Ziņojumu rindu dizains: ziņojumu secības garantiju nodrošināšana

Ziņojumu rindas ir mūsdienu sadalīto sistēmu pamatelements, kas nodrošina asinhronu saziņu starp pakalpojumiem, uzlabo mērogojamību un palielina noturību. Tomēr daudzām lietojumprogrammām kritiska prasība ir nodrošināt, ka ziņojumi tiek apstrādāti tādā secībā, kādā tie tika nosūtīti. Šajā bloga ierakstā tiek aplūkoti izaicinājumi, kas saistīti ar ziņojumu secības uzturēšanu sadalītās ziņojumu rindās, un sniegts visaptverošs ceļvedis par dažādām dizaina stratēģijām un to kompromisiem.

Kāpēc ziņojumu secība ir svarīga

Ziņojumu secība ir kritiski svarīga scenārijos, kur notikumu secībai ir būtiska nozīme datu konsekvences un lietojumprogrammas loģikas uzturēšanā. Apsveriet šos piemērus:

• Finanšu darījumi: Banku sistēmā debeta un kredīta operācijas jāapstrādā pareizā secībā, lai novērstu konta pārtēriņu vai nepareizus atlikumus. Debeta ziņojums, kas pienāk pēc kredīta ziņojuma, var izraisīt neprecīzu konta stāvokli.
• Pasūtījumu apstrāde: E-komercijas platformā pasūtījuma veikšanas, maksājuma apstrādes un sūtījuma apstiprinājuma ziņojumi jāapstrādā pareizā secībā, lai nodrošinātu netraucētu klientu pieredzi un precīzu krājumu pārvaldību.
• Notikumu avotošana (Event Sourcing): Notikumu avotošanas sistēmā notikumu secība atspoguļo lietojumprogrammas stāvokli. Notikumu apstrāde nepareizā secībā var izraisīt datu bojājumus un nekonsekvenci.
• Sociālo mediju plūsmas: Lai gan galu galā konsekvence bieži ir pieņemama, ierakstu attēlošana ārpus hronoloģiskās secības var radīt nepatīkamu lietotāja pieredzi. Bieži ir vēlama gandrīz reāllaika secība.
• Krājumu pārvaldība: Atjauninot krājumu līmeņus, īpaši sadalītā vidē, ir vitāli svarīgi nodrošināt, ka krājumu papildināšana un samazināšana tiek apstrādāta pareizā secībā, lai nodrošinātu precizitāti. Scenārijs, kurā pārdošana tiek apstrādāta pirms atbilstošas krājumu papildināšanas (atgriešanas dēļ), var izraisīt nepareizus krājumu līmeņus un potenciālu pārprodukcijas pārdošanu.

Ziņojumu secības neievērošana var izraisīt datu bojājumus, nepareizu lietojumprogrammas stāvokli un pasliktinātu lietotāja pieredzi. Tādēļ, projektējot ziņojumu rindu, ir būtiski rūpīgi apsvērt ziņojumu secības garantijas.

Izaicinājumi ziņojumu secības uzturēšanā

Ziņojumu secības uzturēšana sadalītā ziņojumu rindā ir sarežģīta vairāku faktoru dēļ:

• Sadalītā arhitektūra: Ziņojumu rindas bieži darbojas sadalītā vidē ar vairākiem starpniekiem (brokeriem) vai mezgliem. Ir grūti nodrošināt, ka ziņojumi tiek apstrādāti vienādā secībā visos mezglos.
• Vienlaicīgums: Vairāki patērētāji var apstrādāt ziņojumus vienlaicīgi, kas potenciāli var novest pie apstrādes ārpus secības.
• Bojājumi: Mezglu bojājumi, tīkla sadalīšanās vai patērētāju avārijas var traucēt ziņojumu apstrādi un radīt secības problēmas.
• Ziņojumu atkārtoti mēģinājumi: Neveiksmīgu ziņojumu atkārtota mēģināšana var radīt secības problēmas, ja atkārtotais ziņojums tiek apstrādāts pirms nākamajiem ziņojumiem.
• Slodzes līdzsvarošana: Ziņojumu sadalīšana starp vairākiem patērētājiem, izmantojot slodzes līdzsvarošanas stratēģijas, var netīši novest pie ziņojumu apstrādes ārpus secības.

