Wzorzec Saga: Implementacja Transakcji Rozproszonych w Mikroserwisach

W świecie mikroserwisów utrzymanie spójności danych w wielu usługach może być znaczącym wyzwaniem. Tradycyjne transakcje ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability), powszechnie stosowane w aplikacjach monolitycznych, często nie nadają się do środowisk rozproszonych. W tym miejscu pojawia się wzorzec Saga, zapewniając solidne rozwiązanie do zarządzania transakcjami rozproszonymi i zapewnienia integralności danych w mikroserwisach.

Czym jest wzorzec Saga?

Wzorzec Saga to wzorzec projektowy używany do zarządzania sekwencją lokalnych transakcji w wielu mikroserwisach. Zapewnia on sposób na osiągnięcie spójności ostatecznej (eventual consistency), co oznacza, że chociaż dane mogą być tymczasowo niespójne, ostatecznie zbiegną się do spójnego stanu. Zamiast polegać na jednej, atomowej transakcji obejmującej wiele usług, wzorzec Saga dzieli transakcję na serię mniejszych, niezależnych transakcji, z których każda jest wykonywana przez jedną usługę.

Każda lokalna transakcja w ramach Sagi aktualizuje bazę danych pojedynczego mikroserwisu. Jeśli jedna z transakcji zakończy się niepowodzeniem, Saga wykonuje serię transakcji kompensacyjnych, aby cofnąć zmiany wprowadzone przez poprzednie transakcje, skutecznie wycofując całą operację.

Dlaczego warto używać wzorca Saga?

Kilka czynników sprawia, że wzorzec Saga jest cennym narzędziem do zarządzania transakcjami w architekturach mikroserwisowych:

Odsprzężenie (Decoupling): Sagi promują luźne powiązania między mikroserwisami, pozwalając im na niezależny rozwój bez wpływu na inne usługi. Jest to kluczowa zaleta architektur mikroserwisowych.
Skalowalność: Unikając długotrwałych, rozproszonych transakcji, Sagi poprawiają skalowalność i wydajność. Każdy mikroserwis może niezależnie obsługiwać własne transakcje, zmniejszając rywalizację i poprawiając przepustowość.
Odporność: Sagi są zaprojektowane tak, aby były odporne na awarie. Jeśli transakcja się nie powiedzie, Saga może zostać wycofana, zapobiegając niespójnościom danych i zapewniając, że system pozostanie w spójnym stanie.
Elastyczność: Wzorzec Saga zapewnia elastyczność w zarządzaniu złożonymi procesami biznesowymi obejmującymi wiele usług. Pozwala zdefiniować sekwencję transakcji i działania kompensacyjne, które należy podjąć w przypadku awarii.

ACID kontra BASE

Zrozumienie różnicy między ACID a BASE (Basically Available, Soft state, Eventually consistent) jest kluczowe przy podejmowaniu decyzji o użyciu wzorca Saga.

ACID (Atomowość, Spójność, Izolacja, Trwałość): Gwarantuje, że transakcje są przetwarzane w sposób niezawodny. Atomowość zapewnia, że albo wszystkie operacje w ramach transakcji zakończą się sukcesem, albo żadna z nich. Spójność zapewnia, że transakcja przekształca bazę danych z jednego prawidłowego stanu w drugi. Izolacja zapewnia, że współbieżne transakcje nie zakłócają się nawzajem. Trwałość zapewnia, że po zatwierdzeniu transakcji pozostaje ona taka nawet w przypadku awarii systemu.
BASE (Zasadniczo Dostępny, Miękki Stan, Ostateczna Spójność): To inne podejście zaprojektowane dla systemów rozproszonych. Zasadniczo Dostępny (Basically Available) oznacza, że system jest dostępny przez większość czasu. Miękki Stan (Soft state) oznacza, że stan systemu może zmieniać się w czasie, nawet bez danych wejściowych. Ostateczna Spójność (Eventually consistent) oznacza, że system w końcu stanie się spójny, gdy przestanie otrzymywać dane wejściowe. Wzorzec Saga jest zgodny z zasadami BASE.

