Pattern Saga : Implémenter des transactions distribuées pour les microservices

Dans le monde des microservices, maintenir la cohérence des données entre plusieurs services peut être un défi de taille. Les transactions ACID traditionnelles (Atomicité, Cohérence, Isolation, Durabilité), couramment utilisées dans les applications monolithiques, sont souvent inadaptées aux environnements distribués. C'est là qu'intervient le pattern Saga, offrant une solution robuste pour gérer les transactions distribuées et garantir l'intégrité des données à travers les microservices.

Qu'est-ce que le pattern Saga ?

Le pattern Saga est un modèle de conception utilisé pour gérer une séquence de transactions locales à travers plusieurs microservices. Il offre un moyen d'atteindre une cohérence éventuelle (eventual consistency), ce qui signifie que même si les données peuvent être temporairement incohérentes, elles convergeront finalement vers un état cohérent. Au lieu de s'appuyer sur une seule transaction atomique qui s'étend sur plusieurs services, le pattern Saga décompose la transaction en une série de transactions plus petites et indépendantes, chacune étant exécutée par un seul service.

Chaque transaction locale au sein d'une Saga met à jour la base de données d'un unique microservice. Si l'une des transactions échoue, la Saga exécute une série de transactions de compensation pour annuler les modifications effectuées par les transactions précédentes, réalisant ainsi une annulation (rollback) de l'opération globale.

Pourquoi utiliser le pattern Saga ?

Plusieurs facteurs font du pattern Saga un outil précieux pour la gestion des transactions dans les architectures microservices :

Découplage : Les Sagas favorisent un couplage faible entre les microservices, leur permettant d'évoluer indépendamment sans affecter les autres services. C'est un avantage clé des architectures microservices.
Scalabilité : En évitant les transactions distribuées de longue durée, les Sagas améliorent la scalabilité et les performances. Chaque microservice peut gérer ses propres transactions de manière indépendante, réduisant les conflits et améliorant le débit.
Résilience : Les Sagas sont conçues pour être résilientes aux pannes. Si une transaction échoue, la Saga peut être annulée, prévenant les incohérences de données et garantissant que le système reste dans un état cohérent.
Flexibilité : Le pattern Saga offre de la flexibilité dans la gestion de processus métier complexes qui s'étendent sur plusieurs services. Il vous permet de définir la séquence des transactions et les actions de compensation à entreprendre en cas d'échec.

ACID vs. BASE

Comprendre la différence entre ACID et BASE (Basically Available, Soft state, Eventually consistent) est crucial pour décider d'utiliser ou non le pattern Saga.

ACID (Atomicité, Cohérence, Isolation, Durabilité) : Garantit que les transactions sont traitées de manière fiable. L'atomicité assure que soit toutes les opérations d'une transaction réussissent, soit aucune ne réussit. La cohérence assure qu'une transaction fait passer la base de données d'un état valide à un autre. L'isolation assure que les transactions concurrentes n'interfèrent pas les unes avec les autres. La durabilité assure qu'une fois qu'une transaction est validée, elle le reste même en cas de panne du système.
BASE (Basically Available, Soft state, Eventually consistent) : Il s'agit d'une approche différente conçue pour les systèmes distribués. Basically Available (Disponibilité fondamentale) signifie que le système est disponible la plupart du temps. Soft state (État flexible) signifie que l'état du système peut changer au fil du temps, même sans intervention. Eventually consistent (Cohérence éventuelle) signifie que le système deviendra finalement cohérent une fois qu'il cessera de recevoir des entrées. Le pattern Saga s'aligne sur les principes de BASE.

Deux stratégies principales d'implémentation de Saga

Il existe deux manières principales d'implémenter le pattern Saga : la Chorégraphie et l'Orchestration.

1. Saga basée sur la chorégraphie

Dans une Saga basée sur la chorégraphie, chaque microservice participe à la Saga en écoutant les événements publiés par d'autres microservices et en réagissant en conséquence. Il n'y a pas d'orchestrateur central ; chaque service connaît ses responsabilités et sait quand exécuter ses actions.

Comment ça marche :

La Saga commence lorsqu'un microservice publie un événement indiquant le début de la transaction.
D'autres microservices s'abonnent à cet événement et, à sa réception, effectuent leur transaction locale.
Après avoir terminé leur transaction, chaque microservice publie un autre événement indiquant le succès ou l'échec de son opération.
D'autres microservices écoutent ces événements et prennent les mesures appropriées, soit en passant à l'étape suivante de la Saga, soit en initiant des transactions de compensation si une erreur se produit.

