分布式理论CAP,BASE

什么是CAP理论?

CAP理论指的是一个分布式系统最多只能同时满足一致性(Consistency)、可用性(Availability)和分区容错性(Partition tolerance)这三项中的两项。

Consistency 一致性 对于客户端的每次读操作,要么读到的是最新的数据,要么读取失败。换句话说,一致性是站在分布式系统的角度,对访问本系统的客户端的一种承诺:要么我给您返回一个错误,要么我给你返回绝对一致的最新数据,不难看出,其强调的是数据正确。

(1)强一致性 对于关系型数据库,要求更新过的数据能被后续的访问都能看到,这是强一致性。

(2)弱一致性 数据更新后,如果能容忍后续的访问只能访问到部分或者全部访问不到,则是弱一致性。

(3)最终一致性 如果经过一段时间后要求能访问到更新后的数据,则是最终一致性。

Availability可用性 任何客户端的请求都能得到响应数据,不会出现响应错误。换句话说,可用性是站在分布式系统的角度,对访问本系统的客户的另一种承诺:我一定会给您返回数据,不会给你返回错误,但不保证数据最新,强调的是不出错。

Partition tolerance分区容忍性 由于分布式系统通过网络进行通信,网络是不可靠的。分区容错性指在遇到某节点或网络分区故障的时候,仍然能够对外提供满足一致性和可用性的服务。换句话说,分区容忍性是站在分布式系统的角度,对访问本系统的客户端的再一种承诺:我会一直运行,不管我的内部出现何种数据同步问题,强调的是不挂掉。

CAP权衡

之前提到,CAP理论说一个分布式系统不可能同时满足C、A、P这三个特性。那么我们就来分析C、A、P的权衡吧。

对于一个分布式系统而言,P分区容忍性是前提,必须保证,因为只要有网络交互就一定会有延迟和数据丢失,这种状况我们必须接受,必须保证系统不能挂掉。所以只剩下C、A可以选择。要么保证C数据一致性(保证数据绝对正确),要么保证A可用性(保证系统不出错)。

满足CA舍弃P,也就是满足一致性和可用性,舍弃容错性。但是这也就意味着你的系统不是分布式的了,因为涉及分布式的想法就是把功能分开,部署到不同的机器上。

其实这里有个关于CAP理论理解的误区。不要以为在所有时候都只能选择两个特性。在不存在网络失败的情况下(分布式系统正常运行时),C和A能够同时保证。只有当网络发生分区或失败时,才会在C和A之间做出选择。

当选择了C(一致性)时,要求返回的是最新的正确数据,如果由于网络分区而无法保证特定信息是最新的,则系统将返回错误或超时。

当选择了A(可用性)时,要求请求都能得到响应数据,不会出现响应错误。系统将始终处理客户端的查询并尝试返回最新的可用的信息版本,即使由于网络分区而无法保证其是最新的。

举例: 对于多数大型互联网应用的场景,主机众多、部署分散,而且现在的集群规模越来越大,所以节点故障、网络故障是常态,而且要保证服务可用性达到N个9,即保证P分区容忍性和A可用性,舍弃C(退而求其次保证最终一致性)。虽然某些地方会影响客户体验,但没达到造成用户流程的严重程度。像12306还有淘宝网,就好比是你买火车票,本来你看到的是还有一张票,其实在这个时刻已经被买走了,你填好了信息准备买的时候发现系统提示你没票了。这就是牺牲了一致性。

对于涉及到钱财这样不能有一丝让步的场景,C一致性必须保证。网络发生故障宁可停止服务,这是保证CA,舍弃P。貌似这几年国内银行业发生了不下10起事故,但影响面不大,报到也不多,广大群众知道的少。还有一种是保证CP,舍弃A。例如网络故障事只读不写。

什么是BASE理论?

BASE理论是基于CAP理论逐步演化而来的,是CP(强一致性)和AP(强可用性)权衡的结果。 BASE理论的核心思想是:即使无法做到强一致性,但应用可以采用适合的方式达到最终一致性(Eventual Consitency)。也就是说它是通过牺牲数据的强一致性来保证可用性的。

BASE是指基本可用BA(Basically Available)、软状态S( Soft State)、最终一致性E( Eventual Consistency)。

基本可用(Basically Available) 基本可用是指分布式系统在出现故障的时候,允许损失部分可用性,即保证核心可用。 电商大促时,为了应对访问量激增,部分用户可能会被引导到降级页面,服务层也可能只提供降级服务。这就是损失部分可用性的体现。

软状态( Soft State) 软状态也称为弱状态,与硬状态相对,是指允许系统存在中间状态,而该中间状态不会影响系统整体可用性。即允许不同节点间数据副本之间进行数据同步的过程存在延时

最终一致性( Eventual Consistency) 最终一致性是指系统中的所有数据副本经过一定时间后,最终能够达到一致的状态。弱一致性和强一致性相反,最终一致性是弱一致性的一种特殊情况。

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