Saga-mønsteret: Implementering av distribuerte transaksjoner for mikrotjenester

I mikrotjenestenes verden kan det være en betydelig utfordring å opprettholde datakonsistens på tvers av flere tjenester. Tradisjonelle ACID-transaksjoner (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability), som er vanlige i monolittiske applikasjoner, er ofte uegnet for distribuerte miljøer. Det er her Saga-mønsteret kommer inn, og gir en robust løsning for å håndtere distribuerte transaksjoner og sikre dataintegritet på tvers av mikrotjenester.

Hva er Saga-mønsteret?

Saga-mønsteret er et designmønster som brukes til å håndtere en sekvens av lokale transaksjoner på tvers av flere mikrotjenester. Det gir en måte å oppnå eventuell konsistens på, noe som betyr at selv om data kan være midlertidig inkonsistente, vil de til slutt konvergere til en konsistent tilstand. I stedet for å stole på en enkelt, atomær transaksjon som spenner over flere tjenester, bryter Saga-mønsteret ned transaksjonen i en serie mindre, uavhengige transaksjoner, der hver utføres av en enkelt tjeneste.

Hver lokal transaksjon i en Saga oppdaterer databasen til en enkelt mikrotjeneste. Hvis en av transaksjonene mislykkes, utfører Sagaen en serie kompenserende transaksjoner for å angre endringene som ble gjort av de foregående transaksjonene, og ruller dermed effektivt tilbake den totale operasjonen.

Hvorfor bruke Saga-mønsteret?

Flere faktorer gjør Saga-mønsteret til et verdifullt verktøy for å håndtere transaksjoner i mikrotjenestearkitekturer:

• Frakobling: Sagaer fremmer løs kobling mellom mikrotjenester, slik at de kan utvikle seg uavhengig uten å påvirke andre tjenester. Dette er en sentral fordel med mikrotjenestearkitekturer.
• Skalerbarhet: Ved å unngå langvarige, distribuerte transaksjoner forbedrer Sagaer skalerbarhet og ytelse. Hver mikrotjeneste kan håndtere sine egne transaksjoner uavhengig, noe som reduserer konkurranse og forbedrer gjennomstrømningen.
• Robusthet: Sagaer er designet for å være robuste mot feil. Hvis en transaksjon mislykkes, kan Sagaen rulles tilbake, noe som forhindrer datainkonsistens og sikrer at systemet forblir i en konsistent tilstand.
• Fleksibilitet: Saga-mønsteret gir fleksibilitet i håndteringen av komplekse forretningsprosesser som spenner over flere tjenester. Det lar deg definere rekkefølgen på transaksjoner og de kompenserende handlingene som skal utføres ved feil.

ACID vs. BASE

Å forstå forskjellen mellom ACID og BASE (Basically Available, Soft state, Eventually consistent) er avgjørende når man skal bestemme seg for om man skal bruke Saga-mønsteret.

• ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability): Garanterer at transaksjoner behandles pålitelig. Atomisitet sikrer at enten alle operasjoner i en transaksjon lykkes, eller ingen gjør det. Konsistens sikrer at en transaksjon transformerer databasen fra en gyldig tilstand til en annen. Isolasjon sikrer at samtidige transaksjoner ikke forstyrrer hverandre. Varighet sikrer at når en transaksjon er fullført, forblir den slik selv ved systemfeil.
• BASE (Basically Available, Soft state, Eventually consistent): Dette er en annen tilnærming designet for distribuerte systemer. Basically Available betyr at systemet er tilgjengelig mesteparten av tiden. Soft state betyr at systemets tilstand kan endre seg over tid, selv uten input. Eventually consistent betyr at systemet til slutt vil bli konsistent når det slutter å motta input. Saga-mønsteret er i tråd med BASE-prinsippene.

To hovedstrategier for implementering av Saga

Det er to primære måter å implementere Saga-mønsteret på: Koreografi og Orkestrering.

1. Koreografibasert Saga

I en koreografibasert Saga deltar hver mikrotjeneste i Sagaen ved å lytte etter hendelser publisert av andre mikrotjenester og reagere deretter. Det er ingen sentral orkestrator; hver tjeneste kjenner sine ansvarsområder og når den skal utføre sine handlinger.

Slik fungerer det:

1. Sagaen starter når en mikrotjeneste publiserer en hendelse som indikerer starten på transaksjonen.
2. Andre mikrotjenester abonnerer på denne hendelsen, og når de mottar den, utfører de sin lokale transaksjon.
3. Etter å ha fullført sin transaksjon, publiserer hver mikrotjeneste en ny hendelse som indikerer om operasjonen var vellykket eller mislykket.
4. Andre mikrotjenester lytter etter disse hendelsene og iverksetter passende tiltak, enten ved å gå videre til neste trinn i Sagaen eller ved å starte kompenserende transaksjoner hvis en feil oppstår.

