分布式架構(gòu)簡述

劉洋

摘 要：信息時代，互聯(lián)網(wǎng)是最引人注目的行業(yè)，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，極大程度地改變了人們的生產(chǎn)生活。系統(tǒng)架構(gòu)作為互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)，在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用。本文立足于當下，較為系統(tǒng)地闡述了分布式系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展、原理及優(yōu)缺點，探討了分布式架構(gòu)的研究現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng);系統(tǒng)架構(gòu);分布式架構(gòu)

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）03-0018-02

1 分布式架構(gòu)介紹

近幾十年以來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，對于硬件的要求也越來越高，在不斷增加應(yīng)用程序體量的過程中，傳統(tǒng)的單應(yīng)用架構(gòu)遇到了越來越多的難題。主要表現(xiàn)為：系統(tǒng)容量不足、系統(tǒng)可用性與穩(wěn)定性降低、更新應(yīng)用程序?qū)τ谟脩舻挠绊懺絹碓酱蟮取螒?yīng)用架構(gòu)逐漸不適應(yīng)新時代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求，人們渴望出現(xiàn)一種更加穩(wěn)定可用的系統(tǒng)架構(gòu)。在這種情況下，分布式架構(gòu)應(yīng)運而生[1]。

分布式架構(gòu)指由多個獨立的通過網(wǎng)絡(luò)連接起來的計算機各自執(zhí)行不同的任務(wù)，以達到性能提升的系統(tǒng)架構(gòu)。在分布式系統(tǒng)中，一個計算機可以同時與多個其他的計算機“連接”起來，這些計算機可以分主次，也可以不分，多個計算機也可以組成一個大的模塊與其他模塊連接，最終可以組成一個相當復(fù)雜的系統(tǒng)。根據(jù)使用場景的不同，分布式系統(tǒng)有分布式計算、分布式存儲、分布式文件等多種系統(tǒng)形態(tài)。

2 應(yīng)用程序架構(gòu)的發(fā)展歷程

1946年第一臺計算機誕生以來，系統(tǒng)架構(gòu)經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展歷程。最初，計算機算力較弱，互聯(lián)網(wǎng)也沒有出現(xiàn)，應(yīng)用程序的主要架構(gòu)就是單應(yīng)用，在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期，計算機性能的發(fā)展速度還可以適應(yīng)應(yīng)用程序的發(fā)展速度，集中式依然是主流應(yīng)用架構(gòu)。但隨著應(yīng)用程序復(fù)雜性的不斷提升，需要有高性能的大型機來滿足應(yīng)用程序的需要，而復(fù)雜的大型機成本高昂，而且需要具備高專業(yè)知識的人進行管理。而與之相比，小型機連接的系統(tǒng)操作要求低，性價比高，更適合龐大的應(yīng)用程序。由此，產(chǎn)生了最初的分布式架構(gòu)。

隨著用戶數(shù)量的不斷增加，一個服務(wù)器無法支持太多人訪問，增加服務(wù)器數(shù)量是最好的方式。通過增加服務(wù)器來分擔壓力，可以很快提高系統(tǒng)性能。但新的問題又出現(xiàn)了：如何進行多服務(wù)器的任務(wù)分配？如果分配不當，就會出現(xiàn)有的服務(wù)器性能冗余，而有的服務(wù)器負載過重的問題。此時，就需要添加一個中間件：負載均衡器，來分配各個服務(wù)器的負載[2]。

隨著數(shù)據(jù)庫容量的持續(xù)增大，出現(xiàn)了很多用戶訪問同一數(shù)據(jù)的情況，這些重復(fù)訪問對數(shù)據(jù)庫是一個很大的負擔，于是，出現(xiàn)了緩存機制，通過對高頻且變化較少的數(shù)據(jù)的提前緩存，可以處理相當一部分請求，大大減小了數(shù)據(jù)庫的負擔。

應(yīng)用逐漸發(fā)展，用戶服務(wù)器的負載也越來越大，于是我們將用戶服務(wù)器進行功能拆分，如分為信息接收模塊，信息處理模塊，信息輸出模塊。信息處理模塊又可以根據(jù)信息的類別分為多種信息的處理模塊。

