Pattern Saga: Implementare Transazioni Distribuite per i Microservizi

Nel mondo dei microservizi, mantenere la coerenza dei dati tra più servizi può essere una sfida significativa. Le transazioni tradizionali ACID (Atomicità, Coerenza, Isolamento, Durabilità), comunemente utilizzate nelle applicazioni monolitiche, sono spesso inadatte per ambienti distribuiti. È qui che entra in gioco il pattern Saga, fornendo una soluzione robusta per la gestione delle transazioni distribuite e garantendo l'integrità dei dati tra i microservizi.

Cos'è il Pattern Saga?

Il pattern Saga è un design pattern utilizzato per gestire una sequenza di transazioni locali attraverso più microservizi. Fornisce un modo per ottenere una consistenza eventuale, il che significa che, sebbene i dati possano essere temporaneamente incoerenti, alla fine convergeranno a uno stato coerente. Invece di fare affidamento su una singola transazione atomica che si estende su più servizi, il pattern Saga scompone la transazione in una serie di transazioni più piccole e indipendenti, ciascuna eseguita da un singolo servizio.

Ogni transazione locale all'interno di una Saga aggiorna il database di un singolo microservizio. Se una delle transazioni fallisce, la Saga esegue una serie di transazioni di compensazione per annullare le modifiche apportate dalle transazioni precedenti, effettuando di fatto un rollback dell'operazione complessiva.

Perché usare il Pattern Saga?

Diversi fattori rendono il pattern Saga uno strumento prezioso per la gestione delle transazioni nelle architetture a microservizi:

Disaccoppiamento: Le Saga promuovono un accoppiamento debole tra i microservizi, permettendo loro di evolvere indipendentemente senza influenzare altri servizi. Questo è un vantaggio chiave delle architetture a microservizi.
Scalabilità: Evitando transazioni distribuite di lunga durata, le Saga migliorano la scalabilità e le prestazioni. Ogni microservizio può gestire le proprie transazioni in modo indipendente, riducendo la contesa e migliorando il throughput.
Resilienza: Le Saga sono progettate per essere resilienti ai fallimenti. Se una transazione fallisce, la Saga può essere annullata tramite rollback, prevenendo incoerenze nei dati e assicurando che il sistema rimanga in uno stato coerente.
Flessibilità: Il pattern Saga offre flessibilità nella gestione di processi di business complessi che si estendono su più servizi. Permette di definire la sequenza delle transazioni e le azioni di compensazione da intraprendere in caso di fallimento.

ACID vs. BASE

Comprendere la differenza tra ACID e BASE (Basically Available, Soft state, Eventually consistent) è cruciale quando si decide se utilizzare il pattern Saga.

ACID (Atomicità, Coerenza, Isolamento, Durabilità): Garantisce che le transazioni siano elaborate in modo affidabile. L'atomicità assicura che tutte le operazioni all'interno di una transazione abbiano successo o che nessuna di esse venga eseguita. La coerenza assicura che una transazione trasformi il database da uno stato valido a un altro. L'isolamento garantisce che le transazioni concorrenti non interferiscano tra loro. La durabilità assicura che, una volta che una transazione è stata confermata, rimanga tale anche in caso di guasto del sistema.
BASE (Basically Available, Soft state, Eventually consistent): Questo è un approccio diverso progettato per i sistemi distribuiti. Basically Available significa che il sistema è disponibile per la maggior parte del tempo. Soft state significa che lo stato del sistema può cambiare nel tempo, anche senza input. Eventually consistent significa che il sistema alla fine diventerà coerente una volta che smette di ricevere input. Il pattern Saga si allinea con i principi BASE.

Due Principali Strategie di Implementazione della Saga

Esistono due modi principali per implementare il pattern Saga: Coreografia e Orchestrazione.

1. Saga Basata sulla Coreografia

In una Saga basata sulla coreografia, ogni microservizio partecipa alla Saga ascoltando gli eventi pubblicati da altri microservizi e reagendo di conseguenza. Non esiste un orchestratore centrale; ogni servizio conosce le proprie responsabilità e quando eseguire le proprie azioni.

Come funziona:

La Saga inizia quando un microservizio pubblica un evento che indica l'inizio della transazione.
Altri microservizi si sottoscrivono a questo evento e, al momento della ricezione, eseguono la loro transazione locale.
Dopo aver completato la loro transazione, ogni microservizio pubblica un altro evento che indica il successo o il fallimento della sua operazione.
Altri microservizi ascoltano questi eventi e intraprendono le azioni appropriate, procedendo al passo successivo della Saga o avviando transazioni di compensazione in caso di errore.