Eksempel: Plassering av ordre i netthandel (Koreografi)

1. Ordretjeneste: Mottar en ny ordreforespørsel og publiserer en `OrderCreated`-hendelse.
2. Lagertjeneste: Abonnerer på `OrderCreated`. Ved mottak av hendelsen sjekker den lagerbeholdningen. Hvis det er tilstrekkelig, reserverer den varene og publiserer `InventoryReserved`. Hvis utilstrekkelig, publiserer den `InventoryReservationFailed`.
3. Betalingstjeneste: Abonnerer på `InventoryReserved`. Ved mottak av hendelsen behandler den betalingen. Hvis vellykket, publiserer den `PaymentProcessed`. Hvis den mislykkes, publiserer den `PaymentFailed`.
4. Frakttjeneste: Abonnerer på `PaymentProcessed`. Ved mottak av hendelsen forbereder den forsendelsen og publiserer `ShipmentPrepared`.
5. Ordretjeneste: Abonnerer på `ShipmentPrepared`. Ved mottak av hendelsen markerer den ordren som fullført.
6. Kompensasjon: Hvis `PaymentFailed` eller `InventoryReservationFailed` publiseres, lytter de andre tjenestene og utfører kompenserende transaksjoner (f.eks. frigjør reservert lagerbeholdning).

Fordeler med koreografi:

• Enkelhet: Enklere å implementere for enkle arbeidsflyter.
• Desentralisert: Fremmer løs kobling og uavhengig utvikling av mikrotjenester.

Ulemper med koreografi:

• Kompleksitet: Kan bli komplekst å håndtere ettersom antall deltakere i Sagaen øker.
• Synlighet: Vanskelig å spore den totale fremdriften og statusen til Sagaen.
• Kobling: Selv om det fremmer løs kobling, må tjenestene fortsatt være klar over hendelsene som publiseres av andre tjenester.

2. Orkestreringsbasert Saga

I en orkestreringsbasert Saga håndterer en sentral orkestrator (ofte implementert som en dedikert tjeneste eller en tilstandsmaskin) Sagaen og koordinerer utførelsen av lokale transaksjoner hos de deltakende mikrotjenestene. Orkestratoren forteller hver tjeneste hva den skal gjøre og når den skal gjøre det.

Slik fungerer det:

1. Sagaen starter når en klient ber orkestratoren om å starte transaksjonen.
2. Orkestratoren sender kommandoer til de deltakende mikrotjenestene for å utføre sine lokale transaksjoner.
3. Hver mikrotjeneste utfører sin transaksjon og varsler orkestratoren om suksess eller feil.
4. Basert på utfallet bestemmer orkestratoren om den skal gå videre til neste trinn eller starte kompenserende transaksjoner.

Eksempel: Plassering av ordre i netthandel (Orkestrering)

1. Ordre-orkestrator: Mottar en ny ordreforespørsel.
2. Ordre-orkestrator: Sender en kommando til Lagertjenesten om å reservere varer.
3. Lagertjeneste: Reserverer varene og varsler Ordre-orkestratoren.
4. Ordre-orkestrator: Sender en kommando til Betalingstjenesten om å behandle betalingen.
5. Betalingstjeneste: Behandler betalingen og varsler Ordre-orkestratoren.
6. Ordre-orkestrator: Sender en kommando til Frakttjenesten om å forberede forsendelsen.
7. Frakttjeneste: Forbereder forsendelsen og varsler Ordre-orkestratoren.
8. Ordre-orkestrator: Markerer ordren som fullført.
9. Kompensasjon: Hvis et trinn mislykkes, sender Ordre-orkestratoren kompenserende kommandoer til de relevante tjenestene (f.eks. for å frigjøre reservert lagerbeholdning).

Fordeler med orkestrering:

• Sentralisert kontroll: Enklere å håndtere og overvåke Sagaen fra et sentralt punkt.
• Forbedret synlighet: Orkestratoren gir en klar oversikt over den totale fremdriften og statusen til Sagaen.
• Redusert kobling: Mikrotjenester trenger bare å kommunisere med orkestratoren, noe som reduserer direkte avhengigheter mellom dem.

Ulemper med orkestrering:

• Kompleksitet: Kan være mer komplekst å implementere i starten, spesielt for enkle arbeidsflyter.
• Enkelt feilpunkt (Single Point of Failure): Orkestratoren kan bli et enkelt feilpunkt, selv om dette kan reduseres med redundans og feiltoleransetiltak.

Implementering av kompenserende transaksjoner

Et avgjørende aspekt ved Saga-mønsteret er implementeringen av kompenserende transaksjoner. Disse transaksjonene utføres for å angre effekten av tidligere fullførte transaksjoner i tilfelle feil. Målet er å bringe systemet tilbake til en konsistent tilstand, selv om den totale Sagaen ikke kan fullføres.