Stratēģijas ziņojumu secības nodrošināšanai

Var izmantot vairākas stratēģijas, lai nodrošinātu ziņojumu secību sadalītās ziņojumu rindās. Katrai stratēģijai ir savi kompromisi attiecībā uz veiktspēju, mērogojamību un sarežģītību.

1. Viena rinda, viens patērētājs

Vienkāršākā pieeja ir izmantot vienu rindu un vienu patērētāju. Tas garantē, ka ziņojumi tiks apstrādāti tādā secībā, kādā tie tika saņemti. Tomēr šī pieeja ierobežo mērogojamību un caurlaidspēju, jo tikai viens patērētājs var apstrādāt ziņojumus vienlaicīgi. Šī pieeja ir dzīvotspējīga zema apjoma, secībai kritiskiem scenārijiem, piemēram, apstrādājot naudas pārskaitījumus pa vienam mazai finanšu iestādei.

Priekšrocības:

• Vienkārši īstenojama
• Garantē stingru secību

Trūkumi:

• Ierobežota mērogojamība un caurlaidspēja
• Viens atteices punkts (single point of failure)

2. Particionēšana ar secības atslēgām

Mērogojamāka pieeja ir rindas particionēšana, pamatojoties uz secības atslēgu. Ziņojumi ar vienādu secības atslēgu tiek garantēti piegādāti vienai un tai pašai partīcijai, un patērētāji apstrādā ziņojumus katrā partīcijā secīgi. Bieži lietotas secības atslēgas varētu būt lietotāja ID, pasūtījuma ID vai konta numurs. Tas ļauj paralēli apstrādāt ziņojumus ar dažādām secības atslēgām, vienlaikus saglabājot secību katras atslēgas ietvaros.

Piemērs:

Apsveriet e-komercijas platformu, kurā ziņojumi, kas saistīti ar konkrētu pasūtījumu, ir jāapstrādā secīgi. Pasūtījuma ID var izmantot kā secības atslēgu. Visi ziņojumi, kas saistīti ar pasūtījuma ID 123 (piemēram, pasūtījuma veikšana, maksājuma apstiprinājums, sūtījuma atjauninājumi), tiks novirzīti uz to pašu partīciju un apstrādāti secīgi. Ziņojumi, kas saistīti ar citu pasūtījuma ID (piemēram, pasūtījuma ID 456), var tikt apstrādāti vienlaicīgi citā partīcijā.

Populāras ziņojumu rindu sistēmas, piemēram, Apache Kafka un Apache Pulsar, nodrošina iebūvētu atbalstu particionēšanai ar secības atslēgām.

Priekšrocības:

• Uzlabota mērogojamība un caurlaidspēja salīdzinājumā ar vienu rindu
• Garantē secību katras partīcijas ietvaros

Trūkumi:

• Nepieciešama rūpīga secības atslēgas izvēle
• Nevienmērīgs secības atslēgu sadalījums var novest pie "karstām" (pārslogotām) partīcijām
• Sarežģītība partīciju un patērētāju pārvaldībā

3. Secības numuri

Cita pieeja ir piešķirt ziņojumiem secības numurus un nodrošināt, ka patērētāji apstrādā ziņojumus secības numuru kārtībā. To var panākt, buferējot ziņojumus, kas pienāk ārpus secības, un atbrīvojot tos, kad iepriekšējie ziņojumi ir apstrādāti. Tas prasa mehānismu trūkstošo ziņojumu noteikšanai un atkārtotas pārraidīšanas pieprasīšanai.

Piemērs:

Sadalīta žurnālēšanas sistēma saņem žurnāla ziņojumus no vairākiem serveriem. Katrs serveris piešķir saviem žurnāla ziņojumiem secības numuru. Žurnālu apkopotājs buferē ziņojumus un apstrādā tos secības numuru kārtībā, nodrošinot, ka žurnāla notikumi ir pareizi sakārtoti, pat ja tie pienāk ārpus secības tīkla aizkavēšanās dēļ.

