اصول طراحی نرم‌افزارها و سیستم‌های مقیاس‌پذیر - بخش اول
توی این سری مقالات، قراره به مفاهیم و اصولی بپردازیم که اگه به درستی پیاده‌سازی بشن، بهت کمک می‌کنن تا یک سیستم مقیاس‌پذیر (Scalable)، پایدار (Stable) و قابل اعتماد (Reliable) بسازی. وقتی در مورد طراحی سیستم‌های پیچیده صحبت می‌کنیم، مخصوصاً سیستم‌های توزیع‌شده (Distributed Systems)، نکته اصلی اینه که بدونیم سیستممون قراره در دنیای واقعی با چه چالش‌هایی روبرو بشه. این چالش‌ها می‌تونن از ترافیک‌های سنگین و ناگهانی گرفته تا خرابی‌های سخت‌افزاری، مشکلات شبکه، یا حتی قطع شدن کل دیتاسنتر باشن.
اینجاست که داشتن یه طراحی اصولی و قوی، اهمیت خودش رو نشون میده. طراحی درست، چیزی فراتر از نوشتن کد خوبه؛ باید بدونیم چطور اجزای سیستم رو کنار هم بچینیم، از ابزارهای موجود استفاده کنیم و معماری‌ای بسازیم که در برابر خطاها مقاوم باشه و بتونه بدون افت کارایی به راحتی گسترش پیدا کنه.
لیست اصول طراحی که قراره در این سری مقالات بررسی کنیم:
Design for Self-Healing (طراحی برای خودترمیمی)
Make Everything Redundant (ایجاد افزونگی در همه چیز)
Minimize Coordination (به حداقل رسوندن هماهنگی بین کامپوننت‌ها)
Design to Scale Out (طراحی برای مقیاس‌پذیری افقی)
Partition Around Limits (پارتیشن‌بندی براساس محدودیت‌ها)
Design for Operations (طراحی برای عملیات و نگهداری)
Design for Evolution (طراحی برای تکامل‌پذیری)
Build for Business Needs (طراحی بر اساس نیازهای کسب‌وکار)
توی این مقاله می‌خوایم دو تا از مهم‌ترین اصول اولیه رو بررسی کنیم:
طراحی برای Self-Healing: اینکه سیستم بتونه در مواجهه با خطاها و مشکلات، به شکل خودکار ریکاوری کنه و نیاز به دخالت انسانی رو به حداقل برسونه.
ایجاد افزونگی در همه چیز: اگه می‌خوای یک سیستم واقعاً پایدار و قابل اعتماد داشته باشی، باید برای هر بخشی از سیستم یه نسخه پشتیبان یا جایگزین داشته باشی. اینجوری وقتی یکی از اجزا دچار مشکل میشه، بقیه سیستم همچنان به کار خودش ادامه میده.
هدف اینه که با بررسی این اصول، متوجه بشیم چطور می‌تونیم طراحی‌ای داشته باشیم که نه تنها با خطاها به خوبی کنار بیاد، بلکه حتی در مواجهه با فشارهای بالا و تغییرات ناگهانی هم بدون مشکل به کار خودش ادامه بده.
توی این مقاله می‌خوایم وارد جزییات بشیم و بهت نشون بدیم چطور با رعایت این دو اصل، می‌تونی بنیان یه سیستم پایدار و مقاوم رو بذاری که حتی توی شرایط بحرانی هم عملکرد خوبی داشته باشه. پس با من همراه باش تا این دو کانسپت رو به زبون ساده و با مثال‌های واقعی بررسی کنیم!
وقتی داری یک اپلیکیشن رو طراحی می‌کنی، یکی از نکات مهم اینه که بتونه در مواجهه با خطاها، خودش به طور خودکار بازیابی بشه (Self-Healing). توی سیستم‌های توزیع‌شده، خطاها اجتناب‌ناپذیرن و باید همیشه انتظارشون رو داشته باشی. ممکنه سخت‌افزار خراب بشه، شبکه دچار قطعی موقت بشه، یا ارتباطات بین سرویس‌ها به مشکل بخوره. حتی اگه این اتفاق‌ها کم پیش بیان، نباید فقط به خطاهای کوچک محدود فکر کنی؛ باید سیستم رو طوری طراحی کنی که در مواجهه با سناریوهای بحرانی مثل خرابی کل یک دیتاسنتر هم مقاوم باشه.
اصول طراحی برای Self-Healing
برای طراحی سیستمی که خودش بتونه از پس مشکلات بر بیاد، باید این سه مرحله رو در نظر بگیری:
تشخیص خطاها: سیستم باید بتونه خیلی سریع و دقیق متوجه بشه که چه خطایی و کجا رخ داده.