Viktige hensyn for kompenserende transaksjoner:

• Idempotens: Kompenserende transaksjoner bør være idempotente, noe som betyr at de kan utføres flere ganger uten å endre utfallet. Dette er viktig fordi feil kan oppstå når som helst, og den kompenserende transaksjonen kan bli forsøkt på nytt.
• Håndtering av feil: Kompenserende transaksjoner kan også mislykkes. Du må ha en strategi for å håndtere feil i kompenserende transaksjoner, som å prøve på nytt, logge feil og varsle administratorer.
• Datakonsistens: Kompenserende transaksjoner bør sikre at data forblir konsistente. Dette kan innebære å gjenopprette data til sin forrige tilstand, slette nyopprettede data eller oppdatere data for å reflektere kanselleringen av transaksjonen.

Eksempler på kompenserende transaksjoner:

• Lagertjeneste: Hvis Lagertjenesten reserverte varer, men betalingen mislyktes, ville den kompenserende transaksjonen være å frigjøre de reserverte varene.
• Betalingstjeneste: Hvis Betalingstjenesten behandlet en betaling, men frakten mislyktes, kan den kompenserende transaksjonen innebære å utstede en refusjon.

Utfordringer og hensyn

Selv om Saga-mønsteret gir betydelige fordeler, presenterer det også noen utfordringer og hensyn:

• Kompleksitet: Implementering av Saga-mønsteret kan være komplekst, spesielt for intrikate forretningsprosesser. Nøye planlegging og design er avgjørende.
• Eventuell konsistens: Saga-mønsteret gir eventuell konsistens, noe som betyr at data kan være midlertidig inkonsistente. Dette kan være en bekymring for applikasjoner som krever sterke konsistensgarantier.
• Testing: Testing av Sagaer kan være utfordrende på grunn av deres distribuerte natur og potensialet for feil på ulike punkter.
• Overvåking: Overvåking av fremdriften og statusen til Sagaer er avgjørende for å identifisere og løse problemer. Du må ha egnede overvåkingsverktøy og -prosesser på plass.
• Idempotens: Å sikre at transaksjoner og kompenserende transaksjoner er idempotente er avgjørende for å forhindre datainkonsistens.
• Isolasjon: Siden Sagaer involverer flere lokale transaksjoner, kan isolasjon være en bekymring. Strategier som semantiske låser eller optimistisk låsing kan være nødvendig.

Bruksområder og eksempler

Saga-mønsteret er godt egnet for en rekke bruksområder, spesielt i distribuerte systemer og mikrotjenestearkitekturer. Her er noen vanlige eksempler:

• Ordrehåndtering i netthandel: Som illustrert i eksemplene ovenfor, kan Saga-mønsteret brukes til å håndtere hele ordre-livssyklusen, fra opprettelse av ordre til betalingsbehandling og frakt.
• Finansielle transaksjoner: Saga-mønsteret kan brukes til å håndtere komplekse finansielle transaksjoner som involverer flere systemer, som pengeoverføringer, lånesøknader og forsikringskrav.
• Forsyningskjedestyring: Saga-mønsteret kan brukes til å koordinere aktiviteter på tvers av flere enheter i en forsyningskjede, som produsenter, distributører og forhandlere.
• Helsevesensystemer: Saga-mønsteret kan brukes til å håndtere pasientjournaler og koordinere omsorg på tvers av ulike avdelinger og leverandører.

Eksempel: Global banktransaksjon

Forestill deg et scenario som involverer en global banktransaksjon mellom to forskjellige banker i forskjellige land, underlagt ulike reguleringer og samsvarskontroller. Saga-mønsteret kan sikre at transaksjonen følger de definerte trinnene:

1. Start transaksjon: Kunden starter en pengeoverføring fra sin konto i Bank A (i USA) til en mottakers konto i Bank B (i Tyskland).
2. Bank A - Kontovalidering: Bank A validerer kundens konto, sjekker for tilstrekkelige midler, og sikrer at det ikke er noen sperringer eller restriksjoner.
3. Samsvarskontroll (Bank A): Bank A kjører en samsvarskontroll for å sikre at transaksjonen ikke bryter med regler mot hvitvasking av penger (AML) eller internasjonale sanksjoner.
4. Pengeoverføring (Bank A): Bank A debiterer kundens konto og sender midlene til et clearingshus eller en mellomliggende bank.
5. Behandling i clearingshus: Clearingshuset behandler transaksjonen, utfører valutakonvertering (USD til EUR), og ruter midlene til Bank B.
6. Bank B - Kontovalidering: Bank B validerer mottakerens konto og sikrer at den er aktiv og kvalifisert til å motta midler.
7. Samsvarskontroll (Bank B): Bank B kjører sin egen samsvarskontroll, i henhold til tyske og EU-reguleringer.
8. Kreditere konto (Bank B): Bank B krediterer mottakerens konto.
9. Bekreftelse: Bank B sender en bekreftelsesmelding til Bank A, som deretter varsler kunden om at transaksjonen er fullført.

