ไทย

คู่มือฉบับสมบูรณ์เกี่ยวกับการออกแบบคิวข้อความพร้อมการรับประกันลำดับ สำรวจกลยุทธ์ต่างๆ ข้อดีข้อเสีย และข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติสำหรับแอปพลิเคชันระดับโลก

การออกแบบคิวข้อความ: การรับประกันลำดับของข้อความ

คิวข้อความ (Message queues) เป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่สำคัญสำหรับระบบแบบกระจาย (distributed systems) สมัยใหม่ ซึ่งช่วยให้การสื่อสารระหว่างบริการเป็นไปอย่างอะซิงโครนัส (asynchronous) ปรับปรุงความสามารถในการขยายขนาด (scalability) และเพิ่มความยืดหยุ่น (resilience) อย่างไรก็ตาม การรับประกันว่าข้อความจะถูกประมวลผลตามลำดับที่ถูกส่งมานั้นเป็นข้อกำหนดที่สำคัญสำหรับแอปพลิเคชันจำนวนมาก บล็อกโพสต์นี้จะสำรวจความท้าทายในการรักษาลำดับของข้อความในคิวข้อความแบบกระจายและให้คำแนะนำที่ครอบคลุมเกี่ยวกับกลยุทธ์การออกแบบและข้อดีข้อเสียต่างๆ

เหตุใดลำดับของข้อความจึงมีความสำคัญ

ลำดับของข้อความมีความสำคัญอย่างยิ่งในสถานการณ์ที่ลำดับของเหตุการณ์มีความสำคัญต่อการรักษาความสอดคล้องของข้อมูลและตรรกะของแอปพลิเคชัน ลองพิจารณาตัวอย่างเหล่านี้:

ความล้มเหลวในการรักษลำดับของข้อความอาจนำไปสู่ข้อมูลที่เสียหาย สถานะของแอปพลิเคชันที่ไม่ถูกต้อง และประสบการณ์ของผู้ใช้ที่แย่ลง ดังนั้น การพิจารณาการรับประกันลำดับของข้อความอย่างรอบคอบในระหว่างการออกแบบคิวข้อความจึงเป็นสิ่งจำเป็น

ความท้าทายในการรักษาลำดับของข้อความ

การรักษาลำดับของข้อความในคิวข้อความแบบกระจายเป็นสิ่งที่ท้าทายเนื่องจากปัจจัยหลายประการ:

กลยุทธ์ในการรับประกันลำดับของข้อความ

มีกลยุทธ์หลายอย่างที่สามารถนำมาใช้เพื่อรับประกันลำดับของข้อความในคิวข้อความแบบกระจาย แต่ละกลยุทธ์มีข้อดีข้อเสียในแง่ของประสิทธิภาพ ความสามารถในการขยายขนาด และความซับซ้อน

1. คิวเดียว Consumer เดียว

วิธีที่ง่ายที่สุดคือการใช้คิวเดียวและ consumer เดียว วิธีนี้รับประกันว่าข้อความจะถูกประมวลผลตามลำดับที่ได้รับ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้จำกัดความสามารถในการขยายขนาดและปริมาณงาน (throughput) เนื่องจากมี consumer เพียงตัวเดียวที่สามารถประมวลผลข้อความได้ในแต่ละครั้ง วิธีนี้เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่ปริมาณงานต่ำและลำดับมีความสำคัญอย่างยิ่ง เช่น การประมวลผลการโอนเงินทีละรายการสำหรับสถาบันการเงินขนาดเล็ก

ข้อดี:

ข้อเสีย:

2. การแบ่งพาร์ติชันด้วยคีย์ลำดับ (Partitioning with Ordering Keys)

วิธีที่ขยายขนาดได้ดีกว่าคือการแบ่งพาร์ติชันของคิวโดยใช้คีย์ลำดับ (ordering key) ข้อความที่มีคีย์ลำดับเดียวกันจะถูกรับประกันว่าจะถูกส่งไปยังพาร์ติชันเดียวกัน และ consumer จะประมวลผลข้อความภายในแต่ละพาร์ติชันตามลำดับ คีย์ลำดับที่ใช้กันทั่วไปอาจเป็น ID ผู้ใช้, ID คำสั่งซื้อ หรือหมายเลขบัญชี สิ่งนี้ช่วยให้สามารถประมวลผลข้อความที่มีคีย์ลำดับต่างกันแบบขนานได้ในขณะที่ยังคงรักษาลำดับภายในแต่ละคีย์ไว้

ตัวอย่าง:

