SaaS 關鍵設計 - Multi-Tenancy - 探討真實世界的租賃關係

多租戶架構 (Mulit-Tenancy Architecture, 以下稱作 MTA) 是 SaaS (Software as a Service, 軟體及服務) 設計的核心議題，也是我過去幾年工作研究的題目之一，大部分的人針對這個題目討論的多是 K8s 的 Namespace 劃分、或者資料庫的拆分方式、使用 Single or Shared / Hybrid … 等策略。

多租戶架構背後需要討論的，除了這些技術架構的議題，更重要的是往前一步：

SaaS 的 多租戶 應該怎麼定義？以及能夠解決那些問題？

基於這些討論與實踐，最後我提出設計 MTA 的關鍵抽象概念，我把它稱為 Isolation Factor (隔離因子)。

這篇文章嘗試解釋與探討 多租戶 背景與核心議題，同時用真實世界的租賃關係，剖析設計 SaaS 時必須要知道的概念，嘗試帶出 Isolation Factor 的重要性。

相關文章：

真實世界裡的租賃關係

在真實的世界中，有幾種角色關係：

  • 房東 (Landlord)：出租房子的人成為房東
    • 英文用詞：Landlord, Landlady
    • 物件在法律上的資產擁有者，具備 擁有權
    • 對於物件有 管理權 以及 使用權
    • 承租合約成立區間，不具備使用權
  • 房客 (Lodger)：指的是房子的承租者 (人) - 中文叫做 租戶、房客、承租人、或 佃戶
    • 英文用詞：Lodger、Tenant
    • 承租對象的是房東提供的 承租物件
    • 在雙方約定的時間範圍之內，房客 具備 承租物件的 使用權
    • 約定時間之內，非特定情境，房東 不具備 承租物件的使用權
  • 承租物件 (Object) ：與租戶對應的房子稱為 承租物件 (Object)、出租處
    • 英文用詞：老美稱為 apartment、英國稱為 flat。
    • 承租物件內部使用稱為使用權，物件以外稱為管理權
    • 物件以外，在真實世界稱為公共空間、公共設施、公共區域 … etc.
  • 合約 (Rental Agreements)：指房東 / 租戶 雙方對於 承租物件 的使用權 承諾
    • 合約包含以下資訊：
      1. 房客 (who) 識別資訊，通常是個人身份、職業，目的是用來識別法律上的效益。
      2. 允許使用的 時間範圍 (when)
      3. 對於承租物件的 權利與義務 (what)
      4. 更多參閱 Rental agreement
    • 用詞：tenancy (租賃)，通常用在房屋、土地等不動產的
  • 承租 (Lease, v)：租戶向房東簽訂使用合約，整個動作稱為 承租
  • 使用權: 泛指承租者 (房客) 在合約期限內，對於承租物件的使用範圍，其中包含承租物件本身以及公共區域的使用權
  • 管理權: 承租物件內部與外部的管制與控制
  • 擁有權 (Ownership): 泛指資產在法律上賦予的擁有權

這些關係稱為 租賃 (Tenancy)，概念如下圖所示：

了解基本租賃的幾個角色、關係之後，我想把主軸放在 房東、承租物件、房客 這三者的關係，然後套到的 SaaS 設計裡。

註：雖然房客 (Lodger) 的英文也可以是 Tenant 這個字，但是實際上中文口語上描述 租戶 的時候，可以意指 人 (房客)、或者是 承租物件 (Object)，通常要看前後文判斷，本文會直接使用 Object 直接代表承租房子，避免語意錯置。

其他專有名詞

  • 垂直權限
  • 水平權限
  • 仿登入 (impersonate), 概念類似 sudo / run as xxx
  • RBAC (Role-Based Access Control)
  • ABAC (Role-Based Access Control)

背景探討：各種租賃組合

租賃關係的排列組合

Multi-Tenancy 這個字，中文翻譯成：多租戶，字面上看似容易理解，但在設計與實作時，卻很容易做出有問題的設計。接下用 房東 (Landlord)、承租物件 (Object)、以及 房客 (Lodger)，三者的數量關係，分別探討各種形式的租賃關係。