通過不同粒度，不同層次的分離，分布式系統(tǒng)架構(gòu)就變得復(fù)雜了起來。

3 分布式架構(gòu)的主要工作原理

3.1 理論原理

分布式架構(gòu)通過網(wǎng)絡(luò)連接獨立的計算機以實現(xiàn)功能，在實踐中，分布式系統(tǒng)遇到的問題可以分為兩類：

如何使單個計算機穩(wěn)定無誤地運行。

如何使計算機之間的連接穩(wěn)固可靠。

接下來我們從這兩個方面出發(fā)，對分布式架構(gòu)的工作原理進行闡述。

3.1.1 單體工作

負載均衡算法：分布式系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)時，需要盡可能地使提供相同服務(wù)的計算機均衡地執(zhí)行任務(wù)，以求最大程度地利用單個計算機的性能。下文介紹幾個常用的負載均衡算法。

輪詢法指將請求有順序地逐個發(fā)給各個服務(wù)器。這種算法可以使用簡單的方式做到相當程度的平均分配，但沒有考慮到各臺機器之間的性能差異，在系統(tǒng)并發(fā)量較高時，容易出現(xiàn)高性能計算機性能過剩，低性能計算機性能不足的問題[3]。

加權(quán)輪詢法指根據(jù)各臺計算機性能的高低為不同的計算機分配權(quán)重，根據(jù)權(quán)重進行分配，能者多勞，這種算法更加合理。但有新機器加入時，如果依然按照該規(guī)則分配，原來的服務(wù)器由于有原先分配的請求，負擔較大，負載依舊不均衡[4]。

動態(tài)輪詢法指根據(jù)各臺服務(wù)器的負載壓力進行任務(wù)分配。動態(tài)輪詢可以最大程度地均衡各個服務(wù)器的負載壓力，但它比前兩種多出了一個獲取服務(wù)器狀態(tài)的過程，這個過程本身就需要消耗資源。

哈希方式指利用數(shù)據(jù)的某個特征計算出一個哈希值，根據(jù)哈希值決定處理數(shù)據(jù)的服務(wù)器。哈希算法的好處是可以將具有某一特征的數(shù)據(jù)分配到特定的服務(wù)器進行處理。但它的缺點也特別明顯：當某一特征的數(shù)據(jù)量過大時，就會出現(xiàn)“數(shù)據(jù)傾斜”的問題，而且由于數(shù)據(jù)的特征總數(shù)常常是固定的，加入服務(wù)器時，如果新的計算機數(shù)與原來的計算機數(shù)不成倍數(shù)，就需要大規(guī)模地進行數(shù)據(jù)遷移。

一致性哈希使計算出的哈希值域成為一個封閉的環(huán)，將節(jié)點分布到環(huán)上，每個節(jié)點處理自己到下一個節(jié)點的數(shù)據(jù)。這種方式解決了哈希方式拓展性不高的問題，但當進行節(jié)點增減時，與增減節(jié)點相鄰的節(jié)點就會出現(xiàn)負載過小或過大的問題，負載難以均勻分配。

單機故障：宕機就是某些原因?qū)е碌挠嬎銠C無法正常工作的狀態(tài)。這是一種很常見的服務(wù)器故障，一般需要人工重啟機器，但機器的內(nèi)存信息將丟失，這時就需要從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)或回放日志進行狀態(tài)恢復(fù)。

存儲數(shù)據(jù)丟失也是一種常見的故障，通常由硬盤問題導致。解決此問題的唯一方法是設(shè)立數(shù)據(jù)副本，重新寫入信息。

3.1.2 網(wǎng)絡(luò)連接

由于網(wǎng)絡(luò)連接的不穩(wěn)定，分布式系統(tǒng)運行時時常出現(xiàn)消息丟失，消息亂序，數(shù)據(jù)錯誤等問題。

消息丟失是指通信過程中由于網(wǎng)絡(luò)問題導致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟失。消息丟失會影響網(wǎng)絡(luò)的一致性，甚至會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分化的問題。

消息亂序指消息不是按照發(fā)送順序到達接收端。對于需要實時更新的網(wǎng)絡(luò)，消息亂序是一個很大的問題。

數(shù)據(jù)錯誤是指網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中有可能發(fā)生的比特錯誤等導致的消息錯誤。數(shù)據(jù)錯誤會使網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)無用信息，從而影響系統(tǒng)一致性。消息錯誤一般需要使用校驗碼系統(tǒng)進行檢查才能發(fā)現(xiàn)。

對于網(wǎng)絡(luò)問題導致的消息傳輸問題，最簡單的解決方式是重新發(fā)送，但有的情況不允許重新發(fā)送，例如網(wǎng)絡(luò)付款信息。這時可以引入一個中間件：消息隊列。消息隊列可以根據(jù)接收端返回的信息決定是否繼續(xù)發(fā)送信息，發(fā)送成功后將信息刪除。

