Saga-patroon: Gedistribueerde Transacties Implementeren voor Microservices

In de wereld van microservices kan het handhaven van dataconsistentie over meerdere services een aanzienlijke uitdaging zijn. Traditionele ACID-transacties (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability), die vaak in monolithische applicaties worden gebruikt, zijn doorgaans ongeschikt voor gedistribueerde omgevingen. Hier komt het Saga-patroon om de hoek kijken, dat een robuuste oplossing biedt voor het beheren van gedistribueerde transacties en het waarborgen van data-integriteit over microservices heen.

Wat is het Saga-patroon?

Het Saga-patroon is een ontwerppatroon dat wordt gebruikt om een reeks lokale transacties over meerdere microservices te beheren. Het biedt een manier om 'eventual consistency' (uiteindelijke consistentie) te bereiken, wat betekent dat hoewel data tijdelijk inconsistent kan zijn, deze uiteindelijk zal convergeren naar een consistente staat. In plaats van te vertrouwen op één enkele, atomaire transactie die meerdere services omspant, breekt het Saga-patroon de transactie op in een reeks kleinere, onafhankelijke transacties, die elk door één service worden uitgevoerd.

Elke lokale transactie binnen een Saga werkt de database van één enkele microservice bij. Als een van de transacties mislukt, voert de Saga een reeks compensatietransacties uit om de wijzigingen van de voorgaande transacties ongedaan te maken, waardoor de algehele operatie effectief wordt teruggedraaid.

Waarom het Saga-patroon gebruiken?

Verschillende factoren maken het Saga-patroon een waardevol hulpmiddel voor het beheren van transacties in microservice-architecturen:

• Ontkoppeling: Saga's bevorderen een losse koppeling tussen microservices, waardoor ze onafhankelijk kunnen evolueren zonder andere services te beïnvloeden. Dit is een belangrijk voordeel van microservice-architecturen.
• Schaalbaarheid: Door langlopende, gedistribueerde transacties te vermijden, verbeteren Saga's de schaalbaarheid en prestaties. Elke microservice kan zijn eigen transacties onafhankelijk afhandelen, wat de concurrentie vermindert en de doorvoer verhoogt.
• Veerkracht: Saga's zijn ontworpen om veerkrachtig te zijn tegen storingen. Als een transactie mislukt, kan de Saga worden teruggedraaid, waardoor data-inconsistenties worden voorkomen en het systeem in een consistente staat blijft.
• Flexibiliteit: Het Saga-patroon biedt flexibiliteit bij het beheren van complexe bedrijfsprocessen die meerdere services omspannen. Het stelt u in staat de reeks transacties en de compenserende acties te definiëren die moeten worden ondernomen in geval van een storing.

ACID versus BASE

Het begrijpen van het verschil tussen ACID en BASE (Basically Available, Soft state, Eventually consistent) is cruciaal bij de beslissing om het Saga-patroon al dan niet te gebruiken.

• ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability): Garandeert dat transacties betrouwbaar worden verwerkt. Atomiciteit zorgt ervoor dat ofwel alle operaties binnen een transactie slagen, ofwel geen enkele. Consistentie zorgt ervoor dat een transactie de database van de ene geldige staat naar de andere overbrengt. Isolatie zorgt ervoor dat gelijktijdige transacties elkaar niet storen. Duurzaamheid zorgt ervoor dat een transactie, eenmaal vastgelegd, zo blijft, zelfs bij een systeemstoring.
• BASE (Basically Available, Soft state, Eventually consistent): Dit is een andere benadering, ontworpen voor gedistribueerde systemen. Basically Available betekent dat het systeem meestal beschikbaar is. Soft state betekent dat de toestand van het systeem in de loop van de tijd kan veranderen, zelfs zonder input. Eventually consistent betekent dat het systeem uiteindelijk consistent wordt zodra het geen input meer ontvangt. Het Saga-patroon sluit aan bij de BASE-principes.

