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入门必读篇:分布式系统的经典基础理论

2018-05-25 09:36    云栖社区 来源:云栖社区  作者: snailclimb 编辑: 谢涛

  分布式系统设计理念

  分布式系统架构的第一原则是不要分布!这句话看似矛盾实则揭露了分布式系统的很多特征。

  分布式系统的目标与要素

  分布式系统的目标是提升系统的整体性能和吞吐量另外还要尽量保证分布式系统的容错性(假如增加10台服务器才达到单机运行效果2倍左右的性能,那么这个分布式系统就根本没有存在的意义)。

  即使采用了分布式系统,我们也要尽力运用并发编程、高性能网络框架等等手段提升单机上的程序性能。

  分布式系统设计两大思路:中心化和去中心化

  1)中心化设计:

  ·两个角色: 中心化的设计思想很简单,分布式集群中的节点机器按照角色分工,大体上氛围两种角色: “领导” 和 “干活的”

  ·角色职责: “领导”通常负责分发任务并监督“干活的”,发现谁太闲了,就想发设法地给其安排新任务,确保没有一个“干活的”能够偷懒,如果“领导”发现某个“干活的”因为劳累过度而病倒了,则是不会考虑先尝试“医治”他的,而是一脚踢出去,然后把他的任务分给其他人。其中微服务架构 Kubernetes 就恰好采用了这一设计思路。

  中心化设计的问题:

  ·中心化的设计存在的最大问题是“领导”的安危问题,如果“领导”出了问题,则群龙无首,整个集群就奔溃了。但我们难以同时安排两个“领导”以避免单点问题。

  ·中心化设计还存在另外一个潜在的问题,既“领导”的能力问题:可以领导10个人高效工作并不意味着可以领导100个人高效工作,所以如果系统设计和实现得不好,问题就会卡在“领导”身上。

  ·领导安危问题的解决办法: 大多数中心化系统都采用了主备两个“领导”的设计方案,可以是热备或者冷备,也可以是自动切换或者手动切换,而且越来越多的新系统都开始具备自动选举切换“领导”的能力,以提升系统的可用性。

  2)去中心化设计

  ·终生地位平等: 在去中心化的设计里,通常没有“领导”和“干活的”这两种角色的区分,大家的角色都是一样的,地位是平等的,全球互联网就是一个典型的去中心化的分布式系统,联网的任意节点设备宕机,都只会影响很小范围的功能。

  ·“去中心化”不是不要中心,而是由节点来自由选择中心。 (集群的成员会自发的举行“会议”选举新的“领导”主持工作。最典型的案例就是ZooKeeper及Go语言实现的Etcd)

  ·去中心化设计的问题: 去中心化设计里最难解决的一个问题是 “脑裂”问题 ,这种情况的发声概率很低,但影响很大。脑裂问题,这种情况的发生概率很低,但影响很大。脑裂指一个集群犹豫网络的故障,被分为至少两个彼此无法通信的单独集群,此时如果两个集群都各自工作,则可能会产生眼中的数据冲突何错误。一般的设计思路是,当集群半段发声了脑裂问题是,规模较小的集群就“自杀”或者拒绝服务。

  分布式与集群的区别是什么?

  ·分布式: 一个业务分拆多个子业务,部署在不同的服务器上

  ·集群: 同一个业务,部署在多个服务器上。比如之前做电商网站搭的redis集群以及solr集群都是属于将redis服务器提供的缓存服务以及solr服务器提供的搜索服务部署在多个服务器上以提高系统性能、并发量解决海量存储问题。

  CAP定理

  在理论计算机科学中,CAP定理(CAP theorem),又被称作布鲁尔定理(Brewer's theorem),它指出对于一个分布式计算系统来说,不可能同时满足以下三点:

  ·一致性(Consistence) :所有节点访问同一份最新的数据副本

  ·可用性(Availability):每次请求都能获取到非错的响应——但是不保证获取的数据为最新数据

  ·分区容错性(Partition tolerance) : 分布式系统在遇到某节点或网络分区故障的时候,仍然能够对外提供满足一致性和可用性的服务。

  CAP仅适用于原子读写的NOSQL场景中,并不适合数据库系统。

  注意:不是所谓的3选2(不要被网上大多数文章误导了):

  现实生活中,大部分人解释这一定律时,常常简单的表述为:“一致性、可用性、分区容忍性三者你只能同时达到其中两个,不可能同时达到”。实际上这是一个非常具有误导性质的说法,而且在CAP理论诞生12年之后,CAP之父也在2012年重写了之前的论文。

  当发生网络分区的时候,如果我们要继续服务,那么强一致性和可用性只能2选1。也就是说当网络分区之后P是前提,决定了P之后才有C和A的选择。也就是说分区容错性(Partition tolerance)我们是必须要实现的。

  我在网上找了很多文章想看一下有没有文章提到这个不是所谓的3选2,用百度半天没找到了一篇,用谷歌搜索找到一篇比较不错的,如果想深入学习一下CAP就看这篇文章把,我这里就不多BB了:《分布式系统之CAP理论》 : http://www.cnblogs.com/hxsyl/p/4381980.html

  BASE理论

  BASE理论由eBay架构师Dan Pritchett提出,在2008年上被分表为论文,并且eBay给出了他们在实践中总结的基于BASE理论的一套新的分布式事务解决方案。

  BASE 是 Basically Available(基本可用) 、Soft-state(软状态) 和 Eventually Consistent(最终一致性) 三个短语的缩写。BASE理论是对CAP中一致性和可用性权衡的结果,其来源于对大规模互联网系统分布式实践的总结,是基于CAP定理逐步演化而来的,它大大降低了我们对系统的要求。

  BASE理论的核心思想

  即使无法做到强一致性,但每个应用都可以根据自身业务特点,采用适当的方式来使系统达到最终一致性。也就是牺牲数据的一致性来满足系统的高可用性,系统中一部分数据不可用或者不一致时,仍需要保持系统整体“主要可用”。

  针对数据库领域,BASE思想的主要实现是对业务数据进行拆分,让不同的数据分布在不同的机器上,以提升系统的可用性,当前主要有以下两种做法:

  ·按功能划分数据库

  ·分片(如开源的Mycat、Amoeba等)。

  由于拆分后会涉及分布式事务问题,所以eBay在该BASE论文中提到了如何用最终一致性的思路来实现高性能的分布式事务。

  BASE理论三要素

  1. 基本可用

  基本可用是指分布式系统在出现不可预知故障的时候,允许损失部分可用性。但是,这绝不等价于系统不可用。

  比如:

  ·响应时间上的损失:正常情况下,一个在线搜索引擎需要在0.5秒之内返回给用户相应的查询结果,但由于出现故障,查询结果的响应时间增加了1~2秒

  ·系统功能上的损失:正常情况下,在一个电子商务网站上进行购物的时候,消费者几乎能够顺利完成每一笔订单,但是在一些节日大促购物高峰的时候,由于消费者的购物行为激增,为了保护购物系统的稳定性,部分消费者可能会被引导到一个降级页面

  2. 软状态

  软状态指允许系统中的数据存在中间状态,并认为该中间状态的存在不会影响系统的整体可用性,即允许系统在不同节点的数据副本之间进行数据同步的过程存在延时

  3. 最终一致性

  最终一致性强调的是系统中所有的数据副本,在经过一段时间的同步后,最终能够达到一个一致的状态。因此,最终一致性的本质是需要系统保证最终数据能够达到一致,而不需要实时保证系统数据的强一致性。

  总结

  本文主要是简单的介绍了三个常见的概念: 分布式系统设计理念 、 CAP定理 、 BASE理论 ,关于分布式系统的还有很多很多东西。


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