Two-Phase-Commit

Forfattere

• Emir Derouiche
• Dilawar Mahmood
• Håvard Stavnås Markhus

Introduksjon

Dette prosjektet har blitt gjennomført som en del nettverksprogrammeringsdelen av emnet TDAT2003.

Dette prosjektet har gått ut på implementere to-fase commit. To-fase commit er en distribuert algoritme som brukes i forbindelse med transaksjoner i arkitekturer hvor tjeneren er delt opp i mindre enheter, også kjent som microservices. Hensikten med dette er å lage skalerbare applikasjoner og systemer, og man unngår at man bare har en monolittisk tjener som skal ta seg av alle forespørsler. Microservicene har ansvar for å utføre hver sin del av systemet, og disse servicene kommuniserer med en "hoved-tjener", orchestrator, som har ansvaret med å delegere oppgaver til servicene og gi dem riktig data.

Hensikten med to-fase commit er å sørge for at en transaksjon utføres på en korrekt måte. Når man har delt tjeneren sin opp i flere enheter, så må man sørge for at disse kommuniserer på en god måte. Hvis det for eksempel skjer en feil med en microservice pga. en transaksjon som har blitt gjort, så ønsker man ikke at denne transaksjonen skal gå gjennom (commit) i en annen microservice. To-fase commit løser dette problemet på følgende måte:

1. Orchestrator ("hoved-tjeneren") gir microservicene data, og ber dem utføre transaksjonen.
2. Microservicene starter transaksjonen, og låser de eventuelle radene i sine databasetabeller. Etter at de har startet transaksjonen, så gir microservicene tilbakemelding til orchestrator om hvordan det gikk, dvs. om oppstarten av transaksjonen gikk bra eller dårlig.
3. Hvis alle microservicene svarte med at det gikk bra, så ber orchestrator microservicene om å commit transaction. Da vil microservicene committe transaksjonene. Hvis det ikke gikk bra, så vil orchestrator be dem om å gjøre rollback, dvs. ikke gå videre med transaksjonene.

Implementert funksjonalitet

I løsningen vår har vi implementert funksjonaliteten som trengs for en to-fase-commit, ved å lage en "orchestrator" server skrevet i rust, og to microservicer "wallet" og "order" i Golang. Orchestrator, i tillegg til å håndtere transaksjons-forespørsler, serverer også en klient hvor transaksjonene kan forespørres. Microservicesene "wallet" og "order" har hver sin lokale database som de gjør transaksjoner mot. Wallets tilhørende database inneholder en tabell med bruker-id og tilhørende saldoer.

Orders tilhørende database inneholder to tabeller, en som inneholder alle ordrene som er gjort, og en annen som inneholder alle varene som finnes og hvor mange det er igjen av hver. Hver av serverne orchestrator, wallet, og order kjører på hver sin virtuelle maskin i google cloud og disse oppdateres automatisk med continous deployment via Gitlab CI/CD. De virtuelle maskinene fra google cloud har sine egne lokale databaser. Ved oppdatering av serverne kjøres det også automatiske integrerte tester som sjekker om hele systemet fungerer som det skal. Testene som blir kjørt i CI bruker gitlab sin mysql service. Servicen setter opp en database og testen legger til alt som trengs inn i servicen. Dette gjør at testene kjøres på databaser som er uavhengige av de virkelige databasene. Testene sender hele transaksjons-requester til en lokalt kjørt orchestrator og sjekker om transaksjonene går gjennom når de burde.

Implementasjonen er forsøkt gjort så realistisk som mulig med tanke på automatikken som er innebygd ved hjelp av google cloud og Gitlab CI/CD. Hele systemet kan lett testes både lokalt og distribuert, ettersom oversetting av localhost til de virkelige distribuerte addressene skjer automatisk med CD.