ลองนึกถึงแพลตฟอร์มอีคอมเมิร์ซที่ข้อความที่เกี่ยวข้องกับคำสั่งซื้อเฉพาะจำเป็นต้องได้รับการประมวลผลตามลำดับ สามารถใช้ ID คำสั่งซื้อเป็นคีย์ลำดับได้ ข้อความทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับ ID คำสั่งซื้อ 123 (เช่น การสั่งซื้อ, การยืนยันการชำระเงิน, การอัปเดตการจัดส่ง) จะถูกส่งไปยังพาร์ติชันเดียวกันและประมวลผลตามลำดับ ข้อความที่เกี่ยวข้องกับ ID คำสั่งซื้ออื่น (เช่น ID คำสั่งซื้อ 456) สามารถประมวลผลพร้อมกันในพาร์ติชันอื่นได้

ระบบคิวข้อความยอดนิยมอย่าง Apache Kafka และ Apache Pulsar มีการสนับสนุนในตัวสำหรับการแบ่งพาร์ติชันด้วยคีย์ลำดับ

ข้อดี:

ข้อเสีย:

3. หมายเลขลำดับ (Sequence Numbers)

อีกวิธีหนึ่งคือการกำหนดหมายเลขลำดับให้กับข้อความและให้แน่ใจว่า consumer ประมวลผลข้อความตามลำดับหมายเลข สามารถทำได้โดยการบัฟเฟอร์ข้อความที่มาถึงไม่เรียงลำดับและปล่อยออกมาเมื่อข้อความก่อนหน้าได้รับการประมวลผลแล้ว วิธีนี้ต้องการกลไกในการตรวจจับข้อความที่หายไปและขอส่งใหม่

ตัวอย่าง:

ระบบบันทึกข้อมูลแบบกระจาย (distributed logging system) ได้รับข้อความบันทึกจากเซิร์ฟเวอร์หลายเครื่อง แต่ละเซิร์ฟเวอร์กำหนดหมายเลขลำดับให้กับข้อความบันทึกของตนเอง ตัวรวบรวมบันทึก (log aggregator) จะบัฟเฟอร์ข้อความและประมวลผลตามลำดับหมายเลข เพื่อให้แน่ใจว่าเหตุการณ์บันทึกจะเรียงลำดับอย่างถูกต้องแม้ว่าจะมาถึงไม่เรียงลำดับเนื่องจากความล่าช้าของเครือข่าย

ข้อดี:

ข้อเสีย:

4. Consumer ที่มีคุณสมบัติ Idempotent (Idempotent Consumers)

Idempotency คือคุณสมบัติของการดำเนินการที่สามารถทำซ้ำได้หลายครั้งโดยไม่เปลี่ยนแปลงผลลัพธ์นอกเหนือจากการดำเนินการครั้งแรก หาก consumer ถูกออกแบบให้เป็น idempotent ก็จะสามารถประมวลผลข้อความซ้ำหลายครั้งได้อย่างปลอดภัยโดยไม่ทำให้เกิดความไม่สอดคล้องกัน สิ่งนี้ช่วยให้สามารถใช้ at-least-once delivery semantics ได้ ซึ่งรับประกันว่าข้อความจะถูกส่งอย่างน้อยหนึ่งครั้ง แต่อาจถูกส่งมากกว่าหนึ่งครั้ง แม้ว่าวิธีนี้จะไม่รับประกันลำดับที่เข้มงวด แต่ก็สามารถใช้ร่วมกับเทคนิคอื่น ๆ เช่น หมายเลขลำดับ เพื่อให้แน่ใจว่าข้อมูลจะสอดคล้องกันในที่สุด (eventual consistency) แม้ว่าข้อความจะมาถึงผิดลำดับในตอนแรกก็ตาม

ตัวอย่าง:

ในระบบประมวลผลการชำระเงิน consumer จะได้รับข้อความยืนยันการชำระเงิน consumer จะตรวจสอบว่าการชำระเงินนั้นได้รับการประมวลผลแล้วหรือยังโดยการสอบถามฐานข้อมูล หากการชำระเงินได้รับการประมวลผลแล้ว consumer จะไม่สนใจข้อความนั้น มิฉะนั้น จะประมวลผลการชำระเงินและอัปเดตฐานข้อมูล สิ่งนี้ทำให้แน่ใจได้ว่าแม้จะได้รับข้อความยืนยันการชำระเงินเดียวกันซ้ำหลายครั้ง การชำระเงินก็จะถูกประมวลผลเพียงครั้งเดียว

ข้อดี:

ข้อเสีย:

5. รูปแบบ Transactional Outbox

รูปแบบ Transactional Outbox เป็นรูปแบบการออกแบบที่ช่วยให้แน่ใจว่าข้อความจะถูกเผยแพร่ไปยังคิวข้อความได้อย่างน่าเชื่อถือโดยเป็นส่วนหนึ่งของธุรกรรมฐานข้อมูล (database transaction) สิ่งนี้รับประกันว่าข้อความจะถูกเผยแพร่ก็ต่อเมื่อธุรกรรมฐานข้อมูลสำเร็จ และข้อความจะไม่สูญหายหากแอปพลิเคชันล่มก่อนที่จะเผยแพร่ข้อความ แม้ว่าโดยหลักแล้วจะเน้นไปที่การส่งข้อความที่เชื่อถือได้ แต่ก็สามารถใช้ร่วมกับการแบ่งพาร์ติชันเพื่อรับประกันการส่งข้อความที่เกี่ยวข้องกับ entity เฉพาะตามลำดับได้

