分散式系統設計權衡之 CAP

發表於2016-07-22

寫在最前:

1.為什麼學習並記錄分散式設計理念一系列相關的東西

在日常工作中系統設計評審的時候,經常會有一些同事丟擲一些概念,高可用性,一致性等等字眼,他們用這些最基本的概念去反駁系統最初的設計,但是很多人理解的可用性,一致性等等問題,都是自己拍腦袋想的,或者根本和最原始表達的意思就不是一個東西,在這種情況下PK,就像不再一個頻段的人在交流,除了爭論,沒有任何實質性的進展,所以有必要熟悉其理論基礎,以免貽笑大方。(其實類似的例子還有很多,國內的技術人員都喜歡把一些此詞模糊化,混淆而談。例如XX雲,實際賣的就是vps 和一小部分saas,這就叫cloud computing?)

2.準備說哪些東西

分散式系統設計在評審時,爭論得最多的地方,其實也就是著名的cap理論,本文也主要對CAP理論加以自己的理解和應用

CAP 理論

什麼是分散式系統

部分在不同的節點上,通過網路協同工作的系統叫做分散式系統

CAP 分別代表什麼

• Consistency
• (all nodes see the same data at the same time)
• Availability
• Reads and writes always succeed.
• Partition tolerance
• (the system continues to operate despite arbitrary message loss or failure of part of the system)

 

一致性: 更新操作成功並返回客戶端完成後,分散式的所有節點在同一時間的資料完全一致

可用性:     讀和寫操作都能成功

分割槽容錯性:再出現網路故障導致分散式節點間不能通訊時,系統能否繼續服務

CAP 的是什麼關係

It states, that though its desirable to have Consistency, High-Availability and Partition-tolerance in every system, unfortunately no system can achieve all three at the same time.

在分散式系統的設計中,沒有一種設計可以同時滿足一致性,可用性,分割槽容錯性 3個特性

注意:不要將弱一致性,最終一致性放到CAP理論裡混為一談(混淆概念的坑真多)
弱一致性,最終一致性 你可以認為和CAP的C一點關係也沒有,因為CAP的C是更新操作完成後,任何節點看到的資料完全一致, 弱一致性。最終一致性本身和CAP的C一致性是違背的,所以你可以看到那些謊稱自己系統同時具備CAP 3個特性是多麼的可笑,可能國內更多的場景是:一個開放人員一旦走上講臺演講,就立馬轉變為了營銷人員,連最基本的理念也不要了

這裡有一篇標題很大的文章  cap-twelve-years-later-how-the-rules-have-changed ,實際上本文的changed更多的是在思考方式上,而本身CAP理論是沒有changed的

為什麼會是這樣

我們來看一個簡單的問題, 一個DB服務   搭建在兩個機房(北京,廣州),兩個DB例項同時提供寫入和讀取

 

 

1. 假設DB的更新操作是同時寫北京和廣州的DB都成功才返回成功

在沒有出現網路故障的時候,滿足CA原則,C 即我的任何一個寫入,更新操作成功並返回客戶端完成後,分散式的所有節點在同一時間的資料完全一致, A 即我的讀寫操作都能夠成功,但是當出現網路故障時,我不能同時保證CA,即P條件無法滿足

2. 假設DB的更新操作是隻寫本地機房成功就返回,通過binlog/oplog回放方式同步至側邊機房

這種操作保證了在出現網路故障時,雙邊機房都是可以提供服務的,且讀寫操作都能成功,意味著他滿足了AP ,但是它不滿足C,因為更新操作返回成功後,雙邊機房的DB看到的資料會存在短暫不一致,且在網路故障時,不一致的時間差會很大(僅能保證最終一致性)

3. 假設DB的更新操作是同時寫北京和廣州的DB都成功才返回成功且網路故障時提供降級服務

降級服務,如停止寫入,只提供讀取功能,這樣能保證資料是一致的,且網路故障時能提供服務,滿足CP原則,但是他無法滿足可用性原則

選擇權衡

通過上面的例子,我們得知,我們永遠無法同時得到CAP這3個特性,那麼我們怎麼來權衡選擇呢?

選擇的關鍵點取決於業務場景

對於大多數網際網路應用來說(如網易門戶),因為機器數量龐大,部署節點分散,網路故障是常態,可用性是必須需要保證的,所以只有設定一致性來保證服務的AP,通常常見的高可用服務吹噓5個9 6個9服務SLA穩定性就本都是放棄C選擇AP

對於需要確保強一致性的場景,如銀行,通常會權衡CA和CP模型,CA模型網路故障時完全不可用,CP模型具備部分可用性,實際的選擇需要通過業務場景來權衡(並不是所有情況CP都好於CA,只能檢視資訊不能更新資訊有時候從產品層面還不如直接拒絕服務)

延伸

BASE(Basically Available, Soft State, Eventual Consistency  基本可用、軟狀態、最終一致性) 對CAP AP理論的延伸, Redis等眾多系統構建與這個理論之上
ACID  傳統資料庫常用的設計理念, ACID和BASE代表了兩種截然相反的設計哲學,分處一致性-可用性分佈圖譜的兩極。

擴充套件閱讀

Daniel Abadi認為  CAP  應該叫 PACELC   http://dbmsmusings.blogspot.jp/2010/04/problems-with-cap-and-yahoos-little.html
Brewer’s CAP Theorem   http://www.julianbrowne.com/article/viewer/brewers-cap-theorem
Foundationdb 的CAP權衡選擇  https://foundationdb.com/white-papers/the-cap-theorem

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