Priekšrocības:

• Nodrošina elastību, apstrādājot ziņojumus, kas pienāk ārpus secības
• Var izmantot ar jebkuru ziņojumu rindu sistēmu

Trūkumi:

• Nepieciešama buferēšanas un pārkārtošanas loģika patērētāja pusē
• Palielināta sarežģītība, apstrādājot trūkstošos ziņojumus un atkārtotus mēģinājumus
• Potenciāli palielināts latentums buferēšanas dēļ

4. Idempotenti patērētāji

Idempotence ir operācijas īpašība, ko var pielietot vairākas reizes, nemainot rezultātu pēc sākotnējās pielietošanas. Ja patērētāji ir izstrādāti kā idempotenti, tie var droši apstrādāt ziņojumus vairākas reizes, neradot nekonsekvenci. Tas ļauj izmantot "vismaz vienreizējas piegādes" (at-least-once) semantiku, kur ziņojumi tiek garantēti piegādāti vismaz vienu reizi, bet var tikt piegādāti arī vairākkārt. Lai gan tas negarantē stingru secību, to var apvienot ar citām metodēm, piemēram, secības numuriem, lai nodrošinātu galīgo konsekvenci, pat ja ziņojumi sākotnēji pienāk ārpus secības.

Piemērs:

Maksājumu apstrādes sistēmā patērētājs saņem maksājumu apstiprinājuma ziņojumus. Patērētājs pārbauda, vai maksājums jau ir apstrādāts, vaicājot datu bāzei. Ja maksājums jau ir apstrādāts, patērētājs ignorē ziņojumu. Pretējā gadījumā tas apstrādā maksājumu un atjaunina datu bāzi. Tas nodrošina, ka pat tad, ja tas pats maksājuma apstiprinājuma ziņojums tiek saņemts vairākas reizes, maksājums tiek apstrādāts tikai vienu reizi.

Priekšrocības:

• Vienkāršo ziņojumu rindas dizainu, ļaujot izmantot vismaz vienreizēju piegādi
• Samazina ziņojumu dublēšanās ietekmi

Trūkumi:

• Nepieciešams rūpīgs patērētāju dizains, lai nodrošinātu idempotenci
• Palielina sarežģītību patērētāja loģikā
• Negarantē ziņojumu secību

5. Transakciju izejas kastītes (Transactional Outbox) modelis

Transakciju izejas kastītes modelis ir dizaina modelis, kas nodrošina, ka ziņojumi tiek uzticami publicēti ziņojumu rindā kā daļa no datu bāzes transakcijas. Tas garantē, ka ziņojumi tiek publicēti tikai tad, ja datu bāzes transakcija ir veiksmīga, un ka ziņojumi netiek zaudēti, ja lietojumprogramma avarē pirms ziņojuma publicēšanas. Lai gan tas galvenokārt ir vērsts uz uzticamu ziņojumu piegādi, to var izmantot kopā ar particionēšanu, lai nodrošinātu secīgu ziņojumu piegādi, kas saistīti ar konkrētu entītiju.

Kā tas darbojas:

1. Kad lietojumprogrammai ir jāatjaunina datu bāze un jāpublicē ziņojums, tā ievieto ziņojumu "izejas kastītes" (outbox) tabulā tajā pašā datu bāzes transakcijā, kurā tiek veikta datu atjaunināšana.
2. Atsevišķs process (piemēram, datu bāzes transakciju žurnāla lasītājs vai ieplānots darbs) uzrauga izejas kastītes tabulu.
3. Šis process nolasa ziņojumus no izejas kastītes tabulas un publicē tos ziņojumu rindā.
4. Kad ziņojums ir veiksmīgi publicēts, process atzīmē ziņojumu kā nosūtītu (vai dzēš to) no izejas kastītes tabulas.

Piemērs:

Kad tiek veikts jauns klienta pasūtījums, lietojumprogramma ievieto pasūtījuma datus `orders` tabulā un atbilstošu ziņojumu `outbox` tabulā, visu vienas datu bāzes transakcijas ietvaros. Ziņojums `outbox` tabulā satur informāciju par jauno pasūtījumu. Atsevišķs process nolasa šo ziņojumu un publicē to `new_orders` rindā. Tas nodrošina, ka ziņojums tiek publicēts tikai tad, ja pasūtījums ir veiksmīgi izveidots datu bāzē, un ka ziņojums netiek zaudēts, ja lietojumprogramma avarē pirms tā publicēšanas. Turklāt, izmantojot klienta ID kā partīcijas atslēgu, publicējot ziņojumu rindā, tiek nodrošināts, ka visi ar šo klientu saistītie ziņojumi tiek apstrādāti secīgi.

