分布式技术之基础知识

分布式其实就是将相同或相关的程序运行在多台计算机上，从而实现特定目标的一种计算方式。

• 从这个定义来看，数据并行、任务并行其实都可以算作是分布式的一种形态。从这些计算方式的演变中不难看出，产生分布式的最主要驱动力量，是我们对于性能、可用性及可扩展性的不懈追求。

起源

• 单机模式指的是，所有业务和数据均部署到同一台机器上。这种模式的好处是功能、代码和数据集中，便于维护、管理和执行，但计算效率是瓶颈。也就是说单机模式性能受限，也存在单点失效的问题。
• 数据并行（也叫作数据分布式）模式指的是，对数据进行拆分，利用多台计算机并行执行多个相同任务，通过在相同的时间内完成多个相同任务，从而缩短所有任务的总体执行时间，但对提升单个任务的执行性能及降低时延无效。
• 任务并行（也叫作任务分布式）模式指的是，单任务拆分成多个子任务，多个子任务并行执行，只要一个复杂任务中的任意子任务的执行时间变短了，那么这个业务的整体执行时间也就变短了。该模式在提高性能、扩展性、可维护性等的同时，也带来了设计上的复杂性问题，比如复杂任务的拆分。

在数据并行和任务并行这两个模式的使用上，到底是采用数据并行还是任务并行呢？

• 一个简单的原则就是：任务执行时间短，数据规模大、类型相同且无依赖，则可采用数据并行；如果任务复杂、执行时间长，且任务可拆分为多个子任务，则考虑任务并行。在实际业务中，通常是这两种模式并用。

系统的指标

• 从分布式技术的起源可以看出，分布式系统的出现就是为了用廉价的、普通的机器解决单个计算机处理复杂、大规模数据和任务时存在的性能问题、资源瓶颈问题，以及可用性和可扩展性问题。换句话说，分布式的目的是用更多的机器，处理更多的数据和更复杂的任务。性能、资源、可用性和可扩展性是分布式系统的重要指标。

性能（Performance）

• 性能指标，主要用于衡量一个系统处理各种任务的能力。无论是分布式系统还是单机系统，都会对性能有所要求。
• 不同的系统、服务要达成的目的不同，关注的性能自然也不尽相同，甚至是相互矛盾。常见的性能指标，包括吞吐量（Throughput）、响应时间（Response Time）和完成时间（Turnaround Time）。

吞吐量（Throughput）

• 吞吐量指的是，系统在一定时间内可以处理的任务数。这个指标可以非常直接地体现一个系统的性能，就好比在客户非常多的情况下，要评判一个银行柜台职员的办事效率，你可以统计一下他在 1 个小时内接待了多少客户。常见的吞吐量指标有 QPS（Queries Per Second）、TPS（Transactions Per Second）和 BPS（Bits Per Second）。
  • QPS，即查询数每秒，用于衡量一个系统每秒处理的查询数。这个指标通常用于读操作，越高说明对读操作的支持越好。所以，我们在设计一个分布式系统的时候，如果应用主要是读操作，那么需要重点考虑如何提高 QPS，来支持高频的读操作。
  • TPS，即事务数每秒，用于衡量一个系统每秒处理的事务数。这个指标通常对应于写操作，越高说明对写操作的支持越好。我们在设计一个分布式系统的时候，如果应用主要是写操作，那么需要重点考虑如何提高 TPS，来支持高频写操作。
  • BPS，即比特数每秒，用于衡量一个系统每秒处理的数据量。对于一些网络系统、数据管理系统，我们不能简单地按照请求数或事务数来衡量其性能。因为请求与请求、事务与事务之间也存在着很大的差异，比方说，有的事务大需要写入更多的数据。那么在这种情况下，BPS 更能客观地反应系统的吞吐量。

响应时间（Response Time）

• 响应时间指的是，系统响应一个请求或输入需要花费的时间。响应时间直接影响到用户体验，对于时延敏感的业务非常重要。比如用户搜索导航，特别是用户边开车边搜索的时候，如果响应时间很长，就会直接导致用户走错路。

完成时间（Turnaround Time）

• 完成时间指的是，系统真正完成一个请求或处理需要花费的时间。任务并行（也叫作任务分布式）模式出现的其中一个目的，就是缩短整个任务的完成时间。特别是需要计算海量数据或处理大规模任务时，用户对完成时间的感受非常明显。

资源占用（Resource Usage）

• 资源占用指的是，一个系统提供正常能力需要占用的硬件资源，比如 CPU、内存、硬盘等。
• 一个系统在没有任何负载时的资源占用，叫做空载资源占用，体现了这个系统自身的资源占用情况。比如，你在手机上安装一个 App，安装的时候通常会提示你有多少 KB，这就是该 App 的空载硬盘资源占用。对于同样的功能，空载资源占用越少，说明系统设计越优秀，越容易被用户接受。
• 一个系统满额负载时的资源占用，叫做满载资源占用，体现了这个系统全力运行时占用资源的情况，也体现了系统的处理能力。同样的硬件配置上，运行的业务越多，资源占用越少，说明这个系统设计得越好。

