Mô hình Saga: Triển khai Giao dịch Phân tán cho Microservices

Trong thế giới microservices, việc duy trì tính nhất quán của dữ liệu trên nhiều dịch vụ có thể là một thách thức lớn. Các giao dịch ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability - Tính nguyên tử, Nhất quán, Cô lập, Bền vững) truyền thống, thường được sử dụng trong các ứng dụng nguyên khối, thường không phù hợp với môi trường phân tán. Đây là lúc mô hình Saga xuất hiện, cung cấp một giải pháp mạnh mẽ để quản lý các giao dịch phân tán và đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu trên các microservices.

Mô hình Saga là gì?

Mô hình Saga là một mẫu thiết kế được sử dụng để quản lý một chuỗi các giao dịch cục bộ trên nhiều microservices. Nó cung cấp một cách để đạt được tính nhất quán cuối cùng (eventual consistency), nghĩa là dữ liệu có thể tạm thời không nhất quán, nhưng cuối cùng sẽ hội tụ về một trạng thái nhất quán. Thay vì dựa vào một giao dịch nguyên tử duy nhất kéo dài trên nhiều dịch vụ, mô hình Saga chia nhỏ giao dịch thành một chuỗi các giao dịch nhỏ hơn, độc lập, mỗi giao dịch được thực hiện bởi một dịch vụ duy nhất.

Mỗi giao dịch cục bộ trong một Saga sẽ cập nhật cơ sở dữ liệu của một microservice duy nhất. Nếu một trong các giao dịch thất bại, Saga sẽ thực thi một chuỗi các giao dịch bù trừ (compensating transactions) để hoàn tác các thay đổi đã được thực hiện bởi các giao dịch trước đó, thực hiện việc quay lui (rollback) cho toàn bộ hoạt động.

Tại sao nên sử dụng Mô hình Saga?

Một số yếu tố làm cho mô hình Saga trở thành một công cụ có giá trị để quản lý các giao dịch trong kiến trúc microservices:

• Giảm sự phụ thuộc (Decoupling): Sagas thúc đẩy sự kết nối lỏng lẻo giữa các microservices, cho phép chúng phát triển độc lập mà không ảnh hưởng đến các dịch vụ khác. Đây là một lợi thế chính của kiến trúc microservices.
• Khả năng mở rộng (Scalability): Bằng cách tránh các giao dịch phân tán kéo dài, Sagas cải thiện khả năng mở rộng và hiệu suất. Mỗi microservice có thể xử lý các giao dịch của riêng mình một cách độc lập, giảm tranh chấp và cải thiện thông lượng.
• Khả năng phục hồi (Resilience): Sagas được thiết kế để có khả năng phục hồi sau các sự cố. Nếu một giao dịch thất bại, Saga có thể được quay lui, ngăn ngừa sự không nhất quán của dữ liệu và đảm bảo hệ thống vẫn ở trạng thái nhất quán.
• Tính linh hoạt (Flexibility): Mô hình Saga cung cấp sự linh hoạt trong việc quản lý các quy trình nghiệp vụ phức tạp trải dài trên nhiều dịch vụ. Nó cho phép bạn xác định trình tự các giao dịch và các hành động bù trừ sẽ được thực hiện trong trường hợp thất bại.

ACID và BASE

Hiểu được sự khác biệt giữa ACID và BASE (Basically Available, Soft state, Eventually consistent) là rất quan trọng khi quyết định có nên sử dụng mô hình Saga hay không.

• ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability): Đảm bảo rằng các giao dịch được xử lý một cách đáng tin cậy. Tính nguyên tử đảm bảo rằng hoặc tất cả các hoạt động trong một giao dịch đều thành công hoặc không có hoạt động nào thành công. Tính nhất quán đảm bảo rằng một giao dịch chuyển cơ sở dữ liệu từ trạng thái hợp lệ này sang trạng thái hợp lệ khác. Tính cô lập đảm bảo rằng các giao dịch đồng thời không can thiệp lẫn nhau. Tính bền vững đảm bảo rằng một khi giao dịch đã được cam kết, nó sẽ được duy trì ngay cả khi có lỗi hệ thống.
• BASE (Basically Available, Soft state, Eventually consistent): Đây là một cách tiếp cận khác được thiết kế cho các hệ thống phân tán. Basically Available (Về cơ bản là sẵn sàng) có nghĩa là hệ thống luôn sẵn sàng trong hầu hết thời gian. Soft state (Trạng thái mềm) có nghĩa là trạng thái của hệ thống có thể thay đổi theo thời gian, ngay cả khi không có đầu vào. Eventually consistent (Nhất quán cuối cùng) có nghĩa là hệ thống cuối cùng sẽ trở nên nhất quán khi nó ngừng nhận đầu vào. Mô hình Saga phù hợp với các nguyên tắc của BASE.

Hai chiến lược triển khai Saga chính

Có hai cách chính để triển khai mô hình Saga: Choreography và Orchestration.

1. Saga dựa trên Choreography

Trong một Saga dựa trên Choreography, mỗi microservice tham gia vào Saga bằng cách lắng nghe các sự kiện được công bố bởi các microservices khác và phản ứng tương ứng. Không có một bộ điều phối trung tâm nào; mỗi dịch vụ biết trách nhiệm của mình và khi nào cần thực hiện các hành động của mình.

Cách hoạt động:

1. Saga bắt đầu khi một microservice công bố một sự kiện cho biết sự bắt đầu của giao dịch.
2. Các microservices khác đăng ký sự kiện này và khi nhận được nó, chúng thực hiện giao dịch cục bộ của mình.
3. Sau khi hoàn thành giao dịch, mỗi microservice công bố một sự kiện khác cho biết sự thành công hay thất bại của hoạt động của nó.
4. Các microservices khác lắng nghe các sự kiện này và thực hiện các hành động thích hợp, hoặc là tiếp tục đến bước tiếp theo trong Saga hoặc khởi tạo các giao dịch bù trừ nếu có lỗi xảy ra.

Ví dụ: Đặt hàng thương mại điện tử (Choreography)

1. Dịch vụ Đơn hàng (Order Service): Nhận một yêu cầu đặt hàng mới và công bố sự kiện `OrderCreated`.
2. Dịch vụ Kho hàng (Inventory Service): Đăng ký sự kiện `OrderCreated`. Khi nhận được sự kiện, nó kiểm tra kho. Nếu đủ, nó giữ hàng và công bố sự kiện `InventoryReserved`. Nếu không đủ, nó công bố `InventoryReservationFailed`.
3. Dịch vụ Thanh toán (Payment Service): Đăng ký sự kiện `InventoryReserved`. Khi nhận được sự kiện, nó xử lý thanh toán. Nếu thành công, nó công bố `PaymentProcessed`. Nếu thất bại, nó công bố `PaymentFailed`.
4. Dịch vụ Vận chuyển (Shipping Service): Đăng ký sự kiện `PaymentProcessed`. Khi nhận được sự kiện, nó chuẩn bị lô hàng và công bố `ShipmentPrepared`.
5. Dịch vụ Đơn hàng (Order Service): Đăng ký sự kiện `ShipmentPrepared`. Khi nhận được sự kiện, nó đánh dấu đơn hàng là hoàn thành.
6. Bù trừ: Nếu sự kiện `PaymentFailed` hoặc `InventoryReservationFailed` được công bố, các dịch vụ khác sẽ lắng nghe và thực hiện các giao dịch bù trừ (ví dụ: giải phóng hàng tồn kho đã giữ).

Ưu điểm của Choreography:

• Đơn giản: Dễ dàng triển khai cho các luồng công việc đơn giản.
• Phi tập trung: Thúc đẩy sự kết nối lỏng lẻo và sự phát triển độc lập của các microservices.