Esempio: Inserimento di un Ordine E-commerce (Coreografia)

Servizio Ordini: Riceve una nuova richiesta d'ordine e pubblica un evento `OrdineCreato`.
Servizio Inventario: Si sottoscrive a `OrdineCreato`. Alla ricezione dell'evento, controlla l'inventario. Se sufficiente, riserva gli articoli e pubblica `InventarioRiservato`. Se insufficiente, pubblica `PrenotazioneInventarioFallita`.
Servizio Pagamenti: Si sottoscrive a `InventarioRiservato`. Alla ricezione dell'evento, elabora il pagamento. Se ha successo, pubblica `PagamentoElaborato`. Se fallisce, pubblica `PagamentoFallito`.
Servizio Spedizioni: Si sottoscrive a `PagamentoElaborato`. Alla ricezione dell'evento, prepara la spedizione e pubblica `SpedizionePreparata`.
Servizio Ordini: Si sottoscrive a `SpedizionePreparata`. Alla ricezione dell'evento, contrassegna l'ordine come completato.
Compensazione: Se viene pubblicato `PagamentoFallito` o `PrenotazioneInventarioFallita`, gli altri servizi ascoltano ed eseguono transazioni di compensazione (es. rilascio dell'inventario riservato).

Pro della Coreografia:

Semplicità: Più facile da implementare per flussi di lavoro semplici.
Decentralizzata: Promuove un accoppiamento debole e l'evoluzione indipendente dei microservizi.

Contro della Coreografia:

Complessità: Può diventare complessa da gestire all'aumentare del numero di partecipanti alla Saga.
Visibilità: Difficile tracciare il progresso generale e lo stato della Saga.
Accoppiamento: Sebbene promuova un accoppiamento debole, i servizi devono comunque essere a conoscenza degli eventi pubblicati da altri servizi.

2. Saga Basata sull'Orchestrazione

In una Saga basata sull'orchestrazione, un orchestratore centrale (spesso implementato come un servizio dedicato o una macchina a stati) gestisce la Saga e coordina l'esecuzione delle transazioni locali da parte dei microservizi partecipanti. L'orchestratore dice a ogni servizio cosa fare e quando farlo.

Come funziona:

La Saga inizia quando un client richiede all'orchestratore di avviare la transazione.
L'orchestratore invia comandi ai microservizi partecipanti per eseguire le loro transazioni locali.
Ogni microservizio esegue la sua transazione e notifica all'orchestratore il successo o il fallimento.
In base al risultato, l'orchestratore decide se procedere al passo successivo o avviare transazioni di compensazione.

Esempio: Inserimento di un Ordine E-commerce (Orchestrazione)

Orchestratore Ordini: Riceve una nuova richiesta d'ordine.
Orchestratore Ordini: Invia un comando al Servizio Inventario per riservare gli articoli.
Servizio Inventario: Riserva gli articoli e notifica l'Orchestratore Ordini.
Orchestratore Ordini: Invia un comando al Servizio Pagamenti per elaborare il pagamento.
Servizio Pagamenti: Elabora il pagamento e notifica l'Orchestratore Ordini.
Orchestratore Ordini: Invia un comando al Servizio Spedizioni per preparare la spedizione.
Servizio Spedizioni: Prepara la spedizione e notifica l'Orchestratore Ordini.
Orchestratore Ordini: Contrassegna l'ordine come completato.
Compensazione: Se un qualsiasi passo fallisce, l'Orchestratore Ordini invia comandi di compensazione ai servizi pertinenti (es. rilascio dell'inventario riservato).

Pro dell'Orchestrazione:

Controllo Centralizzato: Più facile da gestire e monitorare la Saga da un punto centrale.
Visibilità Migliorata: L'orchestratore fornisce una visione chiara del progresso generale e dello stato della Saga.
Accoppiamento Ridotto: I microservizi devono comunicare solo con l'orchestratore, riducendo le dipendenze dirette tra di loro.

Contro dell'Orchestrazione:

Complessità: Può essere più complessa da implementare inizialmente, specialmente per flussi di lavoro semplici.
Singolo Punto di Fallimento: L'orchestratore può diventare un singolo punto di fallimento, sebbene ciò possa essere mitigato con misure di ridondanza e tolleranza ai guasti.

Implementare le Transazioni di Compensazione

Un aspetto cruciale del pattern Saga è l'implementazione delle transazioni di compensazione. Queste transazioni vengono eseguite per annullare gli effetti delle transazioni precedentemente completate in caso di fallimento. L'obiettivo è riportare il sistema a uno stato coerente, anche se la Saga complessiva non può essere completata.