วิธีการทำงาน:

  1. เมื่อแอปพลิเคชันต้องการอัปเดตฐานข้อมูลและเผยแพร่ข้อความ แอปพลิเคชันจะแทรกข้อความลงในตาราง "outbox" ภายในธุรกรรมฐานข้อมูลเดียวกับการอัปเดตข้อมูล
  2. กระบวนการแยกต่างหาก (เช่น ตัวติดตามบันทึกธุรกรรมของฐานข้อมูล หรือ job ที่ตั้งเวลาไว้) จะคอยตรวจสอบตาราง outbox
  3. กระบวนการนี้จะอ่านข้อความจากตาราง outbox และเผยแพร่ไปยังคิวข้อความ
  4. เมื่อข้อความถูกเผยแพร่สำเร็จ กระบวนการจะทำเครื่องหมายว่าข้อความถูกส่งแล้ว (หรือลบออก) จากตาราง outbox

ตัวอย่าง:

เมื่อมีการสั่งซื้อสินค้าใหม่ แอปพลิเคชันจะแทรกรายละเอียดคำสั่งซื้อลงในตาราง `orders` และข้อความที่สอดคล้องกันลงในตาราง `outbox` ทั้งหมดนี้อยู่ภายในธุรกรรมฐานข้อมูลเดียวกัน ข้อความในตาราง `outbox` จะมีข้อมูลเกี่ยวกับคำสั่งซื้อใหม่ กระบวนการแยกต่างหากจะอ่านข้อความนี้และเผยแพร่ไปยังคิว `new_orders` สิ่งนี้ทำให้แน่ใจได้ว่าข้อความจะถูกเผยแพร่ก็ต่อเมื่อคำสั่งซื้อถูกสร้างขึ้นในฐานข้อมูลสำเร็จ และข้อความจะไม่สูญหายหากแอปพลิเคชันล่มก่อนที่จะเผยแพร่ นอกจากนี้ การใช้ ID ลูกค้าเป็นคีย์พาร์ติชันเมื่อเผยแพร่ไปยังคิวข้อความจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าข้อความทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับลูกค้ารายนั้นจะถูกประมวลผลตามลำดับ

ข้อดี:

ข้อเสีย:

การเลือกกลยุทธ์ที่เหมาะสม

กลยุทธ์ที่ดีที่สุดในการรับประกันลำดับของข้อความขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของแอปพลิเคชัน พิจารณาปัจจัยต่อไปนี้:

นี่คือคู่มือการตัดสินใจเพื่อช่วยให้คุณเลือกกลยุทธ์ที่เหมาะสม:

ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับระบบคิวข้อความ

ระบบคิวข้อความที่แตกต่างกันให้การสนับสนุนลำดับของข้อความในระดับที่แตกต่างกัน เมื่อเลือกระบบคิวข้อความ ควรพิจารณาสิ่งต่อไปนี้:

นี่คือภาพรวมโดยย่อเกี่ยวกับความสามารถในการเรียงลำดับของระบบคิวข้อความยอดนิยมบางระบบ:

ข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติ

นอกจากการเลือกกลยุทธ์และระบบคิวข้อความที่เหมาะสมแล้ว ควรพิจารณาข้อควรปฏิบัติเพิ่มเติมดังต่อไปนี้:

สรุป

การรับประกันลำดับของข้อความในคิวข้อความแบบกระจายเป็นความท้าทายที่ซับซ้อนซึ่งต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ อย่างรอบคอบ โดยการทำความเข้าใจกลยุทธ์ต่างๆ ข้อดีข้อเสีย และข้อควรพิจารณาในทางปฏิบัติที่ระบุไว้ในบล็อกโพสต์นี้ คุณสามารถออกแบบระบบคิวข้อความที่ตรงตามข้อกำหนดด้านลำดับของแอปพลิเคชันของคุณและรับประกันความสอดคล้องของข้อมูลและประสบการณ์ที่ดีของผู้ใช้ได้ อย่าลืมเลือกกลยุทธ์ที่เหมาะสมตามความต้องการเฉพาะของแอปพลิเคชันของคุณ และทดสอบระบบของคุณอย่างละเอียดเพื่อให้แน่ใจว่าเป็นไปตามข้อกำหนดด้านลำดับของคุณ ในขณะที่ระบบของคุณพัฒนาขึ้น ควรตรวจสอบและปรับปรุงการออกแบบคิวข้อความของคุณอย่างต่อเนื่องเพื่อปรับให้เข้ากับข้อกำหนดที่เปลี่ยนแปลงไปและรับประกันประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือสูงสุด