分布式基础理论
分布式基础理论
作为一名搬砖的码农，微服务、SOA、分布式已经耳熟能详。基础打的牢，砖才搬得好，这编文章主要介绍分布式相关的基础理论，也是分布式事物教程的开篇。
集中式与分布式
集中式系统
所谓的集中式系统就是指由一台或多台主计算机组成中心节点，数据集中存储于这个中心节点中，并且整个系统的所有业务单元都集中部署在这个中心节点上，系统的所有功能均由其集中处理。
集中式系统的最大的特点就是部署结构非常简单，底层一般采用从IBM、HP等厂商购买到的昂贵的大型主机。因此无需考虑如何对服务进行多节点的部署，也就不用考虑各节点之间的分布式协作问题。但是，由于采用单机部署。很可能带来系统大而复杂、难于维护、发生单点故障（单个点发生故障的时候会波及到整个系统或者网络，从而导致整个系统或者网络的瘫痪）、扩展性差等问题。
分布式系统
分布式系统是一个硬件或软件组件分布在不同的网络计算机上，彼此之间仅仅通过消息传递进行通信和协调的系统。简单来说就是一群独立计算机集合共同对外提供服务，但是对于系统的用户来说，就像是一台计算机在提供服务一样。分布式意味着可以采用更多的普通计算机（相对于昂贵的大型机）组成分布式集群对外提供服务。计算机越多，CPU、内存、存储资源等也就越多，能够处理的并发访问量也就越大。
从分布式系统的概念中我们知道，各个主机之间通信和协调主要通过网络进行，所以分布式系统中的计算机在空间上几乎没有任何限制，这些计算机可能被放在不同的机柜上，也可能被部署在不同的机房中，还可能在不同的城市中，对于大型的网站甚至可能分布在不同的国家和地区。但是，无论空间上如何分布，一个标准的分布式系统应该具有以下几个主要特征：
分布性
分布式系统中的多台计算机之间在空间位置上可以随意分布，同时，机器的分布情况也会随时变动。
对等性
分布式系统中的计算机没有主／从之分，即没有控制整个系统的主机，也没有被控制的从机，组成分布式系统的所有计算机节点都是对等的。副本（Replica）是分布式系统最常见的概念之一，指的是分布式系统对数据和服务提供的一种冗余方式。在常见的分布式系统中，为了对外提供高可用的服务，我们往往会对数据和服务进行副本处理。数据副本是指在不同节点上持久化同一份数据，当某一个节点上存储的数据丢失时，可以从副本上读取该数据，这是解决分布式系统数据丢失问题最为有效的手段。另一类副本是服务副本，指多个节点提供同样的服务，每个节点都有能力接收来自外部的请求并进行相应的处理。
并发性
在一个计算机网络中，程序运行过程的并发性操作是非常常见的行为。例如同一个分布式系统中的多个节点，可能会并发地操作一些共享的资源，如何准确并高效地协调分布式并发操作也成为了分布式系统架构与设计中最大的挑战之一。
缺乏全局时钟
在分布式系统中，很难定义两个事件究竟谁先谁后，原因就是因为分布式系统缺乏一个全局的时钟序列控制。
故障总是会发生
组成分布式系统的所有计算机，都有可能发生任何形式的故障。除非需求指标允许，在系统设计时不能放过任何异常情况。分布式环境的各种问题
分布式系统体系结构从其出现之初就伴随着诸多的难题和挑战：
1、通信异常
从集中式向分布式演变的过程中，必然引入网络因素，由于网络本身的不可靠性，因此 也引入了额外的问题。分布式系统需要在各个节点之间进行网络通信，因此每次网络通信都会伴随着网络不可用的风险，网络光纤、路由器或是DNS等硬件设备或 是系统不可用都会导致最终分布式系统无法顺利完成一次网络通信。另外，即使分布式系统各个节点之间的网络通信能够正常进行，其延时也会大于单机操作。通常 我们认为现代计算机体系结构中，单机内存访问的延时在纳秒数量级（通常是10ns），而正常的一次网络通信的延迟在0.1~1ms左右（相当于内存访问延 时的105倍），如此巨大的延时差别，也会影响到消息的收发过程，因此消息丢失和消息延迟变得非常普遍
2、网络分区
当网络由于发生异常情况，导致分布式系统中部分节点之间的网络延时不断增大，最终导致组成分布式系统的所有节点中，只有部分节点之间能够正常通信，而另一些节点则不能----我们将这个现象称为网络分区。当网络分区出现时，分布式系统会出现局部小集群，在极端情况下，这些局部小集群会独立完成原本需要整个分布式系统才能完成的功能，包括对数据的事物处理，这就对分布式一致性提出了非常大的挑战
3、三态
上面两点，我们已经了解到在分布式环境下，网络可能会出现各式各样的问题，因此分布式系统的每一次请求与响应，存在特有的三态概念，即成功、失败、超时。 在传统的单机系统中，应用程序在调用一个函数之后，能够得到一个非常明确的响应：成功或失败。而在分布式系统中，由于网络是不可靠的，虽然在绝大部分情况 下，网络通信也能够接受到成功或失败的响应，当时当网络出现异常的情况下，就可能会出现超时现象，通常有以下两种情况：
（1）由于网络原因，该请求并没有被成功地发送到接收方，而是在发送过程中就发生了消息丢失现象
（2）该请求成功地被接收方接收后，进行了处理，但是在将响应反馈给发送方的过程中，发生了消息丢失现象
当出现这样的超时现象时，网络通信的发起方是无法确定当前请求是否被成功处理的
4、节点故障
节点故障则是分布式环境下另一个比较常见的问题，指的是组成分布式系统的服务器节点出现的宕机或"僵死"现象，通常根据经验来说，每个节点都有可能出现故障，并且每天都在发生
