse esitamine, makse kinnitamine, saadetise uuendused) suunatakse samasse partitsiooni ja töödeldakse järjekorras. Teise tellimuse ID-ga (nt tellimuse ID 456) seotud sõnumeid saab töödelda samaaegselt teises partitsioonis.

Populaarsed sõnumijärjekorra süsteemid nagu Apache Kafka ja Apache Pulsar pakuvad sisseehitatud tuge partitsioonimiseks järjestusvõtmetega.

Eelised:

• Parem skaleeritavus ja läbilaskevõime võrreldes ühe järjekorraga
• Tagab järjestuse igas partitsioonis

Puudused:

• Nõuab hoolikat järjestusvõtme valikut
• Järjestusvõtmete ebaühtlane jaotus võib viia kuumade partitsioonideni
• Keerukus partitsioonide ja tarbijate haldamisel

3. Järjestusnumbrid

Teine lähenemine on määrata sõnumitele järjestusnumbrid ja tagada, et tarbijad töötlevad sõnumeid järjestusnumbrite järjekorras. Seda saab saavutada puhverdades sõnumeid, mis saabuvad vales järjekorras, ja vabastades need, kui eelnevad sõnumid on töödeldud. See nõuab mehhanismi puuduvate sõnumite tuvastamiseks ja uuesti edastamise taotlemiseks.

Näide:

Hajutatud logimissüsteem saab logisõnumeid mitmest serverist. Iga server määrab oma logisõnumitele järjestusnumbri. Logide koondaja puhverdab sõnumid ja töötleb neid järjestusnumbrite järjekorras, tagades, et logisündmused on õigesti järjestatud isegi siis, kui need saabuvad võrguviivituste tõttu vales järjekorras.

Eelised:

• Pakub paindlikkust vales järjekorras saabunud sõnumite käsitlemisel
• Saab kasutada mis tahes sõnumijärjekorra süsteemiga

Puudused:

• Nõuab puhverdamis- ja ümberjärjestamisloogikat tarbija poolel
• Suurenenud keerukus puuduvate sõnumite ja korduskatsete käsitlemisel
• Võimalik latentsuse suurenemine puhverdamise tõttu

4. Idempotentsed tarbijad

Idempotentsus on operatsiooni omadus, mida saab rakendada mitu korda, ilma et tulemus muutuks pärast esialgset rakendamist. Kui tarbijad on disainitud olema idempotentsed, saavad nad sõnumeid ohutult mitu korda töödelda, ilma et see põhjustaks vastuolusid. See võimaldab vähemalt-ühe-korra kohaletoimetamise semantikat, kus sõnumid toimetatakse garanteeritult kohale vähemalt korra, kuid võivad olla toimetatud rohkem kui korra. Kuigi see ei taga ranget järjestust, saab seda kombineerida teiste tehnikatega, nagu järjestusnumbrid, et tagada lõplik konsistentsus isegi siis, kui sõnumid saabuvad esialgu vales järjekorras.

Näide:

Maksete töötlemise süsteemis saab tarbija maksekinnituse sõnumeid. Tarbija kontrollib andmebaasist, kas makse on juba töödeldud. Kui makse on juba töödeldud, ignoreerib tarbija sõnumit. Vastasel juhul töötleb ta makse ja uuendab andmebaasi. See tagab, et isegi kui sama maksekinnituse sõnum võetakse vastu mitu korda, töödeldakse makse ainult üks kord.

Eelised:

• Lihtsustab sõnumijärjekorra disaini, lubades vähemalt-ühe-korra kohaletoimetamist
• Vähendab sõnumite dubleerimise mõju

Puudused:

• Nõuab hoolikat tarbijate disaini idempotentsuse tagamiseks
• Lisab keerukust tarbija loogikale
• Ei taga sõnumite järjestust

5. Tehingulise väljundkasti muster

Tehingulise väljundkasti muster (Transactional Outbox pattern) on disainimuster, mis tagab, et sõnumid avaldatakse usaldusväärselt sõnumijärjekorda osana andmebaasi tehingust. See tagab, et sõnumid avaldatakse ainult siis, kui andmebaasi tehing õnnestub, ja et sõnumid ei lähe kaduma, kui rakendus enne sõnumi avaldamist kokku jookseb. Kuigi see keskendub peamiselt usaldusväärsele sõnumite kohaletoimetamisele, saab seda kasutada koos partitsioonimisega, et tagada konkreetse olemiga seotud sõnumite järjestatud kohaletoimetamine.