三個變動因子，每個變動因子都有 一個 或 多個 兩種選項，其排列組合列舉如下表：

探討過程，我會嘗試用真實世界的案例帶入，如果沒有舉例的，可能是我自己經歷不夠、想像力不足，或者是 … 排列組合根本就不合理。

首先先從 多租戶 這個詞的相對詞：單一租戶 Single Tenant 切入。

Case A: Single Tenant

Single Tenant 指的是 一個房東 可以提供 一個物件 給 一個房客 承租 ，完成 一個租賃合約，這三者的關係如下圖：

這三者是一對一對一的關係：

房東：承租物件：房客 = 1：1：1

生活中常見的例子，像是一個大樓的 (一個) 房東，將一整棟大樓租賃給一家企業。

  • 一個房東
  • 一棟大樓
  • 一家企業

Case B: Multiple Tenant

房東只有一個物件可以承租給房客？雖然有，但是不是普通鄉民會接觸的。

生活中更多的例子會是一個房東同時擁有多個物件可以出租，也就是 一個房東 可以提供 多個物件 給 多個房客 承租 ，完成 多個租賃合約，這三者的關係如下圖：

這三者的關係是：

房東：承租物件：房客 = 1：N：N

注意，這裡描述 承租物件 與 房客 兩者是一對一關係，也就是每一個物件，只承租給一個客戶。不是一個物件，承租給多個客戶，這種結構在最後會描述。

在真實世界的租賃中，承租物件已經具備明確的 邊界 (Border)，像是房屋都具備具象化的牆壁、隔間、房門等邊界，所以房內屬於私人區域、以外則公共區域，公私領域的邊界是清楚，且明確的。

而所謂的 多租戶 這個詞背後隱含的是：

相對於房東而言，也就是我們都是站在房東角度在論述。

這句話很重要，請留意思考的切入角度 (角色)，本文全文的論述其實都是房東角度。

Case C

上述 Case A: Single Tenant 和 Case B: Multiple Tenant 是真實世界常見的例子，屬於正常、合理的例子。

接下來我們來探討第三個例子，其結構如下圖：

這三者關係是：

房東：承租物件：房客 = 1：N：1

這個意思是，一個房東，擁有 N 個物件，但是都租給同一個房客，會有這樣的案例？現實生活中，也許有吧？不曉得 … 貧窮限制我的想像啊。。。。

Case D

排列組合還有，繼續推演下一個狀況：

這三者關係是：

房東：承租物件：房客 = 1：1：N

這個狀況的意思是：

一個房東的其中一個物件，同時租給多個房客，背後有多個契約。

真實案例像是青年旅館，一個大通鋪，一堆人住一個晚上。在 IT 系統裡，有點像是一家公司申請一個 AWS Account，在裡面部署一套系統，這套系統，同時租賃給多個客戶使用。

探討

上一段整理了四個排列組合，真實世界的運作往往會比這些單一排列組合更複雜，更多的是複合式的組合。

我們就用這四個為基礎單位，探討真實世界的組合。

探討一：Case X1 = Case B + D

上述 Case B / D 有著很類似的概念，不過看到這裡的讀者可能腦袋也打結了 XD

重新整理這兩者的關係如下：

Case B:

房東：承租物件：房客 = 1：N：N

Case D

房東：承租物件：房客 = 1：1：N

把這兩個 Case 合併成 Case X1 如下圖：

用 AWS 的角度舉例說明，圖中的角色分別如下：

  • Landlard: AWS
  • Object: AWS Account
  • Lodgers: AWS IAM 裡的 User

這個例子，如果用過 AWS 的人應該不難理解，不過要留意的是，每個 AWS Account 裡的資源彼此是看不到彼此的，像是:

  • User#A @ Object#A 是無法直接跟 User#A @ Object#B 對話的
  • Object#B 是無法得知 Object#A 裡有哪些 Users
  • User#A @ Object#A 不等於 User#A @ Object#B