Exemple : Passage de commande e-commerce (Chorégraphie)

Service de Commande : Reçoit une nouvelle demande de commande et publie un événement `CommandeCreee`.
Service d'Inventaire : S'abonne à `CommandeCreee`. À la réception de l'événement, il vérifie l'inventaire. Si suffisant, il réserve les articles et publie `InventaireReserve`. Si insuffisant, il publie `EchecReservationInventaire`.
Service de Paiement : S'abonne à `InventaireReserve`. À la réception de l'événement, il traite le paiement. En cas de succès, il publie `PaiementTraite`. S'il échoue, il publie `EchecPaiement`.
Service d'Expédition : S'abonne à `PaiementTraite`. À la réception de l'événement, il prépare l'expédition et publie `ExpeditionPreparee`.
Service de Commande : S'abonne à `ExpeditionPreparee`. À la réception de l'événement, il marque la commande comme terminée.
Compensation : Si `EchecPaiement` ou `EchecReservationInventaire` est publié, les autres services écoutent et effectuent des transactions de compensation (par exemple, libérer l'inventaire réservé).

Avantages de la chorégraphie :

Simplicité : Plus facile à implémenter pour des flux de travail simples.
Décentralisé : Favorise un couplage faible et une évolution indépendante des microservices.

Inconvénients de la chorégraphie :

Complexité : Peut devenir complexe à gérer à mesure que le nombre de participants à la Saga augmente.
Visibilité : Difficile de suivre la progression globale et l'état de la Saga.
Couplage : Bien que favorisant un couplage faible, les services doivent tout de même être conscients des événements publiés par d'autres services.

2. Saga basée sur l'orchestration

Dans une Saga basée sur l'orchestration, un orchestrateur central (souvent implémenté comme un service dédié ou une machine à états) gère la Saga et coordonne l'exécution des transactions locales par les microservices participants. L'orchestrateur dit à chaque service quoi faire et quand le faire.

Comment ça marche :

La Saga commence lorsqu'un client demande à l'orchestrateur d'initier la transaction.
L'orchestrateur envoie des commandes aux microservices participants pour effectuer leurs transactions locales.
Chaque microservice effectue sa transaction et notifie l'orchestrateur du succès ou de l'échec.
En fonction du résultat, l'orchestrateur décide de passer à l'étape suivante ou d'initier des transactions de compensation.

Exemple : Passage de commande e-commerce (Orchestration)

Orchestrateur de Commande : Reçoit une nouvelle demande de commande.
Orchestrateur de Commande : Envoie une commande au Service d'Inventaire pour réserver des articles.
Service d'Inventaire : Réserve les articles et notifie l'Orchestrateur de Commande.
Orchestrateur de Commande : Envoie une commande au Service de Paiement pour traiter le paiement.
Service de Paiement : Traite le paiement et notifie l'Orchestrateur de Commande.
Orchestrateur de Commande : Envoie une commande au Service d'Expédition pour préparer l'expédition.
Service d'Expédition : Prépare l'expédition et notifie l'Orchestrateur de Commande.
Orchestrateur de Commande : Marque la commande comme terminée.
Compensation : Si une étape échoue, l'Orchestrateur de Commande envoie des commandes de compensation aux services concernés (par exemple, libérer l'inventaire réservé).

Avantages de l'orchestration :

Contrôle centralisé : Plus facile à gérer et à surveiller la Saga depuis un point central.
Visibilité améliorée : L'orchestrateur offre une vue claire de la progression globale et de l'état de la Saga.
Couplage réduit : Les microservices n'ont besoin de communiquer qu'avec l'orchestrateur, ce qui réduit les dépendances directes entre eux.

Inconvénients de l'orchestration :

Complexité : Peut être plus complexe à implémenter au départ, en particulier pour les flux de travail simples.
Point de défaillance unique : L'orchestrateur peut devenir un point de défaillance unique, bien que cela puisse être atténué par des mesures de redondance et de tolérance aux pannes.

Implémenter les transactions de compensation

Un aspect crucial du pattern Saga est l'implémentation des transactions de compensation. Ces transactions sont exécutées pour annuler les effets des transactions précédemment terminées en cas d'échec. L'objectif est de ramener le système à un état cohérent, même si la Saga globale ne peut pas être achevée.

