引言
在分散式系統中，經常會碰到的技術名詞一般有Replication、Partition、Consensus、Transaction等等，這些技術在分散式系統設計中都是非常重要的，本文通過對分散式系統的Reliability、Scalability和Maintainability特性的討論，描述這些技術解決的問題。
Reliability
Reliability，指的是在任何情況下，系統正常工作的能力。如果一個系統在發生任何異常時，都能正常的工作，那麼系統是完全可靠的。現實中，異常種類很多，有的往往難以事先避免，因此，瞭解可能的異常並分析如何在異常發生時快速恢復是非常重要的。一般地，異常包括硬體異常，軟體異常和人為異常。
硬體異常
硬體異常種類很多，硬碟，電源等任意一個部件的損壞，都可能導致伺服器不能正常的工作。通常這類異常難以避免，但是，我們可以通過一些技術手段來實現異常發生後的快速恢復，不管是從軟體角度還是硬體角度，基本的解決思路都是冗餘。從硬體角度來講，我們可以通過單機冗餘多份硬體，當其中某個硬體發生異常時，可以快速地用好的硬體替換掉故障的硬體，這種方式的硬體冗餘對於資料中心級的故障是沒有作用的；從軟體角度來講，我們可以通過多副本(Replication)來實現快速恢復，當某臺伺服器硬體異常時，可以在軟體層面將流量匯入到新的副本上(實際上也有硬體冗餘，但這種方式更為靈活)，除了Replication之外，有時候為了減少單臺伺服器故障對所有使用者的影響，可以對使用者資料做Partition，單臺伺服器只存某一部分使用者的資料，這樣單機故障就只會影響一部分使用者了。引入Replication後，如何保證多副本的資料的一致性又成了一個問題(Consensus)，Paxos和Raft演算法就是為了解決這類問題。
軟體異常
軟體異常一般指的是系統的bug，這裡面不僅包括自己寫的系統的bug，也包括依賴的服務系統的bug。軟體異常同樣也是不能完全避免的，因此，在發生軟體異常時，也需要有快速恢復的手段，通常有三種方法：
- 通過調整軟體已有的配置引數，規避問題
- 重啟軟體或者依賴的服務，消除異常狀態
- 直接修復bug，並升級版本
在沒有發生致命性問題時，一般採用方法1或2來恢復，當發生的問題比較嚴重，並且沒有已知的方法能繞過時，一般才使用方法3，方法3本身風險也是比較大的，因為修復bug的同時可能會產生新的bug。
人為異常
不管是軟體本身，還是軟體所執行的伺服器，都是由人來管理的，但人是會犯錯誤的，有時候會執行錯誤的命令導致系統不能正常工作，其中比較致命的錯誤可能就是刪掉某臺伺服器的資料了，在這種情況下為了能快速地恢復，通常也是採用Replication的思路，來避免問題。
Scalability
系統的工作負載通常不是一成不變的，當工作負載增加時，往往可以通過增加機器資源來保持效能不變，而需要增加機器數量的多少是由系統的擴充套件性來決定的，擴充套件性越好的系統，需要增加的機器資源越少。最完美的擴充套件性是線性擴充套件性，即工作負載擴大為原來N倍的時候，只需要加N倍的機器，就能夠保持效能不變，最差的擴充套件性則是沒有擴充套件性，即工作負載擴大為原來N倍時，即使加再多的機器，也無法保持效能和原來一樣。
對於不同的系統，負載所代表的含義通常是不一樣的，對於基礎架構系統，通常每秒讀和每秒寫的次數，對於業務系統，通常有自己的指標，例如每秒交易建立的筆數。同樣地，對於不同的系統，其使用的效能指標通常也是不相同的，對於批處理系統，通常強調的是吞吐量，即每秒完成的任務數量，而對於線上處理系統，通常強調的是響應時間。
在明確一個系統的工作負載指標和效能指標之後，我們才能討論在該系統下如何實現擴充套件。擴充套件通常是兩種思路，一是垂直擴充套件，即使用更好的機器替換現有的機器，二是水平擴充套件，即使用更多的機器。
對於垂直擴充套件，其優點是對業務是無影響的，缺點是更好的機器是很貴的，通常是一分錢一分貨，而十分錢只能買到兩分貨，且現實中總有單機裝不下的資料量，此時垂直擴充套件自然就無法實施了。
對於水平擴充套件，通常需要軟體層面的配合，對於無狀態的系統，通常只要在新加的機器上部署上需要擴充套件的系統，而對於有狀態的系統，一般指的是儲存系統，通常會將資料分成Partition（分割槽），這樣新加的機器才能通過遷移Partition的方式，從老的機器上遷移資料以及對應的工作負載出來。水平擴充套件的優點是使用的都是相對廉價的伺服器，能節約成本，但在軟體層面需要做大量的工作，包括Partition的管理，遷移，負載均衡等等。
Maintainability
可維護性的好壞決定了系統是否能夠長久的發展，一個可維護性不好的系統，會給運維和開發人員帶來很多不便。對於運維人員來講，可維護性指的是系統是否支援常用的運維手段，良好的文件等等。而對於開發人員來講，主要分為核心開發以及使用該系統的業務開發，對於業務開發，維護性指的是系統是否有良好的介面，方便業務使用，例如，Transaction就是底層系統提供給業務的一種介面，它保證了在一個事務中執行的語句具有ACID性質，從而業務只需要關注業務邏輯的開發，而不需要關心底層的具體實現；對於核心開發，維護性指的是系統的程式碼質量，主要包括程式碼的可閱讀性和是否易於修改，主要和系統核心開發人員的程式碼設計能力相關。
總結
為了能達到較好的可靠性(Reliability)、可擴充套件性(Scalability)和可維護性(Maintainability)，分散式系統設計中通常會使用多副本(Replication)、資料分割槽(Partition)、一致性演算法(Consensus)、事務(Transaction)等技術，理解它們要解決的問題，深入瞭解每種技術背後可能的實現方案，有助於評價某個系統的設計好壞，這對於多個競品系統的選型和深入學習系統原理都是非常有必要的。
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參考文獻
- Design Data Intensive Applications