上面的描述，背後隱含的關鍵意義就是 Object 之間是 隔離 的，而且是強制性的隔離。

換 GCP 的例子：

  • Landlard: GCP
  • Object: GCP Project
  • Lodgers: GCP Project IAM User

這個也不難理解，同樣可以舉例出 Object 之間隔離的概念，也完全與 AWS 一致。

GCP 與 AWS 的隔離概念稱為 垂直權限 (Vertical Authority)

繼續下一個例子是 K8s:

  • Landlard: K8s Cluster
  • Object: by Namespace
  • Lodgers: Application or Developer

K8s 開始出現一個狀況，所謂的 Namespace 只是邏輯概念切割，也就是資源之間的並不是 強隔離。

探討二：二房東 Case X2

上述 Case E 用 AWS / GCP / K8s 當例子，但更多時候企業在發展自己的業務狀況會是這樣：

把 Object#A 拆分，自己變成二房東，租一個物件，但是這個物件拆分成 N 個，每個再租給其他的使用者。

而如何把 Object#A 拆分的好與壞，就在於隔離的實作。

前面提到在真實世界的租賃中，承租物件已經具備明確的 邊界 (Border)，但是承租 AWS 的企業，又把這個 SaaS 承租給他們的客戶，而對於 SaaS 客戶而言，邊界應該、必須要存在，而這個邊界則需要由 SaaS 公司在架構設計時，必須自己建立一道讓客戶以為的邊界，這個邊界，在本文中稱為 隔離 (Isolation)。

隔離的核心議題: Isolation Factor (隔離因子)

本質上來講，隔離是透過一種 邊界 (Boundary) 方式，區分租戶彼此之間的空間範圍。

房子來講，區分彼此的空間範圍就是樑柱、牆壁、門、地板、天花板 … 等；以企業內部來講，就是各種辦公室的實體隔間、以及特定角色授權；以應用程式來說，就是使用者 A 能否看到使用 B 的資料而言。依照這樣的隔離概念，底下這些都是犯規：

  • 企業大樓裡，未經授權的員工，進入機房
  • 企業員工在 AWS 上開台機器，沒有認證授權，方便自己進出公司網域
  • SRE 說：我的 Gmail 看到別人的信，就要把 Gmail shutdown! –> 相關報導
  • 薩爾達傳說 - 王國之淚: 看我通天術 (這嚴重犯規 XDD)

實體隔離與邏輯隔離

在商業應用程式裡，隔離則因為 領域 (Domains) 不同，會用不同的方式，商業應用角度多半會以 邏輯隔離 為主。

邏輯隔離的例子，舉例常見的概念：

  • Google 服務 (Gmail / Gmap / Docs …) 都是以 Gmail Account 為隔離單位
  • GCP 以 Project 為隔離單位
  • AWS 則以 Account 為單位
  • Chrome 這個瀏覽器則以 Profile 為隔離概念
  • 多租戶架構的電商平台，隔離則是以 店 為單位，像是 91APP 是開店平台
  • 教育平台，則是以學校為單位，像是 Teachable 這個平台
    • 開學校之後，每個學校都可以有自己的學生、自己的老師 .. 等角色定義
  • 作業系統的隔離：Linux 的系統權限 user-group-anyone 本質上就是種隔離
  • 資料庫的隔離：Database / Table / Row 都是隔離概念，更甚者則是交易過程的鎖。

上述的隔離，在權限系統稱為 垂直權限，也就是透過 帳號 (通常) 隔離彼此。除了垂直權限，相對則是 水平權限，概念如下圖：

但是當業務發展到一定程度之後，或者依照法規的需求，則很常會以期望實體隔離，也就是在實體的系統架構，就是 專用 (Dedicated) 資源，不與其他人共用。
不管是實體還是邏輯隔離，都需要一個關鍵因子來定義怎麼隔離？而這個隔離的關鍵因子我把它稱為 隔離因子 (Isolation Factor)

前面描述的手段與方法都是為了達到隔離：

  • 權限：多租戶架構常用的方法是 垂直權限
    • 相對於垂直權限，稱為 水平權限，實踐方式有 RBAC、ABAC
  • 實體隔離 (physical isolation)
  • 邏輯隔離 (logical isolation): 虛擬化 virtualization, VPC

