分布式架構(gòu)之美

一、前言

我們都知道，當(dāng)今無論在BAT這樣的大公司，還是各種各樣的小公司，甚至是傳統(tǒng)行業(yè)剛轉(zhuǎn)互聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)都開始使用分布式架構(gòu)，那么什么叫分布式架構(gòu)呢？分布式架構(gòu)有什么好處呢？分布式架構(gòu)經(jīng)過了怎樣的發(fā)展呢？是哪家企業(yè)開啟了分布式架構(gòu)的時代呢？讀完本文，你就會得到這些答案，下面讓我們一起來開啟分布式概述的奇妙之旅吧！

二、分布式架構(gòu)的發(fā)展歷史

1946年2.14日，那是一個浪漫的情人節(jié) , 世界上第一臺電子數(shù)字計算機在美國賓夕法尼亞大學(xué)誕生了，她的名字叫ENIAC。這臺計算機占地170平米、重達 30 噸，每秒可以進行 5000 次加法運算。

第一臺電子計算機誕生以后，就意味著一個日新月異的 IT 時代到來了。單臺計算機的性能不斷得到提升，從最早的 8 位 CPU 到現(xiàn)在的 64 位 CPU;從早期的 MB 級內(nèi)存到現(xiàn)在的 GB 級別內(nèi)存;從慢速的機械存儲到現(xiàn)在的固態(tài) SSD 硬盤存儲。

ENIAC 之后，電子計算機就進入了 IBM 主導(dǎo)的大型機時代。1964 年 4 月 7 日，在吉恩.阿姆達爾(IBM 大型機之父, 被認為是有史以來最偉大的計算機設(shè)計師之一)的帶領(lǐng)下，耗費 50 億美元，歷時三年，第一臺 IBM 大型機 SYSTEM/360 誕生了。這使得 IBM 在 20 世紀(jì) 50~60 年代統(tǒng)治著整個大型計算機工業(yè)，奠定了 IBM 計算機帝國的基礎(chǔ)。IBM 大型機曾支撐美國航天登月計劃，IBM 主機一直服務(wù)于金融等核心行業(yè)的關(guān)鍵領(lǐng)域。由于超強的計算能力和高可靠性，即使在 X86 和云計算高速發(fā)展的背景下,IBM 的大型機依然牢牢占據(jù)著一定的高端市場份額。

20 世紀(jì) 80 年代，在大型機霸權(quán)的時代下，計算機的架構(gòu)同時向兩個方向發(fā)展：

以 CISC (微處理器執(zhí)行的計算機語言指令集) CPU 為架構(gòu)的面向個人、價格便宜的PC。

以 RISC (精簡指令集計算機) CPU 為架構(gòu)的面向企業(yè)、價格昂貴的小型 UNIX 服務(wù)器。

三、分布式架構(gòu)發(fā)展的里程碑

大型主機憑借著大型機超強的計算和 I/O 處理能力、安全性、 穩(wěn)定性等，在很長一段時間內(nèi)，大型機引領(lǐng)著計算機行業(yè)及商業(yè)計算領(lǐng)域的發(fā)展。而集中式的計算機系統(tǒng)架構(gòu)也漸漸成為了主流。但是隨著社會的發(fā)展，這種架構(gòu)越來越難以適應(yīng)企業(yè)的需求，比如說：

大型主機復(fù)雜性高，培養(yǎng)一個能夠熟練運維大型主機的人成本很高。

大型主機很貴，一般只有土豪機構(gòu)(政府、電信、金融)才能用得起。

會有單點問題，一旦大型主機出現(xiàn)故障，那整個系統(tǒng)就將處于不可用的狀態(tài)。而對于大型機的使用機構(gòu)來說，這種不可用導(dǎo)致的損失是非常具大的。

由于科技的進步、技術(shù)的發(fā)展，PC 機性能得到了不斷提升，所以很多企業(yè)放棄大型機改用小型機及普通 PC 來搭建系統(tǒng)架構(gòu)。

IOE 指的是 IBM 小型機、Oracle 數(shù)據(jù)庫、EMC 的高端存儲。阿里巴巴2009 年“去 IOE”戰(zhàn)略技術(shù)總監(jiān)透露，截止到 2013 年 5 月 17 日阿里巴巴最后一臺 IBM 小型機在支付寶下線。

隨著業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，阿里巴巴業(yè)務(wù)量和數(shù)據(jù)量呈爆發(fā)性增長，傳統(tǒng)集中式 Oracle 數(shù)據(jù)庫架構(gòu)在系統(tǒng)的擴展性方面遭遇到了瓶頸。 傳統(tǒng)的商業(yè)數(shù)據(jù)庫軟件(Oracle,DB2)多以集中式架構(gòu)為主， 那么這些傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件的最大特點就是將所有的數(shù)據(jù)都集中在 一個數(shù)據(jù)庫中，只能依靠大型高端設(shè)備來提供高處理能力和擴展性。 集中式數(shù)據(jù)庫的擴展性主要采用向上擴展(Scale up)的方式， 通過增加 CPU、內(nèi)存、磁盤等方式提高系統(tǒng)處理能力。這種集中式數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)，使得數(shù)據(jù)庫成為了整個系統(tǒng)的瓶頸，已經(jīng)越來越不能適應(yīng)海量數(shù)據(jù)對計算能力的要求。

