基于Cap理論的系統(tǒng)設(shè)計

于海水

摘 要：本文，首先分析Cap理論概述，其次闡明Cap理論的內(nèi)涵與需求，再次探討基于Cap理論的系統(tǒng)設(shè)計定理與系統(tǒng)設(shè)計模型，旨在進一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計水平，滿足聯(lián)網(wǎng)的計算機信息傳遞需求。

關(guān)鍵詞：Cap理論；系統(tǒng)設(shè)計；模型

中圖分類號：TP393.08 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）23-0027-02

Cap原則又稱Cap定理，是指在同一個分布式系統(tǒng)中，一致性、可用性、分區(qū)容錯性三者不可兼得。如今，隨著互聯(lián)網(wǎng)公司的全球化發(fā)展，Google、Amzon等開始嘗試建立全球數(shù)據(jù)中心，部署服務(wù)。而為滿足可用性，Dynamo、PNUTS等系統(tǒng)都采用了復(fù)制技術(shù)，這一技術(shù)的應(yīng)用引發(fā)了數(shù)據(jù)一致性問題，且違背了Cap理論，現(xiàn)應(yīng)基于Cap理論進行系統(tǒng)設(shè)計，有效解決全球化數(shù)據(jù)中心服務(wù)問題。

1 Cap理論概述

1.1 內(nèi)涵

Cap理論內(nèi)涵是在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)環(huán)境下其數(shù)據(jù)一致性、可用性、分區(qū)容忍性三要素不可兼得，只能同時滿足三要素中其中兩個。在Cap理論興起的十幾年里，很多研究者開始嘗試以Cap理論為基礎(chǔ)探究分布式系統(tǒng)的設(shè)計問題，甚至NoSQL運動在研究過程中也將Cap理論作為基礎(chǔ)，用于探究對抗傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計問題。

Cap理論主張的觀點非常明確，詳細界定了同一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)不可兼得一致性、可用性、分區(qū)容錯性，即最多能夠滿足下述條件中兩個。

（1）數(shù)據(jù)一致性（C），可做到提供一份最新的數(shù)據(jù)副本，允許所有節(jié)點訪問這一數(shù)據(jù)副本，使用數(shù)據(jù)副本；（2）可用性（A），能夠做到及時更新網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)中數(shù)據(jù)，且當(dāng)某一部分節(jié)點發(fā)生故障問題以后，系統(tǒng)集群仍可正常響應(yīng)客戶端讀寫要求；（3）分區(qū)容錯性（P），允許網(wǎng)絡(luò)分區(qū)。

Cap理論的出現(xiàn)給設(shè)計師提供了很好的設(shè)計思路，很多設(shè)計師開始以Cap理論為依據(jù)，參照取舍方案，設(shè)計各種各樣的新系統(tǒng)。

1.2 需求

在分布式環(huán)境下，系統(tǒng)設(shè)計中的一致性、可用性、分區(qū)容錯性三要素又可稱為Cap需求。其中，Cap的一致性需求，是指當(dāng)分布式系統(tǒng)接收到某一數(shù)據(jù)操作指令時，其系統(tǒng)中多個副本數(shù)據(jù)會保持一致，進而成功完成多個副本中數(shù)據(jù)的增、減、刪操作指令。當(dāng)某一個副本的操作顯示失敗，那么將回到一致性操作前狀態(tài)，重新展開多個副本數(shù)據(jù)的增、減、改操作。在分布系統(tǒng)中，當(dāng)多個副本數(shù)據(jù)達到一致性以后，客戶在訪問副本數(shù)據(jù)過程中將從中獲取到最新的數(shù)據(jù)，不會呈現(xiàn)出不同客戶端讀取到不同數(shù)據(jù)的情況。例如，假設(shè)分布式環(huán)境下有N1、N2兩個節(jié)點，數(shù)據(jù)V是N1和N2的共享數(shù)據(jù)，其初始值是V0。其中，N1節(jié)點所采用的數(shù)據(jù)算法是A，N2節(jié)點所采用的數(shù)據(jù)算法是B，算法A和算法B非常相似。前者，可將新值寫入共享數(shù)據(jù)V，后者可讀取V的值。