Twee belangrijke implementatiestrategieën voor Saga

Er zijn twee primaire manieren om het Saga-patroon te implementeren: Choreografie en Orkestratie.

1. Choreografie-gebaseerde Saga

In een choreografie-gebaseerde Saga neemt elke microservice deel aan de Saga door te luisteren naar gebeurtenissen (events) die door andere microservices worden gepubliceerd en daarop te reageren. Er is geen centrale orkestrator; elke service kent zijn eigen verantwoordelijkheden en weet wanneer hij zijn acties moet uitvoeren.

Hoe het werkt:

1. De Saga begint wanneer een microservice een event publiceert dat het begin van de transactie aangeeft.
2. Andere microservices abonneren zich op dit event en voeren, na ontvangst, hun lokale transactie uit.
3. Na het voltooien van hun transactie, publiceert elke microservice een ander event dat het succes of de mislukking van zijn operatie aangeeft.
4. Andere microservices luisteren naar deze events en ondernemen de juiste acties, ofwel door naar de volgende stap in de Saga te gaan of door compensatietransacties te initiëren als er een fout optreedt.

Voorbeeld: E-commerce bestelling plaatsen (Choreografie)

1. Order Service: Ontvangt een nieuw bestelverzoek en publiceert een `OrderCreated` event.
2. Inventory Service: Abonneert zich op `OrderCreated`. Na ontvangst van het event, controleert deze de voorraad. Indien voldoende, reserveert het de artikelen en publiceert `InventoryReserved`. Indien onvoldoende, publiceert het `InventoryReservationFailed`.
3. Payment Service: Abonneert zich op `InventoryReserved`. Na ontvangst van het event, verwerkt deze de betaling. Indien succesvol, publiceert het `PaymentProcessed`. Als het mislukt, publiceert het `PaymentFailed`.
4. Shipping Service: Abonneert zich op `PaymentProcessed`. Na ontvangst van het event, bereidt deze de verzending voor en publiceert `ShipmentPrepared`.
5. Order Service: Abonneert zich op `ShipmentPrepared`. Na ontvangst van het event, markeert deze de bestelling als voltooid.
6. Compensatie: Als `PaymentFailed` of `InventoryReservationFailed` wordt gepubliceerd, luisteren de andere services en voeren compensatietransacties uit (bijv. het vrijgeven van gereserveerde voorraad).

Voordelen van Choreografie:

• Eenvoud: Makkelijker te implementeren voor eenvoudige workflows.
• Gedecentraliseerd: Bevordert losse koppeling en onafhankelijke evolutie van microservices.

Nadelen van Choreografie:

• Complexiteit: Kan complex worden om te beheren naarmate het aantal deelnemers in de Saga toeneemt.
• Zichtbaarheid: Moeilijk om de algehele voortgang en staat van de Saga te volgen.
• Koppeling: Hoewel het losse koppeling bevordert, moeten services nog steeds op de hoogte zijn van de events die door andere services worden gepubliceerd.

2. Orkestratie-gebaseerde Saga

In een orkestratie-gebaseerde Saga beheert een centrale orkestrator (vaak geïmplementeerd als een toegewijde service of een state machine) de Saga en coördineert de uitvoering van lokale transacties door de deelnemende microservices. De orkestrator vertelt elke service wat te doen en wanneer.

Hoe het werkt:

1. De Saga begint wanneer een client de orkestrator verzoekt om de transactie te initiëren.
2. De orkestrator stuurt commando's naar de deelnemende microservices om hun lokale transacties uit te voeren.
3. Elke microservice voert zijn transactie uit en stelt de orkestrator op de hoogte van het succes of de mislukking.
4. Op basis van de uitkomst beslist de orkestrator of hij doorgaat naar de volgende stap of compensatietransacties initieert.