Diskusjon

Orchestrator og Koordinator

Orchestrator er overhodet som starter og holder styr på alle koordinatorene. Den har også ansvar for å ta imot TCP tilkoblinger. Når den mottar en TCP tilkobling blir den lest fra og svart på i sin egen tråd som kalles for en koordinator. Koordinatoren tolker http-forespørseler, som enten er «POST /purchase» hvor koordinatoren tar kontakt med microservicene våre. Koordinatoren leser data om ordren fra et JSON objekt i POST-forespørselen. En POST forespørsel kan for eksempel se slik ut:

Koordinatoren har ansvaret for å kommunisere med microservicene og koordinere de slik at om en av de feiler vil begge rulle endringene tilbake, eller hvis begge er klare så kan begge commite endringene. Koordinatoren har også ansvaret for å sende klienten til en nettleser hvis http-forespørselen er «GET /». Klienten lar brukeren teste systemet vårt lettere. Det er viktig at den leveres fra samme server som håndterer POST for å samsvare med CORS kravene. Klienten ser slik ut:

Orchestrator og Koordinator er skrevet i Rust fordi Rust har veldig god trådsikkerhet og god feilhåndtering. Alle steder hvor Koordinator kan feile har vi implementert feilhåndtering med utskrift som forteller server administrator hva som har gått galt. Skulle en av microservicene mislyktes prøver den igjen inntil 5 ganger. Dermed vil man unngå at forespørsler mislyktes fordi de blir blokket av tråder som kjører parallelt. Vi bruker kun ett tredjeparts bibliotek for Koordinator, serde, som er for å tolke json objekter fra tekst. Resten gjøres manuelt ved å lese og skrive bytes fra TCP koblinger ved å bruke Rust sine innebygde TCP sockets.

Microservicer (order og wallet)

Under planlegging av hvordan vi skulle lage microservicene bestemte vi oss å bruke programmeringsspråket Golang siden det har støtte for goroutines. Det er lett å implementere ved hjelp av nøkkelordet "go" i dette språket. Goroutines har dynamiske stack, noe som gjør at de bruker mer minne kun når de trenger det. Goroutines starter også raskere enn tråder. En goroutine kan kjøre på flere tråder, noe som gjør at disse blir veldig effektive.

I microservicene har vi delt opp logikken for hver tråd i to metoder: handlePrepare() og handleCommit(). handlePrepare() er forskjellig i de to microservicene ettersom det er forskjellige ting som kan gå galt. handlecommit() er lik for begge, og finnes derfor i et felles bibliotek micro (skrevet av oss) som er en egen golang fil.

I hovedtråden (for-loopen over) venter servicene på en socket connection på hver sin port. Kommuikasjonsmetoden mellom serverne kunne blitt gjort på mange måter, men vi valgte å bruke sockets ettersom det var fordelmessig å kunne kommunisere frem og tilbake på samme kanal. Vi valgte å bruke TCP og ikke UDP fordi TCP-protokollen er en pålitelig overføringstjeneste og sørger for at all kommunikasjon kommer gjennom som den skal. UDP er ikke pålitelig, men har mindre overhead. Ettersom vi skal utføre transaksjoner og det er viktig at meldinger kommer frem og kan stoles på er det ikke verdt det med UDP. TCP gjør det også enkelt å sende og lese nøyaktig det vi trenger og ikke noe mer. Hver melding inneholder kun et tall som har en intern betydning mellom coordinatoren og servicen.

Ved opprettelse av en connection starter servicen en goroutine prepareAndCommit. Hovedtråden går øverst i loopen igjen og venter på en ny connection, mens goroutinen setter igang med å kommunisere på connectionen som ble opprettet. Hovedtråden tar da altså konstant imot oppkoblinger og starter kommunikasjonen. Slik kan servicen håndtere mange transaksjoner samtidig.

Metoden som er vist ovenfor kjøres for hver goroutine. I metoden handlePrepare(), så tar goroutinen og leser inn byte-data fra koblingen den har med coordinatoren, og starter transaksjonen med MySQL-databasene. Det er her den første delen av to-fase commit algoritmen implementeres, det vil si når miroservicene låser de aktuelle databaseradene og gir beskjed til orchestrator om hvordan det gikk med transaksjonen. Måten vi har løst dette på er å lage en struct som ser slik ut:

Prep er en struct som består av tre attributter. Id er et tall som brukes i forbindelse med kommunikasjon mellom microservice og orchestrator. Det er dette tallet som indikerer hvordan det gikk med transaksjonen. Hvis transaksjonen gikk bra, så er Id lik 1, og ellers så får Id andre verdier ut i fra hva som gikk galt. For eksempel kan microservice ha problemer med å koble seg til databasen, og da er Id lik 4. Det neste attributtet er selve transaksjonsobjektet. Dette objektet må lagres av goroutinen for å kunne commit eller rollback transaksjonen ut ifra hva slags tilbakemelding orchestrator gir til microservicene. Det tredje attributtet er User_id, som er id'en til brukeren som sendte HTTP-request til orchestrator. Grunnen til at vi lagrer bruker-id er for å håndtere problemet med at en bruker sender flere forespørsler på rad med meget kort tidsintervall, eller at det kommer flere forespørsler parallelt med samme bruker_id. Det kan føre til at microservice kan committe en transaksjon som ikke skulle ha blitt commited, eller at goroutinen prøver å committe en transaksjon som ikke eksisterer. For å løse dette lagret vi bruker-id'en i et hash-map. Når vi da fikk en ny forespørsel, så sjekker vi om brukeren har en transaksjon som ikke er commited. Hvis den har det, så sender vi feilmelding til orchestrator, ellers legger vi til den nye bruker-id'en. Det er viktig å understreke at vi kun sender Id til orchestrator, resten lagres hos microservice. Dette gjøres for å ikke bruke mer båndbredde enn vi må.

Etter at microservicene har fått svar fra orchestrator (dvs. om de kan committe eller rollbacke), så kjøres HandleCommit()-metoden. Som vist i skjermbildet fra prepareAndCommit()-metoden, så tar denne metoden inn blant annet bruker-id'en og selve transaksjonsobjektet. Microservicen leser meldingen fra orchestrator. Hvis meldingen er 1, så committer den transaksjonen. Hvis det er noe annet, committes ikke transaksjonen. Denne metoden tar også inn bruker_id for å fjerne brukeren fra hashmap slik at vi i fremtiden kan legge til nye forespørsler fra denne brukeren uten noe problem.

Distribuert løsning

Siden to-fase-commit handler mye om å kunne ta imot mange transaksjoner samtidig og sørge for at de går gjennom på riktig måte, har vi valgt å lage en distribuert løsning. For å gjøre dette kjører vi serverne på individuelle virtuelle maskiner. Vi hadde mulighet til å be om virtuelle maskiner fra NTNU, men valgte å gå for Google Cloud ettersom vi har erfaring med å bruke tjenestene fra før. Google Cloud er også gratis å bruke inntil en viss grense. Med Google Cloud var det også enkelt å tilpasse og sette opp maskinene vi hadde bruk for. Vi satte opp tre virtuelle maskiner, én for hver server. For å sette opp maskinene på en trygg måte valgte vi å lage egne brukere på maskinene uten administrator rettigheter, og med egne lokale databaser. Istedenfor å laste opp og starte serverne manuelt valgte vi å implementere continous deployment ved hjelp av Gitlab CI/CD.

Serverne leser inn forskjellige addresse-filer og config filer som sier noe om hvilken ip-addresse de skal høre på og hvilken database de skal koble seg til. I vår gitlab-ci fil forandrer vi automatisk på addressene som brukes og har manuelt lagt inn riktig database-tilkobling i .config filene på de virtuelle maskinene. Dette gjør at vi ikke trenger å tenke på å forandre fra f.eks "localhost" når vi tester lokalt og pusher til git. For å oppdatere filene og restarte serverne på google cloud har vi brukt ssh og nøkkel-variabler som er lagret i gitlab. Docker-executoren bruker ssh for å komme seg inn på google cloud maskinene og rsync for å oppdatere filene som ligger på maskina med det som ligger i git. Til slutt restarter den servicen som kjører serveren til tilhørende maskin. Dette er likt for alle maskinene; orchestrator, wallet og order. Ettersom orchestrator hører på port 3000 og serverer en klient ved http GET-request kan vi aksessere løsningen ved å skrive inn ip-addressen til orchestrator etterfulgt av portnummeret i nettleseren.

Videre arbeid

Vi kunne lagd et mer utvidet system for å kunne se mer om hva som ligger i databasen, for eksempel hvor mye saldo en bruker har eller hvor mye det er igjen av et produkt. Dette kunne ha blitt kombinert med flere microservices, men konseptet blir fortsatt helt likt som det vi har satt opp her.

Når det gjelder sikkerhet hadde vi kunne brukt TLS for å lage sikrere koblinger mellom orchestrator og microservicene.

Vi kunne også ha implementert Kubernetes for å ha et mer skalerbart system, da det ofte brukes i kombinasjon med microservices.