Considerazioni Chiave per le Transazioni di Compensazione:

Idempotenza: Le transazioni di compensazione dovrebbero essere idempotenti, il che significa che possono essere eseguite più volte senza cambiare il risultato. Questo è importante perché i fallimenti possono verificarsi in qualsiasi momento e la transazione di compensazione potrebbe essere ritentata.
Gestione dei Fallimenti: Anche le transazioni di compensazione possono fallire. È necessario avere una strategia per gestire i fallimenti nelle transazioni di compensazione, come ritentare, registrare errori e avvisare gli amministratori.
Coerenza dei Dati: Le transazioni di compensazione dovrebbero garantire che i dati rimangano coerenti. Ciò potrebbe comportare il ripristino dei dati al loro stato precedente, l'eliminazione dei dati appena creati o l'aggiornamento dei dati per riflettere l'annullamento della transazione.

Esempi di Transazioni di Compensazione:

Servizio Inventario: Se il Servizio Inventario ha riservato degli articoli ma il pagamento è fallito, la transazione di compensazione consisterebbe nel rilasciare gli articoli riservati.
Servizio Pagamenti: Se il Servizio Pagamenti ha elaborato un pagamento ma la spedizione è fallita, la transazione di compensazione potrebbe comportare l'emissione di un rimborso.

Sfide e Considerazioni

Sebbene il pattern Saga offra vantaggi significativi, presenta anche alcune sfide e considerazioni:

Complessità: L'implementazione del pattern Saga può essere complessa, specialmente per processi di business intricati. Una pianificazione e una progettazione attente sono essenziali.
Consistenza Eventuale: Il pattern Saga fornisce una consistenza eventuale, il che significa che i dati potrebbero essere temporaneamente incoerenti. Questo può essere una preoccupazione per le applicazioni che richiedono forti garanzie di coerenza.
Test: Testare le Saga può essere impegnativo a causa della loro natura distribuita e del potenziale di fallimenti in vari punti.
Monitoraggio: Monitorare il progresso e lo stato delle Saga è cruciale per identificare e risolvere i problemi. È necessario disporre di strumenti e processi di monitoraggio appropriati.
Idempotenza: Garantire che le transazioni e le transazioni di compensazione siano idempotenti è cruciale per prevenire incoerenze nei dati.
Isolamento: Poiché le Saga coinvolgono più transazioni locali, l'isolamento può essere una preoccupazione. Potrebbero essere necessarie strategie come i lock semantici o il locking ottimistico.

Casi d'Uso ed Esempi

Il pattern Saga è adatto a una varietà di casi d'uso, in particolare nei sistemi distribuiti e nelle architetture a microservizi. Ecco alcuni esempi comuni:

Gestione Ordini E-commerce: Come illustrato negli esempi precedenti, il pattern Saga può essere utilizzato per gestire l'intero ciclo di vita dell'ordine, dalla creazione dell'ordine all'elaborazione del pagamento fino alla spedizione.
Transazioni Finanziarie: Il pattern Saga può essere utilizzato per gestire transazioni finanziarie complesse che coinvolgono più sistemi, come trasferimenti di fondi, richieste di prestito e sinistri assicurativi.
Gestione della Catena di Approvvigionamento: Il pattern Saga può essere utilizzato per coordinare le attività tra più entità in una catena di approvvigionamento, come produttori, distributori e rivenditori.
Sistemi Sanitari: Il pattern Saga può essere utilizzato per gestire le cartelle cliniche dei pazienti e coordinare le cure tra diversi reparti e fornitori.

Esempio: Transazione Bancaria Globale

Immaginiamo uno scenario che coinvolge una transazione bancaria globale tra due diverse banche situate in paesi diversi, soggette a varie normative e controlli di conformità. Il pattern Saga può garantire che la transazione segua i passaggi definiti:

Avvio Transazione: Il cliente avvia un trasferimento di fondi dal suo conto presso la Banca A (situata negli USA) al conto di un destinatario presso la Banca B (situata in Germania).
Banca A - Validazione Conto: La Banca A convalida il conto del cliente, controlla la disponibilità di fondi sufficienti e si assicura che non ci siano blocchi o restrizioni.
Controllo di Conformità (Banca A): La Banca A esegue un controllo di conformità per garantire che la transazione non violi le normative antiriciclaggio (AML) o sanzioni internazionali.
Trasferimento Fondi (Banca A): La Banca A addebita il conto del cliente e invia i fondi a una stanza di compensazione o a una banca intermediaria.
Elaborazione della Stanza di Compensazione: La stanza di compensazione elabora la transazione, esegue la conversione di valuta (da USD a EUR) e instrada i fondi verso la Banca B.
Banca B - Validazione Conto: La Banca B convalida il conto del destinatario e si assicura che sia attivo e idoneo a ricevere fondi.
Controllo di Conformità (Banca B): La Banca B esegue il proprio controllo di conformità, aderendo alle normative tedesche e dell'UE.
Accredito Conto (Banca B): La Banca B accredita il conto del destinatario.
Conferma: La Banca B invia un messaggio di conferma alla Banca A, che quindi notifica al cliente che la transazione è completa.