四、分布式系統(tǒng)的意義

之所以要發(fā)展分布式系統(tǒng)架構(gòu)，是因為單機系統(tǒng)存在著如下諸多缺點等待被解決：

升級單機處理能力的性價比越來越低

我們知道單機的處理能力主要依靠 CPU、內(nèi)存、磁盤。通過升級硬件來這種垂直擴展的方式來提升性能，成本會越來越高。性價比會越來越低。

單機處理能力存在瓶頸

并且單機處理能力存在瓶頸，CPU、內(nèi)存、磁盤都會有自己的性能瓶頸， 就算你是土豪不惜成本去提升硬件，但是硬件的發(fā)展速度和性能也還是有限制的。

穩(wěn)定性和可用性這兩個指標(biāo)很難達到

最后就是單機系統(tǒng)存在可用性和穩(wěn)定性的問題，這兩個指標(biāo)又是我們亟待要去解決的問題。

五、分布式架構(gòu)的常見概念

小張開了一家小飯店，剛開始的時候店里只有一個廚師，切菜洗菜備料炒菜全干。后來由于飯香甜可口，人流量越來越多了，一個廚師忙不過來了，小張又請了兩個廚師，那么這時候三個廚師炒一樣的菜，做相同的切菜洗菜備料炒菜等工作，那這三個廚師的關(guān)系是集群。也就意味著來一個顧客，只有其中的一個廚師會為這個顧客服務(wù)。

又經(jīng)過一段時間，店里的生意更加火爆了，小張為了讓廚師們能專心炒菜，把菜做到極致，又請了個配菜師負責(zé)切菜、備菜、備料，那么廚師和配菜師的關(guān)系是分布式，后來一個配菜師也忙不過來了，小張就又請了兩個配菜師，三個配菜師關(guān)系也是集群。

節(jié)點是指一個可以獨立按照分布式協(xié)議完成一組邏輯的程序個體。在具體的項目中，一個節(jié)點表示的是一個操作系統(tǒng)上的進程。 那這里的每一個配菜師和廚師都是一個節(jié)點。

副本(replica/copy)是指在分布式系統(tǒng)中為數(shù)據(jù)或服務(wù)提供的冗余。 數(shù)據(jù)副本指在不同的節(jié)點上持久化同一份數(shù)據(jù)，當(dāng)某一個節(jié)點出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失時，可以從副本上恢復(fù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)副本是分布式系統(tǒng)中解決數(shù)據(jù)丟失問題的唯一手段。 服務(wù)副本表示多個節(jié)點提供相同的服務(wù)，通過主從關(guān)系來實現(xiàn)服務(wù)高可用的方案。

中間件位于操作系統(tǒng)提供的服務(wù)之外，但又不屬于應(yīng)用，他是位于應(yīng)用和系統(tǒng)層之間的、為開發(fā)者方便的處理通信、輸入輸出的一類軟件，能夠讓用戶只關(guān)心自己應(yīng)用的部分。

六、分布式領(lǐng)域中馮諾依曼模型的變化

上圖是經(jīng)典理論-馮.諾依曼體系，計算機硬件由運算器、 控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分組成。不管架構(gòu)怎么變化，計算機仍沒有跳出該體系的范疇。

輸入設(shè)備的變化

分布式系統(tǒng)架構(gòu)中，輸入設(shè)備可以分兩類：第一類是互相連接的多個節(jié)點，在接收其他節(jié)點傳來的信息作為該節(jié)點的輸入;另一種就是傳統(tǒng)意義上的人機交互的輸入設(shè)備了。

輸出設(shè)備的變化

分布式系統(tǒng)架構(gòu)中，輸出也分兩類，一種是系統(tǒng)中的節(jié)點向其他節(jié)點傳輸信息時，該節(jié)點可以看作是輸出設(shè)備;另一種就是傳統(tǒng)意義上的人際交互的輸出設(shè)備，比如用戶的終端。

控制器的變化

在單機中，控制器指的是 CPU 中的控制器，在分布式系統(tǒng)中，控制器主要的作用是協(xié)調(diào)或控制節(jié)點之間的動作和行為; 比如硬件負載均衡器;LVS 軟負載;規(guī)則服務(wù)器等等。

運算器

分布式系統(tǒng)中，運算器是由多個節(jié)點來組成的。運用多個節(jié)點的計算能力來協(xié)同完成整個計算任務(wù)。

存儲器

分布式系統(tǒng)中，我們需要把承擔(dān)存儲功能的多個節(jié)點組織在一起， 組成一個整體的存儲器;比如數(shù)據(jù)庫、redis(key-value 存儲) 。

七、分布式系統(tǒng)的難點

毫無疑問，分布式系統(tǒng)對于集中式系統(tǒng)而言，在實現(xiàn)上會更加 復(fù)雜。分布式系統(tǒng)將會是更難理解、設(shè)計、構(gòu)建 和管理的，同 時意味著應(yīng)用程序的根源問題更難發(fā)現(xiàn)。