واکنش مناسب به خطاها: وقتی خطا اتفاق می‌افته، سیستم باید بتونه بدون اختلال زیاد، به شکل مناسبی واکنش نشون بده و سرویس‌دهی رو ادامه بده.
ثبت و مانیتورینگ خطاها: برای اینکه تیم عملیات بتونه مشکلات رو ریشه‌یابی کنه و کیفیت سیستم رو بالا ببره، باید لاگ‌ها و گزارش‌های دقیق از خطاها داشته باشه.
انتخاب نحوه واکنش به خطا
نحوه واکنش به هر نوع خطا، بستگی به نیازمندی‌های دسترسی‌پذیری (Availability) اپلیکیشنت داره. مثلاً اگه به دسترسی‌پذیری بالا نیاز داری، می‌تونی از چندین Availability Zone استفاده کنی یا برای سناریوهای بحرانی، سوییچ اتوماتیک به Region پشتیبان (Fail-over) داشته باشی. این کار از قطع شدن سرویس در بدترین شرایط هم جلوگیری می‌کنه، ولی به هزینه و پیچیدگی سیستم اضافه می‌کنه.
اما تمرکزت نباید فقط روی رویدادهای بزرگ باشه. خطاهای کوتاه‌مدت و محلی مثل از دست رفتن موقتی شبکه یا قطع شدن ارتباط با دیتابیس هم می‌تونه تأثیر زیادی روی تجربه کاربر داشته باشه. طراحی درست به این معنیه که برای این نوع خطاها هم راه‌حل‌هایی پیش‌بینی کنی.
توصیه‌ها برای طراحی سیستم‌های مقاوم و خودترمیم (Self-Healing):
استفاده از کامپوننت‌های مستقل و ارتباطات غیرهمزمان (Asynchronous): کامپوننت‌ها رو طوری طراحی کن که به صورت مستقل کار کنن و برای ارتباط، به جای درخواست مستقیم، از الگوهای رویدادمحور (Event-Driven) استفاده کنن. اینجوری اگه یک کامپوننت به مشکل بخوره، بقیه سیستم مختل نمیشه و از خطاهای زنجیره‌ای جلوگیری میشه.
پیاده‌سازی منطق Retry برای مدیریت خطاهای موقت (Transient Failures): خطاهای موقتی مثل از دست دادن ارتباط شبکه، قطع شدن دیتابیس، یا مشغول بودن سرویس‌ها همیشه اتفاق می‌افتن. پس منطق Retry رو توی کدت پیاده‌سازی کن تا این خطاها رو مدیریت کنه.
استفاده از پترن‌هایی مثل Circuit Breaker برای جلوگیری از تکرار خطاهای مداوم: اگه یک سرویس در طولانی‌مدت مشکل داشته باشه، تکرار درخواست‌ها می‌تونه به خطاهای زنجیره‌ای منجر بشه. الگویی مثل Circuit Breaker به سیستم میگه تا وقتی احتمال موفقیت کمه، دیگه به اون سرویس درخواست نفرسته و سریعاً خطا رو گزارش بده.
ایزوله کردن منابع حیاتی با پترن Bulkhead: بعضی وقت‌ها خطا توی یک بخش از سیستم می‌تونه باعث بشه منابعی مثل Threadها و Socketها بیش از حد مصرف بشه و سیستم دچار اختلال بشه. پترن Bulkhead این منابع رو جدا می‌کنه تا خطا توی یک بخش، بقیه سیستم رو تحت تأثیر قرار نده.
استفاده از Load Leveling برای کنترل نوسانات بار: نوسانات ترافیک می‌تونن به بک‌اند فشار بیارن، از الگوی Queue-Based Load Leveling استفاده کن تا درخواست‌ها رو در صف نگه داری و به شکل یکنواخت‌تر پردازش کنی.
پیاده‌سازی Fail-over: اگه یک Instance از دسترس خارج شد، به صورت خودکار به یک Instance دیگه سوییچ کن. برای سرویس‌های Stateless مثل وب‌سرورها، می‌تونی از Load Balancer استفاده کنی. برای سرویس‌هایی که داده رو ذخیره می‌کنن (Stateful)، از Replicaها و Fail-over استفاده کن.
جبران خطاهای تراکنشی با Compensating Transactions: به جای تراکنش‌های توزیع‌شده که هماهنگی بالایی نیاز دارن، از چندین تراکنش کوچک‌تر استفاده کن. اگه تراکنش در وسط راه شکست خورد، با تراکنش جبرانی (Compensation) مراحل قبلی رو برگردون(یا به زبان دیگه، rollback صورت بگیره).
استفاده از Checkpoint برای تراکنش‌های طولانی‌مدت: تراکنش‌های طولانی‌مدت ممکنه در وسط کار متوقف بشن. با استفاده از Checkpointها، وضعیت (State) عملیات رو ذخیره کن تا اگه سیستم متوقف شد، از همون نقطه ادامه بده.