CAP理论
CAP原理是现代分布式系统的理论基石，它由加州大学的Eric Brewer教授在2000年提出。CAP代表分布式系统错中的三个特性，C- Consistent（强一致性）A - Availability（可用性）P-Partition tolerance (分区容错性)。而CAP理论告诉我们，一个分布式系统不能同时满足这三种特性。Consistency (一致性)：
“all nodes see the same data at the same time”,即更新操作成功并返回客户端后，所有节点在同一时间的数据完全一致，这就是分布式的一致性。一致性的问题在并发系统中不可避免，对于客户端来说，一致性指的是并发访问时更新过的数据如何获取的问题。从服务端来看，则是更新如何复制分布到整个系统，以保证数据最终一致。一致性的分类
1、强一致性
这种一致性级别是最符合用户直觉的，它要求系统写入什么，读出来的也会是什么，用户体验好，但实现起来往往对系统的性能影响大
2、弱一致性
这种一致性级别约束了系统在写入成功后，不承诺立即可以读到写入的值，也不久承诺多久之后数据能够达到一致，但会尽可能地保证到某个时间级别（比如秒级别）后，数据能够达到一致状态
3、最终一致性
最终一致性是弱一致性的一个特例，系统会保证在一定时间内，能够达到一个数据一致的状态。这里之所以将最终一致性单独提出来，是因为它是弱一致性中非常推崇的一种一致性模型，也是业界在大型分布式系统的数据一致性上比较推崇的模型
Availability (可用性):
可用性指“Reads and writes always succeed”，即服务一直可用，而且是正常响应时间。好的可用性主要是指系统能够很好的为用户服务，不出现用户操作失败或者访问超时等用户体验不好的情况。
Partition Tolerance (分区容错性):
即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。
分区容错性要求能够使应用虽然是一个分布式系统，而看上去却好像是在一个可以运转正常的整体。比如现在的分布式系统中有某一个或者几个机器宕掉了，其他剩下的机器还能够正常运转满足系统需求，对于用户而言并没有什么体验上的影响。CAP的取舍策略：
CAP三个特性只能满足其中两个，那么取舍的策略就共有三种：
放弃P:CA ：如果不要求P（不允许分区），则C（强一致性）和A（可用性）是可以保证的。但放弃P的同时也就意味着放弃了系统的扩展性，也就是分布式节点受限，没办法部署子节点，这是违背分布式系统设计的初衷的。因为分区容错性是分布式系统的基本要求，所以往往分布式系统的设计主要是根据业务特性在C(一致性)和A(分区容错性)之间寻找平衡。
放弃A：CP ：如果不要求A（可用），那么在网络分区或其他故障时，那么受到影响的服务需要等待一定的时间，因此在等待期间系统无法对外提供服务，即不可用。放弃C保留AP：这里说的放弃一致性，并不是完全不需要数据一致性，如果真是这样的话，那么系统的数据都是没有意义的，整个系统也是没有价值的。事实上放弃一致性指的是放弃数据的强一致性，而保留数据的最终一致性。这样系统无法保证数据实时的一致性，但是能承诺最终会达到一致性的状态。这样就引入了一个时间窗口的概念，具体多久能达到一致取决于系统的设计，主要包括数据在不同副本之间复制时间的长短。
BASE理论
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。他是由eBay的架构师Dan Pritichett提出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。BASE理论的核心思想是：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。接下来看一下BASE中的三要素：
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----注意，这绝不等价于系统不可用。比如：
（1）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
（2）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所有的数据副本，在经过一段时间的同步之后，最终都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。
总的来说，BASE理论面向的是大型高可用可扩展的分布式系统，和传统的事物ACID特性是相反的，它完全不同于ACID的强一致性模型，而是通过牺牲强一致性来获得可用性，并允许数据在一段时间内是不一致的，但最终达到一致状态。但同时，在实际的分布式场景中，不同业务单元和组件对数据一致性的要求是不同的，因此在具体的分布式系统架构设计过程中，ACID特性和BASE理论往往又会结合在一起。
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参考资料
《从Paxos到zookeeper分布式一致性原理与实践》