Nhược điểm của Choreography:

• Phức tạp: Có thể trở nên phức tạp để quản lý khi số lượng người tham gia vào Saga tăng lên.
• Khó theo dõi: Khó theo dõi tiến trình và trạng thái tổng thể của Saga.
• Phụ thuộc: Mặc dù thúc đẩy sự kết nối lỏng lẻo, các dịch vụ vẫn cần phải biết về các sự kiện được công bố bởi các dịch vụ khác.

2. Saga dựa trên Orchestration

Trong một Saga dựa trên Orchestration, một bộ điều phối trung tâm (thường được triển khai như một dịch vụ chuyên dụng hoặc một máy trạng thái) quản lý Saga và điều phối việc thực thi các giao dịch cục bộ bởi các microservices tham gia. Bộ điều phối nói cho mỗi dịch vụ biết phải làm gì và khi nào.

Cách hoạt động:

1. Saga bắt đầu khi một client yêu cầu bộ điều phối khởi tạo giao dịch.
2. Bộ điều phối gửi các lệnh đến các microservices tham gia để thực hiện các giao dịch cục bộ của chúng.
3. Mỗi microservice thực hiện giao dịch của mình và thông báo cho bộ điều phối về sự thành công hay thất bại.
4. Dựa trên kết quả, bộ điều phối quyết định có nên tiếp tục đến bước tiếp theo hay khởi tạo các giao dịch bù trừ.

Ví dụ: Đặt hàng thương mại điện tử (Orchestration)

1. Bộ điều phối Đơn hàng (Order Orchestrator): Nhận một yêu cầu đặt hàng mới.
2. Bộ điều phối Đơn hàng: Gửi một lệnh đến Dịch vụ Kho hàng để giữ hàng.
3. Dịch vụ Kho hàng: Giữ hàng và thông báo cho Bộ điều phối Đơn hàng.
4. Bộ điều phối Đơn hàng: Gửi một lệnh đến Dịch vụ Thanh toán để xử lý thanh toán.
5. Dịch vụ Thanh toán: Xử lý thanh toán và thông báo cho Bộ điều phối Đơn hàng.
6. Bộ điều phối Đơn hàng: Gửi một lệnh đến Dịch vụ Vận chuyển để chuẩn bị lô hàng.
7. Dịch vụ Vận chuyển: Chuẩn bị lô hàng và thông báo cho Bộ điều phối Đơn hàng.
8. Bộ điều phối Đơn hàng: Đánh dấu đơn hàng là hoàn thành.
9. Bù trừ: Nếu bất kỳ bước nào thất bại, Bộ điều phối Đơn hàng sẽ gửi các lệnh bù trừ đến các dịch vụ liên quan (ví dụ: giải phóng hàng tồn kho đã giữ).

Ưu điểm của Orchestration:

• Kiểm soát tập trung: Dễ dàng quản lý và giám sát Saga từ một điểm trung tâm.
• Khả năng quan sát được cải thiện: Bộ điều phối cung cấp một cái nhìn rõ ràng về tiến trình và trạng thái tổng thể của Saga.
• Giảm sự phụ thuộc: Các microservices chỉ cần giao tiếp với bộ điều phối, giảm sự phụ thuộc trực tiếp giữa chúng.

Nhược điểm của Orchestration:

• Phức tạp: Có thể phức tạp hơn để triển khai ban đầu, đặc biệt là đối với các luồng công việc đơn giản.
• Điểm lỗi duy nhất (Single Point of Failure): Bộ điều phối có thể trở thành một điểm lỗi duy nhất, mặc dù điều này có thể được giảm thiểu bằng các biện pháp dự phòng và chịu lỗi.

Triển khai Giao dịch Bù trừ

Một khía cạnh quan trọng của mô hình Saga là việc triển khai các giao dịch bù trừ. Các giao dịch này được thực thi để hoàn tác các tác động của các giao dịch đã hoàn thành trước đó trong trường hợp thất bại. Mục tiêu là đưa hệ thống trở lại trạng thái nhất quán, ngay cả khi toàn bộ Saga không thể hoàn thành.

