📐 20+ Essential Architecture Patterns for Scalable Systems
Lê Lân1
📐 20+ Mẫu Kiến Trúc Quan Trọng Cho Hệ Thống Có Khả Năng Mở Rộng
Mở Đầu
Trong thiết kế hệ thống hiện đại, không có một giải pháp kiến trúc nào phù hợp với tất cả mọi trường hợp. Việc lựa chọn mẫu kiến trúc và cách triển khai phù hợp là yếu tố then chốt để xây dựng được hệ thống có khả năng mở rộng, độ bền cao và dễ bảo trì.
Bài viết này sẽ cùng bạn khám phá hơn 20 mẫu kiến trúc phổ biến, bao gồm các mẫu cấu trúc, hành vi và DevOps. Mỗi mẫu sẽ được phân tích chi tiết về cách hoạt động, ưu nhược điểm và ví dụ thực tiễn để bạn có thể áp dụng phù hợp vào dự án của mình.
Kiến trúc phần mềm không chỉ là kỹ thuật mà còn là nghệ thuật của sự cân bằng giữa hiệu quả, độ phức tạp và khả năng vận hành.
1. Sidecar Pattern
Tổng quan
Mô hình Sidecar là một tiến trình hỗ trợ chạy song song với dịch vụ chính, thường cùng pod hoặc máy ảo. Nhiệm vụ chính bao gồm logging, proxy, cập nhật cấu hình.
Khi nào sử dụng
- Cần phân tách các mối quan tâm ngang hàng như TLS, logging ra khỏi logic nghiệp vụ.
Ưu điểm
- Ngôn ngữ độc lập, dễ tích hợp.
- Thiết kế mô-đun hóa, tăng khả năng quan sát.
Nhược điểm
- Tăng chi phí tài nguyên.
- Phức tạp trong quản lý và phối hợp triển khai.
Ví dụ thực tế
- Envoy proxy sidecar trong hệ thống Istio service mesh.
2. Saga Pattern
Tổng quan
Saga chia các giao dịch phân tán lớn thành các giao dịch cục bộ nhỏ, kèm theo logic bù trừ để rollback khi cần.
Khi nào sử dụng
- Quy trình dài, nhiều bước trên nhiều dịch vụ khác nhau.
Ưu điểm
- Đảm bảo tính nhất quán cuối cùng.
- Giảm sự phụ thuộc giữa các dịch vụ.
Nhược điểm
- Logic bù trừ phức tạp.
- Khó khăn trong gỡ lỗi.
Ví dụ thực tế
- Quy trình đặt hàng: Order → Inventory → Payment → Hủy nếu thất bại.
3. Outbox Pattern
Tổng quan
Sự kiện được ghi vào bảng outbox trong cùng một giao dịch với dữ liệu nghiệp vụ, sau đó phát ra bất đồng bộ.
Khi nào sử dụng
- Cần đảm bảo chắc chắn sự kiện đồng bộ với dữ liệu trong DB.
Ưu điểm
- Tránh mất sự kiện.
- Đảm bảo nhất quán mạnh mẽ.
Nhược điểm
- Cần cơ chế polling hoặc CDC (Change Data Capture).
- Độ trễ trong việc phát sự kiện.
Ví dụ thực tế
- Lưu đơn hàng → ghi sự kiện → phát lên Kafka.
4. CQRS (Command Query Responsibility Segregation)
Tổng quan
Tách biệt mô hình ghi (command) và đọc (query) để tăng hiệu năng và quản lý phức tạp.
Khi nào sử dụng
- Ứng dụng có yêu cầu đọc/ghi phức tạp hoặc audit nghiêm ngặt.
Ưu điểm
- Tối ưu hiệu suất.
- Linh hoạt trong mở rộng mô hình đọc.
Nhược điểm
- Tăng độ phức tạp.
- Khó khăn trong đồng bộ sự kiện.
Ví dụ thực tế
- Ghi dữ liệu bằng PostgreSQL, đọc bằng Redis hoặc Mongo chuyên biệt.