ارائه‌ی نسخه ساده‌تر و کاربردی (Graceful Degradation): اگه نتونی همه‌ی قابلیت‌ها رو ارائه بدی، یه نسخه ساده‌تر ولی کاربردی رو ارائه بده. مثلاً اگه تصاویر محصولات لود نشدن، از تصویر پیش‌فرض استفاده کن.
استفاده از Throttling: اگه یه کلاینت بار زیادی روی سیستم ایجاد کرد، برای مدت کوتاهی درخواست‌هاش رو محدود کن.
استفاده از الگوی Leader Election برای هماهنگی وظایف: اگه نیاز به هماهنگی مرکزی داری، از Leader Election استفاده کن تا نقش هماهنگ‌کننده به یک سرویس داده بشه و در صورت از کار افتادن، سرویس دیگه‌ای جاش رو بگیره.
تست با Fault Injection و Chaos Engineering: از Fault Injection و Chaos Engineering استفاده کن تا پایداری سیستم رو در شرایط بحرانی واقعی یا شبیه‌سازی شده بسنجی.
استفاده از Availability Zones برای دسترسی‌پذیری بالا: با توزیع منابع توی Availability Zoneهای مختلف، سیستم رو در برابر خرابی‌های منطقه‌ای مقاوم کن و دسترسی‌پذیری رو به حداکثر برسون.
با استفاده از این الگوها، سیستم تو مقاوم‌تر، انعطاف‌پذیرتر و خودترمیم (Self-Healing)تر میشه و در صورت بروز هر خطا، بدون نیاز به دخالت زیاد، خودش به حالت پایدار برمی‌گرده.
یکی دیگر از اصول اساسی در طراحی سیستم‌های مقاوم و پایدار، افزایش افزونگی (Redundancy) در تمام بخش‌های اپلیکیشن است. به عبارت ساده، ایجاد افزونگی به این معنیه که هیچ قسمتی از سیستم نباید به تنهایی نقطه ضعف بحرانی باشه که با خرابی اون، کل سیستم دچار اختلال بشه. داشتن افزونگی در همه بخش‌ها باعث میشه حتی اگه یکی از اجزای سیستم از کار بیفته، بقیه اجزا بتونن به کار خودشون ادامه بدن و سیستم به شکل خودکار مسیر خودش رو به سمت منابع سالم هدایت کنه.
چرا افزونگی مهمه؟
افزونگی در واقع یه لایه حفاظتی به سیستم اضافه می‌کنه تا در مواجهه با هرگونه خرابی، سیستم همچنان پایدار بمونه و به کار خودش ادامه بده. به این ترتیب، اپلیکیشن تو فقط در صورتی از کار میفته که تمامی اجزای جایگزین همزمان دچار مشکل بشن که احتمال وقوع چنین اتفاقی خیلی کمتره. این لایه حفاظتی می‌تونه در هر جایی از سیستم باشه: از لایه سخت‌افزار و شبکه گرفته تا سرویس‌ها و پایگاه‌های داده.
اما نکته‌ای که نباید ازش غافل بشی اینه که میزان Redundancyای که در معماری سیستم پیاده می‌کنی، مستقیماً روی هزینه، پیچیدگی و عملکرد سیستم اثر می‌ذاره. پس همیشه باید بدونی چه جاهایی واقعاً به افزونگی نیاز داره و کجاها میشه با یه راه‌حل ساده‌تر به نتیجه رسید.
نکات کلیدی در طراحی افزونگی
برای داشتن یه معماری مقاوم و Redundant، بهتره این اصول رو در نظر بگیری:
شناسایی مسیرهای بحرانی: قبل از هر چیزی، باید مسیرهای حیاتی (Critical Paths) رو توی اپلیکیشن شناسایی کنی. یعنی بررسی کنی که کدوم بخش‌ها برای کارکرد صحیح سیستم ضروری هستن. بعد از شناسایی، باید افزونگی رو به این بخش‌ها اضافه کنی. این افزونگی می‌تونه شامل نسخه‌های پشتیبان، سرویس‌های جایگزین، یا حتی فرآیندهای موازی باشه که به محض بروز خطا فعال میشن.
انتخاب سطح افزونگی بر اساس نیازمندی‌ها: مقدار افزونگی باید براساس نیازهای کسب‌وکار، میزان تحمل خرابی (Fault Tolerance) و اهداف بازیابی (مثل RTO و RPO) مشخص بشه. مثلاً اگه برای کسب‌وکار، از دست دادن چند دقیقه سرویس مشکلی نداره، می‌تونی از افزونگی کمتر و ساده‌تر استفاده کنی. اما اگه نیاز به دسترسی‌پذیری بالا (High Availability) داری و حتی چند ثانیه قطعی می‌تونه مشکل‌ساز بشه، باید سیستم رو با افزونگی بالاتر و با چندین سطح محافظتی طراحی کنی.