Voorbeeld: E-commerce bestelling plaatsen (Orkestratie)

1. Order Orchestrator: Ontvangt een nieuw bestelverzoek.
2. Order Orchestrator: Stuurt een commando naar de Inventory Service om artikelen te reserveren.
3. Inventory Service: Reserveert de artikelen en stelt de Order Orchestrator op de hoogte.
4. Order Orchestrator: Stuurt een commando naar de Payment Service om de betaling te verwerken.
5. Payment Service: Verwerkt de betaling en stelt de Order Orchestrator op de hoogte.
6. Order Orchestrator: Stuurt een commando naar de Shipping Service om de verzending voor te bereiden.
7. Shipping Service: Bereidt de verzending voor en stelt de Order Orchestrator op de hoogte.
8. Order Orchestrator: Markeert de bestelling als voltooid.
9. Compensatie: Als een stap mislukt, stuurt de Order Orchestrator compenserende commando's naar de relevante services (bijv. het vrijgeven van gereserveerde voorraad).

Voordelen van Orkestratie:

• Gecentraliseerde Controle: Makkelijker om de Saga vanuit een centraal punt te beheren en te monitoren.
• Verbeterde Zichtbaarheid: De orkestrator biedt een duidelijk overzicht van de algehele voortgang en staat van de Saga.
• Verminderde Koppeling: Microservices hoeven alleen met de orkestrator te communiceren, wat de directe afhankelijkheden tussen hen vermindert.

Nadelen van Orkestratie:

• Complexiteit: Kan in eerste instantie complexer zijn om te implementeren, vooral voor eenvoudige workflows.
• Single Point of Failure: De orkestrator kan een 'single point of failure' worden, hoewel dit kan worden beperkt met redundantie en fouttolerantiemaatregelen.

Compensatietransacties implementeren

Een cruciaal aspect van het Saga-patroon is de implementatie van compensatietransacties. Deze transacties worden uitgevoerd om de effecten van eerder voltooide transacties ongedaan te maken in geval van een storing. Het doel is om het systeem terug te brengen naar een consistente staat, zelfs als de algehele Saga niet kan worden voltooid.

Belangrijke overwegingen voor compensatietransacties:

• Idempotentie: Compensatietransacties moeten idempotent zijn, wat betekent dat ze meerdere keren kunnen worden uitgevoerd zonder de uitkomst te veranderen. Dit is belangrijk omdat storingen op elk moment kunnen optreden en de compensatietransactie mogelijk opnieuw wordt geprobeerd.
• Afhandeling van storingen: Compensatietransacties kunnen ook mislukken. U moet een strategie hebben voor het afhandelen van storingen in compensatietransacties, zoals opnieuw proberen, fouten loggen en beheerders waarschuwen.
• Dataconsistentie: Compensatietransacties moeten ervoor zorgen dat data consistent blijft. Dit kan inhouden dat data wordt hersteld naar de vorige staat, nieuw aangemaakte data wordt verwijderd, of data wordt bijgewerkt om de annulering van de transactie weer te geven.

Voorbeelden van compensatietransacties:

• Inventory Service: Als de Inventory Service artikelen heeft gereserveerd maar de betaling is mislukt, zou de compensatietransactie zijn om de gereserveerde artikelen vrij te geven.
• Payment Service: Als de Payment Service een betaling heeft verwerkt maar de verzending is mislukt, kan de compensatietransactie een terugbetaling inhouden.

Uitdagingen en overwegingen

Hoewel het Saga-patroon aanzienlijke voordelen biedt, brengt het ook enkele uitdagingen en overwegingen met zich mee:

• Complexiteit: Het implementeren van het Saga-patroon kan complex zijn, vooral voor ingewikkelde bedrijfsprocessen. Zorgvuldige planning en ontwerp zijn essentieel.
• Uiteindelijke Consistentie: Het Saga-patroon biedt 'eventual consistency', wat betekent dat data tijdelijk inconsistent kan zijn. Dit kan een zorg zijn voor applicaties die sterke consistentiegaranties vereisen.
• Testen: Het testen van Saga's kan een uitdaging zijn vanwege hun gedistribueerde aard en de kans op storingen op verschillende punten.
• Monitoring: Het monitoren van de voortgang en staat van Saga's is cruciaal voor het identificeren en oplossen van problemen. U moet de juiste monitoringtools en -processen hebben.
• Idempotentie: Ervoor zorgen dat transacties en compensatietransacties idempotent zijn, is cruciaal om data-inconsistenties te voorkomen.
• Isolatie: Aangezien Saga's meerdere lokale transacties omvatten, kan isolatie een probleem zijn. Strategieën zoals semantische locks of optimistisch vergrendelen kunnen nodig zijn.