Eksempler

Ved kjøring av serverne lokalt har vi mulighet til å åpne klienten som er servert av orchestrator lokalt på http://localhost:3000

Her sender vi en forespørsel for bruker med bruker-id 1 og bestiller 5 poteter. dette sendes som en post-request til orchestrator på port 3000:

Her blir en TCP-connection mellom klient og orchestrator opprettet (linje 1-3) før en Post-request (på linje 4) blir sendt. Post requesten inneholder det vi sendte via nettsiden. Etter mange TCP pakker er sendt frem og tilbake mellom orchestrator og servicene sendes det en respons fra orchestrator til klient med status 200 og en melding "success"

Mellom linje 5 og 99 skjer det mye kommunikasjon mellom orchestrator og servicene. orchestrator oppretter en koordinator for transaksjonen og denne koordinatoren kommuniserer videre med microservicene. Kanalen det skjer mest på er port 3335, som er porten til order. Under ser vi kommunikasjonen mellom koordinatoren og order via TCP

Grunnen til at det er så mange meldinger, er fordi order mottar en melding for hvert produkt som blir bestilt.

For wallet skjer kommunikasjonen med koordinatoren på port 3332 og ved denne transaksjonen ser den slik ut:

Her er det mindre meldinger ettersom wallet ved enhver transaksjon kun mottar to tall; en for bruker-id og en for prisen på transaksjonen. etter at disse tallene er sendt svarer wallet med "OK PREPARE" og mottar senere fra koordinatoren "OK COMMIT" som betyr at den fullfører transaksjonen. samme prosedyre skjer også på order samtidig.

Under hele transaksjonen blir utskriften på orchestrator slik:

Første linje er selve JSON-dataen orchestrator mottar fra klient. På fjerde linje ser vi tallet microservicene svarer med. Ettersom transaksjonen var vellykket og alt er i orden svarer begge servicene med tallet 1, som betyr "OK PREPARE". Da ber koordinatoren begge servicene om å commite transaksjonen og sender til slutt svarmelding til klienten om at transaksjonen var vellykket.

Ved forsøk på å gjøre en transaksjon på en bruker som ikke eksisterer vil utskriften for orchestrator se slik ut:

Her har vi gjort samme transaksjon, bare med en annen bruker-id som ikke eksisterer i "wallet" databasen. Når en transaksjon feiler prøver orchestrator å gjøre transaksjonen på nytt opptil 5 ganger før den sier ifra om at den ikke kan utføre transaksjonen. På forsøk nummer 2 ser vi at order også sier at brukeren har "uncommited transactions". Dette er fordi den prøver på nytt raskt med en ny koordinator før den forrige transaksjonen ble helt avsluttet i microservicen.

Installasjonsinstruksjoner

1. Installer Golang og Rust

git clone https://gitlab.stud.idi.ntnu.no/dilawarm/two-phase-commit.git
cd two-phase-commit

2. Installer en lokal mysql database (f.eks mariadb), og lag en database som heter wallet_service

cd test/data-dumps
mysql -u <database_brukernavn> -p wallet_service < wallet-dump.sql
mysql -u <database_brukernavn> -p order_service < order-dump.sql
cd ../..
touch .config
echo "<database_brukernavn>:<database_passord>@tcp(localhost:3306)" > .config
go get github.com/go-sql-driver/mysql

Gjør enten 8 eller 9

/bin/bash runservers

go run microservices/order.go
go run microservices/wallet.go
cargo run

10. Microservicene kjører på http://127.0.0.1:3332 og http://127.0.0.1:3335, og Orchestrator kjører på http://127.0.0.1:3000.

Hvordan teste løsningen

Løsningen vår blir testet automatisk med CI/CD. Den består av 2 stages, test og deploy. I test kjører vi serverne i bakgrunnen på Docker, og etter det kjøres testene.

Vi har brukt JEST for å skrive testene. Disse testene sender ulike HTTP-POST-requests til orchestrator, og sjekker svaret fra orchestrator etter at microservicene har svart. Et eksempel på en velllykket pipeline er ... . Dere kan også teste løsningen vår på :) Her brukes serverne på Google Cloud, så denne lenken brukes for å teste skyløsningen vår. Dere kan også kjøre tester lokalt på følgende måte:

1. Installer Node

cd test
npm install

2. Endre host, username og password i config.json slik at det passer databasene dere har satt opp.
3. Kjør serverne (se punkt 8 eller 9 i Installasjonsinstruksjoner)

npm test