ToB企服应用市场:ToB评测及商务社交产业平台

标题: CAP与BASE:分布式系统设计的灵魂与妥协 [打印本页]

作者: 星球的眼睛    时间: 2025-2-17 06:29
标题: CAP与BASE:分布式系统设计的灵魂与妥协
CAP 理论

CAP理论起源于 2000 年,由加州大学伯克利分校的 Eric Brewer 传授在分布式计算原理研讨会(PODC)上提出,因此 CAP 定理又被称作 布鲁尔定理(Brewer’s theorem)
2 年后,麻省理工学院的 Seth Gilbert 和 Nancy Lynch 发表了布鲁尔料想的证明,CAP 理论正式成为分布式范畴的定理。
简介

CAP 也就是 Consistency(一致性)Availability(可用性)Partition Tolerance(分区容错性) 这三个单词首字母组合。

CAP 理论的提出者布鲁尔在提出 CAP 料想的时候,并没有详细界说 ConsistencyAvailabilityPartition Tolerance 三个单词的明确界说。
因此,对于 CAP 的民间解读有许多,一样平常比较被大家推荐的是下面这种版本的解读。
在理论计算机科学中,CAP 定理(CAP theorem)指出对于一个分布式系统来说,当设计读写操作时,只能同时满足以下三点中的两个:
什么是网络分区?
分布式系统中,多个节点之间的网络本来是连通的,但是因为某些故障(比如部分节点网络出了问题)某些节点之间不连通了,整个网络就分成了几块区域,这就叫 网络分区

不是所谓的“3 选 2”

大部分人表明这一定律时,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此中两个,不大概同时达到”。实际上这是一个非常具有误导性子的说法,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。
在实际应用中,由于网络分区是不可避免的,所以在CAP中通常只能在C和A之间做出选择。
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 是条件,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。简而言之就是:CAP 理论中分区容错性 P 是一定要满足的,在此基础上,只能满足可用性 A 或者一致性 C。
因此,分布式系统理论上不大概选择 CA 架构,只能选择 CP 或者 AP 架构。 比如 ZooKeeper、HBase 就是 CP 架构,Cassandra、Eureka 就是 AP 架构,Nacos 不仅支持 CP 架构也支持 AP 架构。
为啥不大概选择 CA 架构呢? 举个例子:若系统出现“分区”,系统中的某个节点在举行写操作。为了保证 C, 必须要禁止其他节点的读写操作,这就和 A 发生辩论了。如果为了保证 A,其他节点的读写操作正常的话,那就和 C 发生辩论了。
例如:假设有一个分布式数据库,分布在两个数据中心A和B。如果A和B之间的网络毗连断开:
选择 CP 还是 AP 的关键在于当前的业务场景,没有定论,比如对于需要确保强一致性的场景如银行一样平常会选择保证 CP 。
另外,需要补充说明的一点是:如果网络分区正常的话(系统在绝大部分时候所处的状态),也就说不需要保证 P 的时候,C 和 A 能够同时保证。
CAP 实际应用案例

这里以注册中心来探讨一下 CAP 的实际应用。
下图是 Dubbo 的架构图。注册中心 Registry 在此中扮演了什么角色呢?提供了什么服务呢?
注册中心负责服务地址的注册与查找,相当于目次服务,服务提供者和消费者只在启动时与注册中心交互,注册中心不转发请求,压力较小。

常见的可以作为注册中心的组件有:ZooKeeper、Eureka、Nacos...。
ZooKeeper 通过可线性化(Linearizable)写入、全局 FIFO 顺序访问等机制来保障数据一致性。多节点摆设的情况下, ZooKeeper 集群处于 Quorum 模式。Quorum 模式下的 ZooKeeper 集群, 是一组 ZooKeeper 服务器节点构成的聚集,此中大多数节点必须同意任何变更才能被视为有效。
由于 Quorum 模式下的读请求不会触发各个 ZooKeeper 节点之间的数据同步,因此在某些情况下还是大概会存在读取到旧数据的情况,导致不同的客户端视图上看到的结果不同,这大概是由于网络耽误、丢包、重传等缘故起因造成的。ZooKeeper 为相识决这个问题,提供了 Watcher 机制和版本号机制来资助客户端检测数据的变革和版本号的变更,以保证数据的一致性。
总结

