Современные распределённые системы часто сталкиваются с задачей управления большим количеством заданий - будь то обработка данных, интеграции или выполнение фоновых задач.

В этой статье рассмотрим архитектуру подсистемы управления заданиями, реализованную на принципах микросервисной архитектуры. Подсистема управляет заданиями на загрузку данных из внешних источников, то есть задачу интеграции с поставщиками данных.

В статье не будет технических деталей, будут даны только принципиально важные детали реализации и критически важные параметры.

Требования и ограничения

Основная система требует множество данных, которые распределены по разным источникам: файлы на сетевых дисках, файлы в S3, данные из REST API, данные из очереди сообщений. Всего источников насчитывалось несколько десятков, в каждом из них свой формат данных. Нужно было управлять загрузкой данных из этих источников централизованно, максимально надёжно и с соблюдением ограничений.

Поставщики данных имеют строгие ограничения для всех потребителей:

• окна, когда разрешено запрашивать данные,

• максимальное количество обращений за единицу времени.

Все эти ограничения были учтены в архитектуре.

Сразу отвечу на вопрос, почему не использовалось готовое решение для этой задачи, например Apache NiFi, Apache Airflow, Apache Spark?

Ответ прост - на то были веские причины.

Потребность в свежих данных могла возникнуть в ходе выполнения бизнес операций внутри системы, а значит было недостаточно просто обновлять данные по расписанию.

Исходя из указанных требований родилось решение, которые справляется с задачей, горизонтально масштабируется по производительности и имеет возможность малозатратного подключения новых источников данных в подсистему.

Общая архитектура

Система разделена на независимые микросервисы, связанные через базу данных, где хранятся готовые задания, и брокер сообщений через который исполнители получают задания которые нужно выполнять.

В основе решения лежат четыре ключевых типа микросервиса: Scheduler, Dispatcher, Manager и Worker, каждый из которых отвечает за отдельный этап жизненного цикла задания — от создания до завершения.

На схеме показаны компоненты подсистемы, и потоки данных между ними.

На схеме видны дополнительные штрихи на линиях, нужно пояснить их значение.

Активный компонент взаимодействия

При передаче данных от одного компонента к другому в данной нотации речь идёт о двух участниках взаимодействия, один из которых играет активную роль, второй пассивную. В этой нотации нет третьей стороны, которая отвечает за перемещение данных между компонентами, инициатором работы по передаче данных всегда выступает один из двух указанных компонентов.

Дополнительная короткая черта перпендикулярная линии указывает на активный компонент взаимодействия.

Пример #1

А -|---> Б

Компонент А передаёт данные компоненту Б.

А делает push в Б.

Например, ваш браузер А отправляет картинку на сервер Б.

Пример #2

А ---|-> Б

Компонент Б вытягивает данные из компонента А.

Б делает pull из А.

Например, ваш браузер Б запрашивает и получает картинку от сервера А.

Где почитать подробнее про эту нотацию?

Прямо здесь и читайте, это лично мой приём.

Такая нотация снимает множество вопросов о том, как именно взаимодействуют компоненты, кто из них является инициатором операции передачи данных. Например из схемы видно, что PostgreSQL является пассивным компонентом во всех взаимодействиях, и это самый распространённый сценарий использования СУБД. Чтобы PostgreSQL стал активным компонентом нужно реализовать либо Job либо Trigger, которые бы делали обращение к другим компонентам, например запрашивали у них данные по http.

Scheduler

Планировщик - отвечает за добавление новых заданий в подсистему.

Планировщик:

• принимает запросы от внешних клиентов через опубликованные REST API, для каждого типа задания может публиковатся свой REST API, параметры запроса даны в формате понятном клиенту и абстрагируют формат данных и место хранения ресурса - например, клиент не знает, что требуемые данные хранятся в файле или в Elastic, он просто отправляет POST запрос для обновления в системе данных сотрудника:

{
    "object_type": "employee",
    "employee_id": 123,
    "priority": 100
}

• валидирует ввод,

• формирует задание согласно настройкам,

• проверяет, что полученное задание не дублирует активную запись в базе,

• сохраняет данные нового задания в базу.

Настройки Scheduler для формирования задания определяют, сколько попыток даётся на выполнение задания, паузы между попытками, приоритет для повторной попытки выполнения задания.

{
    [
        {
            "object_type": "employee",
            "max_try_count": 3,
            "next_try_delay_ms": 60000,
            "next_try_priority": 1000,
        },
        ...
    ]
}

Dispatcher

Диспетчер - самый сложный компонент подсистемы, её "мозг".