Priekšrocības:

• Garantē uzticamu ziņojumu piegādi un atomiskumu starp datu bāzes atjauninājumiem un ziņojumu publicēšanu.
• Var apvienot ar particionēšanu, lai nodrošinātu saistīto ziņojumu secīgu piegādi.

Trūkumi:

• Palielina lietojumprogrammas sarežģītību un prasa atsevišķu procesu izejas kastītes tabulas uzraudzībai.
• Nepieciešama rūpīga datu bāzes transakciju izolācijas līmeņu apsvēršana, lai izvairītos no datu nekonsekvences.

Pareizās stratēģijas izvēle

Labākā stratēģija ziņojumu secības nodrošināšanai ir atkarīga no konkrētās lietojumprogrammas prasībām. Apsveriet šādus faktorus:

• Mērogojamības prasības: Cik liela caurlaidspēja ir nepieciešama? Vai lietojumprogramma var pieļaut vienu patērētāju, vai ir nepieciešama particionēšana?
• Secības prasības: Vai visiem ziņojumiem ir nepieciešama stingra secība, vai secība ir svarīga tikai saistītiem ziņojumiem?
• Sarežģītība: Cik lielu sarežģītību lietojumprogramma var pieļaut? Vienkāršus risinājumus, piemēram, vienu rindu, ir vieglāk ieviest, bet tie var nebūt labi mērogojami.
• Kļūdu tolerance: Cik noturīgai sistēmai jābūt pret bojājumiem?
• Latentuma prasības: Cik ātri ziņojumi ir jāapstrādā? Buferēšana un pārkārtošana var palielināt latentumu.
• Ziņojumu rindu sistēmas iespējas: Kādas secības funkcijas nodrošina izvēlētā ziņojumu rindu sistēma?

Šeit ir lēmumu pieņemšanas ceļvedis, kas palīdzēs jums izvēlēties pareizo stratēģiju:

• Stingra secība, zema caurlaidspēja: Viena rinda, viens patērētājs
• Sakārtoti ziņojumi kontekstā (piem., lietotājs, pasūtījums), augsta caurlaidspēja: Particionēšana ar secības atslēgām
• Neregulāru ziņojumu, kas nav secībā, apstrāde, elastība: Secības numuri ar buferēšanu
• Vismaz vienreizēja piegāde, ziņojumu dublēšanās pieļaujama: Idempotenti patērētāji
• Atomiskuma nodrošināšana starp datu bāzes atjauninājumiem un ziņojumu publicēšanu: Transakciju izejas kastītes modelis (var apvienot ar particionēšanu secīgai piegādei)

Ziņojumu rindu sistēmas apsvērumi

Dažādas ziņojumu rindu sistēmas piedāvā dažādus ziņojumu secības atbalsta līmeņus. Izvēloties ziņojumu rindu sistēmu, apsveriet šādus aspektus:

• Secības garantijas: Vai sistēma nodrošina stingru secību, vai tā garantē secību tikai partīcijas ietvaros?
• Particionēšanas atbalsts: Vai sistēma atbalsta particionēšanu ar secības atslēgām?
• Tieši vienreizēja semantika: Vai sistēma nodrošina tieši vienreizēju (exactly-once) semantiku, vai tā nodrošina tikai vismaz vienreizēju (at-least-once) vai ne vairāk kā vienreizēju (at-most-once) semantiku?
• Kļūdu tolerance: Cik labi sistēma tiek galā ar mezglu bojājumiem un tīkla sadalīšanos?

