CC BY
263SAGA: управление долговременными транзакциями в распределенных системах
Нуркаев Руставиль Рустамович
бакалавр, инженер-программист Swedbank Group, rustaviln@gmail.com
Пивоваров Виталий Владиславович
бакалавр, инженер-программист, pivovarov.vitaliy.work@gmail.com
Университет Иннополис,
Хабибуллин Ринат Мударисович
Специалист, специалист технического обслуживания, Smertrios Limited, mail@rinat.pro
Хасанов Артур Равилович
Специалист, инженер по автоматизации тестирования, АО «Тинькофф банк», buffon.ar@gmail.com
Статья представляет обзор концепции SAGA и ее применения для управления долговременными транзакциями в распределенных системах. Ее цель - помочь разработчикам понять и применить данный паттерн для обеспечения надежной и консистентной обработки транзакций в сложных распределенных средах. SAGA - это архитектурный шаблон, разработанный для обработки длительных и сложных транзакций, которые включают несколько шагов или сервисов. В статье рассматриваются основные принципы данного паттерна, включая использование компенсирующих действий для обработки отката транзакций в случае возникновения ошибок. Поясняется, как SAGA обеспечивает консистентность данных и координацию между различными сервисами в распределенной системе. Авторами рассматриваются преимущества и недостатки паттерна, включая повторяемость и отказоустойчивость. Представляются рекомендации по выбору подходящих инструментов и фреймворков для реализации SAGA в распределенных системах. В заключение подчеркиваются преимущества использования SAGA для управления долговременными транзакциями в распределенных системах.
Ключевые слова: SAGA, сага, транзакция, консистентность, атомарность, координация транзакций, оркестратор, событийно-ориентированная архитектура, стратегии компенсации, консистентный снимок, отказоустойчивость.
Введение. SAGA - это паттерн проектирования, который помогает разработчикам создавать надежные и отказоустойчивые распределенные системы [5]. В мире микросервисной архитектуры, где приложения состоят из множества независимых сервисов, взаимодействующих друг с другом, управление транзакциями и поддержка согласованности данных становятся сложными задачами. Именно здесь SAGA приходит на помощь.
Цель исследования SAGA-паттерна состоит в изучении и оценке его применимости, преимуществ и ограничений при управлении транзакциями в распределенных системах. Основные задачи исследования включают:
1. Понимание концепции SAGA-паттерна: исследование направлено на изучение основных принципов и концепций SAGA-паттерна, включая его цели, компоненты и способы реализации. Целью является получение глубокого понимания принципов работы SAGA-паттерна и его преимуществ в контексте управления транзакциями.
2. Оценка преимуществ SAGA-паттерна: исследование направлено на выявление преимуществ, которые предлагает SAGA-паттерн в сравнении с традиционными подходами к управлению транзакциями. Основной упор делается на анализ возможности повышения отказоустойчивости, гибкости и масштабируемости системы с использованием SAGA-паттерна.
3. Определение ограничений и недостатков: исследование также направлено на выявление ограничений и недостатков SAGA-паттерна. Целью является идентификация сценариев, в которых SAGA-паттерн может быть менее эффективным или не подходить для определенных типов систем или бизнес-процессов.
4. Разработка рекомендаций и лучших практик: исследование направлено на разработку рекомендаций и лучших практик по применению SAGA-паттерна. Целью является предоставление руководства разработчикам по эффективному использованию SAGA-паттерна, включая рекомендации по моделированию паттерна, обработке ошибок, обеспечению согласованности данных и другим аспектам реализации.
Исследование SAGA-паттерна стремится к полному пониманию его концепции, выявлению преимуществ и ограничений, а также разработке рекомендаций для успешного применения в различных проектах и сценариях управления транзакциями в распределенных системах. В рамках статьи SAGA-паттерн рассматривается в деталях, изучается его концепцию и принципы работы, а также преимущества и недостатки его использования. Кроме того, рассмотрены примеры реализации SAGA-паттерна на популярных языках программирования и фреймворках.
Для того, чтобы полностью понять SAGA, мы начнем с объяснения проблем, с которыми сталкиваются разработчики в распределенных системах и традиционных подходах к управлению транзакциями. Затем мы перейдем к исследованию SAGA-паттерна и его компонентов, таких как компенсационные действия и координаторы, которые обеспечивают согласованность и восстановление в случае сбоев. Наконец, мы рассмотрим практические примеры использования SAGA-пат-терна и его влияние на производительность, масштабируе-
X X
о
го А с.
