Chaoso inžinerija: praktinis gedimų įvedimo vadovas

Šiuolaikiniuose sudėtinguose ir paskirstytuose programinės įrangos sprendimuose sistemos atsparumo ir patikimumo užtikrinimas yra itin svarbus. Tradiciniai testavimo metodai dažnai nepakankamai atskleidžia paslėptus pažeidžiamumus, kurie atsiranda realiomis sąlygomis. Būtent čia į pagalbą ateina chaoso inžinerija – aktyvus metodas, skirtas silpnosioms vietoms nustatyti, sąmoningai įvedant gedimus į jūsų sistemas.

Kas yra chaoso inžinerija?

Chaoso inžinerija – tai disciplina, kurios metu eksperimentuojama su sistema, siekiant sustiprinti pasitikėjimą jos gebėjimu atlaikyti audringas sąlygas gamybinėje aplinkoje. Tai nėra dalykų laužymas dėl laužymo; tai sistemingas ir apgalvotas kontroliuojamų gedimų įvedimas, siekiant atskleisti paslėptas silpnybes ir pagerinti sistemos tvirtumą.

Įsivaizduokite tai kaip kontroliuojamą eksperimentą, kurio metu į savo aplinką įvedate „chaoso“, kad pamatytumėte, kaip jūsų sistema reaguoja. Tai leidžia aktyviai nustatyti ir ištaisyti galimas problemas, kol jos dar nepaveikė jūsų vartotojų.

Chaoso inžinerijos principai

Pagrindiniai chaoso inžinerijos principai suteikia sistemą saugiems ir kontroliuojamiems eksperimentams atlikti:

• Apibrėžkite stabilią būseną: Išmatuokite normalaus sistemos elgesio bazinę liniją (pvz., delsą, klaidų dažnį, išteklių naudojimą). Tai nustato atskaitos tašką, pagal kurį lyginamas sistemos elgesys eksperimento metu ir po jo.
• Suformuluokite hipotezę: Nuspėkite, kaip sistema elgsis esant tam tikroms gedimo sąlygoms. Tai padeda sutelkti eksperimentą ir suteikia pagrindą rezultatams vertinti. Pavyzdžiui: „Jei viena iš duomenų bazių replikų sugenda, sistema ir toliau aptarnaus užklausas su minimaliu poveikiu delsai.“
• Vykdykite eksperimentus gamybinėje aplinkoje: Idealiu atveju eksperimentai turėtų būti vykdomi gamybinėje aplinkoje (arba testavimo aplinkoje, kuri tiksliai atspindi gamybinę), kad būtų galima tiksliai imituoti realias sąlygas.
• Automatizuokite eksperimentus, kad jie vyktų nuolat: Automatizavimas leidžia dažnai ir nuosekliai vykdyti eksperimentus, užtikrinant nuolatinį sistemos atsparumo stebėjimą ir tobulinimą.
• Sumažinkite poveikio spindulį: Apribokite eksperimentų poveikį mažai vartotojų ar sistemų daliai, kad sumažintumėte trikdžių riziką.

Kas yra gedimų įvedimas?

Gedimų įvedimas yra specifinė chaoso inžinerijos technika, apimanti sąmoningą klaidų ar gedimų įvedimą į sistemą, siekiant išbandyti jos elgesį esant apkrovai. Tai pagrindinis mechanizmas „chaosui“ įvesti ir hipotezėms apie sistemos atsparumą patvirtinti.

Iš esmės, jūs imituojate realaus pasaulio gedimų scenarijus (pvz., serverių gedimus, tinklo sutrikimus, vėluojančius atsakymus), kad pamatytumėte, kaip jūsų sistema su jais susidoroja. Tai padeda nustatyti silpnąsias vietas jūsų architektūroje, kode ir operacinėse procedūrose.

Gedimų įvedimo tipai

Yra įvairių gedimų įvedimo technikų tipų, kurių kiekvienas skirtas skirtingiems sistemos aspektams:

1. Išteklių gedimai

Šie gedimai imituoja išteklių išnaudojimą ar konkurenciją dėl jų:

• CPU gedimai: Įveskite CPU šuolius, kad imituotumėte didelę apkrovą ar konkurenciją dėl išteklių. Galite imituoti staigų CPU naudojimo padidėjimą paleisdami kelis skaičiavimams imlius procesus. Tai gali atskleisti problemas jūsų programos gebėjime valdyti padidėjusią apkrovą arba nustatyti našumo kliūtis. Pavyzdys: finansų prekybos platforma, patirianti prekybos aktyvumo šuolį dėl naujienų.
• Atminties gedimai: Imituokite atminties nutekėjimą ar išnaudojimą, kad patikrintumėte, kaip sistema elgiasi esant mažai atminties. Tai galima pasiekti skiriant didelius atminties kiekius arba sąmoningai sukuriant atminties nutekėjimus jūsų programoje. Pavyzdys: el. prekybos svetainė, patirianti momentinį išpardavimą, dėl kurio smarkiai padidėja vartotojų srautas ir atminties naudojimas.
• Disko I/O gedimai: Imituokite lėtus ar gendančius diskus, kad patikrintumėte, kaip sistema reaguoja į I/O kliūtis. Tai galima pasiekti sukuriant procesus, kurie nuolat skaito ar rašo didelius failus į diską. Pavyzdys: medijos transliavimo paslauga, patirianti padidėjusį disko I/O dėl populiaraus naujo serialo išleidimo.

2. Tinklo gedimai

Šie gedimai imituoja tinklo problemas ir trikdžius:

• Delsos įvedimas: Įveskite vėlavimus į tinklo komunikaciją, kad imituotumėte lėtus tinklo ryšius. Tai galima pasiekti naudojant įrankius, tokius kaip `tc` (traffic control) „Linux“ sistemoje arba įvedant vėlavimus tarpiniuose serveriuose (proxy). Pavyzdys: visame pasaulyje paskirstyta programa, patirianti tinklo delsą tarp skirtingų regionų.
• Paketų praradimas: Imituokite paketų praradimą, kad patikrintumėte, kaip sistema tvarkosi su nepatikimais tinklo ryšiais. Vėlgi, galima naudoti `tc` ar panašius įrankius, kad būtų praleidžiami paketai nurodytu dažniu. Pavyzdys: balso perdavimo internetu (VoIP) paslauga, patirianti paketų praradimą dėl tinklo perkrovos.
• Tinklo padalijimas: Imituokite visišką tinklo sutrikimą arba tam tikrų komponentų izoliaciją. Tai galima pasiekti blokuojant tinklo srautą tarp konkrečių serverių ar regionų naudojant ugniasienes ar tinklo taisykles. Pavyzdys: debesijos paslauga, patirianti regioninį tinklo sutrikimą.
• DNS gedimai: Imituokite DNS vardų išskyrimo (resolution) gedimus arba neteisingus DNS atsakymus. Galite laikinai pakeisti DNS įrašus, kad jie rodytų neteisingus adresus, arba imituoti DNS serverio nepasiekiamumą. Pavyzdys: pasaulinė programa, patirianti DNS išskyrimo problemų konkrečiame regione dėl DDoS atakos prieš DNS serverius.

3. Procesų gedimai

Šie gedimai imituoja procesų gedimą ar nutraukimą:

• Proceso nutraukimas: Nutraukite kritiškai svarbius procesus, kad pamatytumėte, kaip sistema atsigauna. Tai yra tiesioginis būdas patikrinti sistemos gebėjimą tvarkytis su procesų gedimais. Galite naudoti įrankius, tokius kaip `kill` „Linux“ sistemoje arba užduočių tvarkytuvę (task manager) „Windows“ sistemoje, kad nutrauktumėte procesus. Pavyzdys: mikropaslaugų architektūra, kurioje kritiškai svarbi paslauga staiga tampa nepasiekiama.
• Proceso sustabdymas: Sustabdykite procesus, kad imituotumėte, jog jie nebeatsako. Tai galima pasiekti naudojant signalus, tokius kaip `SIGSTOP` ir `SIGCONT` „Linux“ sistemoje. Pavyzdys: duomenų bazės prisijungimų telkinys išnaudoja visus prisijungimus, dėl ko programa nustoja reaguoti.

4. Būsenos gedimai

Šie gedimai apima sistemos būsenos sugadinimą ar modifikavimą:

• Duomenų sugadinimas: Sąmoningai sugadinkite duomenis duomenų bazėse ar podėliuose (caches), kad pamatytumėte, kaip sistema tvarkosi su nenuosekliais duomenimis. Tai gali apimti duomenų bazės įrašų keitimą, klaidų įvedimą į podėlio įrašus ar net disko sugadinimo imitavimą. Pavyzdys: el. prekybos svetainė, patirianti duomenų sugadinimą savo produktų kataloge, dėl ko rodomos neteisingos kainos ar produkto informacija.
• Laikrodžio poslinkis: Imituokite laikrodžio sinchronizavimo problemas tarp skirtingų serverių. Tai galima pasiekti naudojant įrankius, kurie leidžia manipuliuoti sistemos laikrodžiu. Pavyzdys: paskirstyta transakcijų sistema, patirianti laikrodžio poslinkį tarp skirtingų mazgų, dėl ko atsiranda nenuoseklumų transakcijų apdorojime.

