Mẫu Saga: Hướng dẫn phối hợp giao dịch phân tán

Trong lĩnh vực kiến trúc phần mềm hiện đại, đặc biệt với sự phát triển của microservices, việc duy trì tính nhất quán dữ liệu trên nhiều dịch vụ đã trở thành một thách thức đáng kể. Các giao dịch ACID (Tính nguyên tử, Tính nhất quán, Tính cô lập, Tính bền vững) truyền thống, hoạt động tốt trong một cơ sở dữ liệu duy nhất, thường không đủ trong môi trường phân tán. Mẫu Saga nổi lên như một giải pháp mạnh mẽ để điều phối các giao dịch trên nhiều dịch vụ, đồng thời đảm bảo tính nhất quán dữ liệu và khả năng phục hồi.

Mẫu Saga là gì?

Mẫu Saga là một mẫu thiết kế giúp quản lý các giao dịch phân tán trong kiến trúc microservices. Thay vì dựa vào một giao dịch ACID duy nhất, lớn, Saga chia nhỏ một giao dịch kinh doanh thành một chuỗi các giao dịch cục bộ nhỏ hơn. Mỗi giao dịch cục bộ cập nhật dữ liệu trong một dịch vụ duy nhất và sau đó kích hoạt giao dịch tiếp theo trong chuỗi. Nếu một trong các giao dịch cục bộ thất bại, Saga sẽ thực thi một loạt các giao dịch bù trừ để hoàn tác các tác động của các giao dịch trước đó, đảm bảo tính nhất quán dữ liệu trên toàn hệ thống.

Hãy nghĩ về nó như một loạt các quân cờ domino. Mỗi quân cờ domino đại diện cho một giao dịch cục bộ trong một microservice cụ thể. Khi một quân cờ domino đổ xuống (giao dịch hoàn thành), nó sẽ kích hoạt quân cờ tiếp theo. Nếu một quân cờ domino không đổ (giao dịch thất bại), bạn cần cẩn thận dựng lại các quân cờ domino đã đổ (giao dịch bù trừ).

Tại sao sử dụng Mẫu Saga?

Dưới đây là lý do tại sao Mẫu Saga rất cần thiết cho kiến trúc microservices:

• Giao dịch phân tán: Nó cho phép bạn quản lý các giao dịch trải dài trên nhiều dịch vụ mà không cần dựa vào các giao thức hai pha commit (2PC) phân tán, vốn có thể phức tạp và tạo ra các điểm nghẽn hiệu suất.
• Tính nhất quán cuối cùng: Nó cho phép tính nhất quán cuối cùng trên các dịch vụ. Dữ liệu có thể không nhất quán ngay lập tức trên tất cả các dịch vụ, nhưng cuối cùng nó sẽ đạt đến trạng thái nhất quán.
• Khả năng chịu lỗi: Bằng cách triển khai các giao dịch bù trừ, Mẫu Saga nâng cao khả năng chịu lỗi. Nếu một dịch vụ gặp sự cố, hệ thống có thể phục hồi một cách nhẹ nhàng bằng cách hoàn tác các thay đổi được thực hiện bởi các giao dịch trước đó.
• Tách biệt: Nó thúc đẩy sự liên kết lỏng lẻo giữa các dịch vụ. Mỗi dịch vụ chịu trách nhiệm cho giao dịch cục bộ của riêng mình, giảm sự phụ thuộc giữa các dịch vụ.
• Khả năng mở rộng: Nó hỗ trợ khả năng mở rộng bằng cách cho phép mỗi dịch vụ được mở rộng độc lập.

Các loại Mẫu Saga

Có hai cách chính để triển khai Mẫu Saga:

1. Saga dựa trên Điều phối sự kiện (Choreography-Based Saga)

Trong một Saga dựa trên điều phối sự kiện, mỗi dịch vụ lắng nghe các sự kiện được xuất bản bởi các dịch vụ khác và quyết định có hành động dựa trên các sự kiện đó hay không. Không có một bộ điều phối trung tâm nào quản lý Saga. Thay vào đó, mỗi dịch vụ tham gia vào Saga bằng cách phản ứng với các sự kiện và xuất bản các sự kiện mới.

Cách hoạt động:

1. Dịch vụ khởi tạo bắt đầu Saga bằng cách thực hiện giao dịch cục bộ của nó và xuất bản một sự kiện.
2. Các dịch vụ khác đăng ký nhận sự kiện này và, sau khi nhận được, thực hiện các giao dịch cục bộ của chúng và xuất bản các sự kiện mới.
3. Nếu bất kỳ giao dịch nào thất bại, dịch vụ tương ứng sẽ xuất bản một sự kiện bù trừ.
4. Các dịch vụ khác lắng nghe các sự kiện bù trừ và thực hiện các giao dịch bù trừ của chúng để hoàn tác các hành động trước đó của họ.

Ví dụ:

Hãy xem xét quy trình xử lý đơn hàng thương mại điện tử liên quan đến ba dịch vụ: Dịch vụ Đơn hàng, Dịch vụ Thanh toán và Dịch vụ Tồn kho.

1. Dịch vụ Đơn hàng: Nhận đơn hàng mới và xuất bản sự kiện OrderCreated.
2. Dịch vụ Thanh toán: Đăng ký nhận sự kiện OrderCreated, xử lý thanh toán và xuất bản sự kiện PaymentProcessed.
3. Dịch vụ Tồn kho: Đăng ký nhận sự kiện PaymentProcessed, đặt hàng tồn kho và xuất bản sự kiện InventoryReserved.
4. Nếu Dịch vụ Tồn kho không đặt được hàng tồn kho, nó sẽ xuất bản sự kiện InventoryReservationFailed.
5. Dịch vụ Thanh toán: Đăng ký nhận sự kiện InventoryReservationFailed, hoàn tiền và xuất bản sự kiện PaymentRefunded.
6. Dịch vụ Đơn hàng: Đăng ký nhận sự kiện PaymentRefunded và hủy đơn hàng.

Ưu điểm:

• Đơn giản: Dễ triển khai cho các Saga đơn giản với ít người tham gia.
• Liên kết lỏng lẻo: Các dịch vụ có mối liên kết lỏng lẻo và có thể phát triển độc lập.

Nhược điểm:

• Phức tạp: Trở nên khó quản lý đối với các Saga phức tạp với nhiều người tham gia.
• Theo dõi: Khó theo dõi tiến trình của Saga và gỡ lỗi.
• Phụ thuộc chu kỳ: Có thể dẫn đến phụ thuộc chu kỳ giữa các dịch vụ.

2. Saga dựa trên Điều phối trung tâm (Orchestration-Based Saga)

Trong một Saga dựa trên điều phối trung tâm, một dịch vụ điều phối trung tâm quản lý việc thực thi Saga. Dịch vụ điều phối trung tâm ra lệnh cho mỗi dịch vụ khi nào thực hiện giao dịch cục bộ của nó và khi nào thực hiện các giao dịch bù trừ nếu cần.

Cách hoạt động:

1. Dịch vụ điều phối trung tâm nhận yêu cầu bắt đầu Saga.
2. Nó gửi lệnh đến mỗi dịch vụ để thực hiện giao dịch cục bộ của nó.
3. Bộ điều phối giám sát kết quả của mỗi giao dịch.
4. Nếu tất cả các giao dịch thành công, Saga sẽ hoàn thành.
5. Nếu bất kỳ giao dịch nào thất bại, bộ điều phối sẽ gửi lệnh bù trừ đến các dịch vụ phù hợp để hoàn tác các tác động của các giao dịch trước đó.

Ví dụ:

Sử dụng cùng một quy trình xử lý đơn hàng thương mại điện tử, một dịch vụ điều phối trung tâm (Saga Orchestrator) sẽ điều phối các bước:

1. Saga Orchestrator: Nhận yêu cầu đặt hàng mới.
2. Saga Orchestrator: Gửi lệnh ProcessOrder đến Dịch vụ Đơn hàng.
3. Dịch vụ Đơn hàng: Xử lý đơn hàng và thông báo cho Saga Orchestrator về thành công hoặc thất bại.
4. Saga Orchestrator: Gửi lệnh ProcessPayment đến Dịch vụ Thanh toán.
5. Dịch vụ Thanh toán: Xử lý thanh toán và thông báo cho Saga Orchestrator về thành công hoặc thất bại.
6. Saga Orchestrator: Gửi lệnh ReserveInventory đến Dịch vụ Tồn kho.
7. Dịch vụ Tồn kho: Đặt hàng tồn kho và thông báo cho Saga Orchestrator về thành công hoặc thất bại.
8. Nếu Dịch vụ Tồn kho thất bại, nó sẽ thông báo cho Saga Orchestrator.
9. Saga Orchestrator: Gửi lệnh RefundPayment đến Dịch vụ Thanh toán.
10. Dịch vụ Thanh toán: Hoàn tiền và thông báo cho Saga Orchestrator.
11. Saga Orchestrator: Gửi lệnh CancelOrder đến Dịch vụ Đơn hàng.
12. Dịch vụ Đơn hàng: Hủy đơn hàng và thông báo cho Saga Orchestrator.

Ưu điểm:

• Quản lý tập trung: Dễ dàng quản lý các Saga phức tạp với nhiều người tham gia.
• Theo dõi được cải thiện: Dễ dàng theo dõi tiến trình của Saga và gỡ lỗi.
• Giảm thiểu phụ thuộc: Giảm các phụ thuộc chu kỳ giữa các dịch vụ.

Nhược điểm:

• Tăng độ phức tạp: Yêu cầu một dịch vụ điều phối trung tâm, làm tăng độ phức tạp của kiến trúc.
• Điểm lỗi duy nhất: Dịch vụ điều phối trung tâm có thể trở thành một điểm lỗi duy nhất.

Lựa chọn giữa Điều phối sự kiện và Điều phối trung tâm

Việc lựa chọn giữa điều phối sự kiện và điều phối trung tâm phụ thuộc vào độ phức tạp của Saga và số lượng dịch vụ tham gia. Dưới đây là hướng dẫn chung:

• Điều phối sự kiện: Thích hợp cho các Saga đơn giản với số lượng người tham gia nhỏ, nơi các dịch vụ tương đối độc lập. Tốt cho các kịch bản như tạo tài khoản cơ bản hoặc các giao dịch thương mại điện tử đơn giản.
• Điều phối trung tâm: Thích hợp cho các Saga phức tạp với số lượng lớn người tham gia hoặc khi bạn cần kiểm soát và tầm nhìn tập trung vào việc thực thi Saga. Lý tưởng cho các giao dịch tài chính phức tạp, quản lý chuỗi cung ứng hoặc bất kỳ quy trình nào có phụ thuộc phức tạp và yêu cầu hoàn tác.

Triển khai Mẫu Saga

Việc triển khai Mẫu Saga đòi hỏi kế hoạch cẩn thận và xem xét nhiều yếu tố.

1. Xác định các bước của Saga

Xác định các giao dịch cục bộ riêng lẻ tạo nên Saga. Đối với mỗi giao dịch, hãy xác định những điều sau:

• Dịch vụ: Dịch vụ chịu trách nhiệm thực hiện giao dịch.
• Hành động: Hành động cần được thực hiện bởi giao dịch.
• Dữ liệu: Dữ liệu cần thiết để thực hiện giao dịch.
• Hành động bù trừ: Hành động cần được thực hiện để hoàn tác các tác động của giao dịch.

2. Chọn phương pháp triển khai

Quyết định xem sử dụng điều phối sự kiện hay điều phối trung tâm. Xem xét độ phức tạp của Saga và sự đánh đổi giữa kiểm soát tập trung và trách nhiệm phân tán.

3. Triển khai các giao dịch bù trừ

Triển khai các giao dịch bù trừ cho mỗi giao dịch cục bộ. Các giao dịch bù trừ nên hoàn tác các tác động của giao dịch ban đầu và khôi phục hệ thống về trạng thái nhất quán.

Những lưu ý quan trọng đối với Giao dịch bù trừ:

• Tính lũy thừa (Idempotency): Các giao dịch bù trừ nên có tính lũy thừa, nghĩa là chúng có thể được thực thi nhiều lần mà không gây ra tác dụng phụ không mong muốn. Điều này rất quan trọng vì một giao dịch bù trừ có thể được thử lại nếu ban đầu nó thất bại.
• Tính nguyên tử (Atomicity): Lý tưởng nhất, một giao dịch bù trừ nên có tính nguyên tử. Tuy nhiên, việc đạt được tính nguyên tử thực sự trong môi trường phân tán có thể rất khó khăn. Hãy cố gắng đạt được sự xấp xỉ tốt nhất có thể về tính nguyên tử.
• Tính bền vững (Durability): Đảm bảo rằng các giao dịch bù trừ có tính bền vững, nghĩa là các tác động của chúng được lưu giữ ngay cả khi dịch vụ gặp sự cố.

4. Xử lý lỗi và Thử lại

Triển khai các cơ chế xử lý lỗi và thử lại mạnh mẽ để xử lý lỗi một cách nhẹ nhàng. Xem xét sử dụng các kỹ thuật như:

• Exponential Backoff: Thử lại các giao dịch thất bại với độ trễ tăng dần để tránh làm quá tải hệ thống.
• Circuit Breaker: Ngăn chặn một dịch vụ liên tục gọi một dịch vụ đang gặp lỗi để tránh lỗi dây chuyền.
• Dead Letter Queue: Gửi các tin nhắn thất bại đến một hàng đợi thư chết (dead letter queue) để phân tích và xử lý lại sau.

5. Đảm bảo tính lũy thừa

Đảm bảo rằng tất cả các giao dịch cục bộ và giao dịch bù trừ đều có tính lũy thừa. Điều này rất quan trọng để xử lý việc thử lại và đảm bảo tính nhất quán dữ liệu.

6. Giám sát và Theo dõi Saga

Triển khai giám sát và theo dõi để theo dõi tiến trình của Saga và xác định các vấn đề tiềm ẩn. Sử dụng các công cụ theo dõi phân tán để tương quan các sự kiện trên nhiều dịch vụ.

Công nghệ triển khai Mẫu Saga

Nhiều công nghệ có thể hỗ trợ triển khai Mẫu Saga:

• Hàng đợi tin nhắn (RabbitMQ, Kafka): Tạo điều kiện giao tiếp không đồng bộ giữa các dịch vụ, cho phép các Saga dựa trên sự kiện.
• Event Sourcing: Lưu trữ trạng thái của ứng dụng dưới dạng một chuỗi các sự kiện, cung cấp một bản ghi kiểm toán hoàn chỉnh và cho phép phát lại các sự kiện cho mục đích phục hồi.
• Các khuôn khổ điều phối Saga: Các khuôn khổ như Apache Camel, Netflix Conductor và Temporal cung cấp các công cụ và trừu tượng hóa để xây dựng và quản lý Saga.
• Trình quản lý giao dịch cơ sở dữ liệu (cho giao dịch cục bộ): Các cơ sở dữ liệu quan hệ (ví dụ: PostgreSQL, MySQL) và cơ sở dữ liệu NoSQL cung cấp các trình quản lý giao dịch để đảm bảo các thuộc tính ACID trong một dịch vụ duy nhất.

Thách thức khi sử dụng Mẫu Saga

Mặc dù Mẫu Saga mang lại lợi ích đáng kể, nó cũng đặt ra một số thách thức:

• Độ phức tạp: Việc triển khai Mẫu Saga có thể phức tạp, đặc biệt đối với các quy trình kinh doanh phức tạp.
• Tính nhất quán cuối cùng: Việc xử lý tính nhất quán cuối cùng đòi hỏi sự xem xét cẩn thận về các điều kiện tranh chấp tiềm ẩn và sự không nhất quán dữ liệu.
• Kiểm thử: Kiểm thử Saga có thể khó khăn do bản chất phân tán của chúng và nhu cầu mô phỏng lỗi.
• Gỡ lỗi: Gỡ lỗi Saga có thể khó khăn, đặc biệt trong các triển khai điều phối sự kiện nơi không có bộ điều phối trung tâm.
• Tính lũy thừa: Đảm bảo tính lũy thừa của giao dịch và giao dịch bù trừ là rất quan trọng nhưng có thể khó triển khai.

Các phương pháp tốt nhất để triển khai Mẫu Saga

Để giảm thiểu các thách thức và đảm bảo triển khai thành công Mẫu Saga, hãy xem xét các phương pháp tốt nhất sau:

• Bắt đầu nhỏ: Bắt đầu với các Saga đơn giản và dần dần tăng độ phức tạp khi bạn có kinh nghiệm.
• Xác định ranh giới rõ ràng: Xác định rõ ràng ranh giới của mỗi dịch vụ và đảm bảo rằng mỗi dịch vụ chịu trách nhiệm về dữ liệu của riêng mình.
• Sử dụng Sự kiện miền (Domain Events): Sử dụng các sự kiện miền để giao tiếp giữa các dịch vụ và kích hoạt các bước của Saga.
• Triển khai cẩn thận các Giao dịch bù trừ: Đảm bảo rằng các giao dịch bù trừ có tính lũy thừa, nguyên tử và bền vững.
• Giám sát và Theo dõi Saga: Triển khai giám sát và theo dõi toàn diện để theo dõi tiến trình của Saga và xác định các vấn đề tiềm ẩn.
• Thiết kế cho khả năng chịu lỗi: Thiết kế hệ thống của bạn để xử lý lỗi một cách nhẹ nhàng và đảm bảo hệ thống có thể phục hồi sau lỗi mà không bị mất dữ liệu.
• Tài liệu hóa mọi thứ: Tài liệu hóa đầy đủ thiết kế Saga, triển khai và quy trình kiểm thử.

Ví dụ thực tế về Mẫu Saga

Mẫu Saga được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp để quản lý các giao dịch phân tán trong các quy trình kinh doanh phức tạp. Dưới đây là một số ví dụ:

• Thương mại điện tử: Xử lý đơn hàng, xử lý thanh toán, quản lý hàng tồn kho và vận chuyển. Ví dụ, khi khách hàng đặt hàng, một Saga quản lý quy trình đặt hàng tồn kho, xử lý thanh toán và tạo vận chuyển. Nếu bất kỳ bước nào thất bại (ví dụ: hàng tồn kho không đủ), Saga sẽ bù trừ bằng cách giải phóng hàng tồn kho đã đặt và hoàn tiền thanh toán. Alibaba, một gã khổng lồ thương mại điện tử toàn cầu, tận dụng các mẫu Saga rộng rãi trong thị trường khổng lồ của mình để đảm bảo tính nhất quán giao dịch trên vô số microservices.
• Dịch vụ tài chính: Chuyển tiền, đơn xin vay và giao dịch thẻ tín dụng. Hãy xem xét một khoản chuyển tiền quốc tế: một Saga có thể điều phối việc ghi nợ từ một tài khoản, chuyển đổi tiền tệ và ghi có vào một tài khoản khác. Nếu việc chuyển đổi tiền tệ thất bại, các giao dịch bù trừ sẽ đảo ngược khoản ghi nợ và ngăn ngừa sự không nhất quán. TransferWise (nay là Wise), một công ty fintech chuyên về chuyển tiền quốc tế, dựa vào các mẫu Saga để đảm bảo độ tin cậy và tính nhất quán của các giao dịch của họ trên các hệ thống ngân hàng khác nhau trên toàn cầu.
• Chăm sóc sức khỏe: Đăng ký bệnh nhân, lên lịch hẹn và cập nhật hồ sơ y tế. Khi một bệnh nhân đăng ký hẹn, một Saga có thể quản lý quy trình tạo hồ sơ bệnh nhân mới, lên lịch hẹn và thông báo cho các nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe có liên quan. Nếu việc lên lịch hẹn thất bại, các giao dịch bù trừ sẽ xóa cuộc hẹn và thông báo cho bệnh nhân.
• Quản lý chuỗi cung ứng: Xử lý đơn hàng, quản lý kho hàng và lên lịch giao hàng. Khi nhận được đơn hàng, một Saga có thể quản lý việc đặt hàng tồn kho, đóng gói các mặt hàng, lên lịch giao hàng và thông báo cho khách hàng. Nếu một trong các bước này thất bại, một hành động bù trừ có thể được sử dụng để hủy đơn hàng, trả lại hàng tồn kho và thông báo cho khách hàng về việc hủy.

Kết luận

Mẫu Saga là một công cụ có giá trị để quản lý các giao dịch phân tán trong kiến trúc microservices. Bằng cách chia nhỏ các giao dịch kinh doanh thành một chuỗi các giao dịch cục bộ và triển khai các giao dịch bù trừ, bạn có thể đảm bảo tính nhất quán dữ liệu và khả năng phục hồi trong môi trường phân tán. Mặc dù Mẫu Saga đặt ra một số thách thức, việc tuân theo các phương pháp tốt nhất và sử dụng các công nghệ phù hợp có thể giúp bạn triển khai thành công và xây dựng các ứng dụng mạnh mẽ, có khả năng mở rộng và chịu lỗi.

Khi microservices ngày càng trở nên phổ biến, Mẫu Saga sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý các giao dịch phân tán và đảm bảo tính nhất quán dữ liệu trên các hệ thống phức tạp. Việc áp dụng Mẫu Saga là một bước quan trọng để xây dựng các ứng dụng hiện đại, mạnh mẽ và có khả năng mở rộng, có thể đáp ứng nhu cầu của bối cảnh kinh doanh ngày nay.