Use Cases en voorbeelden

Het Saga-patroon is zeer geschikt voor een verscheidenheid aan use cases, met name in gedistribueerde systemen en microservice-architecturen. Hier zijn enkele veelvoorkomende voorbeelden:

• E-commerce orderbeheer: Zoals geïllustreerd in de bovenstaande voorbeelden, kan het Saga-patroon worden gebruikt om de gehele levenscyclus van een bestelling te beheren, van het aanmaken van de bestelling tot de betalingsverwerking en verzending.
• Financiële transacties: Het Saga-patroon kan worden gebruikt om complexe financiële transacties te beheren die meerdere systemen omvatten, zoals geldoverboekingen, leningaanvragen en verzekeringsclaims.
• Supply Chain Management: Het Saga-patroon kan worden gebruikt om activiteiten te coördineren tussen meerdere entiteiten in een toeleveringsketen, zoals fabrikanten, distributeurs en detailhandelaren.
• Gezondheidszorgsystemen: Het Saga-patroon kan worden gebruikt om patiëntendossiers te beheren en de zorg te coördineren tussen verschillende afdelingen en zorgverleners.

Voorbeeld: Wereldwijde banktransactie

Stel u een scenario voor met een wereldwijde banktransactie tussen twee verschillende banken in verschillende landen, onderhevig aan diverse regelgeving en compliance-controles. Het Saga-patroon kan ervoor zorgen dat de transactie de gedefinieerde stappen volgt:

1. Transactie initiëren: De klant initieert een geldoverboeking van zijn rekening bij Bank A (gevestigd in de VS) naar de rekening van een ontvanger bij Bank B (gevestigd in Duitsland).
2. Bank A - Accountvalidatie: Bank A valideert de rekening van de klant, controleert op voldoende saldo en zorgt ervoor dat er geen blokkades of beperkingen zijn.
3. Compliance Check (Bank A): Bank A voert een compliance-controle uit om ervoor te zorgen dat de transactie geen anti-witwaspraktijken (AML) of internationale sancties schendt.
4. Geldoverboeking (Bank A): Bank A debiteert de rekening van de klant en stuurt het geld naar een clearinghouse of intermediaire bank.
5. Verwerking door Clearinghouse: Het clearinghouse verwerkt de transactie, voert de valutaconversie uit (USD naar EUR) en routeert het geld naar Bank B.
6. Bank B - Accountvalidatie: Bank B valideert de rekening van de ontvanger en zorgt ervoor dat deze actief is en in aanmerking komt om geld te ontvangen.
7. Compliance Check (Bank B): Bank B voert haar eigen compliance-controle uit, conform de Duitse en EU-regelgeving.
8. Crediteren Rekening (Bank B): Bank B crediteert de rekening van de ontvanger.
9. Bevestiging: Bank B stuurt een bevestigingsbericht naar Bank A, die vervolgens de klant informeert dat de transactie is voltooid.

Compensatietransacties:

• Als de compliance-controle bij Bank A mislukt, wordt de transactie geannuleerd en wordt de rekening van de klant niet gedebiteerd.
• Als de compliance-controle bij Bank B mislukt, wordt het geld teruggestort naar Bank A en wordt de rekening van de klant weer gecrediteerd.
• Als er problemen zijn met de valutaconversie of routering bij het clearinghouse, wordt de transactie teruggedraaid en wordt het geld teruggestort naar Bank A.

