分布式系統(tǒng)的特征、瓶頸以及性能指標(biāo)介紹

作者：小灰灰blog 2022-08-16 09:23:54

本文將從三個(gè)方面來(lái)講述一下我理解的"分布式系統(tǒng)"。

分布式的概念存在年頭有點(diǎn)久了，在正式進(jìn)入我們《分布式專欄》之前，感覺(jué)有必要來(lái)聊一聊，什么是分布式，分布式特點(diǎn)是什么，它又有哪些問(wèn)題，在了解完這個(gè)概念之后，再去看它的架構(gòu)設(shè)計(jì)，理論奠基可能幫助會(huì)更大。

本文將從三個(gè)方面來(lái)講述一下我理解的"分布式系統(tǒng)"：

分布式系統(tǒng)的特點(diǎn)

分布式系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

如何衡量一個(gè)分布式系統(tǒng)

1.分布式系統(tǒng)特點(diǎn)

什么是分布式系統(tǒng)，看一下wiki上的描述

1.1 定義

分布式系統(tǒng)（distributed system）是建立在網(wǎng)絡(luò)之上的軟件系統(tǒng)。正是因?yàn)檐浖奶匦裕苑植际较到y(tǒng)具有高度的內(nèi)聚性和透明性。因此，網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)之間的區(qū)別更多的在于高層軟件（特別是操作系統(tǒng)），而不是硬件

分布式系統(tǒng)（建立在網(wǎng)絡(luò)之上的軟件系統(tǒng)）_百度百科

分布式操作系統(tǒng)（Distributed operating system），是一種軟件，它是許多獨(dú)立的，網(wǎng)絡(luò)連接的，通訊的，并且物理上分離的計(jì)算節(jié)點(diǎn)的集合[1]。每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含全局總操作系統(tǒng)的一個(gè)特定的軟件子集。每個(gè)軟件子集是兩個(gè)不同的服務(wù)置備的復(fù)合物[2]。第一個(gè)服務(wù)是一個(gè)普遍存在的最小的內(nèi)核，或微內(nèi)核，直接控制該節(jié)點(diǎn)的硬件。第二個(gè)服務(wù)是協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立的和協(xié)同的活動(dòng)系統(tǒng)管理組件的更高級(jí)別的集合。這些組件抽象微內(nèi)核功能，和支持用戶應(yīng)用程序[3]。

分布式操作系統(tǒng) - 維基百科，自由的百科全書

Distributed system: is a system in which components located on networked computers communicate and coordinate their actions by passing messages. The components interact with each other in order to achieve a common goal[3].

Distributed systems - Computer Science Wiki

雖然上面幾個(gè)描述不完全相同，但是含義其實(shí)也差不了太多；基于我個(gè)人的理解，用大白話來(lái)描述一下分布式系統(tǒng)，就是“一個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)能力，由網(wǎng)絡(luò)上多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同提供”，正如其名的“分布一詞”

在了解完分布式系統(tǒng)的概念之后，接下來(lái)抓住其主要特點(diǎn)，來(lái)加深這個(gè)分布式的理解

1.2 分布性

分布式系統(tǒng)分布在多個(gè)節(jié)點(diǎn)（可以理解為多個(gè)計(jì)算機(jī)），這些節(jié)點(diǎn)可以是網(wǎng)絡(luò)上任意的一臺(tái)計(jì)算機(jī)，即在空間上沒(méi)有原則性的限制

1.3 對(duì)等性

分布式系統(tǒng)中有很多的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有主從、優(yōu)劣直說(shuō)，它們應(yīng)該是對(duì)等的，從服務(wù)能力來(lái)說(shuō)，訪問(wèn)分布式系統(tǒng)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)服務(wù)請(qǐng)求應(yīng)該都是等價(jià)的

看到這里可能就會(huì)有一個(gè)疑問(wèn)了，分布式系統(tǒng)中經(jīng)典主從架構(gòu)，數(shù)據(jù)拆分架構(gòu)，就不滿足這個(gè)對(duì)等特性了啊（這個(gè)問(wèn)題先留著，后續(xù)再詳情中進(jìn)行解答）

1.4 自治性

分布式系統(tǒng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的計(jì)算能力，各自具有獨(dú)立的處理數(shù)據(jù)的功能。通常，彼此在地位上是平等的，無(wú)主次之分，既能自治地進(jìn)行工作，又能利用共享的通信線路來(lái)傳送信息，協(xié)調(diào)任務(wù)處理。

1.5 并發(fā)性

分布式系統(tǒng)既然存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么天然就存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)的同事響應(yīng)請(qǐng)求的能力，即并發(fā)性支持，如何做好分布式系統(tǒng)的并發(fā)控制則是所有分布式系統(tǒng)需要解決的一個(gè)問(wèn)題

2. 分布式系統(tǒng)面臨的問(wèn)題

當(dāng)系統(tǒng)分布在多個(gè)節(jié)點(diǎn)之上時(shí)，自然而然就帶來(lái)了很多單機(jī)場(chǎng)景下不會(huì)有問(wèn)題，如經(jīng)典的分布式系統(tǒng)的8個(gè)謬誤 | 一灰灰Learning

2.1 全局時(shí)鐘

分布式系統(tǒng)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)，如何保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘一致？這個(gè)是需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題

我們知道大名鼎鼎的分布式主鍵生成算法 “雪花算法” 就是利用了機(jī)器時(shí)鐘來(lái)作為算法因子，如果一個(gè)系統(tǒng)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)不能保證時(shí)鐘統(tǒng)一，那這個(gè)算法的唯一性將無(wú)法得到保障