استفاده از چندین نسخه از منابع: یکی از پایه‌های افزونگی اینه که از چندین نسخه از یک منبع استفاده کنی. به عنوان مثال به جای استفاده از یک سرور، چند سرور رو پشت یه Load Balancer قرار بده تا اگه یکی از اون‌ها از دسترس خارج شد، بقیه همچنان درخواست‌ها رو پاسخ بدن و یا داده‌ها رو در چندین پایگاه داده ذخیره کن تا اگه یکی دچار مشکل شد، به راحتی به پایگاه داده دیگه‌ای سوییچ کنی.
تقسیم منابع (Partitioning): تقسیم منابع نه تنها به مقیاس‌پذیری کمک می‌کنه، بلکه به افزایش دسترسی‌پذیری هم کمک زیادی می‌کنه. به این صورت که سیستم رو به بخش‌های کوچک‌تر (Partitions یا Shards) تقسیم می‌کنی. اگه یکی از این بخش‌ها دچار خطا بشه، بقیه بخش‌ها همچنان قابل دسترس خواهند بود و فقط بخش کوچکی از کل سیستم تحت تأثیر قرار می‌گیره. مثلاً اگه یه پایگاه داده بزرگ داری، می‌تونی اون رو به چندین بخش کوچک‌تر تقسیم کنی تا اگه یکی از بخش‌ها دچار مشکل شد، بقیه همچنان به کار خودشون ادامه بدن.
پیاده‌سازی Fail-over: یکی از راهکارهای کلیدی برای افزونگی، پیاده‌سازی مکانیزم Fail-over هست. این یعنی اگه یکی از منابع در دسترس نباشه، سیستم به طور خودکار به یک منبع جایگزین سوییچ کنه. این کار رو می‌تونی برای هر نوع منبعی پیاده‌سازی کنی.
حفظ سازگاری داده‌ها (Data Consistency): وقتی از افزونگی در لایه پایگاه داده استفاده می‌کنی، همیشه یه چالش به اسم سازگاری داده‌ها داری. وقتی داده‌ها بین چندین پایگاه داده یا کپی میشن، باید مکانیزمی داشته باشی که همزمانی و هماهنگی بین این داده‌ها رو تضمین کنه. اینجوری اگه به پایگاه داده دیگه‌ای سوئیچ کنی، مطمئنی که داده‌ها درست و به‌روز هستن.
برنامه‌ریزی برای بازیابی (Recovery Planning): یه برنامه دقیق برای بازیابی داشته باش. این برنامه باید شامل چک‌لیست‌ها و پروتکل‌هایی باشه که نشون بده چه زمانی باید Fail-over انجام بشه و چطور سیستم رو به حالت نرمال برگردونی (Failback). همینطور باید مانیتورینگ و بررسی سلامت سیستم داشته باشی تا مطمئن شی همه چیز درست کار می‌کنه.
ایجاد افزونگی در مسیریابی (Routing Redundancy): مسیریابی به همون اندازه که منابع فیزیکی اهمیت دارن، نقش مهمی در طراحی افزونگی داره. مسیرهای روتینگ باید همیشه یه مسیر جایگزین داشته باشن که در صورت خرابی مسیر اصلی، همچنان ترافیک به مقصد برسه.
مدیریت افزونگی در برابر هزینه‌ها و پیچیدگی
طراحی یه سیستم با افزونگی بالا همیشه به معنی پیاده‌سازی راه‌حل‌های پیچیده و پرهزینه نیست. هنر طراحی معماری اینه که بتونی بهترین تعادل رو بین هزینه، پیچیدگی و دسترسی‌پذیری برقرار کنی. برای بیشتر کاربردها، یه سطح مناسب از افزونگی می‌تونه بهت یه سیستم پایدار و قابل اطمینان بده بدون اینکه هزینه‌ها به شدت افزایش پیدا کنه. اما اگه نیازمندی‌های کسب‌وکار و سرویس‌دهی بحرانی دارن، می‌تونی با پیاده‌سازی راه‌حل‌های پیچیده‌تر مثل معماری‌های چند-منطقه‌ای (Multi-Region) به سطح بالاتری از پایداری و قابلیت اطمینان دست پیدا کنی.
با رعایت این اصول، می‌تونی سیستمی طراحی کنی که نه تنها در برابر خرابی‌ها مقاومه، بلکه در مواجهه با بدترین سناریوها هم به کار خودش ادامه بده و کاربران بدون هیچ اختلالی به استفاده از خدماتت ادامه بدن.