Dwie główne strategie implementacji Sagi

Istnieją dwa podstawowe sposoby implementacji wzorca Saga: Choreografia i Orkiestracja.

1. Saga oparta na choreografii

W Sadze opartej na choreografii każdy mikroserwis uczestniczy w Sadze, nasłuchując zdarzeń publikowanych przez inne mikroserwisy i odpowiednio na nie reagując. Nie ma centralnego orkiestratora; każda usługa zna swoje obowiązki i wie, kiedy wykonać swoje działania.

Jak to działa:

Saga rozpoczyna się, gdy mikroserwis publikuje zdarzenie wskazujące na początek transakcji.
Inne mikroserwisy subskrybują to zdarzenie i po jego otrzymaniu wykonują swoją lokalną transakcję.
Po zakończeniu transakcji każdy mikroserwis publikuje kolejne zdarzenie wskazujące na powodzenie lub niepowodzenie swojej operacji.
Inne mikroserwisy nasłuchują tych zdarzeń i podejmują odpowiednie działania, przechodząc do następnego kroku w Sadze lub inicjując transakcje kompensacyjne, jeśli wystąpi błąd.

Przykład: Składanie zamówienia w e-commerce (Choreografia)

Usługa Zamówień: Otrzymuje nowe żądanie zamówienia i publikuje zdarzenie `ZamowienieUtworzone`.
Usługa Magazynowa: Subskrybuje `ZamowienieUtworzone`. Po otrzymaniu zdarzenia sprawdza stan magazynowy. Jeśli jest wystarczający, rezerwuje produkty i publikuje `ZarezerwowanoZasoby`. Jeśli niewystarczający, publikuje `NieudanaRezerwacjaZasobow`.
Usługa Płatności: Subskrybuje `ZarezerwowanoZasoby`. Po otrzymaniu zdarzenia przetwarza płatność. Jeśli się powiedzie, publikuje `PlatnoscPrzetworzona`. Jeśli nie, publikuje `NieudanaPlatnosc`.
Usługa Wysyłki: Subskrybuje `PlatnoscPrzetworzona`. Po otrzymaniu zdarzenia przygotowuje przesyłkę i publikuje `PrzesylkaPrzygotowana`.
Usługa Zamówień: Subskrybuje `PrzesylkaPrzygotowana`. Po otrzymaniu zdarzenia oznacza zamówienie jako zrealizowane.
Kompensacja: Jeśli opublikowane zostanie zdarzenie `NieudanaPlatnosc` lub `NieudanaRezerwacjaZasobow`, inne usługi nasłuchują i wykonują transakcje kompensacyjne (np. zwalniając zarezerwowane zasoby).

Zalety choreografii:

Prostota: Łatwiejsza do wdrożenia w przypadku prostych przepływów pracy.
Zdecentralizowana: Promuje luźne powiązania i niezależny rozwój mikroserwisów.

Wady choreografii:

Złożoność: Może stać się trudna w zarządzaniu wraz ze wzrostem liczby uczestników Sagi.
Widoczność: Trudno śledzić ogólny postęp i stan Sagi.
Powiązanie: Chociaż promuje luźne powiązania, usługi nadal muszą być świadome zdarzeń publikowanych przez inne usługi.

2. Saga oparta na orkiestracji

W Sadze opartej na orkiestracji centralny orkiestrator (często implementowany jako dedykowana usługa lub maszyna stanów) zarządza Sagą i koordynuje wykonywanie lokalnych transakcji przez uczestniczące mikroserwisy. Orkiestrator mówi każdej usłudze, co i kiedy ma zrobić.

Jak to działa:

Saga rozpoczyna się, gdy klient żąda od orkiestratora zainicjowania transakcji.
Orkiestrator wysyła polecenia do uczestniczących mikroserwisów w celu wykonania ich lokalnych transakcji.
Każdy mikroserwis wykonuje swoją transakcję i powiadamia orkiestratora o powodzeniu lub niepowodzeniu.
Na podstawie wyniku orkiestrator decyduje, czy przejść do następnego kroku, czy zainicjować transakcje kompensacyjne.

