Conflict-Free Replicated Data Types ( CRDTs ) ได้กลายเป็นโซลูชันที่มีแนวโน้มดีสำหรับการสร้างระบบกระจายที่สามารถจัดการกับความล้มเหลวของเครือข่ายและรักษาความสอดคล้องโดยไม่ต้องประสานงาน โครงสร้างข้อมูลเหล่านี้ช่วยให้โหนดหลายตัวสามารถทำการเปลี่ยนแปลงอย่างอิสระและรวมเข้าด้วยกันโดยอัตโนมัติ โดยนำเสนอสิ่งที่นักวิจัยเรียกว่า Strong Eventual Consistency อย่างไรก็ตาม เมื่อนักพัฒนาเริ่มนำ CRDTs ไปใช้ในแอปพลิเคชันจริง ความท้าทายเชิงปฏิบัติที่สำคัญกำลังเผยออกมา ซึ่งเน้นให้เห็นช่องว่างระหว่างความสง่างามทางทฤษฎีกับความเป็นจริงในการผลิต
ช่องว่างระหว่างสัญญาและความเป็นจริง
CRDTs นำเสนอข้อได้เปรียบทางทฤษฎีที่น่าสนใจสำหรับระบบกระจาย พวกมันช่วยขจัดความจำเป็นในการประสานงานระหว่างโหนดในระหว่างการอ่านและเขียน ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดเวลาแฝงต่ำและความทนทานต่อข้อผิดพลาดที่ยอดเยี่ยม ในทางทฤษฎี ระบบสามารถทำงานต่อไปได้ตามปกติแม้ว่าโหนดทั้งหมดยกเว้นหนึ่งโหนดจะล้มเหลวพร้อมกัน สิ่งนี้ทำให้พวกมันน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับแอปพลิเคชันแบบ local-first และระบบที่ทำซ้ำทางภูมิศาสตร์ที่การแบ่งแยกเครือข่ายเป็นเรื่องปกติ
อย่างไรก็ตาม ชุมชนนักพัฒนากำลังค้นพบว่า CRDTs สามารถทำลายตรรกะของแอปพลิเคชันได้ง่ายในทางที่ไม่คาดคิด ปัญหาหลักอยู่ที่วิธีการรวมแบบบางส่วนและไม่เป็นลำดับส่งผลต่อสถานะของแอปพลิเคชัน เมื่อการอัปเดตมาถึงในลำดับที่แตกต่างกันที่โหนดต่างๆ การแก้ไขความขัดแย้งแบบอัตโนมัติสามารถสร้างผลลัพธ์ที่สอดคล้องกันทางเทคนิคแต่ไร้ความหมายทางความหมาย
หมายเหตุ: Strong Eventual Consistency หมายความว่าโหนดต่างๆ จะเข้าถึงสถานะเดียวกันทันทีหลังจากประมวลผลการอัปเดตเดียวกัน แทนที่จะบรรจบกันในที่สุดเมื่อเวลาผ่านไป
การเปรียบเทียบโมเดลความสอดคล้องของ CRDT
| ประเภทความสอดคล้อง | การรับประกันการบรรจบกัน | ต้องการการประสานงาน | การแก้ไขความขัดแย้ง |
|---|---|---|---|
| Eventual Consistency | สถานะเดียวกันในที่สุด | ไม่ต้องการ | แบบแมนนวล/ระดับแอปพลิเคชัน |
| Strong Eventual Consistency | สถานะเดียวกันทันที | ไม่ต้องการ | แบบอัตโนมัติ/แบบกำหนดได้ |
| Strong Consistency | สถานะเดียวกันเสมอ | ต้องการ | โปรโตคอลการประสานงาน |
ตรรกะของแอปพลิเคชันกลายเป็นเรื่องซับซ้อน
ความท้าทายที่สำคัญที่สุดเกิดขึ้นเมื่อพยายามรักษาความหมายของแอปพลิเคชันที่มีความหมาย ลองพิจารณาระบบติดตามงานง่ายๆ ที่การอัปเดตหนึ่งยกเลิกงานในขณะที่อีกการอัปเดตหนึ่งพยายามเริ่มงานพร้อมกัน CRDT จะรวมการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อย่างสอดคล้องกันในทุกโหนด แต่สถานะที่เกิดขึ้นอาจแสดงงานที่ทั้งถูกยกเลิกและกำลังดำเนินการ ซึ่งถูกต้องทางเทคนิคจากมุมมองของ CRDT แต่ไร้เหตุผลสำหรับแอปพลิเคชัน
สิ่งนี้บังคับให้นักพัฒนาต้องคิดใหม่ทั้งหมดเกี่ยวกับวิธีการออกแบบตรรกะของแอปพลิเคชัน โค้ดทุกส่วนต้องพิจารณาว่าการรวมแบบบางส่วนอาจส่งผลต่อสถานะอย่างไรและให้แน่ใจว่าตรรกะจัดการกับสถานการณ์เหล่านี้อย่างเหมาะสม ข้อกำหนดนี้แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงพื้นฐานในวิธีที่นักพัฒนาเข้าหาการออกแบบระบบ ทำให้ CRDTs มีความท้าทายในการนำไปใช้อย่างถูกต้องมากกว่าแนวทางแบบดั้งเดิมอย่างมีนัยสำคัญ