3.2 實際案例分析

任何理論都需要進行實際的應(yīng)用，下文將舉一個生產(chǎn)過程中的實例來補充解釋上述理論。

圖1是一個跨公司的購物系統(tǒng)的示意圖，用戶通過乙公司向甲公司購買產(chǎn)品，所以需要通過乙公司查詢信息，向甲公司付款。購買時，用戶先將訂單信息發(fā)送至訂單乙，訂單乙將訂單信息發(fā)送至財務(wù)乙，財務(wù)乙向財務(wù)甲請求付款鏈接并發(fā)給用戶，用戶向甲公司付款后，財務(wù)甲將付款成功信息反饋給財務(wù)乙并通知訂單甲，訂單甲通知訂單乙下單成功。在實際運行過程中，這一套系統(tǒng)出現(xiàn)了兩個問題。一個問題出現(xiàn)在乙公司內(nèi)部，乙公司訂單模塊向財務(wù)模塊請求信息時網(wǎng)絡(luò)中斷，訂單信息無法發(fā)送。乙公司在解決這個問題時，在本公司的訂單和財務(wù)模塊之間添加了一個消息隊列，如圖2所示，從而實現(xiàn)了高可用性的信息傳遞。

第二個問題出在兩公司的信息傳遞過程中，甲公司將信息傳給乙公司時，由于乙公司機器原因，沒有收到，導致付款信息無法返回給用戶，這對于購物系統(tǒng)是一個大問題，因為用戶不可能再次執(zhí)行付款操作，且由于信息保密，無法在兩公司之間添加消息隊列。解決問題時，如圖3所示，乙公司的技術(shù)人員使用了一個代理服務(wù)器，由代理服務(wù)器代為接受信息，同時在乙公司內(nèi)設(shè)置兩個訂單服務(wù)器，這樣，當其中一臺訂單服務(wù)器發(fā)生宕機時，另一臺服務(wù)器可以立即代其執(zhí)行任務(wù)，保證了消息的成功發(fā)送，也給另一臺服務(wù)器的重新部署爭取了時間。

通過這個案例，我們可以得到幾點啟示：

（1）提高分布式系統(tǒng)可用性的一個重要方法是添加中間件。（2）當服務(wù)器有宕機危險時，可通過添加備用服務(wù)器增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 兩種架構(gòu)的優(yōu)缺點對比

單應(yīng)用架構(gòu)：

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，易于開發(fā);結(jié)構(gòu)明確，易于管理;結(jié)構(gòu)集中，易于排障;系統(tǒng)運行不受網(wǎng)絡(luò)影響。

缺點：系統(tǒng)穩(wěn)定性與可用性低;系統(tǒng)啟動慢;更新應(yīng)用時對應(yīng)用影響大;對硬件要求高。

分布式架構(gòu)：

優(yōu)點：系統(tǒng)穩(wěn)定性與可用性高;系統(tǒng)啟動快;更新應(yīng)用時對應(yīng)用影響小;對硬件要求低。

缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易開發(fā);結(jié)構(gòu)龐大，不易管理;結(jié)構(gòu)分散，不易排障;受網(wǎng)絡(luò)影響較大。

5 結(jié)語與展望

分布式架構(gòu)使多個計算機通過網(wǎng)絡(luò)進行連接，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可用性、可拓展性。在應(yīng)用程序不斷大型化、復(fù)雜化的今天，有著重要的現(xiàn)實意義。可以預(yù)見，通過不斷的改進發(fā)展，趨利避害，未來分布式架構(gòu)一定能發(fā)揮出更大的作用。

參考文獻

[1] 張華偉，熊璋，歐陽元新.分布式系統(tǒng)中異地數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)一致性維護[J].計算機工程與應(yīng)用，2004，40（23）：172-175.

[2] 葛五祥，陳志剛.基于三層B/S模式的分布式系統(tǒng)設(shè)計[J].計算技術(shù)與自動化，2004，23（3）：73-75.

[3] 陳志剛，李登，曾志文.分布式系統(tǒng)中動態(tài)負載均衡實現(xiàn)模型[J].中南大學學報：自然科學版，2001，32（6）：635-639.

[4] 陳志剛，李登，曾志文.分布式系統(tǒng)中一種動態(tài)負載均衡策略、相關(guān)模型及算法研究[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2002，23（12）：1434-1437.