Przykład: Składanie zamówienia w e-commerce (Orkiestracja)

Orkiestrator Zamówień: Otrzymuje nowe żądanie zamówienia.
Orkiestrator Zamówień: Wysyła polecenie do Usługi Magazynowej w celu rezerwacji produktów.
Usługa Magazynowa: Rezerwuje produkty i powiadamia Orkiestratora Zamówień.
Orkiestrator Zamówień: Wysyła polecenie do Usługi Płatności w celu przetworzenia płatności.
Usługa Płatności: Przetwarza płatność i powiadamia Orkiestratora Zamówień.
Orkiestrator Zamówień: Wysyła polecenie do Usługi Wysyłki w celu przygotowania przesyłki.
Usługa Wysyłki: Przygotowuje przesyłkę i powiadamia Orkiestratora Zamówień.
Orkiestrator Zamówień: Oznacza zamówienie jako zrealizowane.
Kompensacja: Jeśli którykolwiek krok się nie powiedzie, Orkiestrator Zamówień wysyła polecenia kompensacyjne do odpowiednich usług (np. zwolnienie zarezerwowanych zasobów).

Zalety orkiestracji:

Scentralizowana kontrola: Łatwiejsze zarządzanie i monitorowanie Sagi z jednego centralnego punktu.
Lepsza widoczność: Orkiestrator zapewnia jasny wgląd w ogólny postęp i stan Sagi.
Zmniejszone powiązania: Mikroserwisy muszą komunikować się tylko z orkiestratorem, co zmniejsza bezpośrednie zależności między nimi.

Wady orkiestracji:

Złożoność: Może być początkowo bardziej złożona w implementacji, zwłaszcza w przypadku prostych przepływów pracy.
Pojedynczy punkt awarii: Orkiestrator może stać się pojedynczym punktem awarii, chociaż można to złagodzić za pomocą redundancji i środków odporności na błędy.

Implementacja transakcji kompensacyjnych

Kluczowym aspektem wzorca Saga jest implementacja transakcji kompensacyjnych. Transakcje te są wykonywane w celu cofnięcia skutków wcześniej zakończonych transakcji w przypadku awarii. Celem jest przywrócenie systemu do spójnego stanu, nawet jeśli cała Saga nie może zostać ukończona.

Kluczowe kwestie dotyczące transakcji kompensacyjnych:

Idempotentność: Transakcje kompensacyjne powinny być idempotentne, co oznacza, że mogą być wykonywane wielokrotnie bez zmiany wyniku. Jest to ważne, ponieważ awarie mogą wystąpić w dowolnym momencie, a transakcja kompensacyjna może być ponawiana.
Obsługa awarii: Transakcje kompensacyjne również mogą się nie powieść. Musisz mieć strategię obsługi awarii w transakcjach kompensacyjnych, taką jak ponawianie prób, logowanie błędów i powiadamianie administratorów.
Spójność danych: Transakcje kompensacyjne powinny zapewniać spójność danych. Może to obejmować przywrócenie danych do poprzedniego stanu, usunięcie nowo utworzonych danych lub aktualizację danych w celu odzwierciedlenia anulowania transakcji.

Przykłady transakcji kompensacyjnych:

Usługa Magazynowa: Jeśli Usługa Magazynowa zarezerwowała produkty, ale płatność się nie powiodła, transakcją kompensacyjną byłoby zwolnienie zarezerwowanych produktów.
Usługa Płatności: Jeśli Usługa Płatności przetworzyła płatność, ale wysyłka się nie powiodła, transakcja kompensacyjna może polegać na zwrocie pieniędzy.

Wyzwania i uwarunkowania

Chociaż wzorzec Saga oferuje znaczne korzyści, wiąże się również z pewnymi wyzwaniami i uwarunkowaniami:

Złożoność: Implementacja wzorca Saga może być skomplikowana, zwłaszcza w przypadku zawiłych procesów biznesowych. Niezbędne jest staranne planowanie i projektowanie.
Spójność ostateczna: Wzorzec Saga zapewnia spójność ostateczną, co oznacza, że dane mogą być tymczasowo niespójne. Może to stanowić problem dla aplikacji wymagających silnych gwarancji spójności.
Testowanie: Testowanie Sag może być trudne ze względu na ich rozproszony charakter i możliwość wystąpienia awarii w różnych punktach.
Monitorowanie: Monitorowanie postępu i stanu Sag jest kluczowe dla identyfikowania i rozwiązywania problemów. Musisz mieć odpowiednie narzędzia i procesy monitorowania.
Idempotentność: Zapewnienie, że transakcje i transakcje kompensacyjne są idempotentne, ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania niespójnościom danych.
Izolacja: Ponieważ Sagi obejmują wiele lokalnych transakcji, izolacja może być problemem. Mogą być wymagane strategie takie jak blokady semantyczne lub optymistyczne blokowanie.

Przypadki użycia i przykłady

Wzorzec Saga doskonale nadaje się do różnych przypadków użycia, szczególnie w systemach rozproszonych i architekturach mikroserwisowych. Oto kilka typowych przykładów:

Zarządzanie zamówieniami w e-commerce: Jak pokazano w powyższych przykładach, wzorzec Saga może być używany do zarządzania całym cyklem życia zamówienia, od jego utworzenia, przez przetwarzanie płatności, aż po wysyłkę.
Transakcje finansowe: Wzorzec Saga może być używany do zarządzania złożonymi transakcjami finansowymi obejmującymi wiele systemów, takimi jak przelewy środków, wnioski kredytowe i roszczenia ubezpieczeniowe.
Zarządzanie łańcuchem dostaw: Wzorzec Saga może być używany do koordynowania działań wielu podmiotów w łańcuchu dostaw, takich jak producenci, dystrybutorzy i detaliści.
Systemy opieki zdrowotnej: Wzorzec Saga może być używany do zarządzania dokumentacją pacjentów i koordynowania opieki między różnymi oddziałami i świadczeniodawcami.

Przykład: Globalna transakcja bankowa

Wyobraźmy sobie scenariusz globalnej transakcji bankowej między dwoma różnymi bankami zlokalizowanymi w różnych krajach, podlegającej różnym regulacjom i kontrolom zgodności. Wzorzec Saga może zapewnić, że transakcja przebiegnie zgodnie z określonymi krokami:

Inicjacja transakcji: Klient inicjuje przelew środków ze swojego konta w Banku A (zlokalizowanym w USA) na konto odbiorcy w Banku B (zlokalizowanym w Niemczech).
Bank A - Walidacja konta: Bank A weryfikuje konto klienta, sprawdza dostępność wystarczających środków i upewnia się, że nie ma żadnych blokad ani ograniczeń.
Kontrola zgodności (Bank A): Bank A przeprowadza kontrolę zgodności, aby upewnić się, że transakcja nie narusza przepisów dotyczących przeciwdziałania praniu pieniędzy (AML) ani żadnych międzynarodowych sankcji.
Przelew środków (Bank A): Bank A obciąża konto klienta i wysyła środki do izby rozliczeniowej lub banku pośredniczącego.
Przetwarzanie przez izbę rozliczeniową: Izba rozliczeniowa przetwarza transakcję, dokonuje przewalutowania (USD na EUR) i kieruje środki do Banku B.
Bank B - Walidacja konta: Bank B weryfikuje konto odbiorcy i upewnia się, że jest ono aktywne i uprawnione do otrzymywania środków.
Kontrola zgodności (Bank B): Bank B przeprowadza własną kontrolę zgodności, zgodnie z niemieckimi i unijnymi przepisami.
Zaksięgowanie na koncie (Bank B): Bank B księguje środki na koncie odbiorcy.
Potwierdzenie: Bank B wysyła wiadomość potwierdzającą do Banku A, który następnie powiadamia klienta o zakończeniu transakcji.

Transakcje kompensacyjne:

Jeśli kontrola zgodności w Banku A zakończy się niepowodzeniem, transakcja zostaje anulowana, a konto klienta nie jest obciążane.
Jeśli kontrola zgodności w Banku B zakończy się niepowodzeniem, środki są zwracane do Banku A, a konto klienta jest ponownie zasilane.
Jeśli wystąpią problemy z przewalutowaniem lub routingiem w izbie rozliczeniowej, transakcja jest odwracana, a środki są zwracane do Banku A.