Kuidas see töötab:

1. Kui rakendus peab uuendama andmebaasi ja avaldama sõnumi, sisestab see sõnumi "väljundkasti" tabelisse sama andmebaasi tehingu sees, mis teeb andmete uuenduse.
2. Eraldi protsess (nt andmebaasi tehingulogi jälgija või ajastatud töö) jälgib väljundkasti tabelit.
3. See protsess loeb sõnumid väljundkasti tabelist ja avaldab need sõnumijärjekorda.
4. Kui sõnum on edukalt avaldatud, märgib protsess sõnumi saadetuks (või kustutab selle) väljundkasti tabelist.

Näide:

Kui uus klienditellimus esitatakse, sisestab rakendus tellimuse andmed tabelisse `orders` ja vastava sõnumi tabelisse `outbox`, kõik sama andmebaasi tehingu sees. Sõnum `outbox` tabelis sisaldab teavet uue tellimuse kohta. Eraldi protsess loeb selle sõnumi ja avaldab selle järjekorda `new_orders`. See tagab, et sõnum avaldatakse ainult siis, kui tellimus on andmebaasis edukalt loodud, ja et sõnum ei lähe kaduma, kui rakendus enne selle avaldamist kokku jookseb. Lisaks tagab kliendi ID kasutamine partitsioonivõtmena sõnumijärjekorda avaldamisel, et kõik selle kliendiga seotud sõnumid töödeldakse järjekorras.

Eelised:

• Tagab usaldusväärse sõnumite kohaletoimetamise ja aatomiilisuse andmebaasi uuenduste ja sõnumite avaldamise vahel.
• Saab kombineerida partitsioonimisega, et tagada seotud sõnumite järjestatud kohaletoimetamine.

Puudused:

• Lisab rakendusele keerukust ja nõuab eraldi protsessi väljundkasti tabeli jälgimiseks.
• Nõuab andmebaasi tehingute isolatsioonitasemete hoolikat kaalumist, et vältida andmete vastuolusid.

Õige strateegia valimine

Parim strateegia sõnumite järjestuse tagamiseks sõltub rakenduse konkreetsetest nõuetest. Kaaluge järgmisi tegureid:

• Skaleeritavuse nõuded: Kui suurt läbilaskevõimet on vaja? Kas rakendus talub ühte tarbijat või on vajalik partitsioonimine?
• Järjestusnõuded: Kas kõigi sõnumite jaoks on vaja ranget järjestust või on järjestus oluline ainult seotud sõnumite puhul?
• Keerukus: Kui palju keerukust rakendus talub? Lihtsad lahendused, nagu üks järjekord, on lihtsamad rakendada, kuid ei pruugi hästi skaleeruda.
• Tõrketaluvus: Kui vastupidav peab süsteem olema tõrgetele?
• Latentsusnõuded: Kui kiiresti tuleb sõnumeid töödelda? Puhverdamine ja ümberjärjestamine võivad latentsust suurendada.
• Sõnumijärjekorra süsteemi võimekused: Milliseid järjestusfunktsioone valitud sõnumijärjekorra süsteem pakub?

Siin on otsustusjuhend, mis aitab teil valida õige strateegia:

• Range järjestus, madal läbilaskevõime: Üks järjekord, üks tarbija
• Järjestatud sõnumid konteksti piires (nt kasutaja, tellimus), suur läbilaskevõime: Partitsioonimine järjestusvõtmetega
• Aeg-ajalt vales järjekorras saabuvate sõnumite käsitlemine, paindlikkus: Järjestusnumbrid puhverdamisega
• Vähemalt-ühe-korra kohaletoimetamine, sõnumite dubleerimine talutav: Idempotentsed tarbijad
• Aatomiilisuse tagamine andmebaasi uuenduste ja sõnumite avaldamise vahel: Tehingulise väljundkasti muster (saab kombineerida partitsioonimisega järjestatud kohaletoimetamiseks)

Sõnumijärjekorra süsteemi kaalutlused

Erinevad sõnumijärjekorra süsteemid pakuvad erineval tasemel tuge sõnumite järjestamiseks. Sõnumijärjekorra süsteemi valimisel kaaluge järgmist:

• Järjestuse tagamine: Kas süsteem tagab range järjestuse või tagab see järjestuse ainult partitsiooni piires?
• Partitsioonimise tugi: Kas süsteem toetab partitsioonimist järjestusvõtmetega?
• Täpselt-ühe-korra semantika: Kas süsteem pakub täpselt-ühe-korra semantikat või pakub see ainult vähemalt-ühe-korra või kõige-rohkem-ühe-korra semantikat?
• Tõrketaluvus: Kui hästi süsteem tuleb toime sõlmede tõrgete ja võrgu partitsioonidega?