5. Priklausomybių gedimai

Šie gedimai yra skirti išorinių priklausomybių gedimams:

• Paslaugos nepasiekiamumas: Imituokite išorinių paslaugų (pvz., duomenų bazių, API) nepasiekiamumą, kad patikrintumėte, kaip sistema sklandžiai blogina savo veikimą. Tai galima pasiekti imituojant paslaugų sutrikimus naudojant įrankius, tokius kaip prototipų (stubbing) ar imitavimo (mocking) bibliotekos. Pavyzdys: programa, priklausoma nuo trečiosios šalies mokėjimų šliuzo, patiriančio sutrikimą.
• Lėti atsakymai: Imituokite lėtus atsakymus iš išorinių paslaugų, kad patikrintumėte, kaip sistema tvarkosi su delsos problemomis. Tai galima pasiekti įvedant vėlavimus į imituojamų paslaugų atsakymus. Pavyzdys: žiniatinklio programa, patirianti lėtas duomenų bazės užklausas dėl duomenų bazės serverio perkrovos.
• Neteisingi atsakymai: Imituokite, kad išorinės paslaugos grąžina neteisingus ar netikėtus duomenis, kad patikrintumėte klaidų apdorojimą. Tai galima pasiekti modifikuojant imituojamų paslaugų atsakymus, kad jie grąžintų netinkamus duomenis. Pavyzdys: programa gauna netinkamus duomenis iš trečiosios šalies API, kas sukelia netikėtą elgesį.

Gedimų įvedimo įrankiai

Keletas įrankių ir karkasų gali padėti automatizuoti ir valdyti gedimų įvedimo eksperimentus:

• Chaos Monkey (Netflix): Klasikinis įrankis, skirtas atsitiktinai nutraukti virtualių mašinų egzempliorius gamybinėje aplinkoje. Nors ir paprastas, jis gali būti efektyvus testuojant debesijos infrastruktūros atsparumą.
• Gremlin: Komercinė platforma, skirta organizuoti platų gedimų įvedimo eksperimentų spektrą, įskaitant išteklių, tinklo ir būsenos gedimus. Ji siūlo patogią vartotojo sąsają ir palaiko įvairias infrastruktūros platformas.
• Litmus: Atvirojo kodo chaoso inžinerijos karkasas, skirtas „Kubernetes“. Jis leidžia apibrėžti ir vykdyti chaoso inžinerijos eksperimentus kaip „Kubernetes“ pasirinktinius išteklius.
• Chaos Toolkit: Atvirojo kodo įrankių rinkinys, skirtas apibrėžti ir vykdyti chaoso inžinerijos eksperimentus naudojant deklaratyvų JSON formatą. Jis palaiko įvairias platformas ir integracijas.
• Toxiproxy: TCP tarpinis serveris (proxy), skirtas tinklo ir programų gedimams imituoti. Jis leidžia įvesti delsą, paketų praradimą ir kitus tinklo sutrikimus tarp jūsų programos ir jos priklausomybių.
• Individualūs scenarijai (Custom Scripts): Specifiniams scenarijams galite rašyti individualius scenarijus naudodami įrankius, tokius kaip `tc`, `iptables` ir `kill`, kad tiesiogiai įvestumėte gedimus į sistemą. Šis požiūris suteikia maksimalų lankstumą, bet reikalauja daugiau rankinio darbo.