Considérations clés pour les transactions de compensation :

Idempotence : Les transactions de compensation doivent être idempotentes, ce qui signifie qu'elles peuvent être exécutées plusieurs fois sans changer le résultat. C'est important car des pannes peuvent survenir à tout moment, et la transaction de compensation pourrait être réessayée.
Gestion des échecs : Les transactions de compensation peuvent aussi échouer. Vous devez avoir une stratégie pour gérer les échecs dans les transactions de compensation, comme réessayer, consigner les erreurs et alerter les administrateurs.
Cohérence des données : Les transactions de compensation doivent garantir que les données restent cohérentes. Cela peut impliquer de restaurer les données à leur état précédent, de supprimer des données nouvellement créées ou de mettre à jour des données pour refléter l'annulation de la transaction.

Exemples de transactions de compensation :

Service d'Inventaire : Si le Service d'Inventaire a réservé des articles mais que le paiement a échoué, la transaction de compensation consisterait à libérer les articles réservés.
Service de Paiement : Si le Service de Paiement a traité un paiement mais que l'expédition a échoué, la transaction de compensation pourrait impliquer l'émission d'un remboursement.

Défis et considérations

Bien que le pattern Saga offre des avantages significatifs, il présente également certains défis et considérations :

Complexité : L'implémentation du pattern Saga peut être complexe, en particulier pour les processus métier complexes. Une planification et une conception minutieuses sont essentielles.
Cohérence éventuelle : Le pattern Saga offre une cohérence éventuelle, ce qui signifie que les données peuvent être temporairement incohérentes. Cela peut être une préoccupation pour les applications qui nécessitent de fortes garanties de cohérence.
Tests : Tester les Sagas peut être difficile en raison de leur nature distribuée et du potentiel de pannes à divers moments.
Surveillance : La surveillance de la progression et de l'état des Sagas est cruciale pour identifier et résoudre les problèmes. Vous devez disposer d'outils et de processus de surveillance appropriés.
Idempotence : S'assurer que les transactions et les transactions de compensation sont idempotentes est crucial pour éviter les incohérences de données.
Isolation : Étant donné que les Sagas impliquent plusieurs transactions locales, l'isolation peut être une préoccupation. Des stratégies comme les verrous sémantiques ou le verrouillage optimiste peuvent être nécessaires.

Cas d'utilisation et exemples

Le pattern Saga est bien adapté à une variété de cas d'utilisation, en particulier dans les systèmes distribués et les architectures microservices. Voici quelques exemples courants :

Gestion des commandes e-commerce : Comme illustré dans les exemples ci-dessus, le pattern Saga peut être utilisé pour gérer l'ensemble du cycle de vie d'une commande, de la création de la commande au traitement du paiement et à l'expédition.
Transactions financières : Le pattern Saga peut être utilisé pour gérer des transactions financières complexes impliquant plusieurs systèmes, telles que les transferts de fonds, les demandes de prêt et les réclamations d'assurance.
Gestion de la chaîne d'approvisionnement : Le pattern Saga peut être utilisé pour coordonner les activités entre plusieurs entités d'une chaîne d'approvisionnement, telles que les fabricants, les distributeurs et les détaillants.
Systèmes de santé : Le pattern Saga peut être utilisé pour gérer les dossiers des patients et coordonner les soins entre différents départements et prestataires.

Exemple : Transaction bancaire internationale

Imaginez un scénario impliquant une transaction bancaire internationale entre deux banques différentes situées dans des pays différents, soumises à diverses réglementations et vérifications de conformité. Le pattern Saga peut garantir que la transaction suit les étapes définies :

Initier la transaction : Le client initie un virement de fonds de son compte à la Banque A (située aux États-Unis) vers le compte d'un bénéficiaire à la Banque B (située en Allemagne).
Banque A - Validation du compte : La Banque A valide le compte du client, vérifie les fonds suffisants et s'assure qu'il n'y a pas de blocages ou de restrictions.
Vérification de conformité (Banque A) : La Banque A effectue une vérification de conformité pour s'assurer que la transaction ne viole pas les réglementations anti-blanchiment d'argent (AML) ou les sanctions internationales.
Transfert de fonds (Banque A) : La Banque A débite le compte du client et envoie les fonds à une chambre de compensation ou à une banque intermédiaire.
Traitement par la chambre de compensation : La chambre de compensation traite la transaction, effectue la conversion de devises (USD en EUR) et achemine les fonds vers la Banque B.
Banque B - Validation du compte : La Banque B valide le compte du bénéficiaire et s'assure qu'il est actif et éligible pour recevoir des fonds.
Vérification de conformité (Banque B) : La Banque B effectue sa propre vérification de conformité, en respectant les réglementations allemandes et européennes.
Créditer le compte (Banque B) : La Banque B crédite le compte du bénéficiaire.
Confirmation : La Banque B envoie un message de confirmation à la Banque A, qui notifie alors le client que la transaction est terminée.

