Circuit Breaker Pattern - Bộ ngắt mạch trong các cuộc gọi phân tán

Vấn đề

Pattern hay tên gọi đầy đủ Design Pattern là một mẫu thiết kế hoặc một giải pháp chung để giải quyết một vấn đề nào đó. Nó được tổng hợp và sử dụng bởi rất nhiều người trong việc giải quyết các vấn đề tương tự nhau. Khi giải quyết một bài toán, các Pattern thường được xem xét hoặc khuyên dùng. Chính vì thế biết được nhiều mẫu thiết kế, bạn càng có thêm nhiều ý tưởng để giải quyết bài toán sao cho phù hợp nhất.

Circuit Breaker Pattern là một mẫu thiết kế lấy cảm hứng từ "cầu dao điện". Khi xảy ra hiện tượng đoản mạch hoặc quá tải do quá nhiều thiết bị tiêu thụ điện, cầu dao sẽ tự ngắt để đảm bảo không xảy ra nguy cơ cháy nổ. Tương tự như trong hệ thống phần mềm, nó đóng vai trò như là một "bộ ngắt" khi có một lỗi ồ ạt xảy ra trong luồng xử lý.

Bài viết ngày hôm nay, chúng ta hãy tìm hiểu xem Circuit Breaker là gì và nó thường được sử dụng trong những trường hợp nào, cũng như cách triển khai trong Node.js như thế nào nhé.

Circuit Breaker Pattern là gì?

Circuit Breaker Pattern là một mẫu thiết kế phần mềm được sử dụng để xử lý các lỗi liên quan đến các cuộc gọi tới các dịch vụ từ các thành phần khác nhau trong một hệ thống phân tán. Khi một dịch vụ không sẵn sàng hoặc bị lỗi, Circuit Breaker Pattern giúp tăng tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống bằng cách ngắt kết nối tới dịch vụ đó và sử dụng một cơ chế phục hồi thay thế.

Circuit Breaker thường được sử dụng trong các trường hợp khi xử lý logic có liên quan đến các cuộc gọi API hoặc một cái gì đó tương tự đến các dịch vụ bên ngoài (hệ thống phân tán). Vì đặc thù của hệ thống phân tán là nguy cơ xảy ra lỗi giữa các dịch vụ có thể đến bất kì lúc nào, thế nên chúng ta luôn phải có phương án xử lý lỗi hoặc chuyển hướng đến các dịch vụ dự phòng. Circuit Breaker giúp tăng tính ổn định của hệ thống bằng cách ngắt kết nối tới dịch vụ bị lỗi và sử dụng một cơ chế phục hồi thay thế như chuyển sang một dịch vụ khác hoặc nhanh chóng trả về lỗi mà không cần phải chờ phản hồi. Ngoài ra nó còn giảm tải cho các dịch vụ khi phát hiện ra một dịch vụ đang bị quá tải. Hay nói tóm lại, Circuit Breaker cung cấp một cơ chế xử lý lỗi phát sinh giữa các dịch vụ trong hệ thống phân tán.

Nguyên lý hoạt động của Circuit Breaker rất đơn giản. Nó dựa trên 3 trạng thái của "bộ ngắt mạch" là Closed, Open và Half-Open.

Khi ở trạng thái bình thường thì mạch được đóng, tức là mạch đang ở trạng thái Closed, các yêu cầu đang được xử lý tự do và mọi thứ hoạt động như mong đợi. Trạng thái Closed sẽ chuyển qua Open nếu như số lượng các yêu cầu được xử lý tăng đột biến hoặc một lỗi xảy ra vượt quá ngưỡng mà mạch đề ra.
Khi đó, mạch sẽ tự ngắt, lúc này mạch bị "hở" và nó đang ở trạng thái Open. Các yêu cầu sau đó sẽ không thể tiếp tục thực hiện cuộc gọi đến dịch vụ phân tán. Thay vào đó mạch sẽ trả về lỗi ngay lập tức để báo cho chúng biết để không mất thời gian chờ xử lý.
Sau một khoảng thời gian nhất định, mạch sẽ thử mở lại cho một vài yêu cầu để kiểm tra tính khả dụng của các dịch vụ. Trạng thái này gọi là Half-Open. Nếu mọi thứ bình thường trở lại, mạch sẽ trở về trạng thái Closed, lúc này hệ thống của chúng ta sẽ trở lại như ban đầu. Còn nếu không, mạch sẽ tiếp tục Open cho đến lần kiểm tra tiếp theo.

Có một số vấn đề cần lưu ý khi triển khai Circuit Breaker là xác định được ngưỡng để ngắt mạch và ngưỡng thử lại để mở mạch. Bởi tùy vào thiết kế của từng hệ thống mà chúng ta cần xác định được chúng sao cho hợp lý và tối ưu nhất.

Sau khi hiểu được nguyên lý, chúng ta có thể tự triển khai một bộ ngắt mạch cho riêng mình. Hoặc tìm cho mình một thư viện có độ tin cậy cao để đẩy nhanh quá trình phát triển.

Triển khai Circuit Breaker trong Node.js

opossum là một thư viện hỗ trợ Node.js triển khai một bộ ngắt mạch. Với số lượng sử dụng tại thời điểm viết bài là hơn 230k lượt tải trong tuần thì đây là thư viện có độ tin cậy cao nhất nhì trên npm.

Cách sử dụng tương đối cơ bản, bạn cần thiết lập một vài thông số ngưỡng để ngắt và mở lại mạch, sau đó khởi tạo một đối tượng CircuitBreaker kèm với hàm cần xử lý logic.

const CircuitBreaker = require('opossum');

function asyncFunctionThatCouldFail(x, y) {
  return new Promise((resolve, reject) => {
    // Do something
  });
}

const options = {
  timeout: 3000,
  errorThresholdPercentage: 50,
  resetTimeout: 30000
};
const breaker = new CircuitBreaker(asyncFunctionThatCouldFail, options);

breaker.fire(x, y)
  .then(console.log)
  .catch(console.error);

Trong ví dụ trên, nếu hàm mất thời gian quá 3s và với số lượng lỗi hơn 50% thì mạch sẽ ngắt. Sau 30s, bộ ngắt mạch sẽ bắt đầu thử lại.

Tổng kết

Circuit Breaker Pattern là một mẫu thiết kế được sử dụng để xử lý các lỗi liên quan đến cuộc gọi đến một dịch vụ khác trong hệ thống phân tán. Một "bộ ngắt mạch" hoạt động dựa trên 3 giai đoạn Closed, Open và Half-Open. Có một số vấn đề cần lưu ý khi triển khai Circuit Breaker là xác định được ngưỡng để ngắt mạch và ngưỡng thử lại để mở mạch. Sau khi hiểu được cơ chế, bạn có thể tự triển khai một bộ ngắt mạch cho riêng mình hoặc tìm kiếm và sử dụng các thư viện đáng tin cậy để đẩy nhanh quá trình phát triển.

Tham khảo:

https://www.boxpiper.com/posts/circuit-breaker-pattern