5. Scatter-Gather
Tổng quan
Gửi yêu cầu song song đến nhiều nguồn, thu thập và tổng hợp kết quả.
Khi nào sử dụng
- Cần dữ liệu từ nhiều hệ thống cùng lúc.
Ưu điểm
- Hiệu năng cao.
- Tổng hợp dữ liệu thời gian thực.
Nhược điểm
- Quản lý timeout phức tạp.
- Xử lý lỗi không đồng nhất.
Ví dụ thực tế
- Tìm kiếm chuyến bay: truy vấn song song 5 hãng hàng không.
6. Choreography Pattern
Tổng quan
Dịch vụ tương tác thông qua sự kiện mà không có bộ điều phối trung tâm.
Khi nào sử dụng
- Muốn giảm sự phụ thuộc và tăng tính tự chủ cho microservices.
Ưu điểm
- Linh hoạt, mở rộng dễ dàng.
- Không có điểm nghẽn trung tâm.
Nhược điểm
- Khó theo dõi luồng xử lý.
- Dễ mất kiểm soát event flow.
Ví dụ thực tế
- Sự kiện UserSignedUp kích hoạt EmailService và CRMService.
7. Orchestrator Pattern
Tổng quan
Một thành phần trung tâm điều phối quy trình gọi các dịch vụ lần lượt.
Khi nào sử dụng
- Cần theo dõi, kiểm soát quy trình chặt chẽ.
Ưu điểm
- Dễ trace, xử lý lỗi rõ ràng.
- Quản lý luồng công việc minh bạch.
Nhược điểm
- Điểm lỗi duy nhất.
- Tăng sự phụ thuộc, giảm tính linh hoạt.
Ví dụ thực tế
- OrderService gọi tuần tự Inventory → Billing → Notifications.
8. Pipes and Filters
Tổng quan
Dữ liệu đi qua một pipeline, mỗi filter biến đổi một phần dữ liệu.
Khi nào sử dụng
- Xử lý ETL, hình ảnh, âm thanh hoặc luồng dữ liệu.
Ưu điểm
- Thiết kế mô-đun, dễ test.
Nhược điểm
- Tích tụ độ trễ.
- Khó gỡ lỗi ở các filter.
Ví dụ thực tế
- ETL: Trích xuất → Làm sạch → Chuẩn hóa → Lưu trữ.
9. Event Sourcing
Tổng quan
Lưu trữ toàn bộ sự kiện thay vì trạng thái hiện tại, trạng thái được tái tạo bằng cách replay sự kiện.
Khi nào sử dụng
- Cần lịch sử audit đầy đủ hoặc cơ chế rollback mạnh mẽ.
Ưu điểm
- Toàn bộ lịch sử dễ truy vết.
- Cho phép undo/redo, truy vấn theo thời gian.
Nhược điểm
- Khó truy vấn trực tiếp.
- Quản lý version event phức tạp.
Ví dụ thực tế
- Số dư tài khoản được xây dựng lại từ các sự kiện Gửi tiền, Rút tiền.
10. Ambassador Pattern
Tổng quan
Sidecar proxy xử lý giao tiếp ra vào, xác thực, TLS cho dịch vụ chính.
Khi nào sử dụng
- Đảm bảo giao tiếp dịch vụ nhất quán và quan sát được.
Ưu điểm
- Tách biệt ứng dụng với lớp hạ tầng mạng.
- Tăng khả năng chịu lỗi.
Nhược điểm
- Tăng hops mạng, chi phí tài nguyên.
Ví dụ thực tế
- Envoy sidecar xử lý request outbound, với retry.
11. Backend for Frontend (BFF)
Tổng quan
Mỗi client (mobile/web) có backend riêng, tối ưu theo nhu cầu riêng biệt.
Khi nào sử dụng
- Khi client đa dạng cần format, aggregate khác nhau.
Ưu điểm
- Frontend nhẹ hơn, nhanh hơn.
- Tránh overfetching dữ liệu.