Những lưu ý chính đối với Giao dịch Bù trừ:

• Tính bất biến (Idempotency): Các giao dịch bù trừ phải có tính bất biến, nghĩa là chúng có thể được thực thi nhiều lần mà không làm thay đổi kết quả. Điều này quan trọng vì lỗi có thể xảy ra bất cứ lúc nào và giao dịch bù trừ có thể được thử lại.
• Xử lý lỗi: Các giao dịch bù trừ cũng có thể thất bại. Bạn cần có một chiến lược để xử lý các lỗi trong các giao dịch bù trừ, chẳng hạn như thử lại, ghi lại lỗi và cảnh báo cho quản trị viên.
• Tính nhất quán dữ liệu: Các giao dịch bù trừ phải đảm bảo rằng dữ liệu vẫn nhất quán. Điều này có thể bao gồm việc khôi phục dữ liệu về trạng thái trước đó, xóa dữ liệu mới được tạo hoặc cập nhật dữ liệu để phản ánh việc hủy giao dịch.

Ví dụ về Giao dịch Bù trừ:

• Dịch vụ Kho hàng: Nếu Dịch vụ Kho hàng đã giữ hàng nhưng thanh toán thất bại, giao dịch bù trừ sẽ là giải phóng các mặt hàng đã giữ.
• Dịch vụ Thanh toán: Nếu Dịch vụ Thanh toán đã xử lý một khoản thanh toán nhưng việc vận chuyển thất bại, giao dịch bù trừ có thể liên quan đến việc hoàn lại tiền.

Thách thức và Lưu ý

Mặc dù mô hình Saga mang lại những lợi thế đáng kể, nó cũng đặt ra một số thách thức và lưu ý:

• Tính phức tạp: Việc triển khai mô hình Saga có thể phức tạp, đặc biệt đối với các quy trình nghiệp vụ phức tạp. Việc lập kế hoạch và thiết kế cẩn thận là điều cần thiết.
• Tính nhất quán cuối cùng: Mô hình Saga cung cấp tính nhất quán cuối cùng, có nghĩa là dữ liệu có thể tạm thời không nhất quán. Đây có thể là một mối lo ngại đối với các ứng dụng yêu cầu đảm bảo tính nhất quán mạnh mẽ.
• Kiểm thử: Việc kiểm thử Sagas có thể khó khăn do tính chất phân tán của chúng và khả năng xảy ra lỗi ở nhiều điểm khác nhau.
• Giám sát: Việc giám sát tiến trình và trạng thái của Sagas là rất quan trọng để xác định và giải quyết các vấn đề. Bạn cần có các công cụ và quy trình giám sát phù hợp.
• Tính bất biến: Đảm bảo rằng các giao dịch và giao dịch bù trừ có tính bất biến là rất quan trọng để ngăn ngừa sự không nhất quán của dữ liệu.
• Tính cô lập: Vì Sagas liên quan đến nhiều giao dịch cục bộ, tính cô lập có thể là một mối lo ngại. Các chiến lược như khóa ngữ nghĩa (semantic locks) hoặc khóa lạc quan (optimistic locking) có thể được yêu cầu.

Các trường hợp sử dụng và ví dụ

Mô hình Saga rất phù hợp với nhiều trường hợp sử dụng, đặc biệt là trong các hệ thống phân tán và kiến trúc microservices. Dưới đây là một số ví dụ phổ biến:

• Quản lý đơn hàng thương mại điện tử: Như đã minh họa trong các ví dụ trên, mô hình Saga có thể được sử dụng để quản lý toàn bộ vòng đời của đơn hàng, từ việc tạo đơn hàng đến xử lý thanh toán và vận chuyển.
• Giao dịch tài chính: Mô hình Saga có thể được sử dụng để quản lý các giao dịch tài chính phức tạp liên quan đến nhiều hệ thống, chẳng hạn như chuyển tiền, đơn xin vay và yêu cầu bảo hiểm.
• Quản lý chuỗi cung ứng: Mô hình Saga có thể được sử dụng để điều phối các hoạt động giữa nhiều thực thể trong một chuỗi cung ứng, chẳng hạn như nhà sản xuất, nhà phân phối và nhà bán lẻ.
• Hệ thống y tế: Mô hình Saga có thể được sử dụng để quản lý hồ sơ bệnh nhân và điều phối việc chăm sóc giữa các phòng ban và nhà cung cấp khác nhau.