2.2 網(wǎng)絡(luò)延遲、異常

網(wǎng)絡(luò)是有開(kāi)銷的，多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信是有成本的，既然存在網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷、或異常狀況，那么如何保證多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)一致性呢？當(dāng)無(wú)法保證數(shù)據(jù)的一致性時(shí)，如何提供分布式系統(tǒng)的對(duì)等性呢？

在經(jīng)典的CAP理論中，對(duì)于P（網(wǎng)絡(luò)分區(qū)）一般都是需要保障的，一個(gè)系統(tǒng)存在多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，那么網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題將不可避免，網(wǎng)絡(luò)分區(qū)必然會(huì)存在

2.3 數(shù)據(jù)一致性

如何保證所有節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)完全一致是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，這個(gè)問(wèn)題比較好理解，我們操作分布式系統(tǒng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)修改，如果要保證數(shù)據(jù)一致性，則要求所有的節(jié)點(diǎn)，同步收到這個(gè)修改

但是我們需要注意的時(shí)，網(wǎng)絡(luò)是不可靠的，且網(wǎng)絡(luò)的傳輸是存在延遲的，如何衡量數(shù)據(jù)的一致性和服務(wù)的可用性則是我們?cè)谠O(shè)計(jì)一個(gè)分布式系統(tǒng)中需要取舍的

2.4 節(jié)點(diǎn)異常

機(jī)器宕機(jī)屬于不可抗力因素，如果分布式系統(tǒng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)宕機(jī)了，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)怎么樣？要如何確保機(jī)器宕機(jī)也不會(huì)影響系統(tǒng)的可用性呢？機(jī)器恢復(fù)之后，又應(yīng)該如何保證數(shù)據(jù)的一致性呢？又應(yīng)該如何判斷一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否正常呢？

2.5 資源競(jìng)爭(zhēng)

前面說(shuō)到分布式系統(tǒng)天然支持并發(fā)，那么隨之而來(lái)的問(wèn)題則是如何資源競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題；當(dāng)一個(gè)資源同一時(shí)刻只允許一個(gè)實(shí)例訪問(wèn)時(shí)，怎么處理？多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)資源是否會(huì)存在數(shù)據(jù)版本差異性（如經(jīng)典的ABA問(wèn)題）、數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題？

基于這個(gè)問(wèn)題，分布式鎖可以說(shuō)是應(yīng)運(yùn)而生，相信各位開(kāi)發(fā)大佬都不會(huì)陌生這個(gè)知識(shí)點(diǎn)

2.6 全局協(xié)調(diào)

這個(gè)協(xié)調(diào)怎么理解呢？舉幾個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)例

如何判斷分布式系統(tǒng)中那些節(jié)點(diǎn)正常提供服務(wù)，那些節(jié)點(diǎn)故障
如一個(gè)任務(wù)希望在分布式系統(tǒng)中只執(zhí)行一次，那么應(yīng)該哪個(gè)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行這個(gè)任務(wù)呢？
如一組有先后順序的請(qǐng)求發(fā)送給分布式系統(tǒng)，但是由于網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，可能出現(xiàn)后面的請(qǐng)求先被系統(tǒng)接收到，這種場(chǎng)景怎么處理呢？
一個(gè)用戶已經(jīng)登錄，如何在所有節(jié)點(diǎn)中確認(rèn)他的身份呢？

2.7 一灰灰的小結(jié)

實(shí)際上分布式系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)并不止于上面這些，一個(gè)具體的系統(tǒng)面臨的問(wèn)題可能各不相同，但總的來(lái)說(shuō)，分布式系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)會(huì)給我們非常好的指引方向，這一節(jié)推薦查看 * 分布式設(shè)計(jì)模式綜述 | 一灰灰Learning

3. 分布式系統(tǒng)的衡量指標(biāo)

最后再來(lái)看一下如何衡量一個(gè)分布式系統(tǒng)的“好差”，它的指標(biāo)有哪些

3.1 性能指標(biāo)

常見(jiàn)的性能指標(biāo)如rt, QPS, TPS來(lái)判斷一個(gè)系統(tǒng)的承載能力，重點(diǎn)關(guān)注是哪個(gè)要點(diǎn)

響應(yīng)延遲
并發(fā)能力
事務(wù)處理能力

3.2 可用性

這個(gè)就是傳說(shuō)中你的系統(tǒng)達(dá)到幾個(gè)9的那個(gè)指標(biāo)，即系統(tǒng)的異常時(shí)間占總的可用時(shí)間的比例

統(tǒng)的可用性可以用系統(tǒng)停服務(wù)的時(shí)間與正常服務(wù)的時(shí)間的比例來(lái)衡量，也可以用某功能的失敗次數(shù)與成功次數(shù)的比例來(lái)衡量。可用性是分布式的重要指標(biāo)，衡量了系統(tǒng)的魯棒性，是系統(tǒng)容錯(cuò)能力的體現(xiàn)。

3.3 擴(kuò)展性

系統(tǒng)的可擴(kuò)展性(scalability)指分布式系統(tǒng)通過(guò)擴(kuò)展集群機(jī)器規(guī)模提高系統(tǒng)性能（吞吐、延遲、并發(fā)）、存儲(chǔ)容量、計(jì)算能力的特性

最簡(jiǎn)單來(lái)講，就是你的系統(tǒng)能不能直接加機(jī)器，來(lái)解決性能瓶頸，如果能加機(jī)器，有沒(méi)有上限（如由于數(shù)據(jù)庫(kù)的連接數(shù)限制了機(jī)器的數(shù)量上限，如機(jī)器加到某個(gè)程度之后，服務(wù)能力沒(méi)有明顯提升）