Nhược điểm
- Tăng số lượng backend phải duy trì.
Ví dụ thực tế
- Mobile BFF gom dữ liệu user, giỏ hàng, sản phẩm.
12. Circuit Breaker
Tổng quan
Khi dịch vụ ngoài xảy ra quá nhiều lỗi, tạm ngưng các cuộc gọi đến để bảo vệ hệ thống.
Khi nào sử dụng
- Quản lý dịch vụ bên ngoài không ổn định.
Ưu điểm
- Ngăn ngừa lỗi dây chuyền.
- Bảo vệ tài nguyên.
Nhược điểm
- Tăng độ phức tạp cấu hình.
Ví dụ thực tế
- Sử dụng thư viện opossum hoặc resilience4j để bọc các cuộc gọi.
13. Rolling Deployment
Tổng quan
Thay thế dần các phiên bản cũ bằng phiên bản mới mà không gây downtime.
Khi nào sử dụng
- Cập nhật sản phẩm trên môi trường production với rủi ro thấp.
Ưu điểm
- Không dừng dịch vụ.
Nhược điểm
- Rollback có thể chậm hoặc không đồng bộ.
Ví dụ thực tế
- Triển khai rolling update trên Kubernetes.
14. Blue-Green Deployment
Tổng quan
Triển khai trên môi trường staging (green), kiểm thử rồi chuyển traffic từ môi trường hiện tại (blue).
Khi nào sử dụng
- Cần rollback nhanh, an toàn.
Ưu điểm
- Khôi phục nhanh, chuyển đổi dễ dàng.
Nhược điểm
- Cần tới hạ tầng gấp đôi.
Ví dụ thực tế
- Thay đổi load balancer chuyển traffic sang môi trường green sau kiểm thử.
15. Canary Release
Tổng quan
Triển khai bản mới cho một phần nhỏ người dùng trước khi mở rộng.
Khi nào sử dụng
- Kiểm thử thay đổi trên môi trường production giảm thiểu rủi ro.
Ưu điểm
- Nhận phản hồi người dùng thực tế.
- An toàn khi phát hành.
Nhược điểm
- Quản lý traffic và giám sát phức tạp.
Ví dụ thực tế
- Triển khai 5% lưu lượng, quan sát rồi mở rộng.
16. Chaos Engineering
Tổng quan
Chủ động gây ra sự cố để kiểm tra khả năng chịu lỗi của hệ thống.
Khi nào sử dụng
- Muốn đánh giá và cải thiện độ bền hệ thống.
Ưu điểm
- Phát hiện rủi ro tiềm ẩn.
- Nâng cao khả năng phục hồi.
Nhược điểm
- Rủi ro cao nếu không có biện pháp kiểm soát.
Ví dụ thực tế
- Netflix Chaos Monkey tự nhiên tắt instance.
17. Retry Pattern
Tổng quan
Thử lại các lần gọi thất bại tạm thời, thường kèm theo mức tăng khoảng cách thời gian (exponential backoff).
Khi nào sử dụng
- Dịch vụ không ổn định, dễ lỗi tạm thời.
Ưu điểm
- Xử lý lỗi tạm thời hiệu quả.
Nhược điểm
- Có thể gây quá tải nếu retry không kiểm soát.
Ví dụ thực tế
- Thử gọi API thanh toán 3 lần với tăng dần delay.
18. Dead Letter Queue (DLQ)
Tổng quan
Các message không xử lý được sẽ được gửi vào DLQ để phân tích hoặc tái xử lý sau.
Khi nào sử dụng
- Không thể để mất dữ liệu message.
Ưu điểm
- Đảm bảo khả năng phục hồi.
Nhược điểm
- Cần giám sát và cơ chế làm sạch DLQ.
Ví dụ thực tế
- Kafka hoặc RabbitMQ gửi message lỗi sang DLQ.
19. Throttling
Tổng quan
Kiểm soát tốc độ xử lý request của mỗi người dùng hoặc client để tránh quá tải.
