Verteilte Systeme sind ein zentrales Thema in der modernen Softwareentwicklung, insbesondere wenn es um Skalierbarkeit, Ausfallsicherheit und Datenkonsistenz geht. Das traditionelle Paradigma zur Koordination und Replikation innerhalb dieser Systeme basiert häufig auf Konsensalgorithmen wie Raft oder Paxos. Doch diese Mechanismen sind oftmals komplex, ressourcenintensiv und nur schwer anpassbar für gewisse Anwendungsfälle. Genau hier setzt FlowG an und verfolgt einen radikal anderen Ansatz, indem es auf das bekannte Raft-Protokoll verzichtet und stattdessen auf das Gossip-basierte SWIM-Protokoll kombiniert mit der innovativen Speicherlösung BadgerDB setzt. In diesem Rahmen entsteht die Möglichkeit, verteilte Systeme auf einfachere und dennoch robuste Weise zu realisieren, die insbesondere für Log-Verarbeitung und Konfigurationsmanagement geeignet sind.
FlowG ist eine Free und Open-Source Low-Code-Lösung zur Log-Verarbeitung, die eine neue Perspektive auf verteilte Systeme bietet. In der Version v0.37.0 wurde erstmalig eine experimentelle Replikationsfunktion eingeführt, die es ermöglicht, dass FlowG auf mehreren Servern als eine einzige „semantische“ Instanz läuft. Diese Replikation ist nicht einfach nur ein technisches Feature, sondern stellt einen Paradigmenwechsel dar, indem sie aus den Stärken des SWIM-Protokolls und der Funktionsweise von BadgerDB schöpft.
Das SWIM-Protokoll (Scalable Weakly-consistent Infection-style Process Group Membership) wird von FlowG genutzt, um Knoten im Cluster effizient zu entdecken und deren Status untereinander auszutauschen. Besonders bemerkenswert ist dabei die Entscheidung, das SWIM-Protokoll nicht klassisch über TCP/UDP umzusetzen, sondern stattdessen eine HTTP-basierte Kommunikation zu verwenden. Diese technische Wahl bringt entscheidende Vorteile mit sich: Die Integration von TLS für verschlüsselte Verbindungen und Authentifizierung wird erleichtert, die Verwendung von Reverse Proxies wird vereinfacht und die Aussicht auf zukünftige HTTP/3-Unterstützung sorgt für Potenzial in Sachen Performance. Dank der Verwendung von HTTP ist FlowG damit bestens gerüstet, um in unterschiedlichen Netzwerkumgebungen flexibel zu agieren. Das Kernelement der Replikation in FlowG baut auf der einzigartigen Verbindung des SWIM-basierten Node-Discovery mit der inkrementellen Backup-Funktion von BadgerDB auf.
BadgerDB ist eine moderne Key-Value-Datenbank, die auf einem Log Structured Merge Tree (LSM) basiert und eine native Unterstützung für Transaktionen sowie Versionsmanagement bietet. Jedes Schlüssel-Wert-Paar in BadgerDB verfügt über eine Versionsnummer, die bei Änderungen automatisch erhöht wird. Diese Eigenschaft macht es möglich, inkrementelle Backups zu erstellen, bei denen nur Daten ab einer bestimmten Version gesichert werden. Durch diese clevere Ausgestaltung entfällt die Notwendigkeit einer separaten Operation-Log-Struktur, die in vielen verteilten Systemen für die Nachverfolgung von Änderungen verwendet wird. FlowG nutzt diese Fähigkeit von BadgerDB zu seinem Vorteil und implementiert die Replikation so, dass während des regelmäßigen Synchronisationsprozesses, der über das SWIM-Protokoll initiiert wird, die Daten inkrementell zwischen den Nodes ausgetauscht werden.
Der Austausch basiert auf einem sogenannten Node-State, der die jeweils zuletzt empfangenen Datenversionen anderer Knoten umfasst. Zum Beispiel enthält der Node-State von „flowg-0“ Informationen darüber, wie aktuell die Datenstände von „flowg-1“ und „flowg-2“ in den Kategorien Authentifizierung, Konfiguration und Logs sind. Diese differenzierte Betrachtung ermöglicht es, genau die Updates zu übertragen, die ein Knoten benötigt, ohne redundante Daten zu senden. Die technische Umsetzung des datenintensiven Synchronisationsprozesses erfolgt über HTTP-POST-Anfragen zu speziell eingerichteten Endpunkten auf den jeweiligen Managementinterfaces der Knoten. Dabei wird parallel für jede Datenkategorie eine eigene Request-Kurve aufgesetzt, die mithilfe der Backup-Funktion von BadgerDB die zu synchronisierenden Daten in den HTTP-Request-Body streamt.