在存儲系統(tǒng)保持一致性的基礎(chǔ)上，當(dāng)新的V值通過算法A寫入到共享數(shù)據(jù)V以后，將變成數(shù)據(jù)V1，數(shù)據(jù)V1將通過節(jié)點N1被發(fā)送至N2，N2將及時更新新的V值。如此，B讀取到的N1節(jié)點、N2節(jié)點V值將是一致的，都是V1。在網(wǎng)絡(luò)斷開環(huán)境下，N1節(jié)點通過算法A計算出的新的V值，即V1無法及時發(fā)送到N2節(jié)點，N2節(jié)點的V值仍然是初始值V0，那么B讀取的N1、N2節(jié)點V值將出現(xiàn)不一致的情況。Cap的可用性需求，是指在分布式環(huán)境下，允許客戶端訪問數(shù)據(jù)。但是，系統(tǒng)上所有節(jié)點響應(yīng)的數(shù)據(jù)并不代表是一致的。例如，系統(tǒng)上有N1和N2兩個節(jié)點，客戶端要通過系統(tǒng)節(jié)點獲取文章評論，那么假設(shè)N1節(jié)點上數(shù)據(jù)是最新的，當(dāng)客戶端通過N2獲取數(shù)據(jù)時，其返回的數(shù)據(jù)將缺少最新的一條。在這樣一種情況下，系統(tǒng)仍然被認為是可用的，只有當(dāng)數(shù)據(jù)響應(yīng)時間超過所設(shè)定好的響應(yīng)時間服務(wù)，才可認定系統(tǒng)不可用，無法及時反饋所要瀏覽的數(shù)據(jù)。Cap的分區(qū)容錯性需求，是指在分布系統(tǒng)中將統(tǒng)一數(shù)據(jù)副本存儲于不同地點，當(dāng)系統(tǒng)中某些子集合節(jié)點出現(xiàn)故障問題時，分布系統(tǒng)容錯性將支撐整個系統(tǒng)仍然進行正確響應(yīng)，由此可提高系統(tǒng)的性能。但是，在對系統(tǒng)進行分區(qū)時，要切斷各個分區(qū)之間的網(wǎng)線，保證每個網(wǎng)絡(luò)分區(qū)都是孤立的。

由上述論述內(nèi)容可知，核心系統(tǒng)有一致性、可用性、分區(qū)容錯性三個Cap需求，在基于Cap理論進行系統(tǒng)設(shè)計時，要把握好Cap需求。

2 基于Cap理論的系統(tǒng)設(shè)計定理

2.1 異步網(wǎng)絡(luò)模型

在系統(tǒng)活動增加和吞吐量逐漸上升背景下，Cap定理將顯得尤為重要，基于Cap理論的系統(tǒng)設(shè)計異步網(wǎng)絡(luò)模型，無統(tǒng)一時鐘，不能同時滿足消息可丟失或不丟失的對等運算一致性、可用性、分區(qū)容錯性Cap需求[1]。同時，在異步網(wǎng)絡(luò)模型時，當(dāng)遇到消息被延遲的問題，任何一個算法都無法準(zhǔn)確判斷出消息延遲原因。因為，丟失可造成消息延遲，傳輸通道受阻也可造成消息延遲。

2.2 同步網(wǎng)絡(luò)模型

在同步網(wǎng)絡(luò)模型中，所有節(jié)點上時鐘功能主要是計時器作用，每一個節(jié)點上時鐘時間顯示值可能不同，但可用于確定調(diào)度某事件后經(jīng)過多長時間間隔進行另一項操作，在給定時間內(nèi)接收到消息。此外，同步網(wǎng)絡(luò)模型與異步網(wǎng)絡(luò)模型不同，只是不能同時滿足消息可丟失的對等運算可用性、一致性、分區(qū)容錯性Cap需求。在Cap理論指導(dǎo)下Google開始嘗試使用PC機搭建計算和存儲平臺，PC機的使用讓分布式系統(tǒng)同時滿足了可用性、分區(qū)容錯性兩個Cap需求。另外，在系統(tǒng)未出現(xiàn)故障情況下，分布式系統(tǒng)還能夠提供一致性讀寫服務(wù)。

總之，基于Cap理論的系統(tǒng)設(shè)計要真正了解系統(tǒng)需求，在把握好系統(tǒng)需求前提下，合適使用Cap理論，處理好3個核心系統(tǒng)需求強調(diào)點。

3 基于Cap理論的系統(tǒng)設(shè)計模型

基于Cap理論的系統(tǒng)設(shè)計模型有ACID和BASE兩種。在ACID模型設(shè)計中，重點是依據(jù)Cap理論完成現(xiàn)代關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，現(xiàn)代關(guān)系型數(shù)據(jù)庫事務(wù)正確執(zhí)行依賴于原子性、一致性、隔離性、持久性四個基本元素。其中，原子性是指在包含多個操作的某一事務(wù)執(zhí)行時，一旦開始執(zhí)行這一事務(wù)，必須保證完成所有操作，如若某一操作沒有完成，要回到事務(wù)開始狀態(tài)，重新完成操作的正確執(zhí)行。以A給B轉(zhuǎn)賬100元為案例，當(dāng)開啟事務(wù)之后，要么事務(wù)中的操作都發(fā)生，要么事務(wù)中的操作都不發(fā)生。如下所示：