Transazioni di Compensazione:

Se il controllo di conformità presso la Banca A fallisce, la transazione viene annullata e il conto del cliente non viene addebitato.
Se il controllo di conformità presso la Banca B fallisce, i fondi vengono restituiti alla Banca A e il conto del cliente viene riaccreditato.
Se ci sono problemi con la conversione di valuta o l'instradamento presso la stanza di compensazione, la transazione viene stornata e i fondi vengono restituiti alla Banca A.

Strumenti e Tecnologie

Diversi strumenti e tecnologie possono aiutare nell'implementazione del pattern Saga:

Code di Messaggi: Apache Kafka, RabbitMQ e Amazon SQS possono essere utilizzati per pubblicare e sottoscrivere eventi in una Saga basata sulla coreografia.
Motori di Workflow: Camunda, Zeebe e Apache Airflow possono essere utilizzati per implementare orchestratori e gestire flussi di lavoro complessi.
Event Sourcing: L'event sourcing può essere utilizzato per tracciare la cronologia degli eventi in una Saga e facilitare il rollback in caso di fallimento.
Gestori di Transazioni Distribuite: Alcuni gestori di transazioni distribuite, come Atomikos, possono essere utilizzati per coordinare le transazioni tra più servizi. Tuttavia, potrebbero non essere adatti a tutte le architetture a microservizi a causa delle loro limitazioni intrinseche in ambienti distribuiti.
Framework Saga: Esistono anche framework Saga che forniscono astrazioni e strumenti per implementare il pattern Saga.

Best Practice per l'Implementazione del Pattern Saga

Per implementare efficacemente il pattern Saga, considerate le seguenti best practice:

Progettazione Attenta: Analizzate a fondo i vostri requisiti di business e progettate la Saga di conseguenza. Identificate i microservizi partecipanti, la sequenza delle transazioni e le azioni di compensazione.
Idempotenza: Assicuratevi che tutte le transazioni e le transazioni di compensazione siano idempotenti.
Gestione degli Errori: Implementate robusti meccanismi di gestione degli errori per affrontare i fallimenti in qualsiasi punto della Saga.
Monitoraggio e Logging: Implementate un monitoraggio e un logging completi per tracciare il progresso e lo stato delle Saga.
Test: Testate a fondo le vostre Saga per assicurarvi che funzionino correttamente e gestiscano i fallimenti con grazia.
Lock Semantici: Implementate lock semantici per prevenire aggiornamenti concorrenti sugli stessi dati da parte di diverse Saga.
Locking Ottimistico: Usate il locking ottimistico per rilevare e prevenire conflitti tra transazioni concorrenti.
Scegliere la Giusta Strategia di Implementazione: Considerate attentamente i compromessi tra coreografia e orchestrazione e scegliete la strategia che meglio si adatta alle vostre esigenze.
Definire Politiche di Compensazione Chiare: Stabilite politiche chiare per la gestione della compensazione, comprese le condizioni in cui la compensazione viene attivata e le azioni specifiche da intraprendere.

Conclusione

Il pattern Saga è uno strumento potente per la gestione delle transazioni distribuite nelle architetture a microservizi. Scomponendo le transazioni in una serie di transazioni più piccole e indipendenti e fornendo un meccanismo per compensare i fallimenti, il pattern Saga consente di mantenere la coerenza dei dati e di costruire sistemi resilienti, scalabili e disaccoppiati. Sebbene il pattern Saga possa essere complesso da implementare, i benefici che offre in termini di flessibilità, scalabilità e resilienza lo rendono una risorsa preziosa per qualsiasi architettura a microservizi.

Comprendere le sfumature del pattern Saga, i compromessi tra coreografia e orchestrazione e l'importanza delle transazioni di compensazione vi consentirà di progettare e implementare sistemi distribuiti robusti che soddisfino le esigenze degli odierni ambienti di business complessi. Abbracciare il pattern Saga è un passo verso la costruzione di architetture a microservizi veramente resilienti e scalabili, in grado di gestire con sicurezza anche le transazioni distribuite più complesse. Ricordate di considerare le vostre esigenze specifiche e il contesto quando applicate questo pattern, e di affinare continuamente la vostra implementazione sulla base dell'esperienza reale e del feedback.