可用性（Availability）

• 可用性，通常指的是系统在面对各种异常时可以正确提供服务的能力。可用性是分布式系统的一项重要指标，衡量了系统的鲁棒性，是系统容错能力的体现。
• 系统的可用性可以用系统停止服务的时间与总的时间之比衡量。假设一个网站总的运行时间是 24 小时，在 24 小时内，如果网站故障导致不可用的时间是 4 个小时，那么系统的可用性就是 4/24=0.167，也就是 0.167 的比例不可用，或者说 0.833 的比例可用。
• 除此之外，系统的可用性还可以用某功能的失败次数与总的请求次数之比来衡量，比如对网站请求 1000 次，其中有 10 次请求失败，那么可用性就是 99%。
• 可能经常在一个系统的宣传语中见到或听到 3 个 9（或 3N，3 Nines）、5 个 9（或 9N，9 Nines）。这些宣传语中所说的 3 个 9、5 个 9，实际上就是系统厂商对可用性的一种标榜，表明该系统可以在 99.9% 或 99.999% 的时间里能对外无故障地提供服务。

可扩展性（Scalability）

• 可扩展性，指的是分布式系统通过扩展集群机器规模提高系统性能 (吞吐、响应时间、 完成时间)、存储容量、计算能力的特性，是分布式系统的特有性质。
• 分布式系统的设计初衷，就是利用集群多机的能力处理单机无法解决的问题。然而，完成某一具体任务所需要的机器数目，即集群规模，取决于单个机器的性能和任务的要求。
• 当任务的需求随着具体业务不断提高时，除了升级系统的性能做垂直 / 纵向扩展外，另一个做法就是通过增加机器的方式去水平 / 横向扩展系统规模。 这里垂直 / 纵向扩展指的是，增加单机的硬件能力，比如 CPU 增强、内存增大等；水平 / 横向扩展指的就是，增加计算机数量。好的分布式系统总在追求“线性扩展性”，也就是说系统的某一指标可以随着集群中的机器数量呈线性增长。
• 衡量系统可扩展性的常见指标是加速比（Speedup），也就是一个系统进行扩展后相对扩展前的性能提升。
  • 如果你的扩展目标是为了提高系统吞吐量，则可以用扩展后和扩展前的系统吞吐量之比进行衡量。
  • 如果你的目标是为了缩短完成时间，则可以用扩展前和扩展后的完成时间之比进行衡量。

不同场景下分布式系统的指标

• 我们都希望自己的分布式系统是高性能、高可用、高扩展和低资源占用的。但出于硬件成本、开发效率等因素的约束，我们无法在性能、可用性、可靠性和资源占用做到面面俱到。因此，在不同的业务场景中，设计者们需要有所取舍。一起看一下典型的电商、IoT、电信、HPC（高性能计算）、大数据、云计算、区块链等业务或系统对不同指标的诉求。
  • 电商系统。对于一个电商系统而言，系统设计者最看重的是吞吐量，为了处理更多的用户访问或订单业务，甚至不惜牺牲一些硬件成本。
  • IoT。对于一个 IoT 系统而言，设计者最看重的是资源占用指标，因为在一些功能极简的 IoT 设备上 RAM、ROM 的可用资源通常都是 KB 级的。
  • 电信业务。对于电信业务而言，最重要的无疑是响应时间、完成时间，以及可用性。因为，你在打电话时不希望你的声音半天才被对方听到，也不希望半天才听到对方的回应，更不希望你的电话无法拨出。
  • HPC。HPC 系统最显著的特点是任务执行时间极长，一个天体物理任务的分析和计算通常耗时数周甚至数月。因此，通过水平扩展来提高系统的加速比，是 HPC 系统设计者需要关注的。
  • 大数据。大数据任务的处理时间可能相对 HPC 系统来讲比较短，但常见的完成时间也达到了小时级，所以扩展性也是大数据系统首先要考虑的。
  • 云计算。对于一个云计算系统而言，常见任务是虚拟主机或容器的创建、资源调整、销毁等操作，如何减少这些操作的完成时间，从而提升用户体验是设计者们要重点关注的。另外，云计算系统本质上卖的是资源，那么降低系统本身的资源开销，也是系统设计的重中之重。
  • 区块链。区块链的吞吐量比较低，比特币的 TPS 只有 7 次每秒，单平均一次交易的确认就需要 10 分钟左右，因此吞吐量和完成时间通常是区块链系统设计者的首要目标。
    

你知道的越多，你不知道的越多。