AWS 服務的隔離因子

AWS 有很多服務，舉凡 EC2 / S3 / DynamoDB / CloudFront … etc. 這些服務在 AWS 裏面都需要計算隔離方式，但是每個服務本身的屬性不一樣，在設計的時候怎麼知道每個服務的隔離因子是什麼？底下列舉設計 AWS 服務要考慮的隔離因子：

  • EC2: Instance
  • S3: Bucket
  • DynamoDB: Table
  • CloudFront: Distribution
  • VPC 本身就是個隔離單位

上述列舉的是這些服務的隔離因子例子，因為每個服務特性有所差異，要對應到 AWS Account 時，就要具體用一個單位對應隔離的想法，不然就會無法對應。

隔離沒做好會怎樣？

這是隔離背後要解決的關鍵痛點，最經典的案例是下圖：


Source: Google儲存SRE團隊負責人第一手經驗大公開, by ITHome, 20160421

另一個經典案例則是 VPC 的問題，底下截圖則是中國知名技術專家 陳皓 的部落格：


Source: 关于阿里云经典网络的问题, by Coolshell, 20200419

這都是別人的問題，而我面對過的問題則是之前在電商工作時，曾經出現的問題，我把它稱為 A-c-B event，中文稱為 A 店跨 B 店。也就是 B 店的使用者，看到 A 店的資料，不管是商品資料、還是訂單資料。

這三個例子，資安角度都是 垂直權限 的問題，背後實際問題就是隔離的設計與實踐。

updated 2023/09/29: 最近發生的 Google Bard臭蟲讓用戶對話出現在公開Google搜尋結果中 也屬於隔離沒做好造成的。

跨租戶問題常見的做法

雖然說跨租戶是不允許的，但是生活中還是有很多場景，需要跨租戶存取，例如我們信用卡掛失的時候，客服人員可以幫你調整信用卡的狀態。客服人員代替你調整信用卡的過程，就是個跨租戶操作，不管怎樣他要操作設定的時候，都要獲得你的允許，然後才能幫你調整狀態。這樣的過程，其實就是個身份暫時轉換，代理 (delegate) 執行的過程。

類似的做法，在作業系統已經都有很成熟的做法：

  • Linux: sudo as XXX
  • Windows: Run as XXXX

在系統實作時，專有名詞為 impersonate (v)，也就是 User#A@Tanent#A as User#B@Tenant#B，這是個需要授權程序的。

在 AWS 的設計，幾種常見的例子：

  • 當 Account#A 要存取 Account#B 得時候，可以透過 STS 取得臨時授權
  • 當網路要相互連線時，需要透過雙方授權才能連結，像是 VPC Peering

小結

下圖是一張網路梗圖：


Source: https://www.facebook.com/groups/it.humor.and.memes/posts/24452121121053675/

圖中在 Windows 裡裝了 VMWare，然後裡面裝了 Windows，裡面再裝 VMWare … 如此好幾層 … 這張圖表述了多租戶的核心概念，不過大家知道 VM 本身是模擬硬體，換言之實作的是實體隔離。相對於 VM 則是 Container，透過 Kernal 的特性 (cgroup, namespace … etc)，時做出隔離的概念。

而應用程式如果要做出隔離概念，則必定要面對如何定義租戶的概念，租戶本質就是為了達到隔離，用來隔離的 隔離因子 (Isolation Factor)，則是本文想帶出的概念。

多租戶架構因而衍生的相關議題：

  1. 水平權限系統，像是 RBAC / ABAC，也就是 AWS IAM
  2. 租戶與 功能 的訂閱市集 (Marketplace)，背後本質是個 Pub/Sub 概念
  3. 帳務系統：延續租戶與功能訂閱而產生的議題，也就是使用狀況 (Usage) 與帳務資訊 (Billing)
  4. 功能系統的通訊架構，相關參閱 摘要 Eclipse 設計的啟發：當代 SaaS 分散式架構的關鍵設計

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2023/09/11 22:30:00
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