X
го m
о
2 О
м
CJ
fO
es о es
to
о ш m
X
<
m О X X
мость и отказоустойчивость систем. Приведены примеры лучших практик и рекомендации по применению SAGA-паттерна в проектах.
Основные проблемы распределительных систем и традиционных подходов в управлении транзакциями. Разработчики, работающие в распределенных системах, сталкиваются с рядом проблем, связанных с управлением транзакциями и согласованностью данных. Традиционные подходы к управлению транзакциями, такие как двухфазная фиксация (2PC) или распределенные транзакционные согласования (XA), могут быть недостаточно эффективными или громоздкими в распределенных системах. Вот некоторые из основных проблем и ограничений, связанных с традиционными подходами [2]:
1. Сложность: Традиционные подходы к управлению транзакциями требуют сложных механизмов согласования и синхронизации между участниками транзакции. Это может привести к увеличению сложности разработки и поддержки кода, особенно в случае больших и сложных систем.
2. Однородность: Традиционные подходы предполагают, что все участники транзакции работают с одной и той же базой данных или системой управления транзакциями. Однако в микросервисной архитектуре, где каждый сервис имеет свою собственную базу данных, это ограничение может стать проблемой.
3. Блокировки: Традиционные подходы часто используют блокировки базы данных для обеспечения согласованности данных в рамках транзакций. Это может приводить к проблемам производительности и масштабируемости при высокой нагрузке и большом количестве параллельных транзакций.
4. Откат транзакций: В случае сбоя в одном из участников транзакции традиционные подходы требуют отката всей транзакции, что может быть затратным и непрактичным в некоторых случаях.
SAGA-паттерн помогает преодолеть эти проблемы, предлагая альтернативный подход к управлению транзакциями в распределенных системах. Вместо традиционной централизованной схемы управления, SAGA разбивает транзакцию на набор более мелких операций, известных как компенсационные действия. Каждое компенсационное действие отменяет или откатывает предыдущее действие, чтобы вернуть систему в согласованное состояние. Это позволяет более гибко управлять транзакциями в распределенных системах, обеспечивая надежность и согласованность данных без необходимости использования сложных согласований и блокировок.
Компоненты SAGA-паттерна. SAGA-паттерн состоит из трех основных компонентов: компенсационных действий, координаторов и управляющей логики. Давайте рассмотрим каждый из них подробнее [1]:
1. Компенсационные действия (Compensating Actions). Компенсационные действия представляют собой операции, которые отменяют или откатывают предыдущие действия, выполненные в рамках транзакции. Если одно из действий в паттерне не удалось или произошел сбой, компенсационные действия используются для восстановления системы в согласованное состояние. Каждое действие в паттерне имеет соответствующее компенсационное действие, которое может быть вызвано при необходимости.
2. Координаторы (Saga Coordinators). Координаторы отвечают за управление и координирование потоком выполнения операций в рамках паттерна. Они определяют порядок выполнения действий и следят за их успешным завершением или сбоем. Координаторы также обрабатывают вызовы компенсационных действий в случае ошибок или неудачных операций.
Они играют ключевую роль в обеспечении согласованности данных и восстановлении системы в случае сбоев.
3. Управляющая логика (Saga Orchestration Logic). Управляющая логика определяет логику выполнения операций и связи между ними в рамках паттерна. Она определяет, какие операции должны быть выполнены, какие компенсационные действия должны быть вызваны при неудаче и какие условия должны быть проверены перед переходом к следующей операции. Управляющая логика обычно реализуется в виде кода или конфигураций и контролирует поток выполнения паттерна, следуя определенным правилам и условиям.
Совместно работая, компенсационные действия, координаторы и управляющая логика обеспечивают согласованность данных и надежность выполнения операций в рамках паттерна [3, 4]. Если одно из действий в паттерне не удалось, координатор вызывает соответствующее компенсационное действие, чтобы вернуть систему в согласованное состояние. Это позволяет системе обрабатывать сбои и ошибки в распределенной среде, сохраняя целостность данных и обеспечивая надеж-ностьтранзакций.