Narzędzia i technologie

Kilka narzędzi i technologii może pomóc w implementacji wzorca Saga:

Kolejki komunikatów: Apache Kafka, RabbitMQ i Amazon SQS mogą być używane do publikowania i subskrybowania zdarzeń w Sadze opartej na choreografii.
Silniki przepływu pracy: Camunda, Zeebe i Apache Airflow mogą być używane do implementacji orkiestratorów i zarządzania złożonymi przepływami pracy.
Event Sourcing: Event sourcing może być używany do śledzenia historii zdarzeń w Sadze i ułatwiania wycofywania w przypadku awarii.
Menedżery transakcji rozproszonych: Niektóre menedżery transakcji rozproszonych, takie jak Atomikos, mogą być używane do koordynowania transakcji w wielu usługach. Mogą one jednak nie być odpowiednie dla wszystkich architektur mikroserwisowych ze względu na ich wrodzone ograniczenia w środowiskach rozproszonych.
Frameworki Saga: Istnieją również frameworki Saga, które zapewniają abstrakcje i narzędzia do implementacji wzorca Saga.

Dobre praktyki implementacji wzorca Saga

Aby skutecznie zaimplementować wzorzec Saga, należy wziąć pod uwagę następujące dobre praktyki:

Staranne projektowanie: Dokładnie przeanalizuj swoje wymagania biznesowe i odpowiednio zaprojektuj Sagę. Zidentyfikuj uczestniczące mikroserwisy, sekwencję transakcji i działania kompensacyjne.
Idempotentność: Upewnij się, że wszystkie transakcje i transakcje kompensacyjne są idempotentne.
Obsługa błędów: Zaimplementuj solidne mechanizmy obsługi błędów, aby radzić sobie z awariami w dowolnym punkcie Sagi.
Monitorowanie i logowanie: Zaimplementuj kompleksowe monitorowanie i logowanie, aby śledzić postęp i stan Sag.
Testowanie: Dokładnie przetestuj swoje Sagi, aby upewnić się, że działają poprawnie i sprawnie obsługują awarie.
Blokady semantyczne: Zaimplementuj blokady semantyczne, aby zapobiec jednoczesnym aktualizacjom tych samych danych przez różne Sagi.
Blokowanie optymistyczne: Użyj blokowania optymistycznego do wykrywania i zapobiegania konfliktom między współbieżnymi transakcjami.
Wybierz odpowiednią strategię implementacji: Starannie rozważ kompromisy między choreografią a orkiestracją i wybierz strategię, która najlepiej odpowiada Twoim potrzebom.
Zdefiniuj jasne polityki kompensacji: Ustal jasne zasady obsługi kompensacji, w tym warunki, w których kompensacja jest uruchamiana, oraz konkretne działania, które należy podjąć.

Podsumowanie

Wzorzec Saga jest potężnym narzędziem do zarządzania transakcjami rozproszonymi w architekturach mikroserwisowych. Dzieląc transakcje na serię mniejszych, niezależnych transakcji i zapewniając mechanizm kompensacji awarii, wzorzec Saga pozwala utrzymać spójność danych i budować odporne, skalowalne i odsprzężone systemy. Chociaż implementacja wzorca Saga może być złożona, korzyści, jakie oferuje pod względem elastyczności, skalowalności i odporności, czynią go cennym atutem dla każdej architektury mikroserwisowej.

Zrozumienie niuansów wzorca Saga, kompromisów między choreografią a orkiestracją oraz znaczenia transakcji kompensacyjnych pozwoli Ci projektować i wdrażać solidne systemy rozproszone, które sprostają wymaganiom dzisiejszych złożonych środowisk biznesowych. Przyjęcie wzorca Saga to krok w kierunku budowania prawdziwie odpornych i skalowalnych architektur mikroserwisowych, zdolnych do obsługi nawet najbardziej złożonych transakcji rozproszonych z pewnością siebie. Pamiętaj, aby przy stosowaniu tego wzorca uwzględnić swoje specyficzne potrzeby i kontekst oraz stale udoskonalać swoją implementację w oparciu o rzeczywiste doświadczenia i opinie.