ความท้าทายทั่วไปในการใช้งาน CRDT
- ความหมายของสถานะ: สถานะที่ผสานแล้วอาจสอดคล้องกันทางเทคนิค แต่ไร้ความหมายในระดับแอปพลิเคชัน
- การจัดการ Timestamp: เวลาที่ไม่เป็นเส้นตรงในระบบกระจายทำให้การเรียงลำดับซับซ้อน
- ความปลอดภัยของประเภทข้อมูล: ความยากลำบากในการทำให้สถานะแอปพลิเคชันที่ไม่ถูกต้องไม่สามารถแสดงได้
- ความซับซ้อนในการพัฒนา: ต้องคิดใหม่เกี่ยวกับรูปแบบตรรกะแอปพลิเคชันแบบดั้งเดิม
- ช่องว่างของเฟรมเวิร์ก: เครื่องมือที่จำกัดสำหรับการกำหนดความหมายของแอปพลิเคชันบน CRDT
การค้นหาการแยกแยะที่ดีกว่า
ชุมชนตระหนักถึงความยากลำบากในการนำไปใช้เหล่านี้และกำลังเรียกร้องให้มีเฟรมเวิร์กการพัฒนาที่ดีกว่า มีความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับเครื่องมือที่จะช่วยให้นักพัฒนาสามารถกำหนดความหมายของแอปพลิเคชันบน CRDTs ในขณะที่รับประกันความสอดคล้องของประเภทโดยอัตโนมัติ บางคนแนะนำให้ใช้ระบบประเภทที่ซับซ้อนมากขึ้นที่สถานะที่ไม่ถูกต้องจะเป็นไปไม่ได้ที่จะแสดง แต่แม้แต่แนวทางเหล่านี้ก็เผชิญกับความท้าทายเมื่อจัดการกับธรรมชาติที่ไม่เป็นเชิงเส้นของเวลาในสภาพแวดล้อมการคำนวณแบบกระจาย
ด้วย CRDTs คุณต้องพิจารณาว่าการรวมแบบบางส่วนที่ไม่เป็นลำดับส่งผลต่อสถานะอย่างไร และให้แน่ใจว่าตรรกะของคุณถูกเขียนในลักษณะที่จัดการกับสิ่งเหล่านี้อย่างเหมาะสม นั่นไม่ใช่เรื่องง่าย!
การใช้งานจริงแสดงให้เห็นแนวโน้มที่ดี
แม้จะมีความท้าทายในการนำไปใช้ CRDTs กำลังพบความสำเร็จในกรณีการใช้งานเฉพาะ พวกมันทำงานได้ดีสำหรับสถานการณ์เช่นระบบแคชแบบกระจายที่โหนดต้องแบ่งปันข้อมูลเกี่ยวกับคีย์ที่มีอยู่สำหรับการกำหนดเส้นทางคำขอ CRDTs แบบเซ็ตซึ่งอนุญาตให้เพิ่มเฉพาะองค์ประกอบ พิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์เป็นพิเศษสำหรับแอปพลิเคชันเหล่านี้เนื่องจากพวกมันหลีกเลี่ยงความขัดแย้งทางความหมายหลายอย่างที่รบกวนโครงสร้างข้อมูลที่ซับซ้อนกว่า
เทคโนโลยีนี้ยังแสดงให้เห็นแนวโน้มที่ดีสำหรับสถานการณ์การแก้ไขร่วมกันที่ความขัดแย้งมีกลยุทธ์การแก้ไขที่เป็นธรรมชาติ เมื่อคนสองคนแก้ไขข้อผิดพลาดการพิมพ์เดียวกันในเอกสาร ผลลัพธ์ทางภาพยังคงเหมือนเดิมโดยไม่คำนึงถึงลำดับการรวม ทำให้ CRDTs เหมาะสมตามธรรมชาติสำหรับแอปพลิเคชันดังกล่าว
บทสรุป
CRDTs แสดงถึงขั้นตอนสำคัญในการสร้างระบบกระจายที่มีความยืดหยุ่นมากขึ้น แต่พวกมันไม่ใช่โซลูชันสากลที่บางคนหวังไว้ในตอนแรก ในขณะที่พวกมันแก้ไขความท้าทายทางเทคนิคของการบรรลุความสอดคล้องโดยไม่ต้องประสานงาน พวกมันแนะนำความซับซ้อนใหม่ในการรักษาความหมายของแอปพลิเคชัน ความสำเร็จกับ CRDTs ต้องการการพิจารณากรณีการใช้งานอย่างรอบคอบ การออกแบบแอปพลิเคชันที่ซับซ้อน และมักจะยอมรับการแลกเปลี่ยนที่ระบบแบบดั้งเดิมไม่เผชิญ เมื่อเทคโนโลยีเติบโต จุดสนใจกำลังเปลี่ยนจากการพิสูจน์ประโยชน์ทางทฤษฎีไปสู่การสร้างเครื่องมือปฏิบัติที่ทำให้ CRDTs เข้าถึงได้สำหรับนักพัฒนาทั่วไป
อ้างอิง: Strong Eventual Consistency - The Big Idea behind CRDTS