Как работает SAGA-паттерн? SAGA состоит из нескольких шагов, каждый из которых представляет собой отдельную транзакцию. Каждый шаг выполняется в отдельном сервисе, который может быть реализован как отдельный микросервис. Каждый шаг SAGA имеет два состояния: успешное и неуспешное. Если шаг завершается успешно, он переходит к следующему шагу, если нет - происходит откат транзакции до предыдущего шага. Для управления этим процессом используется координатор SAGA. Координатор отвечает за запуск транзакции, отправку сообщений между сервисами и управление откатом транзакции в случае необходимости. Пример использования: допустим, есть приложение для заказа еды, которое состоит из нескольких микросервисов: сервис заказов, сервис платежей и сервис доставки. Для обеспечения целостности транзакции при заказе еды используем SAGA паттерн.
Процесс заказа еды может включать в себя следующие шаги:
1. Создание заказа и проверка наличия продуктов.
2. Резервирование продуктов в меню.
3. Списание денег с банковской карты клиента.
4. Создание доставки и определение времени доставки.
В случае возникновения ошибки на любом из шагов, транзакция должна быть отменена и все изменения, связанные с транзакцией, должны быть отменены.
Используя SAGA паттерн, процесс заказа еды может быть реализован следующим образом:
1. Координатор создает заказ на еду и отправляет сообщение в сервис проверки наличия продуктов.
2. Сервис проверки наличия продуктов проверяет, есть ли все нужные продукты в меню и отправляет сообщение в сервис резервирования продуктов, если все продукты есть в наличии.
3. Сервис резервирования продуктов резервирует продукты в меню и отправляет сообщение в сервис списания денег с банковской карты клиента.
4. Сервис списания денег с банковской карты клиента списывает деньги с банковской карты клиента и отправляет сообщение в сервис создания доставки.
5. Сервис создания доставки создает доставку и определяет время доставки.
Если в каком-либо из шагов возникает ошибка, координатор запускает процесс отката транзакции до предыдущего шага. Например, если на шаге 3 происходит ошибка, то координатор отменяет резервирование продуктов в меню и возвра-
щает деньги на банковскую карту клиента. Если на шаге 4 происходит ошибка, то координатор отменяет списание денег с банковской карты и отменяет резервирование продуктов в меню.
Преимущества использования SAGA-паттерна:
1. Атомарность транзакций: SAGA паттерн обеспечивает атомарность транзакций в распределенных системах, где каждый шаг транзакции выполняется в отдельном сервисе. Это гарантирует, что либо все шаги выполняются успешно, либо все изменения, связанные с транзакцией, будут отменены.
2. Гибкость: SAGA паттерн позволяет изменять порядок выполнения шагов транзакции, если это необходимо. Это позволяет обеспечивать гибкость в работе микросервисов.
3. Масштабируемость: SAGA паттерн обеспечивает масштабируемость, поскольку каждый шаг транзакции выполняется в отдельном сервисе. Это позволяет масштабировать сервисы независимо друг от друга.
4. Легкость реализации: SAGA паттерн относительно легко реализовать, поскольку каждый шаг транзакции выполняется в отдельном сервисе.
Недостатки использования SAGA-паттерна:
1. Дополнительная сложность: использование SAGA паттерна может привести к дополнительной сложности в проектировании и разработке приложений.
2. Увеличение числа запросов: использование SAGA паттерна может привести к увеличению числа запросов между сервисами, что может повысить нагрузку на сеть и ухудшить производительность приложения.
3. Ограничения: SAGA паттерн не подходит для всех типов распределенных систем и транзакций, так как не все транзакции можно разбить на отдельные шаги и выполнить в отдельных сервисах.
4. Сложность обработки ошибок: при использовании SAGA паттерна необходимо предусмотреть обработку ошибок и откат транзакции при возникновении ошибки на любом из шагов. Это может привести к увеличению сложности кода и повышению требований к надежности сервисов.
Использование SAGA паттерна позволяет обеспечить целостность транзакций между микросервисами в распределенной системе. Каждый сервис отвечает только за свою часть бизнес-логики и может быть разработан, развернут и масштабирован независимо от других сервисов.
Однако, при использовании SAGA паттерна необходимо учитывать, что это может привести к дополнительной сложности в коде, так как требуется управление транзакциями между различными сервисами. Также, использование SAGA паттерна может привести к увеличению времени ответа на запросы из-за распределенной природы операции.
Несмотря на некоторые недостатки, SAGA паттерн остается полезным инструментом для обеспечения целостности транзакций в распределенной системе и позволяет создавать гибкие и масштабируемые микросервисные архитектуры.