在举行分布式系统设计和开发时,不应该仅仅范围在 CAP 问题上,还要关注系统的扩展性、可用性等等
在系统发生“分区”的情况下,CAP 理论只能满足 CP 或者 AP。要注意的是,这里的条件是系统发生了“分区”
如果系统没有发生“分区”的话,节点间的网络毗连通讯正常的话,也就不存在 P 了。这个时候,我们就可以同时保证 C 和 A 了。
总结:如果系统发生“分区”,我们要考虑选择 CP 还是 AP。如果系统没有发生“分区”的话,我们要思考怎样保证 CA 。
BASE 理论

BASE 理论起源于 2008 年, 由 eBay 的架构师 Dan Pritchett 在 ACM 上发表。
简介

BASEBasically Available(基本可用)Soft-state(软状态)Eventually Consistent(最终一致性) 三个短语的缩写。BASE 理论是对 CAP 中一致性 C 和可用性 A 权衡的结果,是对CAP中AP的一个延伸,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 理论的核心头脑

纵然无法做到强一致性,但每个应用都可以根据自身业务特点,采用得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“重要可用”。
BASE 理论本质上是对 CAP 的延伸和补充,更具体地说,是对 CAP 中 AP 方案的一个补充。
为什么这样说呢?
如果系统没有发生“分区”的话,节点间的网络毗连通讯正常的话,也就不存在 P 了。这个时候,我们就可以同时保证 C 和 A 了。因此,如果系统发生“分区”,我们要考虑选择 CP 还是 AP。如果系统没有发生“分区”的话,我们要思考怎样保证 CA 。
因此,AP 方案只是在系统发生分区的时候放弃一致性,而不是永远放弃一致性。在分区故障恢复后,系统应该达到最终一致性。这一点其实就是 BASE 理论延伸的地方。
BASE 理论三要素


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。
什么叫允许损失部分可用性呢?

基本可用的核心特性
基本可用的实现方式
应用场景
软状态

软状态指允许系统中的数据存在中心状态(CAP 理论中的数据不一致),并认为该中心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举行数据同步的过程存在延时。

Soft State 的核心特性
Soft State 的实现方式
应用场景
最终一致性

最终一致性强调的是系统中所有的数据副本,在颠末一段时间的同步后,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。
分布式一致性的 3 种级别:
业界比较推许是最终一致性级别,但是某些对数据一致要求非常严格的场景比如银行转账还是要保证强一致性。
那实现最终一致性的具体方式是什么呢? 《分布式协议与算法实战》 中是这样介绍:
比较推荐 写时修复,这种方式对性能消耗比较低。

最终一致性的核心特性
最终一致性的实现方式
应用场景
BASE理论实际应用案例

在一个大型社交媒体平台上,用户可以在线更新他们的个人状态(例如,发布心情、形貌活动等)。该平台有多个数据中心,分布在不同的地理位置,以支持全球用户的低耽误访问。为了能够快速响应用户请求并保持高可用性,该平台选择遵循BASE原则。
符合BASE原则的特征:
3. 基本可用(Basically Available):
- 在这个系统中,纵然有部分数据中心出现故障,其他数据中心依然可以处理用户的状态更新和查看请求。
- 用户可以不间断地继续发布状态,而不需要等待所有数据中心同步完成。
BASE原则是对CAP中一致性和可用性权衡的结果,它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。
在Java分布式系统开发中,我们常常需要根据具体业务需求来选择恰当的原则。例如:
在实际应用中,我们大概会使用各种技术和框架来实现这些原则,如分布式事件、最终一致性等。理解这些原则对于设计可靠的分布式系统至关重要。
总结

ACID 是数据库事件完整性的理论,CAP 是分布式系统设计理论,BASE 是 CAP 理论中 AP 方案的延伸
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,和传统事件的 ACID 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是不一致的。
往期推荐


免责声明:如果侵犯了您的权益,请联系站长,我们会及时删除侵权内容,谢谢合作!更多信息从访问主页:qidao123.com:ToB企服之家,中国第一个企服评测及商务社交产业平台。




欢迎光临 ToB企服应用市场:ToB评测及商务社交产业平台 (https://dis.qidao123.com/) Powered by Discuz! X3.4