Šeit ir īss pārskats par dažu populāru ziņojumu rindu sistēmu secības iespējām:

• Apache Kafka: Nodrošina stingru secību partīcijas ietvaros. Ziņojumi ar vienādu atslēgu tiek garantēti piegādāti vienai un tai pašai partīcijai un apstrādāti secīgi.
• Apache Pulsar: Nodrošina stingru secību partīcijas ietvaros. Atbalsta arī ziņojumu dedublikāciju, lai sasniegtu tieši vienreizēju semantiku.
• RabbitMQ: Atbalsta vienu rindu, vienu patērētāju stingrai secībai. Atbalsta arī particionēšanu, izmantojot apmaiņas (exchange) veidus un maršrutēšanas atslēgas, bet secība nav garantēta starp partīcijām bez papildu klienta puses loģikas.
• Amazon SQS: Nodrošina labākās pūles (best-effort) secību. Ziņojumi parasti tiek piegādāti tādā secībā, kādā tie tika nosūtīti, bet ir iespējama piegāde ārpus secības. SQS FIFO rindas (First-In-First-Out) nodrošina tieši vienreizēju apstrādi un secības garantijas.
• Azure Service Bus: Atbalsta ziņojumu sesijas, kas nodrošina veidu, kā grupēt saistītus ziņojumus un nodrošināt, ka tos secīgi apstrādā viens patērētājs.

Praktiski apsvērumi

Papildus pareizās stratēģijas un ziņojumu rindu sistēmas izvēlei apsveriet šādus praktiskus apsvērumus:

• Monitorings un brīdinājumi: Ieviesiet monitoringu un brīdinājumus, lai atklātu ziņojumus, kas nav secībā, un citas secības problēmas.
• Testēšana: Rūpīgi testējiet ziņojumu rindu sistēmu, lai nodrošinātu, ka tā atbilst secības prasībām. Iekļaujiet testus, kas simulē bojājumus un vienlaicīgu apstrādi.
• Sadalītā izsekošana (Distributed Tracing): Ieviesiet sadalīto izsekošanu, lai izsekotu ziņojumus, kad tie plūst caur sistēmu, un identificētu potenciālās secības problēmas. Rīki, piemēram, Jaeger, Zipkin un AWS X-Ray, var būt nenovērtējami, diagnosticējot problēmas sadalītās ziņojumu rindu arhitektūrās. Marķējot ziņojumus ar unikāliem identifikatoriem un izsekojot to ceļojumu pa dažādiem pakalpojumiem, jūs varat viegli identificēt punktus, kur ziņojumi tiek aizkavēti vai apstrādāti ārpus secības.
• Ziņojuma izmērs: Lielāki ziņojumu izmēri var ietekmēt veiktspēju un palielināt secības problēmu iespējamību tīkla aizkavēšanās vai ziņojumu rindas ierobežojumu dēļ. Apsveriet ziņojumu izmēru optimizēšanu, saspiežot datus vai sadalot lielus ziņojumus mazākos gabalos.
• Noilgumi un atkārtoti mēģinājumi: Konfigurējiet atbilstošus noilguma un atkārtotu mēģinājumu politikas, lai risinātu pagaidu kļūmes un tīkla problēmas. Tomēr esiet uzmanīgi attiecībā uz atkārtotu mēģinājumu ietekmi uz ziņojumu secību, īpaši scenārijos, kur ziņojumus var apstrādāt vairākas reizes.

Noslēgums

Ziņojumu secības nodrošināšana sadalītās ziņojumu rindās ir sarežģīts izaicinājums, kas prasa rūpīgu dažādu faktoru apsvēršanu. Izprotot dažādās stratēģijas, kompromisus un praktiskos apsvērumus, kas izklāstīti šajā bloga ierakstā, jūs varat projektēt ziņojumu rindu sistēmas, kas atbilst jūsu lietojumprogrammas secības prasībām un nodrošina datu konsekvenci un pozitīvu lietotāja pieredzi. Atcerieties izvēlēties pareizo stratēģiju, pamatojoties uz jūsu lietojumprogrammas specifiskajām vajadzībām, un rūpīgi testējiet savu sistēmu, lai nodrošinātu, ka tā atbilst jūsu secības prasībām. Attīstoties jūsu sistēmai, nepārtraukti uzraugiet un pilnveidojiet savu ziņojumu rindas dizainu, lai pielāgotos mainīgajām prasībām un nodrošinātu optimālu veiktspēju un uzticamību.