Ein besonders bemerkenswertes Detail ist die Nutzung des HTTP/1.1-Trailer-Headers, eines selten verwendeten Features, das es erlaubt, zusätzliche Header nach dem Body der Nachricht zu senden. Dieses Detail ermöglicht es FlowG, die jeweils neueste Version nach Abschluss der Datenübertragung mitzuteilen – ein Kniff, der das Versionsmanagement und das Update-Monitoring im Synchronisationsprozess elegant löst. Der Empfangsprozess auf der Gegenseite liest den übermittelten Datenstrom aus, lädt ihn in die lokale BadgerDB-Instanz und aktualisiert anschließend die Information zum letzten erfolgreichen Synchronisationsstand. Somit entsteht eine nahtlose und inkrementelle Replikation über mehrere Nodes hinweg, die auf dem verteilten Consensus-Protokoll SWIM und dem effizienten Speicher-Backend basiert.
Diese Herangehensweise grenzt sich deutlich von typischen Raft-basierten Systemen ab, die komplexe Leader-Wahl und Log-Replikation verwenden. FlowG demonstriert damit, dass es möglich ist, komplexe verteilte Systeme flexibler, intuitiver und mit einer schlankeren Infrastruktur zu bauen. Dadurch eignet sich dieses Modell insbesondere für Anwendungen wie Logmanagement und Konfigurations-Verteilung, bei denen es weniger auf strikten Konsens und stark sequenzielle Operationen ankommt, sondern mehr auf Skalierbarkeit, Ausfallsicherheit und eventual consistency. Natürlich steht diese Implementierung noch am Anfang und ist bisher als hoch experimentell einzustufen. Wichtige Herausforderungen wie das Verhalten bei Netzwerkausfällen, Knotenfehlern oder Partitionierungen müssen noch eingehend geprüft und optimiert werden.
Dennoch zeigt FlowG mit der Vorstellung seiner Architektur, wie alternative Replikationsstrategien in verteilten Systemen aussehen können, die sich von den bisherigen, oft ressourcenintensiven und schwergewichtigen Algorithmen lösen. Ein weiterer spannender Aspekt sind die drei unterschiedlichen Datenspeicherarten innerhalb von FlowG: Authentifizierungsdaten, Konfigurationen und Logs. Authentifizierungs- und Konfigurationsdaten unterliegen eher seltenen Änderungen und folgen einem „last write wins“-Prinzip, während der Log-Storage hauptsächlich append-only ist, was das Speichermodell stark vereinfacht. Diese Einteilung erlaubt FlowG, unterschiedliche Replikations- und Konsistenzstrategien je Speicherart anzuwenden, was Effizienz und Flexibilität deutlich erhöht. Darüber hinaus stellt FlowG mit seinem Open Source-Ansatz eine attraktive Plattform für Entwickler und Forscher bereit, die im Bereich verteilte Systeme, Logverarbeitung und Datenreplikation forschen oder Produkte entwickeln möchten.
Die Möglichkeit, zur Weiterentwicklung beizutragen oder die Lösung in eigenen Projekten zu testen, fördert einen lebendigen Austausch und kann langfristig die Praxisrelevanz und Robustheit der Entwicklung steigern. Zusammenfassend markiert FlowG einen wichtigen Schritt hin zu alternativen Methoden der Replikation und des Cluster-Managements in verteilten Systemen. Es verbindet bewährte Technologien wie das Gossip-basierte SWIM-Protokoll mit modernen, performanten Speichersystemen und schafft so ein System, das sowohl modular als auch anpassbar ist. Der Verzicht auf klassische Konsensprotokolle zugunsten eines flexiblen, inkrementellen Ansatzes bildet eine innovative Basis, die besonders für Anwendungen mit dem Fokus auf Skalierbarkeit und eventual consistency interessant ist. Zukünftige Entwicklungen und Praxistests werden zeigen, inwieweit sich FlowG als Alternative in der Welt verteilter Systeme etablieren kann.
Deren Potenzial jedenfalls verspricht spannende Einsichten und neue Perspektiven auf das Management von verteilten Datenbeständen, die über das traditionelle Raft-Framework hinausgehen.