Begin transaction

Update account set money=money-100where name=‘A；

Update account set money=money+100where name=‘B；

If Error then

Rollback

Else

Commit

在上述案例中，扣款和加款兩條語句，要么都執(zhí)行，要么都不執(zhí)行。

一致性，是指數(shù)據(jù)庫事物執(zhí)行時系統(tǒng)開始狀態(tài)、結(jié)束狀態(tài)、給定并發(fā)數(shù)等等，都是不變的、一致的[2]。以銀行轉(zhuǎn)賬事務(wù)為例，在銀行轉(zhuǎn)賬事務(wù)執(zhí)行過程中，無論是事務(wù)執(zhí)行成功，還是事務(wù)執(zhí)行失敗，事務(wù)結(jié)束以后ACCOUNT表中aaa和bbb的存款總額應(yīng)是2000元，業(yè)務(wù)邏輯要保持一致性。而為了更好的實現(xiàn)一致性，在ACID模型具體設(shè)計過程中，要建立起一個數(shù)據(jù)庫機制，用于約束事務(wù)執(zhí)行中的數(shù)據(jù)庫層面，保證其符合Check約束、唯一約束等。還有，ACID模型開發(fā)人員應(yīng)處理好業(yè)務(wù)一致性問題。隔離性，是指關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中兩個相同的事務(wù)會被隔離開來，事務(wù)之間不會相互影響，由此在隔離狀態(tài)下提高數(shù)據(jù)庫事務(wù)正確執(zhí)行效率。持久性，是指當(dāng)事務(wù)執(zhí)行操作完成以后，事務(wù)執(zhí)行結(jié)果會保存到數(shù)據(jù)庫?；谏鲜鏊膫€基本元素基礎(chǔ)上，ACID模型設(shè)計實現(xiàn)方式要依附于WAL和shadow paging兩種形式，這兩種技術(shù)相比較，后者更加簡單，且能夠在沒有redo和undo的支持下提高寫日志記錄的開銷恢復(fù)速度。shadow paging與WAL技術(shù)相比，缺點也比較明顯，要以“塊”為單位完成事務(wù)提交輸出操作，無法滿足多個事務(wù)并發(fā)執(zhí)行需求。WAL技術(shù)，是在修改已經(jīng)記錄日志后對數(shù)據(jù)文件進行修改，即當(dāng)日志記錄沖刷到永久存儲器后可通過日志恢復(fù)數(shù)據(jù)庫方式，完成事務(wù)提交操作。整個過程中，如若發(fā)現(xiàn)尚未附加到數(shù)據(jù)頁記錄的情況，要以向前滾動恢復(fù)（REDO）方式在日志記錄中重做，保證事務(wù)執(zhí)行效果。

基于Cap理論的BASE模型設(shè)計，是反ACID模型，它在模型具體設(shè)計過程中不再強調(diào)一直性，而是重點考慮數(shù)據(jù)庫可用性。BASE模型，基本可以支持分區(qū)失敗，狀態(tài)可以在一段時間不同步，只要保證數(shù)據(jù)最終一致即可。所以說，BASE模型是反ACID模型，做了可用性與一致性之間的一個取舍。BASE模型的設(shè)計要依附于按功能劃分?jǐn)?shù)據(jù)庫與sharding碎片兩種實現(xiàn)方式，其中，在利用sharding基本原理進行BASE模型設(shè)計時，要先根據(jù)數(shù)據(jù)庫實際情況，把數(shù)據(jù)庫分為多個部分。待數(shù)據(jù)庫切分完畢之后，將切分好的各個部分放置于不同數(shù)據(jù)庫上，有效提高單一數(shù)據(jù)庫整體性能[3]。但是，在海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫處理時，要根據(jù)這一種類型數(shù)據(jù)庫表多、數(shù)據(jù)多的特點，以垂直切分法為主將一個數(shù)據(jù)庫切分成多個部分。然后，再將各個部分方在sever上，由此達到最佳的BASE模型設(shè)計狀態(tài)。

總之，BASE模型設(shè)計中心思想是強調(diào)可用性，在滿足基本的可用性基礎(chǔ)上，可犧牲容忍性和一致性?，F(xiàn)階段，BASE模型設(shè)計性能方面的潛能還是有待挖掘的，在基于Cap理論的BASE模型具體設(shè)計中，NOSQL運動豐富了BASE模型設(shè)計方案。其一，可在BASE模型設(shè)計中參照Amaze Dynamo等人提出的Key-Value存儲思想，靈活選擇Cap三原則，設(shè)計多樣化數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品。其二，可根據(jù)自己項目需求，通過靈活選擇Cap三原則，設(shè)計領(lǐng)域模型+分布式緩存+存儲的BASE模型，這種BASE模型設(shè)計形式與前者相比，難度更高。但不管是Key-Value存儲模型設(shè)計還是領(lǐng)域模型+分布式緩存+存儲的BASE模型設(shè)計，其存儲都可以是同步，也可以是異步。從二者不同點角度來看，第一種模型設(shè)計方式更加適用于非Java工作環(huán)境下，可用性更高。而第二種模型設(shè)計中更加靈活，但它只是一種架構(gòu)解決方案，不能拿來就用。

4 結(jié)語

綜上可知，在系統(tǒng)設(shè)計中，復(fù)制技術(shù)的運用引發(fā)了一致性問題。在一致性問題解決過程中使用Cap理論加以指導(dǎo)十分重要，基于Cap理論指導(dǎo)的系統(tǒng)設(shè)計要遵從異步網(wǎng)絡(luò)模型和同步網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計定理，并通過優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計模型徹底解決原有系統(tǒng)設(shè)計中的一致性問題，創(chuàng)造一個良好的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心運行環(huán)境。

參考文獻

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