Transactions de compensation :

Si la vérification de conformité à la Banque A échoue, la transaction est annulée et le compte du client n'est pas débité.
Si la vérification de conformité à la Banque B échoue, les fonds sont retournés à la Banque A et le compte du client est recrédité.
S'il y a des problèmes de conversion de devises ou d'acheminement à la chambre de compensation, la transaction est inversée et les fonds sont retournés à la Banque A.

Outils et technologies

Plusieurs outils et technologies peuvent aider à implémenter le pattern Saga :

Files d'attente de messages : Apache Kafka, RabbitMQ et Amazon SQS peuvent être utilisés pour publier et s'abonner à des événements dans une Saga basée sur la chorégraphie.
Moteurs de workflow : Camunda, Zeebe et Apache Airflow peuvent être utilisés pour implémenter des orchestrateurs et gérer des flux de travail complexes.
Event Sourcing : L'event sourcing peut être utilisé pour suivre l'historique des événements dans une Saga et faciliter l'annulation en cas d'échec.
Gestionnaires de transactions distribuées : Certains gestionnaires de transactions distribuées, comme Atomikos, peuvent être utilisés pour coordonner les transactions entre plusieurs services. Cependant, ils peuvent ne pas convenir à toutes les architectures microservices en raison de leurs limitations inhérentes aux environnements distribués.
Frameworks Saga : Il existe également des frameworks Saga qui fournissent des abstractions et des outils pour implémenter le pattern Saga.

Meilleures pratiques pour implémenter le pattern Saga

Pour implémenter efficacement le pattern Saga, considérez les meilleures pratiques suivantes :

Conception soignée : Analysez minutieusement vos besoins métier et concevez la Saga en conséquence. Identifiez les microservices participants, la séquence des transactions et les actions de compensation.
Idempotence : Assurez-vous que toutes les transactions et les transactions de compensation sont idempotentes.
Gestion des erreurs : Mettez en œuvre des mécanismes de gestion des erreurs robustes pour faire face aux pannes à n'importe quel point de la Saga.
Surveillance et journalisation : Mettez en place une surveillance et une journalisation complètes pour suivre la progression et l'état des Sagas.
Tests : Testez minutieusement vos Sagas pour vous assurer qu'elles fonctionnent correctement et gèrent les pannes avec élégance.
Verrous sémantiques : Implémentez des verrous sémantiques pour empêcher les mises à jour concurrentes des mêmes données par différentes Sagas.
Verrouillage optimiste : Utilisez le verrouillage optimiste pour détecter et prévenir les conflits entre transactions concurrentes.
Choisir la bonne stratégie d'implémentation : Examinez attentivement les compromis entre la chorégraphie et l'orchestration et choisissez la stratégie qui correspond le mieux à vos besoins.
Définir des politiques de compensation claires : Établissez des politiques claires pour la gestion de la compensation, y compris les conditions dans lesquelles la compensation est déclenchée et les actions spécifiques à entreprendre.

Conclusion

Le pattern Saga est un outil puissant pour gérer les transactions distribuées dans les architectures microservices. En décomposant les transactions en une série de transactions plus petites et indépendantes et en fournissant un mécanisme pour compenser les échecs, le pattern Saga vous permet de maintenir la cohérence des données et de construire des systèmes résilients, évolutifs et découplés. Bien que le pattern Saga puisse être complexe à implémenter, les avantages qu'il offre en termes de flexibilité, de scalabilité et de résilience en font un atout précieux pour toute architecture microservices.

Comprendre les nuances du pattern Saga, les compromis entre la chorégraphie et l'orchestration, et l'importance des transactions de compensation vous permettra de concevoir et d'implémenter des systèmes distribués robustes qui répondent aux exigences des environnements métier complexes d'aujourd'hui. Adopter le pattern Saga est un pas vers la construction d'architectures microservices véritablement résilientes et évolutives, capables de gérer avec confiance même les transactions distribuées les plus complexes. N'oubliez pas de tenir compte de vos besoins spécifiques et de votre contexte lors de l'application de ce pattern, et d'affiner continuellement votre implémentation en fonction de l'expérience du monde réel et des retours d'information.