【分布式系统】分布式系统架构的冰与火

什么是分布式系统

分布式系统（distributed system）是建立在网络之上的软件系统。

以上是摘自百度百科的解释，不可否则，分布式系统的基础是网络、计算、存储。比如常见的一个Web单体系统，其实也是一个分布式系统，因为从客户端到Web端以及存储MySQL层，其实就涉及到了不同的服务器进行计算、存储，而具体的形式可能是不一样的。主从MySQL也是分布式系统等等，但是从传统定义上来看，分布式系统其实可能有不同的形态。

分布式和集群的区别
分布式：多台机器提供不同的任务。集群：多台机器提供相同的任务。
比如我们有3台机器，3台机器分别部署了用户服务，那么就是集群模式，但是3台机器同时也部署了订单系统以及相关的支付、库存系统，那么整个架构就是分布式架构，因为用户->订单->库存->支付构成了整体，大多数的时候都是分布式和集群模式混合在一起。

为什么需要分布式系统

• 增大系统的容量
  当我们的业务量逐渐增大，单机所能承受的QPS、TPS是有一定上限的，所以为了从计算和存储两个层面，通过多台机器来支持应对更大的应用场景。

• 提高系统的稳定性
  单机系统是必定存在单点故障的，为了保证高可用，所以需要进行分布式架构冗余来提升可用性。

• 系统的可拓展性
  通过将系统进行拆分，多个系统的可拓展性会提交，并且可能会随着不同的组件模块、多个系统之间可以直接重用，比如用户中心，存储等。

分布式系统的冰火

在软件系统中，都是按起葫芦起了瓢，虽然可以通过引入分布式系统来解决上述单体架构的问题，但是分布式也引入了一系列相关问题。这可能就是trade-off的艺术。正所谓冰火不相容。

分布式系统带来的问题

• 架构设计变的复杂，分布式事务（电商系统 下订单-库存-支付不同的系统 如何保证业务数据的一致性）
• 部署层面，部署一个服务比较简单，但是如何部署多个服务。
• 响应时间变长，一个单独的服务A，直接操作存储，缓存 消息队列等，但是如果A 拆分成（B、C、D）其中必定有一定的网络耗时，（http/RPC）
• 测试和排查问题 复杂度提高，需要依赖上下游系统进行排查。
• 分布式系统中服务调度更加困难和复杂
• 分布式网络的不可靠，网络延迟以及时钟问题。

总结：分布式带来了系统设计，管理，运维，测试，部署等问题。这就是为什么会出现各种分布式技术的原因，比如事务、锁、以及相关的分布式存储、计算(服务注册发现等)等技术。

分布式系统的难点

• 异构系统的不标准
• 系统架构中服务依赖性问题
• 故障发生的概率更大
• 多层架构的运维复杂度更大

分布式系统的发展

从90年的单体系统到20年的SOA以及10年之后大火的微服务。

分布式系统的技术栈

构建分布式系统的目的就是为了提高系统容量，增加系统可用性。

• 大流量处理：通过集群把大流量的请求分散负载到不同的机器上
• 关键业务保护：提高系统的的可用性，防止出现多米诺骨牌效应，通过限流，降级等手段来保证核心业务的正常运转。

总结：提高整体架构的吞吐量，服务更多的并发和流量。而是提高系统的稳定性，让系统的可用性更高。

a.提高架构的性能

• 缓存
  从客户端、CDN、网关、服务端、内存、数据库、文件系统、磁盘和CPU 都可以通过加缓存，来提高访问的速度。
• 负载均衡
  水平拓展的技术，通过将用户请求分发到不同的机器上来承担一部分用户流量
• 异步调用
  主要通过消息队列来实现，将前段的请求的峰值给肖平，后端按照自己的速度进行处理请求，增加系统的吞吐量，但是实时性就比较差。但是消息队列带来了消息丢失，重复消费，消息挤压等问题。
• 数据分区/镜像
  数据分区是通过将数据按照某种维度进行划分，比如地理上，请求最近的数据，但是join和跨库的事务操作复杂度比较高。而数据镜像则是通过将数据拷贝一份，然后任意节点上都可以读写，内部自行同步数据，最大问题就是数据一致性问题。

缓存是提高读的性能，而异步调用是提高写的性能，负载均衡技术主要是通过服务冗余将流量进行分担，在分布式架构中，数据存储是一个重中之重，而一般要么就是使用镜像/复制技术，将数据进行拷贝，读写分离，另一种就是将数据分成多片，每片存储在不同服务器上，这样可以横行提高数据读写能力

b.提高架构的稳定性

• 服务拆分
  服务拆分的目的主要是两个，一是隔离故障，二是提高重用性。但是拆分后会引来服务之间依赖通信问题
• 服务冗余
  去除单点故障，支持服务的弹性伸缩，以及故障迁移。具体形式可能是主备、主从。
• 限流降级
  当系统是在扛不住压力的时候，需要通过限流或者降级的方式来保证核心业务的正常运转，属于技术保护的措施。
• 高可用架构
  通常来说高可用架构是从冗余架构的角度来保证可用性，多租户隔离，容灾备份(异地多活/同城多机房、跨城多机房、跨国多机房)，或者数据可以在复制保持一致性的集群。
• 高可用运维
  DevOps中的CI/CD（持续集成、持续部署）一个流程的软件发布流程，足够的自动化测试，相应的灰度发布，线上系统的自动化控制。

c.分布式系统的关键技术

虽然引入分布式可以解决一定的问题，但是也带来了一堆技术问题

• 服务治理
  服务拆分、服务调用、服务发现、服务依赖。关键在于对服务调用链路，依赖关系给梳理出来，并对这些服务进行性能和可用性方面的管理
• 软件架构管理
  服务之间有依赖关系，有兼容性问题，所以整体服务所形成的架构需要有架构版本管理，整体架构的生命周期管理，以及对服务的编排，聚合，事务处理等服务调度功能
• DevOps
  分布式服务可以快读的部署，但是对测试和运维是一个挑战，包括环境构建、持续集成、持续部署等
• 自动化运维
  对服务进行自动伸缩、故障迁移、配置管理、状态管理等一系列自动化运维技术了
• 资源调度管理
  应用层的 计算 网络 存储
• 整体架构监控
  监控是眼睛，需要对 应用层、中间件层、基础层进行监控
• 流量控制
  负载均衡、服务路由、熔断、限流、降级都和流量相关的调度，以及灰度发布等。

d.分布式系统的纲

分布式五个关键技术

• 全栈系统监控
• 服务、资源调度
• 流量调度
• 状态、数据调度
• 开发和运维的自动化

小结

以上是我整理的分布式技术栈思维图，基本上可以分为几个主题

• 分布式理论基础
  • ACID、CAP、BASE、FLP
• 分布式共识算法
  • 两将军、拜占庭将军
  • Paxos、Raft、ZAB、Gossip
• 分布式存储
  • 分区、复制、一致性模型
  • 分布式事务
• 分布式计算
  • 注册发现、负载均衡、配置中心、分布式锁、重试幂等、雪崩、故障恢复，监控、部署
• 高性能架构设计
  • 缓存、负载均衡、异步、数据镜像、分区
• 高可用架构设计
  • 弹力设计篇： 故障和弹力设计、隔离设计、异步通讯设计、幂等&重试&补偿、熔断、限流、降级、排队
  • 异地多活
  • 存储、计算高可用：主从、主备
  • 高可用运维
• 可拓展架构设计
  • 分层、SOA、微服务、微内核
• 软件设计
  • 编程范式
  • 软件设计原则
    • SOLID原则
  • 设计模式
  • 设计方法