Tools en technologieën

Verschillende tools en technologieën kunnen helpen bij het implementeren van het Saga-patroon:

• Berichtenwachtrijen: Apache Kafka, RabbitMQ en Amazon SQS kunnen worden gebruikt om events te publiceren en te abonneren in een choreografie-gebaseerde Saga.
• Workflow Engines: Camunda, Zeebe en Apache Airflow kunnen worden gebruikt om orkestratoren te implementeren en complexe workflows te beheren.
• Event Sourcing: Event sourcing kan worden gebruikt om de geschiedenis van events in een Saga bij te houden en een rollback te vergemakkelijken in geval van een storing.
• Gedistribueerde Transactiemanagers: Sommige gedistribueerde transactiemanagers, zoals Atomikos, kunnen worden gebruikt om transacties over meerdere services te coördineren. Ze zijn echter mogelijk niet geschikt voor alle microservice-architecturen vanwege hun inherente beperkingen in gedistribueerde omgevingen.
• Saga Frameworks: Er zijn ook Saga-frameworks die abstracties en tools bieden voor het implementeren van het Saga-patroon.

Best Practices voor het implementeren van het Saga-patroon

Overweeg de volgende best practices om het Saga-patroon effectief te implementeren:

• Zorgvuldig ontwerp: Analyseer uw bedrijfsvereisten grondig en ontwerp de Saga dienovereenkomstig. Identificeer de deelnemende microservices, de volgorde van transacties en de compenserende acties.
• Idempotentie: Zorg ervoor dat alle transacties en compensatietransacties idempotent zijn.
• Foutafhandeling: Implementeer robuuste foutafhandelingsmechanismen om storingen op elk punt in de Saga aan te kunnen.
• Monitoring en logging: Implementeer uitgebreide monitoring en logging om de voortgang en staat van Saga's te volgen.
• Testen: Test uw Saga's grondig om ervoor te zorgen dat ze correct functioneren en storingen adequaat afhandelen.
• Semantische locks: Implementeer semantische locks om gelijktijdige updates van dezelfde data door verschillende Saga's te voorkomen.
• Optimistisch vergrendelen: Gebruik optimistisch vergrendelen om conflicten tussen gelijktijdige transacties te detecteren en te voorkomen.
• Kies de juiste implementatiestrategie: Overweeg zorgvuldig de afwegingen tussen choreografie en orkestratie en kies de strategie die het beste bij uw behoeften past.
• Definieer duidelijke compensatiebeleidsregels: Stel duidelijke beleidsregels op voor het afhandelen van compensatie, inclusief de voorwaarden waaronder compensatie wordt geactiveerd en de specifieke acties die moeten worden ondernomen.

Conclusie

Het Saga-patroon is een krachtig hulpmiddel voor het beheren van gedistribueerde transacties in microservice-architecturen. Door transacties op te splitsen in een reeks kleinere, onafhankelijke transacties en een mechanisme te bieden voor het compenseren van storingen, stelt het Saga-patroon u in staat om dataconsistentie te handhaven en veerkrachtige, schaalbare en ontkoppelde systemen te bouwen. Hoewel het Saga-patroon complex kan zijn om te implementeren, maken de voordelen die het biedt op het gebied van flexibiliteit, schaalbaarheid en veerkracht het tot een waardevolle aanwinst voor elke microservice-architectuur.

Het begrijpen van de nuances van het Saga-patroon, de afwegingen tussen choreografie en orkestratie, en het belang van compensatietransacties zal u in staat stellen om robuuste gedistribueerde systemen te ontwerpen en te implementeren die voldoen aan de eisen van de complexe bedrijfsomgevingen van vandaag. Het omarmen van het Saga-patroon is een stap in de richting van het bouwen van echt veerkrachtige en schaalbare microservice-architecturen, die in staat zijn om zelfs de meest complexe gedistribueerde transacties met vertrouwen af te handelen. Vergeet niet uw specifieke behoeften en context in overweging te nemen bij het toepassen van dit patroon, en uw implementatie voortdurend te verfijnen op basis van praktijkervaring en feedback.