Kompenserende transaksjoner:

• Hvis samsvarskontrollen i Bank A mislykkes, blir transaksjonen kansellert, og kundens konto blir ikke debitert.
• Hvis samsvarskontrollen i Bank B mislykkes, returneres midlene til Bank A, og kundens konto blir kreditert tilbake.
• Hvis det er problemer med valutakonvertering eller ruting i clearingshuset, blir transaksjonen reversert, og midlene returneres til Bank A.

Verktøy og teknologier

Flere verktøy og teknologier kan hjelpe til med implementeringen av Saga-mønsteret:

• Meldingskøer: Apache Kafka, RabbitMQ og Amazon SQS kan brukes til å publisere og abonnere på hendelser i en koreografibasert Saga.
• Arbeidsflytmotorer: Camunda, Zeebe og Apache Airflow kan brukes til å implementere orkestratorer og håndtere komplekse arbeidsflyter.
• Hendelseskilding (Event Sourcing): Hendelseskilding kan brukes til å spore historikken til hendelser i en Saga og forenkle tilbakeføring i tilfelle feil.
• Distribuerte transaksjonsbehandlere: Noen distribuerte transaksjonsbehandlere, som Atomikos, kan brukes til å koordinere transaksjoner på tvers av flere tjenester. De er imidlertid kanskje ikke egnet for alle mikrotjenestearkitekturer på grunn av deres iboende begrensninger i distribuerte miljøer.
• Saga-rammeverk: Det finnes også Saga-rammeverk som gir abstraksjoner og verktøy for å implementere Saga-mønsteret.

Beste praksis for implementering av Saga-mønsteret

For å implementere Saga-mønsteret effektivt, bør du vurdere følgende beste praksis:

• Nøye design: Analyser forretningskravene dine grundig og design Sagaen deretter. Identifiser de deltakende mikrotjenestene, rekkefølgen på transaksjonene og de kompenserende handlingene.
• Idempotens: Sørg for at alle transaksjoner og kompenserende transaksjoner er idempotente.
• Feilhåndtering: Implementer robuste feilhåndteringsmekanismer for å håndtere feil på ethvert punkt i Sagaen.
• Overvåking og logging: Implementer omfattende overvåking og logging for å spore fremdriften og statusen til Sagaer.
• Testing: Test Sagaene dine grundig for å sikre at de fungerer korrekt og håndterer feil på en elegant måte.
• Semantiske låser: Implementer semantiske låser for å forhindre samtidige oppdateringer av de samme dataene av forskjellige Sagaer.
• Optimistisk låsing: Bruk optimistisk låsing for å oppdage og forhindre konflikter mellom samtidige transaksjoner.
• Velg riktig implementeringsstrategi: Vurder nøye avveiningene mellom koreografi og orkestrering, og velg den strategien som best passer dine behov.
• Definer klare retningslinjer for kompensasjon: Etabler klare retningslinjer for håndtering av kompensasjon, inkludert betingelsene for når kompensasjon utløses og de spesifikke handlingene som skal utføres.

Konklusjon

Saga-mønsteret er et kraftig verktøy for å håndtere distribuerte transaksjoner i mikrotjenestearkitekturer. Ved å bryte ned transaksjoner i en serie mindre, uavhengige transaksjoner og tilby en mekanisme for å kompensere for feil, gjør Saga-mønsteret det mulig for deg å opprettholde datakonsistens og bygge robuste, skalerbare og frakoblede systemer. Selv om Saga-mønsteret kan være komplekst å implementere, gjør fordelene det gir når det gjelder fleksibilitet, skalerbarhet og robusthet det til en verdifull ressurs for enhver mikrotjenestearkitektur.

Å forstå nyansene i Saga-mønsteret, avveiningene mellom koreografi og orkestrering, og viktigheten av kompenserende transaksjoner vil gi deg kraften til å designe og implementere robuste distribuerte systemer som møter kravene i dagens komplekse forretningsmiljøer. Å omfavne Saga-mønsteret er et skritt mot å bygge virkelig robuste og skalerbare mikrotjenestearkitekturer, som er i stand til å håndtere selv de mest komplekse distribuerte transaksjonene med selvtillit. Husk å vurdere dine spesifikke behov og kontekst når du bruker dette mønsteret, og kontinuerlig forbedre implementeringen din basert på reell erfaring og tilbakemeldinger.