Khi nào sử dụng
- Ngăn chặn quá tải hệ thống hoặc tấn công DoS.
Ưu điểm
- Giữ ổn định hệ thống.
Nhược điểm
- Có thể gây ức chế trải nghiệm người dùng.
Ví dụ thực tế
- Giới hạn 5 request/giây/IP.
20. Rate Limiting
Tổng quan
Giới hạn tổng số request của client trong một khoảng thời gian nhất định.
Khi nào sử dụng
- Phòng chống DDoS hoặc dùng công bằng tài nguyên.
Ưu điểm
- Ngăn abuse, bảo vệ performance.
Nhược điểm
- Khách hàng hợp lệ bị block nếu vượt quota.
Ví dụ thực tế
- Giới hạn 1000 request/giờ cho mỗi API key.
Bảng So Sánh Một Số Mẫu Kiến Trúc
Mẫu Kiến Trúc | Loại | Ưu Điểm | Nhược Điểm |
|---|---|---|---|
Sidecar | Hạ tầng | Mô-đun, ngôn ngữ độc lập | Chi phí tài nguyên, phức tạp |
Saga | Quản lý giao dịch | Đảm bảo nhất quán, tách rời | Rollback phức tạp, gỡ lỗi khó |
Outbox | Tin nhắn đáng tin cậy | Tránh mất sự kiện | Cần polling hoặc CDC |
CQRS | Data Modeling | Tốt cho đọc/ghi phức tạp | Phức tạp, đồng bộ sự kiện khó |
Scatter-Gather | Tổng hợp dữ liệu | Song song, nhanh | Timeout, lỗi không đồng nhất |
Choreography | Điều phối workflow | Linh hoạt, không điểm nghẽn | Khó trace theo dõi |
Orchestrator | Điều phối workflow | Quản lý trung tâm, dễ theo dõi | Điểm lỗi đơn, tăng coupling |
Pipes and Filters | Xử lý dữ liệu | Mô-đun, dễ test | Độ trễ, khó gỡ lỗi |
Event Sourcing | Quản lý trạng thái | Audit toàn vẹn | Khó query, event versioning |
Ambassador | Proxy mạng | Tách app và mạng, tăng resilience | Tăng hops mạng |
BFF | API composition | UX nhanh, tránh overfetching | Nhiều backend quản lý |
Circuit Breaker | Độ bền, kháng lỗi | Ngăn lỗi dây chuyền | Cấu hình phức tạp |
Kết Luận
Việc lựa chọn mẫu kiến trúc phù hợp là sự cân bằng giữa nhiều yếu tố như mức độ phức tạp, khả năng mở rộng, độ bền và bảo trì. Không có mô hình "chuẩn" áp dụng cho mọi hệ thống, mà tùy theo mục tiêu, quy mô và tổ chức phát triển mà bạn sẽ chọn lựa chiến lược phù hợp nhất.
Hiểu rõ ưu nhược điểm từng mẫu giúp bạn đưa ra quyết định chính xác, tránh rơi vào bẫy phức tạp không cần thiết. Luôn cân nhắc kỹ càng trước khi áp dụng kiến trúc vào dự án thực tế.
Có thể bạn muốn bắt đầu thử áp dụng ngay các mẫu đơn giản như Retry Pattern hay Circuit Breaker để nâng cao độ ổn định hệ thống một cách nhanh chóng.
Tham Khảo
- Richardson, C. (2018). Microservices Patterns. Manning Publications.
- Bass, L., Clements, P., & Kazman, R. (2012). Software Architecture in Practice. Addison-Wesley.
- Fowler, M. (2019). Patterns of Enterprise Application Architecture. MartinFowler.com.
- Nginx Blog. (2023). Understanding Backend for Frontend (BFF) Pattern .
- Istio Documentation - Sidecar Proxy.
- Netflix Tech Blog. (2016). Chaos Engineering Explained.
- Resilience4j Official Site. (2024). Circuit Breaker .
June 20, 2024
1
100%
Loading...