Geriausios gedimų įvedimo praktikos

Kad jūsų gedimų įvedimo eksperimentai būtų veiksmingi ir saugūs, laikykitės šių geriausių praktikų:

• Pradėkite nuo mažų dalykų: Pradėkite nuo paprastų eksperimentų ir palaipsniui didinkite sudėtingumą, kai įgysite pasitikėjimo.
• Atidžiai stebėkite: Atidžiai stebėkite savo sistemą eksperimentų metu, kad aptiktumėte bet kokį netikėtą elgesį ar galimas problemas. Naudokite išsamius stebėjimo įrankius, kad sektumėte pagrindinius rodiklius, tokius kaip delsa, klaidų dažnis ir išteklių naudojimas.
• Automatizuokite: Automatizuokite savo eksperimentus, kad jie būtų vykdomi reguliariai ir nuosekliai. Tai leidžia nuolat stebėti sistemos atsparumą ir nustatyti regresijas.
• Bendraukite: Informuokite savo komandą ir suinteresuotąsias šalis apie artėjančius eksperimentus, kad išvengtumėte nesusipratimų ir užtikrintumėte, jog visi žino apie galimas rizikas.
• Turėkite atstatymo planą: Turėkite aiškų atstatymo planą, jei kas nors nutiktų ne taip. Jis turėtų apimti veiksmus, kaip greitai atkurti sistemą į ankstesnę būseną.
• Mokykitės ir kartokite: Analizuokite kiekvieno eksperimento rezultatus ir naudokite išvadas savo sistemos atsparumui gerinti. Kartokite savo eksperimentus, kad išbandytumėte skirtingus gedimų scenarijus ir patikslintumėte savo supratimą apie sistemos elgesį.
• Viską dokumentuokite: Laikykite išsamius visų eksperimentų įrašus, įskaitant hipotezę, vykdymo veiksmus, rezultatus ir visas išmoktas pamokas. Ši dokumentacija bus neįkainojama ateities eksperimentams ir dalijantis žiniomis komandoje.
• Apsvarstykite poveikio spindulį: Prieš pereidami prie gamybinės aplinkos, pradėkite įvesti gedimus nekritinėse sistemose ar kūrimo aplinkose. Įdiekite apsaugos priemones, kad apribotumėte eksperimentų poveikį galutiniams vartotojams. Pavyzdžiui, naudokite funkcijų vėliavėles (feature flags) ar kanarėlių diegimus (canary deployments), kad izoliuotumėte eksperimento poveikį.
• Užtikrinkite stebimumą: Jūs turite sugebėti *stebėti* savo eksperimentų poveikį. Tam reikalinga tvirta registravimo (logging), sekimo (tracing) ir stebėjimo (monitoring) infrastruktūra. Be stebimumo negalėsite tiksliai įvertinti įvestų gedimų poveikio ar nustatyti bet kokių gedimų pagrindinės priežasties.

Gedimų įvedimo nauda

Gedimų įvedimo, kaip chaoso inžinerijos strategijos dalies, pritaikymas siūlo daugybę privalumų:

• Pagerintas sistemos atsparumas: Aktyviai nustatykite ir ištaisykite silpnąsias vietas savo sistemoje, padarydami ją atsparesnę gedimams.
• Sumažintos prastovos: Sumažinkite netikėtų sutrikimų poveikį užtikrindami, kad jūsų sistema gali sklandžiai tvarkytis su gedimais.
• Padidėjęs pasitikėjimas: Sustiprinkite pasitikėjimą savo sistemos gebėjimu atlaikyti audringas sąlygas gamybinėje aplinkoje.
• Greitesnis vidutinis atsigavimo laikas (MTTR): Pagerinkite savo gebėjimą greitai atsigauti po gedimų, praktikuodami incidentų valdymą ir automatizuodami atsigavimo procedūras.
• Patobulintas stebėjimas ir perspėjimai: Nustatykite spragas savo stebėjimo ir perspėjimų sistemose stebėdami, kaip jos reaguoja į įvestus gedimus.
• Geresnis sistemos elgesio supratimas: Gaukite gilesnį supratimą apie tai, kaip jūsų sistema elgiasi esant apkrovai, kas lemia labiau apgalvotus projektavimo ir eksploatavimo sprendimus.
• Pagerintas komandinis bendradarbiavimas: Skatinkite kūrėjų, operacijų ir saugumo komandų bendradarbiavimą, kartu kuriant ir vykdant chaoso inžinerijos eksperimentus.

