Дизайн черг повідомлень: Забезпечення гарантій порядку

Черги повідомлень є фундаментальним будівельним блоком для сучасних розподілених систем, що дозволяє асинхронну комунікацію між сервісами, покращує масштабованість та підвищує стійкість. Однак, забезпечення обробки повідомлень у тому порядку, в якому вони були надіслані, є критичною вимогою для багатьох застосунків. Цей блог-пост досліджує виклики підтримки порядку повідомлень у розподілених чергах повідомлень та надає всебічний посібник з різних стратегій дизайну та компромісів.

Чому порядок повідомлень важливий

Порядок повідомлень є вирішальним у сценаріях, де послідовність подій є значущою для підтримки консистентності даних та логіки застосунку. Розглянемо ці приклади:

• Фінансові транзакції: У банківській системі операції дебету та кредиту повинні оброблятися в правильному порядку, щоб запобігти овердрафтам або некоректним балансам. Повідомлення про дебет, що надійшло після повідомлення про кредит, може призвести до неточного стану рахунку.
• Обробка замовлень: На платформі електронної комерції повідомлення про розміщення замовлення, обробку платежу та підтвердження відправки повинні оброблятися в правильній послідовності, щоб забезпечити безперебійний клієнтський досвід та точне управління запасами.
• Джерело подій (Event Sourcing): У системі, заснованій на джерелі подій, порядок подій представляє стан застосунку. Обробка подій поза порядком може призвести до пошкодження даних та невідповідностей.
• Стрічки соціальних мереж: Хоча кінцева узгодженість часто є прийнятною, відображення дописів не в хронологічному порядку може бути дратівливим для користувача. Часто бажаний порядок, близький до реального часу.
• Управління запасами: При оновленні рівнів запасів, особливо в розподіленому середовищі, забезпечення обробки додавання та списання товарів у правильному порядку є життєво важливим для точності. Сценарій, коли продаж обробляється до відповідного додавання товару (через повернення), може призвести до невірних рівнів запасів та потенційного перепродажу.

Недотримання порядку повідомлень може призвести до пошкодження даних, некоректного стану застосунку та погіршення користувацького досвіду. Тому ретельний розгляд гарантій порядку повідомлень під час проєктування черги повідомлень є важливим.

Виклики у підтримці порядку повідомлень

Підтримка порядку повідомлень у розподіленій черзі повідомлень є складною через кілька факторів:

• Розподілена архітектура: Черги повідомлень часто працюють у розподіленому середовищі з кількома брокерами або вузлами. Забезпечення обробки повідомлень в однаковому порядку на всіх вузлах є складним.
• Паралелізм: Кілька споживачів можуть обробляти повідомлення одночасно, що потенційно може призвести до обробки поза порядком.
• Збої: Збої вузлів, мережеві розділення або збої споживачів можуть порушити обробку повідомлень та призвести до проблем з порядком.
• Повторні спроби повідомлень: Повторна обробка невдалих повідомлень може створити проблеми з порядком, якщо повторне повідомлення обробляється раніше за наступні повідомлення.
• Балансування навантаження: Розподіл повідомлень між кількома споживачами за допомогою стратегій балансування навантаження може ненавмисно призвести до обробки повідомлень поза порядком.

Стратегії для забезпечення порядку повідомлень

Існує кілька стратегій, які можна застосувати для забезпечення порядку повідомлень у розподілених чергах повідомлень. Кожна стратегія має свої компроміси з точки зору продуктивності, масштабованості та складності.

1. Одна черга, один споживач

Найпростіший підхід — використовувати одну чергу та одного споживача. Це гарантує, що повідомлення будуть оброблятися в тому порядку, в якому вони були отримані. Однак, цей підхід обмежує масштабованість та пропускну здатність, оскільки одночасно може обробляти повідомлення лише один споживач. Цей підхід є життєздатним для сценаріїв з низьким обсягом та критичним порядком, таких як обробка банківських переказів по одному для невеликої фінансової установи.

Переваги:

• Простий у реалізації
• Гарантує суворий порядок

Недоліки:

• Обмежена масштабованість та пропускна здатність
• Єдина точка відмови

2. Партиціонування з ключами впорядкування

Більш масштабованим підходом є партиціонування черги на основі ключа впорядкування. Повідомлення з однаковим ключем впорядкування гарантовано доставляються в одну й ту ж саму партицію, а споживачі обробляють повідомлення в межах кожної партиції по порядку. Поширеними ключами впорядкування можуть бути ідентифікатор користувача, ідентифікатор замовлення або номер рахунку. Це дозволяє паралельно обробляти повідомлення з різними ключами впорядкування, зберігаючи порядок у межах кожного ключа.

Приклад:

Розглянемо платформу електронної комерції, де повідомлення, пов'язані з конкретним замовленням, повинні оброблятися по порядку. Ідентифікатор замовлення можна використовувати як ключ впорядкування. Всі повідомлення, пов'язані із замовленням з ID 123 (наприклад, розміщення замовлення, підтвердження платежу, оновлення статусу відправлення), будуть направлені в одну й ту ж партицію та оброблені по порядку. Повідомлення, пов'язані з іншим ID замовлення (наприклад, ID 456), можуть оброблятися паралельно в іншій партиції.

Популярні системи черг повідомлень, такі як Apache Kafka та Apache Pulsar, надають вбудовану підтримку для партиціонування з ключами впорядкування.

Переваги:

• Покращена масштабованість та пропускна здатність порівняно з однією чергою
• Гарантує порядок у межах кожної партиції

Недоліки:

• Вимагає ретельного вибору ключа впорядкування
• Нерівномірний розподіл ключів впорядкування може призвести до "гарячих" партицій
• Складність в управлінні партиціями та споживачами

3. Порядкові номери

Інший підхід полягає в присвоєнні порядкових номерів повідомленням та забезпеченні того, щоб споживачі обробляли повідомлення в порядку їх номерів. Цього можна досягти шляхом буферизації повідомлень, які надходять не по порядку, та їх вивільнення після обробки попередніх повідомлень. Це вимагає механізму для виявлення відсутніх повідомлень та запиту на їх повторну передачу.

Приклад:

Розподілена система логування отримує лог-повідомлення з кількох серверів. Кожен сервер присвоює своїм лог-повідомленням порядковий номер. Агрегатор логів буферизує повідомлення та обробляє їх у порядку номерів, забезпечуючи правильний порядок лог-подій, навіть якщо вони надходять не по порядку через мережеві затримки.

Переваги:

• Надає гнучкість в обробці повідомлень, що надходять не по порядку
• Може використовуватися з будь-якою системою черг повідомлень

Недоліки:

• Вимагає логіки буферизації та перевпорядкування на стороні споживача
• Збільшена складність в обробці відсутніх повідомлень та повторних спроб
• Потенціал для збільшення затримки через буферизацію

4. Ідемпотентні споживачі

Ідемпотентність — це властивість операції, яку можна застосовувати кілька разів, не змінюючи результат після першого застосування. Якщо споживачі розроблені бути ідемпотентними, вони можуть безпечно обробляти повідомлення кілька разів, не викликаючи невідповідностей. Це дозволяє використовувати семантику доставки 'щонайменше один раз', де повідомлення гарантовано доставляються хоча б один раз, але можуть бути доставлені й більше одного разу. Хоча це не гарантує суворого порядку, це можна поєднувати з іншими техніками, такими як порядкові номери, для забезпечення кінцевої узгодженості, навіть якщо повідомлення спочатку надходять не по порядку.

Приклад:

У системі обробки платежів споживач отримує повідомлення про підтвердження платежу. Споживач перевіряє, чи платіж вже був оброблений, запитуючи базу даних. Якщо платіж вже оброблено, споживач ігнорує повідомлення. В іншому випадку, він обробляє платіж та оновлює базу даних. Це гарантує, що навіть якщо те ж саме повідомлення про підтвердження платежу отримано кілька разів, платіж обробляється лише один раз.

Переваги:

• Спрощує дизайн черги повідомлень, дозволяючи доставку 'щонайменше один раз'
• Зменшує вплив дублювання повідомлень

Недоліки:

• Вимагає ретельного проєктування споживачів для забезпечення ідемпотентності
• Додає складності до логіки споживача
• Не гарантує порядок повідомлень

5. Шаблон Transactional Outbox

Шаблон Transactional Outbox — це шаблон проєктування, який забезпечує надійну публікацію повідомлень у чергу повідомлень як частину транзакції бази даних. Це гарантує, що повідомлення публікуються тільки якщо транзакція бази даних успішна, і що повідомлення не втрачаються, якщо застосунок виходить з ладу до публікації повідомлення. Хоча в основному він зосереджений на надійній доставці повідомлень, його можна використовувати разом із партиціонуванням для забезпечення впорядкованої доставки повідомлень, пов'язаних з конкретною сутністю.

Як це працює:

1. Коли застосунку потрібно оновити базу даних та опублікувати повідомлення, він вставляє повідомлення в таблицю "outbox" в рамках тієї ж транзакції бази даних, що й оновлення даних.
2. Окремий процес (наприклад, відстежувач журналу транзакцій бази даних або заплановане завдання) моніторить таблицю outbox.
3. Цей процес зчитує повідомлення з таблиці outbox та публікує їх у чергу повідомлень.
4. Після успішної публікації повідомлення процес позначає повідомлення як відправлене (або видаляє його) з таблиці outbox.

Приклад:

Коли розміщується нове замовлення клієнта, застосунок вставляє деталі замовлення в таблицю `orders` та відповідне повідомлення в таблицю `outbox`, все в рамках однієї транзакції бази даних. Повідомлення в таблиці `outbox` містить інформацію про нове замовлення. Окремий процес зчитує це повідомлення та публікує його в чергу `new_orders`. Це гарантує, що повідомлення буде опубліковано тільки якщо замовлення успішно створено в базі даних, і що повідомлення не буде втрачено, якщо застосунок вийде з ладу до його публікації. Крім того, використання ідентифікатора клієнта як ключа партиціонування при публікації в чергу повідомлень гарантує, що всі повідомлення, пов'язані з цим клієнтом, обробляються по порядку.

Переваги:

• Гарантує надійну доставку повідомлень та атомарність між оновленнями бази даних та публікацією повідомлень.
• Може поєднуватися з партиціонуванням для забезпечення впорядкованої доставки пов'язаних повідомлень.

Недоліки:

• Додає складності до застосунку та вимагає окремого процесу для моніторингу таблиці outbox.
• Вимагає ретельного розгляду рівнів ізоляції транзакцій бази даних, щоб уникнути невідповідностей даних.

Вибір правильної стратегії

Найкраща стратегія для забезпечення порядку повідомлень залежить від конкретних вимог застосунку. Розгляньте наступні фактори:

• Вимоги до масштабованості: Яка пропускна здатність потрібна? Чи може застосунок працювати з одним споживачем, чи потрібне партиціонування?
• Вимоги до порядку: Чи потрібен суворий порядок для всіх повідомлень, чи порядок важливий лише для пов'язаних повідомлень?
• Складність: Яку складність може витримати застосунок? Прості рішення, як-от одна черга, легше реалізувати, але вони можуть погано масштабуватися.
• Стійкість до відмов: Наскільки стійкою має бути система до збоїв?
• Вимоги до затримки: Як швидко потрібно обробляти повідомлення? Буферизація та перевпорядкування можуть збільшити затримку.
• Можливості системи черг повідомлень: Які функції впорядкування надає обрана система черг повідомлень?

Ось посібник для прийняття рішень, який допоможе вам вибрати правильну стратегію:

• Суворий порядок, низька пропускна здатність: Одна черга, один споживач
• Впорядковані повідомлення в межах контексту (наприклад, користувач, замовлення), висока пропускна здатність: Партиціонування з ключами впорядкування
• Обробка випадкових повідомлень, що надходять не по порядку, гнучкість: Порядкові номери з буферизацією
• Доставка 'щонайменше один раз', дублювання повідомлень є припустимим: Ідемпотентні споживачі
• Забезпечення атомарності між оновленнями бази даних та публікацією повідомлень: Шаблон Transactional Outbox (може поєднуватися з партиціонуванням для впорядкованої доставки)

Аспекти систем черг повідомлень

Різні системи черг повідомлень пропонують різний рівень підтримки порядку повідомлень. При виборі системи черг повідомлень враховуйте наступне:

• Гарантії порядку: Чи надає система суворий порядок, чи гарантує порядок лише в межах партиції?
• Підтримка партиціонування: Чи підтримує система партиціонування з ключами впорядкування?
• Семантика 'рівно один раз': Чи надає система семантику 'рівно один раз', чи лише 'щонайменше один раз' або 'щонайбільше один раз'?
• Стійкість до відмов: Наскільки добре система справляється зі збоями вузлів та мережевими розділеннями?

Ось короткий огляд можливостей впорядкування деяких популярних систем черг повідомлень:

• Apache Kafka: Надає суворий порядок у межах партиції. Повідомлення з однаковим ключем гарантовано доставляються в одну й ту ж партицію та обробляються по порядку.
• Apache Pulsar: Надає суворий порядок у межах партиції. Також підтримує дедуплікацію повідомлень для досягнення семантики 'рівно один раз'.
• RabbitMQ: Підтримує одну чергу, одного споживача для суворого порядку. Також підтримує партиціонування за допомогою типів обмінників та ключів маршрутизації, але порядок не гарантується між партиціями без додаткової логіки на стороні клієнта.
• Amazon SQS: Надає порядок 'best-effort'. Повідомлення зазвичай доставляються в тому порядку, в якому вони були надіслані, але можлива доставка не по порядку. Черги SQS FIFO (First-In-First-Out) надають обробку 'рівно один раз' та гарантії порядку.
• Azure Service Bus: Підтримує сесії повідомлень, які надають спосіб групувати пов'язані повідомлення разом та забезпечувати їх обробку по порядку одним споживачем.

Практичні аспекти

Окрім вибору правильної стратегії та системи черг повідомлень, враховуйте наступні практичні аспекти:

• Моніторинг та сповіщення: Впроваджуйте моніторинг та сповіщення для виявлення повідомлень, що надходять не по порядку, та інших проблем з порядком.
• Тестування: Ретельно тестуйте систему черг повідомлень, щоб переконатися, що вона відповідає вимогам щодо порядку. Включайте тести, що симулюють збої та паралельну обробку.
• Розподілене трасування: Впроваджуйте розподілене трасування для відстеження повідомлень під час їх проходження через систему та виявлення потенційних проблем з порядком. Інструменти, такі як Jaeger, Zipkin та AWS X-Ray, можуть бути неоціненними для діагностики проблем в архітектурах розподілених черг повідомлень. Позначаючи повідомлення унікальними ідентифікаторами та відстежуючи їх шлях через різні сервіси, ви можете легко виявити точки, де повідомлення затримуються або обробляються не по порядку.
• Розмір повідомлення: Більші розміри повідомлень можуть впливати на продуктивність та збільшувати ймовірність проблем з порядком через мережеві затримки або обмеження черги повідомлень. Розгляньте можливість оптимізації розмірів повідомлень шляхом стиснення даних або розбиття великих повідомлень на менші частини.
• Тайм-аути та повторні спроби: Налаштуйте відповідні тайм-аути та політики повторних спроб для обробки тимчасових збоїв та мережевих проблем. Однак, пам'ятайте про вплив повторних спроб на порядок повідомлень, особливо в сценаріях, де повідомлення можуть оброблятися кілька разів.

Висновок

Забезпечення порядку повідомлень у розподілених чергах повідомлень є складною проблемою, яка вимагає ретельного розгляду різних факторів. Розуміючи різні стратегії, компроміси та практичні аспекти, викладені в цьому блог-пості, ви можете проєктувати системи черг повідомлень, які відповідають вимогам щодо порядку вашого застосунку та забезпечують консистентність даних та позитивний користувацький досвід. Пам'ятайте про вибір правильної стратегії на основі конкретних потреб вашого застосунку та ретельно тестуйте вашу систему, щоб переконатися, що вона відповідає вашим вимогам щодо порядку. У міру розвитку вашої системи постійно моніторте та вдосконалюйте дизайн вашої черги повідомлень, щоб адаптуватися до мінливих вимог та забезпечити оптимальну продуктивність та надійність.