Ví dụ: Giao dịch ngân hàng toàn cầu

Hãy tưởng tượng một kịch bản liên quan đến một giao dịch ngân hàng toàn cầu giữa hai ngân hàng khác nhau ở các quốc gia khác nhau, chịu sự điều chỉnh của các quy định và kiểm tra tuân thủ khác nhau. Mô hình Saga có thể đảm bảo giao dịch tuân theo các bước đã xác định:

1. Khởi tạo Giao dịch: Khách hàng khởi tạo việc chuyển tiền từ tài khoản của họ tại Ngân hàng A (ở Mỹ) đến tài khoản của người nhận tại Ngân hàng B (ở Đức).
2. Ngân hàng A - Xác thực tài khoản: Ngân hàng A xác thực tài khoản của khách hàng, kiểm tra đủ số dư và đảm bảo không có lệnh giữ hoặc hạn chế nào.
3. Kiểm tra Tuân thủ (Ngân hàng A): Ngân hàng A thực hiện kiểm tra tuân thủ để đảm bảo giao dịch không vi phạm các quy định chống rửa tiền (AML) hoặc bất kỳ lệnh trừng phạt quốc tế nào.
4. Chuyển tiền (Ngân hàng A): Ngân hàng A ghi nợ tài khoản của khách hàng và gửi tiền đến một trung tâm thanh toán bù trừ hoặc ngân hàng trung gian.
5. Xử lý tại Trung tâm Thanh toán bù trừ: Trung tâm thanh toán bù trừ xử lý giao dịch, thực hiện chuyển đổi tiền tệ (USD sang EUR) và chuyển tiền đến Ngân hàng B.
6. Ngân hàng B - Xác thực tài khoản: Ngân hàng B xác thực tài khoản của người nhận và đảm bảo tài khoản đang hoạt động và đủ điều kiện nhận tiền.
7. Kiểm tra Tuân thủ (Ngân hàng B): Ngân hàng B thực hiện kiểm tra tuân thủ của riêng mình, tuân thủ các quy định của Đức và EU.
8. Ghi có vào tài khoản (Ngân hàng B): Ngân hàng B ghi có vào tài khoản của người nhận.
9. Xác nhận: Ngân hàng B gửi một thông báo xác nhận đến Ngân hàng A, sau đó ngân hàng này sẽ thông báo cho khách hàng rằng giao dịch đã hoàn tất.

Giao dịch Bù trừ:

• Nếu việc kiểm tra tuân thủ tại Ngân hàng A thất bại, giao dịch sẽ bị hủy và tài khoản của khách hàng không bị ghi nợ.
• Nếu việc kiểm tra tuân thủ tại Ngân hàng B thất bại, số tiền sẽ được trả lại cho Ngân hàng A và tài khoản của khách hàng sẽ được ghi có trở lại.
• Nếu có vấn đề với việc chuyển đổi tiền tệ hoặc định tuyến tại trung tâm thanh toán bù trừ, giao dịch sẽ được đảo ngược và số tiền sẽ được trả lại cho Ngân hàng A.

Công cụ và Công nghệ

Một số công cụ và công nghệ có thể hỗ trợ việc triển khai mô hình Saga:

• Hàng đợi tin nhắn (Message Queues): Apache Kafka, RabbitMQ và Amazon SQS có thể được sử dụng để công bố và đăng ký các sự kiện trong một Saga dựa trên Choreography.
• Công cụ luồng công việc (Workflow Engines): Camunda, Zeebe và Apache Airflow có thể được sử dụng để triển khai các bộ điều phối và quản lý các luồng công việc phức tạp.
• Lưu trữ sự kiện (Event Sourcing): Lưu trữ sự kiện có thể được sử dụng để theo dõi lịch sử của các sự kiện trong một Saga và tạo điều kiện cho việc quay lui trong trường hợp thất bại.
• Trình quản lý giao dịch phân tán: Một số trình quản lý giao dịch phân tán, chẳng hạn như Atomikos, có thể được sử dụng để điều phối các giao dịch trên nhiều dịch vụ. Tuy nhiên, chúng có thể không phù hợp với tất cả các kiến trúc microservices do những hạn chế cố hữu của chúng trong môi trường phân tán.
• Framework Saga: Cũng có các framework Saga cung cấp các lớp trừu tượng và công cụ để triển khai mô hình Saga.

