Jeffrey Wang
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给偶遇的小萝莉讲明白什么是分布式

给偶遇的小萝莉讲明白什么是分布式

前言

事情要从半个月前说起,由于通勤距离比较长,通常会带一本书,最近带的书是 《深入理解分布式系统》,长这样:

然后在地铁上碰到一个小姑娘歪着脑袋看我拿着这本书的书皮,很可爱,而且还很有缘分的,空出了两个位置,坐到了一起。

当时在看 Paxos 算法部分的代码实现,看着她实在好奇的盯着我的书看,我决定克服社恐跟她聊聊。

先唠了唠嗑儿,了解了她的年级、课程、学习压力等等

她现在三年级,那天是去学校领暑假通知书,也许是因为父母户口在老家,所以在这边学校期末考试之后还要回老家的学校再考一次,每天作业传小程序,学习压力也不小。

再问了问她们学校的微机课,说是经常被数学老师占,老师会交一些 Word、画图等等基本操作,跟之前我小学时候的区别是,不用穿鞋套。

PS:现在都还记得没带鞋套被老师罚站在门口

什么是分布式系统

接下来的对话与现实情况相比有所缩减和扩展,毕竟对三年级的小朋友来说,引导兴趣和引发思考比较重要

我:(指着书皮)这几个字认识么

小萝莉:认识,深入理解分布式系统(一字字的念出来),但是不知道什么意思

我:你想听一个故事么,听完就知道这本书讲的什么了

小萝莉:想听(带点不好意思)

拜占庭将军问题

接下来我就把书开头的拜占庭将军问题简化的讲了讲

我:假如在古代,有两个将军想要进攻一个城市,他们想要进攻一个城市,需要两个人同时发起进攻,否则战争就会失败。

那么这时就需要双方约定几日几时开始进攻,但好巧不巧两个将军中间隔了一座山,那么问题就是,他们需要怎么传递消息,才能保证约定的时间无误呢

小萝莉想了想,说:可以飞鸽传书

我:但是鸽子也可能在半路被射下来,骑马也可能在山里迷路

小萝莉又说:可以放烟花,然后看到烟花就开始进攻

我:烟花在晚上很醒目,但是白天可能看不太清楚,要是另一方没有看到烟花,行动不就失败了么

小萝莉:我再想想,要是在现在,打一个电话过去就说清楚了

我:电话也可能存在干扰哦,比如我们现在在地铁里,给远方的人们打电话,可能话说到一半对方就听不到了

我:而且我们目前只提到了两个将军,如果有五个将军要协同进攻同一个城市,而且这些将军里边可能有叛徒,会瞒报或者传递错情报,这时候要让里边的大多数好将军约定好进攻时间,会是个更复杂的问题; 我手里拿的这本书讲的就是在计算机里是怎么解决这个问题的。

而在技术的世界中,提供稳定的服务通常有如下需求

  • 高性能,一台机器的性能存在瓶颈,而且机器越贵,硬件上可提升的空间就越低

  • 可扩展,数据密集型应用,无法一开始在单机上正确的预估及投入足够多的硬件,分散到多台机器上各自处理比较经济

  • 高可用,单个节点提供服务有物理不能突破的上限,比如突然的断电、断网、硬件出现故障等等

而多台机器共同提供服务,就会有通信不可靠、节点不稳定、叛徒节点乱发数据等等问题。

CAP 不可能定理

我:这个问题在生活中可以通过反复确认消息来确保通信的稳定,但更严谨的答案是不可能,在计算机领域还针对这个现象提出了一个 CAP 理论。

我:比如你刚才提到的通过飞鸽传书的方式通信,假如将军 A 发了一个鸽子给将军 B,但同时将军 A 也需要知道这个消息传成功了没有。

所以将军B收到消息会给将军 A 回送一个鸽子,表示自己收到会按照约定进攻;与此同时,将军 B 也需要知道自己送回去的鸽子有没有被将军 A 收到,又需要将军 A 再送一个鸽子过来表示『我收到了你的收到』,就陷入了无限的通信循环,鸽子们都要累死了。

PS:指着这张图跟他描述了上面的这个问题

而 CAP 定理有一个比较好理解的反例,假设我们有 abcde 五个节点,正常工作时,五个节点的值都是 1,客户端访问任意节点都会得到一致的结果

然后假设机房的网线被挖掉几根,导致 abc 节点无法访问 de 两个节点,那么客户端1访问 abc 节点拿到的值与客户端2访问 de 两个节点拿到的值是不一致的(违背了一致性)。如果不想违背一致性,那么de 两个节点就不能返回值(违背了可用性)。

CAP 定理是一致性(Consistency)、可用性(Availability)、分区容错性(Partition Tolerance)的首字母缩写,其指出在一个异步网络环境中,对于一个分布式读写存储系统来说,只能满足三项中的两项,不可能满足全部三项

现实中怎么解决

既然没有一个最完美的方案,我们就需要提高通信的成功率和可信度

我:虽然在理论上是不可能的,但现实生活中会有各种各样的方式来确保消息的传达成功。你之前看过士兵们执行任务么?

小萝莉:在电视上看过

我:他们在作战的时候一般都会有一个指挥部,士兵每次汇报战场情况都会说一句 over,指挥部每次下达一个命令,士兵都会回复 收到,假设话说到一半,信号断掉了,指挥部没有听到『收到』、『over』等关键字,就知道通信有问题,需要想办法重新联系上队伍,确保命令准确下达。

我:刚才的两个将军问题,现在听了这么多,有想到别的办法么

小萝莉:我们也可以建一个指挥部,跟山两头的将军发送指令,并且在他们确认收到的情况下再进攻

我:👏

在技术上,TCP 协议通过三次握手、四次挥手尽可能保证在网络环境稳定的情况下的信息传输,RSA 非对称加密技术可以提高信息传输的安全性,避免叛徒节点中途篡改。

网上针对 TCP 已经有很多博客了,这里就不再赘述,感兴趣可看:通俗易懂理解TCP协议三次握手和四次挥手及其常见问题_impact_factor的博客-CSDN博客_三次握手和四次挥手

以及最近的 web3.0,区块链技术,以 权益证明(POS)/工作量证明(POW)让绝大部分节点稳定的为网络做贡献

对这方面感兴趣的,可以看下网上博客区块链共识机制技术一——POW(工作量证明)共识机制_a soldiers的博客-CSDN博客_pow共识,或者博主之前写的区块链相关的文章,区块链是怎样保证数据不被篡改的? - 九层台

总结

分布式系统就是在多个节点共同提供服务的前提下,保证高性能、可扩展和高可用,CAP 定理表明,我们无法在异步网络环境上实现一套即满足一致性、又满足可用性、还满足分区容错性的系统

本文作者:Jeffrey Wang
本文链接:https://blog.wj2015.com/2022/07/08/%E7%BB%99%E5%B0%8F%E8%90%9D%E8%8E%89%E8%AE%B2%E6%98%8E%E7%99%BD%E4%BB%80%E4%B9%88%E6%98%AF%E5%88%86%E5%B8%83%E5%BC%8F/
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