Realaus pasaulio pavyzdžiai

Kelios įmonės sėkmingai įdiegė chaoso inžineriją ir gedimų įvedimą, siekdamos pagerinti savo sistemų atsparumą:

• Netflix: Chaoso inžinerijos pradininkė, „Netflix“, garsėja tuo, kad naudoja „Chaos Monkey“ atsitiktinai nutraukti egzempliorius savo gamybinėje aplinkoje. Jie taip pat sukūrė kitus chaoso inžinerijos įrankius, tokius kaip „Simian Army“, skirtus įvairiems gedimų scenarijams imituoti.
• Amazon: „Amazon“ plačiai naudoja chaoso inžineriją, kad išbandytų savo AWS paslaugų atsparumą. Jie sukūrė įrankius ir metodus, skirtus gedimams įvesti į įvairius savo infrastruktūros komponentus, įskaitant tinklo įrenginius, saugojimo sistemas ir duomenų bazes.
• Google: „Google“ taip pat pritaikė chaoso inžineriją kaip būdą pagerinti savo paslaugų patikimumą. Jie naudoja gedimų įvedimą, kad išbandytų savo paskirstytųjų sistemų atsparumą ir nustatytų galimus gedimų režimus.
• LinkedIn: „LinkedIn“ naudoja chaoso inžineriją, kad patvirtintų savo platformos atsparumą įvairių tipų gedimams. Jie naudoja automatizuotų ir rankinių gedimų įvedimo metodų derinį, kad išbandytų skirtingus savo sistemos aspektus.
• Salesforce: „Salesforce“ naudoja chaoso inžineriją, kad užtikrintų aukštą savo debesijos paslaugų prieinamumą ir patikimumą. Jie naudoja gedimų įvedimą, kad imituotų įvairius gedimų scenarijus, įskaitant tinklo sutrikimus, duomenų bazių gedimus ir programų klaidas.

Gedimų įvedimo diegimo iššūkiai

Nors gedimų įvedimo nauda yra didelė, taip pat reikia atsižvelgti į kai kuriuos iššūkius:

• Sudėtingumas: Gedimų įvedimo eksperimentų kūrimas ir vykdymas gali būti sudėtingas, ypač didelėse ir paskirstytose sistemose.
• Rizika: Visada yra rizika sukelti nenumatytų pasekmių, kai įvedami gedimai į gamybinę aplinką.
• Įrankiai: Pasirinkti tinkamus įrankius ir karkasus gedimų įvedimui gali būti sudėtinga, nes yra daug galimų variantų.
• Kultūra: Chaoso inžinerijos pritaikymas reikalauja kultūrinio pokyčio – pradėti priimti nesėkmes ir mokytis iš klaidų.
• Stebimumas: Be tinkamo stebėjimo ir registravimo, sunku įvertinti gedimų įvedimo eksperimentų poveikį.

Kaip pradėti naudoti gedimų įvedimą

Štai keli žingsniai, kaip pradėti naudoti gedimų įvedimą:

1. Pradėkite nuo paprasto eksperimento: Pasirinkite nekritinę sistemą ar komponentą ir pradėkite nuo pagrindinio gedimų įvedimo eksperimento, pavyzdžiui, proceso nutraukimo ar delsos įvedimo.
2. Apibrėžkite savo hipotezę: Aiškiai apibrėžkite, ko tikitės, kai bus įvestas gedimas.
3. Stebėkite sistemą: Atidžiai stebėkite sistemos elgesį eksperimento metu ir po jo.
4. Analizuokite rezultatus: Palyginkite faktinius rezultatus su savo hipoteze ir nustatykite bet kokius neatitikimus.
5. Dokumentuokite savo išvadas: Užrašykite savo išvadas ir pasidalykite jomis su savo komanda.
6. Kartokite ir tobulinkite: Naudokite eksperimento metu įgytas įžvalgas, kad pagerintumėte savo sistemos atsparumą, ir kartokite procesą su sudėtingesniais eksperimentais.

Išvada

Chaoso inžinerija ir gedimų įvedimas yra galingos technikos, skirtos kurti atsparesnes ir patikimesnes sistemas. Aktyviai nustatydami silpnąsias vietas ir gerindami sistemos tvirtumą, galite sumažinti prastovas, padidinti pasitikėjimą ir suteikti geresnę vartotojo patirtį. Nors yra iššūkių, kuriuos reikia įveikti, šių praktikų nauda gerokai viršija riziką. Pradėkite nuo mažų dalykų, atidžiai stebėkite ir nuolat kartokite, kad sukurtumėte atsparumo kultūrą savo organizacijoje. Atminkite, kad nesėkmių priėmimas – tai ne dalykų laužymas; tai mokymasis, kaip kurti sistemas, kurios gali atlaikyti bet ką.

Programinės įrangos sistemoms tampant vis sudėtingesnėms ir labiau paskirstytoms, chaoso inžinerijos poreikis tik didės. Pritaikydami šias technikas, galite užtikrinti, kad jūsų sistemos bus pasirengusios susidoroti su neišvengiamais realaus pasaulio iššūkiais.