Các thực hành tốt nhất để triển khai Mô hình Saga

Để triển khai mô hình Saga một cách hiệu quả, hãy xem xét các thực hành tốt nhất sau:

• Thiết kế cẩn thận: Phân tích kỹ lưỡng các yêu cầu nghiệp vụ của bạn và thiết kế Saga tương ứng. Xác định các microservices tham gia, trình tự các giao dịch và các hành động bù trừ.
• Tính bất biến: Đảm bảo rằng tất cả các giao dịch và giao dịch bù trừ đều có tính bất biến.
• Xử lý lỗi: Triển khai các cơ chế xử lý lỗi mạnh mẽ để đối phó với các lỗi tại bất kỳ điểm nào trong Saga.
• Giám sát và Ghi log: Triển khai giám sát và ghi log toàn diện để theo dõi tiến trình và trạng thái của Sagas.
• Kiểm thử: Kiểm thử kỹ lưỡng Sagas của bạn để đảm bảo chúng hoạt động chính xác và xử lý lỗi một cách duyên dáng.
• Khóa ngữ nghĩa (Semantic Locks): Triển khai khóa ngữ nghĩa để ngăn chặn các cập nhật đồng thời vào cùng một dữ liệu bởi các Sagas khác nhau.
• Khóa lạc quan (Optimistic Locking): Sử dụng khóa lạc quan để phát hiện và ngăn chặn xung đột giữa các giao dịch đồng thời.
• Chọn chiến lược triển khai phù hợp: Xem xét cẩn thận các đánh đổi giữa Choreography và Orchestration và chọn chiến lược phù hợp nhất với nhu cầu của bạn.
• Xác định chính sách bù trừ rõ ràng: Thiết lập các chính sách rõ ràng để xử lý việc bù trừ, bao gồm các điều kiện kích hoạt bù trừ và các hành động cụ thể cần thực hiện.

Kết luận

Mô hình Saga là một công cụ mạnh mẽ để quản lý các giao dịch phân tán trong kiến trúc microservices. Bằng cách chia nhỏ các giao dịch thành một chuỗi các giao dịch nhỏ hơn, độc lập và cung cấp một cơ chế để bù trừ các lỗi, mô hình Saga cho phép bạn duy trì tính nhất quán của dữ liệu và xây dựng các hệ thống có khả năng phục hồi, mở rộng và kết nối lỏng lẻo. Mặc dù mô hình Saga có thể phức tạp để triển khai, những lợi ích mà nó mang lại về tính linh hoạt, khả năng mở rộng và khả năng phục hồi khiến nó trở thành một tài sản quý giá cho bất kỳ kiến trúc microservices nào.

Hiểu rõ các sắc thái của mô hình Saga, các đánh đổi giữa Choreography và Orchestration, và tầm quan trọng của các giao dịch bù trừ sẽ giúp bạn thiết kế và triển khai các hệ thống phân tán mạnh mẽ đáp ứng được nhu cầu của môi trường kinh doanh phức tạp ngày nay. Việc áp dụng mô hình Saga là một bước tiến tới việc xây dựng các kiến trúc microservices thực sự có khả năng phục hồi và mở rộng, có khả năng xử lý ngay cả những giao dịch phân tán phức tạp nhất một cách tự tin. Hãy nhớ xem xét các nhu cầu và bối cảnh cụ thể của bạn khi áp dụng mô hình này, và liên tục tinh chỉnh việc triển khai của bạn dựa trên kinh nghiệm thực tế và phản hồi.