Примеры реализации SAGA-паттерна на популярных языках программирования и фреймворках. Конкретные реализации SAGA-паттерна могут отличаться в зависимости от выбранного языка программирования и фреймворка. Вот несколько примеров реализации SAGA-паттерна на популярных языках программирования и фреймворках:
1. Java с использованием Spring Boot:
- Для реализации SAGA-паттерна в Java с помощью Spring Boot можно использовать Spring Saga. Spring Saga предоставляет аннотации, такие как @StartSaga, @SagaAction
и @EndSaga, которые позволяют определить и управлять компенсационными действиями и координировать поток выполнения операций в рамках паттернов.
2. Python с использованием Django:
- В Python с использованием фреймворка Django вы можете реализовать SAGA-паттерн, используя пакеты, такие как django-sagas. Django-sagas предоставляет декораторы и функции для определения компенсационных действий и координирования потока выполнения операций.
3. Node.js с использованием Express.js:
- В Node.js с использованием фреймворка Express.js можно реализовать SAGA-паттерн, используя пакеты, такие как Node-Saga. Node-Saga предоставляет ApI для определения и управления паттернами, включая определение компенсационных действий и координирование выполнения операций.
4. Ruby с использованием Ruby on Rails:
- В Ruby с использованием фреймворка Ruby on Rails вы можете реализовать SAGA-паттерн, используя гемы, такие как Saga-Rails. Saga-Rails предоставляет API и методы для определения паттернов, компенсационных действий и управления потоком выполнения операций в рамках паттерна.
Это лишь некоторые примеры реализации SAGA-паттерна на популярных языках программирования и фреймворках. В каждом случае существуют различные инструменты и библиотеки, которые могут помочь в реализации SAGA-паттерна. Важно выбрать инструмент, который наилучшим образом соответствует вашим потребностям и привычкам разработки.
Лучшие практики и рекомендации для эффективного применения SAGA-паттерна. Применение SAGA-паттерна требует тщательного планирования и выполнения определенных практик, чтобы достичь эффективности и надежности в управлении транзакциями в распределенных системах. Вот некоторые лучшие практики и рекомендации по применению SAGA-паттерна в проекте:
1. Атомарность операций: разделите вашу транзакцию на более мелкие операции, которые могут быть выполнены и отменены атомарно. Это поможет обеспечить согласованность данных и надежность в случае сбоев.
2. Поддержка компенсационных действий: для каждой операции определите соответствующее компенсационное действие, которое может отменить предыдущую операцию. Убедитесь, что компенсационные действия реализованы таким образом, чтобы вернуть систему в согласованное состояние.
3. Проверка предусловий: перед выполнением каждой операции проверьте все предусловия, которые должны быть истинными для успешного выполнения. Если предусловия не удовлетворены, отмените предыдущие операции, вызвав соответствующие компенсационные действия.
4. Обработка ошибок и сбоев: предусмотрите обработку ошибок и сбоев в каждом шаге паттерна. Если операция не удалась, вызовите компенсационное действие и восстановите систему в согласованное состояние.
5. Журналирование и отслеживание: ведите журнал операций и статусов паттерна. Это поможет отслеживать прогресс паттерна и обеспечить прозрачность в случае сбоев или неудачных операций.
6. Асинхронная обработка: рассмотрите возможность выполнения операций паттерна асинхронно, чтобы повысить производительность и отзывчивость системы. Используйте очереди сообщений или асинхронные вызовы для координирования операций.
X X
о го А с.
X
го m
о
2 О M
со
7. Изоляция и отказоустойчивость: учтите возможность отказа компонентов системы и реализуйте меры изоляции, чтобы минимизировать влияние отказов на выполнение паттерна. Используйте подходы, такие как репликация данных, контрольная точка и резервное копирование, чтобы обеспечить отказоустойчивость.
8. Тестирование и отладка: проведите тщательное тестирование каждого шага паттерна, а также сценариев сбоев и ошибок. Используйте средства отладки и мониторинга для обнаружения и исправления проблем в реальном времени.
9. Мониторинг и метрики: внедрите механизмы мониторинга и сбора метрик для отслеживания производительности и надежности паттерна. Используйте данные мониторинга для выявления узких мест и оптимизации процесса выполнения паттерна.
