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分布式系统中最容易被忽视的六大“暗流”

2018-11-28 08:23 张帆
作者 | 张帆
编辑 | 小智
任何事物都有两面性。你只有了解了分布式系统背后的“暗流涌动”现象是什么,才能避免掉到“坑”里去。暗流的含义是流动的地下水,是潜伏在“深层”的,我们往往过度地沉迷于表面的美好,而忽略了它。在分布式系统当中,最容易被我们忽略的是本文将介绍的这六大“暗流”。

本文是分布式系统系列第三篇文章,前两篇传送门:

1 网络并不是可靠的

你应该明白,分布式系统中不同节点间的通信是基于网络的。网络使得它们连接起来共同协作。

然而,光缆被挖断的事件相信你也看到过不是一两次了。除此之外,网卡异常、交换机故障、遭受恶意攻击等导致的网络拥塞、网络中断、报文丢失的种种迹象皆意味着网络随时可能无法正常运作,是不可靠的。

此时,需要在你的系统设计中,尽可能地考虑到:当前节点所依赖的其他节点由于各种原因无法与之正常通信时,该如何保证其依然能够提供部分或者完整的服务。这个概念在软件领域被定义为“鲁棒性”。

2 不同节点之间的通信是存在延迟的

网络连接的是处于不同物理位置上的节点,学过物理和数学你的应该明白,两点之间是存在“距离”的,而我们的分布式系统需要在这个距离之上进行数据的传递,本质上就是物质的传递。同时应该你也知道,物质的运动速度不会超过光速。所以,不同节点之间的通信是需要经过一段时间的,也就意味着会存在延迟。具体的延迟是由所用的传输介质、节点当前的负载大小所决定的。另外,不容被忽视是为了通讯所做的额外工作也是耗时的,而且还不小,下图的橙色部分就是为了两个远程节点的通讯额外做的事情。

所以我们不能以调用本地方法一样的认知去理解远程调用(RPC)。在目前的技术环境下,CPU 的运算能力长期保持高速增长,因此两个节点间通讯的大部分场景中,延迟的耗时总是大于目标节点进行逻辑运算的耗时。

由此可得,并不是将一个集中式系统拆分得越散,系统就越快。当中存在的延迟,不容忽视。如果是基于提速为目的的拆分,至少是满足下面这样的条件的。

因为如果无法并行处理,反而会更慢,就像下面这样。

关于这点,我们还需要慎重考虑是否有必要进行“同步”的 RPC 调用,以及尽量的降低调用次数等。这就是为什么我们说,循环调用不如一次批量调用,反复调用不如调用一次做进程内缓存,同步调用比如异步调用的道理。

3 带宽是有上限的

这个点,我相信你是知道的,因为当你通过 QQ、钉钉之类的工具传输或者下载一个大文件时候,就发现它是存在上限的,这个上限是根据你的网络带宽大小决定的。但是,为什么你还是有可能会掉入这个陷阱里呢?这往往由于你对所传输的数据的大小和频率没有充分的认识,导致了你觉得达到上限是一个很久远的事情,不用考虑它。

举个例子,你的网络都是基于 100M 带宽标准搭建的。那么此时如果每一秒会产生 10240 次数据传输,平均每个数据包大小是 10KB,我们来看下是否会遇到瓶颈。

100M 带宽的理论传输速率是 12.5MB/ 秒。那么现在每一秒需要传输:10240 次 / 秒 * 10KB = 100MB/ 秒。很明显,带宽远远不够了。

关于带宽上限,你需要明白这几点:

  1. 实际环境中的传输速率大小,是由服务商所提供的带宽大小,以及网卡、网卡、交换机、路由器所支持的传输速率中的最小值决定的。

  2. 内网与外网传输速率是不同的,一般都是内网大于外网。因为服务商所提供的带宽成本更高。

  3. 同一个局域网内的节点是公用外网出入口的,所以尽可能的缩小在外网传输的数据,以降低占用“独木桥”外网的空间。

4 分布式并不直接意味着是“敏捷”了

可能你曾经有过这样的想法,当在规模较大的集中式系统中工作的时候,每次和许多人在一个代码库里提交代码,老是遇到冲突、排队等待上游模块先开发等等。这时你会想,如果改造成分布式系统,这些问题都没了,工作效率高多了。