三態(tài)

在集中式架構(gòu)中，調(diào)用一個接口返回的結(jié)果只有兩種， 成功或失敗。但是在分布式架構(gòu)中，會出現(xiàn)“超時”這個狀態(tài)。

分布式事務(wù)

這其實是一個老生常談的問題，我們都知道事務(wù)就是一系列操作的原子性保證，在單機的情況下，我們能夠依靠本機的數(shù)據(jù)庫連接和組件很輕易的做到事務(wù)控制，但在分布式架構(gòu)下，業(yè)務(wù)原子性操作很可能是跨服務(wù)的，這樣就會導(dǎo)致分布式事務(wù)。比如 A 、B 操作分別是在不同服務(wù)下的同一個事務(wù)內(nèi)的操作，A 調(diào)用 B，如果A可以清楚的知道 B 是否成功提交從而控制自身提交還是回滾，但我們知道在分布式系統(tǒng)調(diào)用中會出現(xiàn)一個新狀 態(tài)就是超時，就是 A 并無法知道 B 是成功還是失敗，這個時候 A 是提交本地事務(wù)還是執(zhí)行回滾呢？這其實是一個很難的問題，如果要強行保證事務(wù)一致性，可以采取分布式鎖，但那樣會增加系統(tǒng)復(fù)雜度而且會增大系統(tǒng)的開銷，而且事務(wù)跨越的服務(wù)越多， 消耗的資源越大，性能越低，那么最好的解決方案就是避免分布式事務(wù)。 還有一種解決方案就是重試機制，但是重試如果不是查詢接口， 久必然涉及到數(shù)據(jù)庫的變更，如果第一次調(diào)用成功但是沒返回成功結(jié)果，那調(diào)用方第二次調(diào)用對調(diào)用方來說依然是重試，但是此時對于被調(diào)用方來說是重復(fù)調(diào)用，例如 A 向 B 轉(zhuǎn)賬，A-100，B + 100，這樣會導(dǎo)致 A 扣了 100，而 B 增加 200。這樣的結(jié)果并不是我們期望的，因此需在要寫入的接口做冪等設(shè)計(多次調(diào)用和單次調(diào)用是一樣的效果)。通常可以設(shè)置一個唯一鍵，在寫入的時候查詢是否已經(jīng)存在，避免重復(fù)寫入。但是冪等設(shè)計的一 個前提就是服務(wù)高可用，否則無論怎么重試都不能調(diào)用返回一個明確的結(jié)果,那調(diào)用方會一直等待，雖然可以限制重試的次數(shù)， 但是這已經(jīng)進入異常狀態(tài)了，甚至到了極端情況還需要人肉補償處理。其實根據(jù)?CAP?和?BASE?理論，不可能在高可用分布式情況下做到一致性，一般都是最終一致性保證。

負載均衡

為了達到服務(wù)高可用，每個服務(wù)至少是部署兩臺機器，因為互聯(lián)網(wǎng)公司一般使用可靠性不是很高的普通機器， 長期運行宕機概率很高，所以兩臺機器能夠大大降低服務(wù)不可用的可能性，而大型項目往往會采用十幾臺甚至上百臺來部署一 個服務(wù)，這不僅是保證服務(wù)的高可用，更是為了提升服務(wù)的 QPS， 但是這樣又帶來一個問題，一個請求過來到底路由到哪臺機器呢？ 路由算法很多，有 DNS 路由，如果 session 在本機，還會根據(jù)用戶 id 或則 cookie 等信息路由到固定的機器，當(dāng)然現(xiàn)在應(yīng)用服務(wù)器為了擴展的方便都會設(shè)計為無狀態(tài)的，session 會保存到專有的 session 服務(wù)器，所以一般不會涉及到拿不到 session 問 題。那路由規(guī)則是隨機獲取么？這是一個方法，但是據(jù)我所知， 實際情況肯定比這個復(fù)雜得多，在一定范圍內(nèi)隨機，但是在大范圍也會分為很多個域，比如如果為了保證異地多活的多機房， 夸機房調(diào)用的開銷太大，肯定會優(yōu)先選擇同機房的服務(wù)，這個 要參考具體的機器分布來考慮。

一致性

數(shù)據(jù)被分散或者復(fù)制到不同的機器上，如何保證各臺主機之間的數(shù)據(jù)一致性將成為一個難點。

故障的獨立性

分布式系統(tǒng)由多個節(jié)點組成，整個分布式系統(tǒng)完全出問題的概率是存在的，但是在實踐中出現(xiàn)更多的是某個節(jié)點出問題，其他節(jié)點都沒問題。這種情況下我們實現(xiàn)分布式系統(tǒng)時需要考慮得更加全面些。

八、總結(jié)

通過本文分布式系統(tǒng)的概述，我們就對分布式有了一個很直觀的了解，里面涉及到的技術(shù)還是蠻多的，后面的文章中，我們一點點的來啃這些硬骨頭。為我們的成長加油吧~

分布式 存儲

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