10. Постоянное улучшение: непрерывно анализируйте производительность и эффективность паттерна и внедряйте улучшения по мере необходимости. Используйте полученный опыт для оптимизации и совершенствования процесса управления транзакциями.
Заключение. В заключение, SAGA-паттерн является мощным инструментом для управления транзакциями в распределенных системах. Он предлагает гибкое и надежное решение для обработки комплексных бизнес-процессов, состоящих из нескольких операций и зависимостей между ними. Применение SAGA-паттерна позволяет разработчикам достичь высокой отказоустойчивости, гибкости и согласованности данных. Он устраняет необходимость в сложных механизмах согласования и блокировки, что упрощает разработку и поддержку распределенных систем. Однако, при применении SAGA-пат-терна необходимо учитывать особенности вашего проекта и бизнес-требования. Разработчики должны тщательно планировать и моделировать паттерн, определять компенсационные действия, обрабатывать ошибки и сбои, а также тестировать систему на различные сценарии сбоев.
В целом, применение SAGA-паттерна требует хорошего понимания распределенных систем, транзакций и управления состоянием. Однако, правильное использование паттерна может значительно упростить разработку и поддержку сложных бизнес-процессов, обеспечивая надежность и согласованность данных в распределенных средах. Надеемся, данная статья помогла понять преимущества и рекомендации по применению SAGA-паттерна и вдохновила на использование этого паттерна в проектной деятельности.
SAGA: managing long-lasting transactions in distributed systems Nurkaev R.R., Pivovarov V.V., Khabibullin R.M. Khasanov A.R.
Swedbank Group, Innopolis University, Smertrios Limited, Tinkoff Bank JSC JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_
The article provides an overview of the SAGA concept and its application to managing long-running transactions in distributed systems. Its purpose is to help developers understand and apply this pattern to ensure reliable and consistent transaction processing in complex distributed environments. SAGA is an architectural pattern designed to handle long and complex transactions that involve multiple steps or services. The article discusses the basic principles of this pattern, including the use of compensating actions to handle transaction rollback in case of errors. Explains how SAGA provides data consistency and coordination between different services in a distributed system. The authors consider the advantages and disadvantages of the pattern, including repeatability and fault tolerance. Recommendations are presented on the selection of suitable tools and frameworks for the implementation of SAGA in distributed systems. In conclusion, the benefits of using SAGA to manage long-running transactions in distributed systems are highlighted. Keywords: SAGA, saga, transaction, consistency, atomicity, transaction coordination, orchestrator, event-driven architecture, compensation strategies, consistent snapshot, fault tolerance. References
1. Richardson K. Microservices. Patterns of development and refactoring; per. from
English. S.V. Chernikov; under. ed. N. Grinchik. - St. Petersburg: Peter. 2022. -544 p.
2. Evans E. Domain-oriented design (DDD). Structuring of complex software systems;
per. from English. V.L. Borodova. - M.: Williams, 2018. - 448 p.
3. Daigneau R. Service Design Patterns: Fundamental Design Solutions for
SOAP/WSDL and RESTful Web Services. - N.Y.: Addison-Wesley Professional. 2011. - 352 p.
4. Fowler M. Patterns of Enterprise Application Architecture. - N.Y.: Addison-Wesley
Professional. 2002. - 560 p.
5. Newman S. Building Microservices: Designing Fine-Grained Systems. - CA:
O'Reilly Media. 2015. - 280 p.
CO CS
о
CS <0
о ш m
X
Литература
1. Ричардсон К. Микросервисы. Паттерны разработки и рефакторинга; пер. с англ. С.В. Черников; под. ред. Н. Грин-чика. - СПб.: Питер. 2022. - 544 с.
2. Эванс Э. Предметно-ориентированное проектирование (DDD). Структуризация сложных программных систем; пер. с англ. В.Л. Бородовой. - М.: Вильямс, 2018. - 448 с.
3. Daigneau R. Service Design Patterns: Fundamental Design Solutions for SOAP/WSDL and RESTful Web Services. -N.Y.: Addison-Wesley Professional. 2011. - 352 p.
4. Fowler M. Patterns of Enterprise Application Architecture. - N.Y.: Addison-Wesley Professional. 2002. - 560 p.
5. Newman S. Building Microservices: Designing FineGrained Systems. - CA: O'Reilly Media. 2015. - 280 p.
<
m о x
X