答案是否定的,在前两篇文章中也有提到一些。拆分后需要做的额外工作如果没做好,可能会导致不是更快,而是更慢。最典型的现象如:

  • 发布更麻烦了。原先虽然开发麻烦,但是发布简单啊,哪怕用最原始的方式:编译一次,登上服务器,复制黏贴,秒秒钟搞定。而现在需要发布 10 个、20 个、几十个,再这样操作很明显要把人逼疯。

  • 排查问题更难了。原本出了问题,不是在程序就是在数据库。现在还得判断在哪个程序,哪个数据库,是不是要抓狂?

关于这点,你需要秉持着工欲善其事必先利其器的思想。将建设协作相关的辅助性工作与分布式系统同时进行。比如:监控告警系统、配置中心、服务发现,以及批量部署、持续集成,甚至 DevOps 等。

5 数据由一份冗余成多份后如何保持一致

这点其实是由于前面提到的网络因素产生的连带效应。

当遇到数据库压力增大,响应开始变慢的时候,你可能会很容易想到,让 DBA 来做个主从啊。但是,由于网络不可靠、存在延迟、带宽有上限这一系列因素。所以,这个看似只是 Copy 一下工作,需要我们花大量的精力去解决 如何保证在使用不同副本上的数据的时候,都是符合应有的预期的

关于这点,业界已经研究了几十年,同时得出了许多具有指导意义的理论和思想。你需要充分的理解这些,并且能够识别出合适的运用场景,就可以解决这个问题。这个概念在软件领域被定义为「数据一致性」。

6 整个系统的不同部分可能是异构的

先来看下「异构」的定义:

形容一个包含或者组成“异构网络”的产品,所谓的“异构网络”通常指不同厂家的产品所组成的网络。

比如,可以是装有不同操作系统的服务器、不同的数据库产品、用不同的语言开发的产品等等。我们所处的整个全球互联网就是“异构”的。

在系统初期,同类技术下的差异往往不太被关注。但是随着分布式系统规模的逐渐扩大,在进入到成熟期的过程中,往往不可避免的会使系统成为异构的,有主动的,也有被动的。

  • 被动的。往往需要引入一些新的技术栈或者解决方案来解决当前的问题,因为很多时候不会有资源,也没有必要去“重复造每一个轮子”。

  • 主动的。由于规模效应的影响越来越大,某些技术更适合在特定场景下发挥,因此能够降低同等压力下对资源的消耗,就可以明显的降低成本。

关于这点,你要思考如何通过专制的方式进行标准化,来屏蔽这些差异带来的复杂度影响,使得有更多的精力投入到有价值的地方去。专制的特点是“约束”效果,标准化通过专制来进行可以降低许多为了方便而妥协问题。比如每个节点都通过统一的远程调用(RPC)中间件来做“连接”,就将如何连接异构节点的问题交由这个中间件来全权负责,而不是不同的团队各自实现一套。

7 总结

这次我们深入讲解了分布式系统当中常见的一些“暗流”,而上面列举的这些只能说是最常见的一些典型。在后续的文章中你会跟着我一起发现更多类似的“坑”,让我们一起来寻找避开它们的方式吧。

希望你能时刻保持警惕之心,带着没有“完美方案”的心态在分布式系统中前行。

从下一篇文章起,将正式开始讲解做好分布式系统需要掌握的一个个核心要点,我会力争尽可能的深入浅出,让你能够深刻理解每个要点的作用,如何用好它,以及最佳实践等等。

8 Q 言 Q 语时刻

你在平时的项目开发中有遇到过哪些“坑”吗?可以在下方评论框给我们留言。

9 本文彩蛋

学习分布式系统架构不是一件易事,但如果有人能推荐一些学习书籍、经典资料,想必能让这个过程变得更加事半功倍一点。你可以在 InfoQ 后台回复关键词:分布式,获取技术博主左耳朵耗子推荐的分布式系统架构经典资料。

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