分布式存储系统学习笔记(一)—什么是分布式系统(1)—基本概念

分布式系统面临的首要问题就是数据分布，即将数据均匀地分布到多个存储点。其中，为了保证可靠性和可用性，需要将数据复制多个副本，这就产生了多个副本之间数据一致性的问题。大规模分布式存储系统还有一个重要的目标，那就是在完成既定任务的同时尽可能的减少成本，因此有必要使用性价比较高的PC服务器，这些服务器性能良好，但是故障率较高，这就要求系统能在软件层面实现自动容错，即存储节点出现故障时，系统能够自动检测出来，并将原有的数据和服务迁移到集群中其他正常工作的节点。

在分布式系统中有以下基本概念：

a)   异常

我们往往将服务器上运行的一个进程称为一个节点，节点和节点之间通过网络连接。然而服务器节点和网络都是不可靠的，这就导致了各种异常的发生。

              i.         服务器宕机

宕机后，服务器“不可用”，当其重启之后，节点将失去所有的内存信息。再恢复的时候通过读取持久化介质中的数据恢复内存信息。

             ii.         网络异常

原因可能是消息丢失、消息乱序或者数据错误。还有一种特殊的被称为“网络分区”的网络异常，即将节点划分为若干区域，区域内部正常通信，而区域之间通信失败。

通常来说，有一个基本原则即网络永远是不可靠的，任何消息只有对方回复后才可认为发送成功。

由于该异常的存在，系统中的请求返回结果通常有三态，即成功、失败和超时，其中超时是不可知状态。【比如RPC执行成功但返回结果时网络异常或者成功后服务器宕机等等】

超时出现时，只能通过不断读取之前的操作的状态来验证RPC是否成功。这里我们可以引入“幂等”的概念，即一次执行和多次执行结果相同，当发生失败或者超时的时候，都可以通过该种方式重试直到成功。

           iii.         磁盘故障

发生概率很高，一般是磁盘损坏和磁盘数据错误两种情况。前者发生，磁盘上的数据将丢失，因此一个分布式系统多是冗余的，保证磁盘损坏不会造成该数据在系统中丢失。后者往往通过校验和机制解决。

b)  一致性

由于异常的存在，分布式系统往往将数据冗余存储多份，当某一个节点出现错误，可以从其他副本上读到数据。副本可以说是分布式存储系统唯一的容错手段，多个副本之间保持一致性也就成了分布式系统的理论核心。

首先定义这样一个场景，包含四个部分，存储系统（一个黑盒，提供可用性和持久性）、相互独立的客户端A,B,C，对存储系统进行读写操作。这样从客户端的角度来看，一致性共包含以下三种情况：

-    强一致性：A先写一个值到存储系统，存储系统保证后续客户端的读写操作都能读到最新值

-    弱一致性：A先写一个值到存储系统，存储系统不保证后续客户端的读写操作能读到最新值

-    最终一致性：A先写一个值到存储系统，存储系统保证如果后续没有写操作更新同样的值，后续客户端的读写操作“最终”都能读到最新值。“最终”一致性存在“不一致窗口”，长度取决于交互延迟、系统负载、复制协议要求同步的副本数。

最终一致性又可以细分为读写一致性【A写入最新值，A立即看到，而B、C过一会看到】、会话一致性【原有会话维持期间保证读写一致性】、单调读一致性【若A已经读到对象的某个值，之后操作不会读取到更早的值】和单调写一致性【对于同一个客户端，存储系统的多个副本需要按照与客户端相同顺序完成】。

而所有这些一致性，在存储系统看来分为两类：副本一致性和更新顺序一致性。存储系统可以支持强一致性或者最终一致性，而从客户端的角度来看，不满足读写，会话，单调读，单调写等特性的话会导致使用麻烦，使用场景有限的问题。

c)   衡量指标

              i.         性能

系统吞吐能力和系统响应时间两个指标。前者指系统在某一段时间内可以处理的请求总数，用QPS和TPS衡量。后者指从某个请求发出到接收到返回结果消耗的时间，通常用平均延时来衡量。两个目标互相矛盾，设计系统时需权衡这两个目标。

             ii.         可用性

指系统面对各种异常时可以提供正常服务的能力，用系统停服务时间与正常服务时间的比例来衡量。【可用性4个9，则一年停服务的时间不超过52.26min】

           iii.         一致性

           iv.         可扩展性

通过扩展集群服务器规模来提高系统存储容量、计算量和性能的能力，理想的系统应该实现“线性可扩展”。