Siin on lühike ülevaade mõnede populaarsete sõnumijärjekorra süsteemide järjestusvõimalustest:

• Apache Kafka: Pakub ranget järjestust partitsiooni piires. Sama võtmega sõnumid toimetatakse garanteeritult samasse partitsiooni ja töödeldakse järjekorras.
• Apache Pulsar: Pakub ranget järjestust partitsiooni piires. Toetab ka sõnumite dedublitseerimist, et saavutada täpselt-ühe-korra semantika.
• RabbitMQ: Toetab ühte järjekorda ja ühte tarbijat range järjestuse saavutamiseks. Toetab ka partitsioonimist vahetustüüpide ja marsruutimisvõtmete abil, kuid järjestus ei ole garanteeritud üle partitsioonide ilma täiendava kliendipoolse loogikata.
• Amazon SQS: Pakub parima võimaliku järjestust. Sõnumid toimetatakse üldiselt kohale saatmise järjekorras, kuid järjestusest väljas kohaletoimetamine on võimalik. SQS FIFO järjekorrad (First-In-First-Out) pakuvad täpselt-ühe-korra töötlemist ja järjestuse tagamist.
• Azure Service Bus: Toetab sõnumiseansse, mis pakuvad viisi seotud sõnumite grupeerimiseks ja tagavad, et neid töötleb järjekorras üksainus tarbija.

Praktilised kaalutlused

Lisaks õige strateegia ja sõnumijärjekorra süsteemi valimisele kaaluge järgmisi praktilisi kaalutlusi:

• Monitooring ja teavitused: Rakendage monitooring ja teavitused, et tuvastada järjestusest väljas olevaid sõnumeid ja muid järjestusprobleeme.
• Testimine: Testige sõnumijärjekorra süsteemi põhjalikult, et tagada selle vastavus järjestusnõuetele. Lisage teste, mis simuleerivad tõrkeid ja samaaegset töötlemist.
• Hajutatud jälitamine: Rakendage hajutatud jälitamine, et jälgida sõnumeid nende liikumisel läbi süsteemi ja tuvastada potentsiaalseid järjestusprobleeme. Tööriistad nagu Jaeger, Zipkin ja AWS X-Ray võivad olla hindamatud probleemide diagnoosimisel hajutatud sõnumijärjekordade arhitektuurides. Märgistades sõnumeid unikaalsete identifikaatoritega ja jälgides nende teekonda erinevate teenuste vahel, saate hõlpsasti tuvastada punkte, kus sõnumid viibivad või töödeldakse vales järjekorras.
• Sõnumi suurus: Suuremad sõnumid võivad mõjutada jõudlust ja suurendada järjestusprobleemide tõenäosust võrguviivituste või sõnumijärjekorra piirangute tõttu. Kaaluge sõnumite suuruse optimeerimist andmete tihendamise või suurte sõnumite väiksemateks tükkideks jagamise teel.
• Ajalõpud ja korduskatsed: Konfigureerige sobivad ajalõpud ja korduskatsete poliitikad ajutiste tõrgete ja võrguprobleemide käsitlemiseks. Olge aga teadlik korduskatsete mõjust sõnumite järjestusele, eriti stsenaariumides, kus sõnumeid saab töödelda mitu korda.

Kokkuvõte

Sõnumite järjestuse tagamine hajutatud sõnumijärjekordades on keeruline väljakutse, mis nõuab erinevate tegurite hoolikat kaalumist. Mõistes selles blogipostituses kirjeldatud erinevaid strateegiaid, kompromisse ja praktilisi kaalutlusi, saate disainida sõnumijärjekorra süsteeme, mis vastavad teie rakenduse järjestusnõuetele ning tagavad andmete konsistentsuse ja positiivse kasutajakogemuse. Ärge unustage valida õiget strateegiat vastavalt oma rakenduse konkreetsetele vajadustele ja testige oma süsteemi põhjalikult, et tagada selle vastavus teie järjestusnõuetele. Teie süsteemi arenedes jälgige ja täiustage pidevalt oma sõnumijärjekorra disaini, et kohaneda muutuvate nõuetega ning tagada optimaalne jõudlus ja usaldusväärsus.