Работает по заданному расписанию, во время пауз ничего не делает, во время рабочего периода начинает выбирать активные задания из базы, статус "активно", и передавать их исполнителям. Диспетчер взяв задание в работу присваивает ему статус "в работе", таким образом исключая повторное выпонение заданий.

Пример настроек конфигурации диспетчера для заданий типа employee.

{
    "task_type": "employee",
    "work_periods": ["MON-FRI 00:00-06:00", "SAT-SUN 00:00-23:59"],
    "task_max_batch_size": 1,
    "next_task_batch_delay_ms": 1000,
}

Параметр task_max_batch_size задаёт количество заданий, которые диспетчер передаёт в работу исполнителям, чем больше исполнителей ожидают новых задач, тем большим должно быть значение параметра.

Каким образом Диспетчер узнаёт, что предыдущий пакет заданий выполнен и можно отправлять новый?

В текущей реализации используется алгоритм, который перед шагом отбора заданий для исполнения проверяет, что в базе данных не осталось записей заданий в статусе "в работе", разумеется для указанного типа. Таким образом Диспетчер убеждается, что все задачи из предыдущего пакета были либо успешно завершены, либо закончились с ошибкой и были закрыты или перепланированы Менеджером. Перед шагом планирования Диспетчер делает паузу, длительность которой указана в настройках в параметре next_task_batch_delay_ms.

Worker

Исполнитель - выполняет рабочее задание.

Ответственность исполнителя - выполнить задание и сообщить Менеджеру через очередь сообщений о результате, о том успешно ли выполнено задание или с ошибкой.

Manager

Менеджер задач - контролирует пул заданий в базе и управляет состоянием задач.

Менеджер получает от Исполнителей уведомления о результате выполнения заданий. При успешном завершении задания, Менеджер закрывает его - присваивает статус "выполнено". Если задание завершилось с ошибкой, то Менеджер увеличивает счётчик попыток выполнения задания и если лимит попыток ещё не превышен, то меняет заданию приоритет на значение next_try_priority и присваивает статус "активно", а для заданий с ошибкой, которые исчерпали лимит попыток, присваивает статус "завершено с ошибкой".

Также Менеджер согласно настроек может периодически оптимизировать пул заданий в бвзе - удаляя старые записи и выполняя иные сервисные функции для оптимизации пула заданий - поиск и удаление дублей, запись ошибок исполнения в отдельный лог, уведомление об ошибках и тому подобное.

Типы заданий

Выше было упомянуто, что каждое задание имеет свой тип, например тип "employee" - это задания на обновление данных о сотруднике. В данной архитектуре можно добавлять любое количество типов заданий.

Программные модули

На схеме показано, что для каждого типа задания создаётся набор микросервисов, а именно Scheduler, Dispatcher, Worker. В текущей реализации Dispatcher не содержит уникальной логики для каждого типа задания, поэтому в коде это один компонент для всех типов заданий, который при запуске получает флаг с указанием с каким типом задания работает экземпляр процесса Dispatcher.

Например:

./dispatcher.exe -t "employee"

Компоненты Scheduler и Worker имеют уникальные реализации для каждого типа задания, что логично.

Структура хранилища заданий в базе данных и формат сообщений от Worker для Manager - унифицированы.

Такая архитектура позволяет подключать (а также останавливать или удалять) типы заданий "на горячую" без остановки работы всей подсистемы в целом.

О производительности

Подсистема не проектировалась для максимальной производительности, фокусом было - обеспечить надёжное обновление данных строго в разрешённых каждым источником данных интервалах времени. Узким местом для подсистемы всегда является сам источник данных, скорость работы которого в разы меньше скорости работы остальных компонентов подсистемы.

Тем не менее, архитектура имеет хороший потенциал для применения в задачах с высокой производительностью.

Worker-ы уже хорошо масштабируются горизонтально.

Для горизонтального масштабирования Scheduler-ов, нужен только балансировщик, что в Kubernetes выполняется настройками.

Узкое место - база данных, для повышения производительности может потребовать определённые приёмы увеличения производительности, например дублирование таблиц с заданиями для каждого типа задания и привязка таблиц к разным разделам файловой системы на быстрых дисках, наконец создание для каждого типа задания отдельной базы данных на отдельных узлах. Также будет полезным пересмотреть data flow и структуру таблиц базы данных с целью минимизации операций записи в базу данных или хотя бы снижения размера записи с часто обновляемыми данными, их более компактного размещения в памяти, и как следствие уменьшения количества ошибок операционной системы page fault.

Dispatcher потребует изменения алгоритма планирования на, к примеру, двойной буфер и реализацию быстрых проверок остатка невыполненных заданий не в базе данных, как сейчас, а в очереди Message Broker.