一文详解分布式系统

分布式系统，顾名思义，就是让多台服务器、多计算单元，协同来完成整体的计算任务。它拥有多种组织方式。在分布式系统中，使用分层模型，路由和代理计算任务、存储任务，将不同的工作，划分到不同业务集群机器中，是常用的方法。一般来说，最基础的分布式系统，可以分为典型的三层结构：

• 接入层：用来对接客户连接的第一层，负责用户业务处理的分发，和用户连接的负载均衡。
• 逻辑层：处理系统不同业务的计算层，不同的业务可以划分到不同的计算集群当中，等待接入层分配任务，处理不同的业务单元。
• 数据层：通过离散化的存储方式，提高整体数据的写入、读取、检索的速度。

相关工作示例，如图1所示：

图1 分布式系统基本三层结构

这是最基本的分布式系统，在实际业务中，根据需求的不同，系统的分散和划分方法也会又很大的不同，不同的的业务层中，特别在复杂的分布式系统中，还会定义专门的代理网关Proxy和路由进程Router处理消息的分发和负载均衡。

在基本的分布式系统中，为了支持更为庞大的系统能力，解决特定的分布式问题，分布式系统又总结了一些典型的分布式模型和技术方案。

并发模型

一个服务器在处理用户请求的时候，可能会同时接受到非常多的用户请求，并且还需要为其他用户返回数据输出。在处理过程中，服务器系统经常会有“等待”或者“阻塞”的问题存在。系统如果去等待一个请求到下一个请求，会极大的降低系统效率，降低吞吐量。这就是分布式系统中，经常遇到的“并发问题”。

在分布式的并发模型中，常用的是两种方案：多线程方案和异步方案。

在早期时间，多线程多进程方案是最常用的技术。但是多线程技术在处理以下问题拥有一些弊端：

• 多线程中，多个线程程序的执行顺序不可控制。
• 同步数据和对象，不同线程之间同步处理，会造成不可估计的错误，或者死锁问题。
• 多线程之间，不同CPU处理之间的数据来回拷贝，会造成CPU计算资源的浪费。

针对多线程方案的弊端，异步模型方案，逐步开始流行起来。异步模型方案，解决了多线程的死锁问题，也避免了数据拷贝之间的消耗。异步回调模型，就是最早的分布式计算中，并行计算的雏形。

异步回调模型的实现，是基于非阻塞的I/O（网络和文件）模型，在函数读写的时候，不用等待当前函数调用的结果，立刻返回“空“或者”有“的结果。

最常用的异步回调模型，是Linux的epoll模型，它使用底层内核，快速查找到数据，读写连接或者文件，当计算完成以后，再通过连接异步处理、并且返还结果。它的每个操作都是非阻塞的，一个进程就可以使用这种方式，处理大量的并发消息。另一方面，由于异步模型是单个进程的，它的数据和处理逻辑都是固定的，不会出现多线程的不可预知错误，也不需要加锁。它大大简化了并行模型的开发过程，是现阶段高吞吐、高并发系统的首选。它的运作模型，如图2所示：

图2 epoll并发模型

除了并发模型，在后面我们还会再继续详细介绍分布式中的并行计算方案。

分布式中的数据缓冲

在互联系统和智能设备的分布式系统中，为了具有良好的用户体验，需要在秒的级别之内，返还结果。分布式系统，它的运算遍布在各个分布式集群当中，为了提高系统效率，数据缓冲就成为了它的常用技术方案。

分布式缓冲技术，应用最广泛的是CDN（Content Delivery Network）内容分发网络，它大量运用在视频、图片、直播等应用领域。它的原理，是使用大量的缓存服务器，将缓存服务器分布到用户集中访问的地区网络中，用于提高当地的数据延迟。在用户进行使用的时候，使用全局的接入层和负载技术，将用户指向它最近、最适合的缓存服务器中，通过这个服务器响应用户的消息请求。它的部署原理，如图3所示：

图3 非CDN缓存的分布式和CDN缓存的分布式方案

除了CDN缓存技术，还有很多其他的分布式换从技术，比如反向代理缓存、本地应用缓存、数据库缓存、分布式共享缓存、内存对象缓存等，大家可以自行学习这些技术。

分布式存储技术

在分布式系统的时代，数据如何存放更大的数据、承载更多的连接、支持更多的并发检索，成为了新时代技术的跳转。在传统的MySQL数据库，逐渐无法承载大互联网时代的系统需求，数据存储的方式变得更加多样化，比如使用文件、数据条切片等方式。在这种情况下，分布式数据库NoSQL应运而生，用于支持高并发的分布式业务，其中的佼佼者有MangoDB、Redis、RadonDB等。

分布式数据库，可以承载更大的、更快的数据能力，不同的数据，可以存放在不同的服务器上，通过特定的检索和应用方式，将机器集群联合起来。这也是分布式系统的一种，数据系统的分布式系统。在分布式数据系统中，根据数据的拆分和管理方式，主要可以分为以下几类：

• 单数据库架构：不同的数据库服务器中，各自独立数据，相互不干预。
• 主从数据库架构：由一台服务器处理数据写入，一台服务器处理读取查询，相互之间进行数据同步，如图4所示：
  
  
  图4 主从数据库架构
• 垂直数据库切分架构：将每个单独垂直的数据库模块，和服务器逻辑层的模块联合起来，形成一个相对垂直的业务-数据模型，各个数据之间的耦合，只在逻辑层进行联合处理。
• 水平数据切分架构：将大量的高段位的数据，进行水平的存储，并且进行拆分，拆分到不同表中，比如有个数据由10000条，我们可以切分为10条数据库，每个数据段存储1000条，再通过统一检索的方式，检索指向到不同的服务器数据库位置，其中大数据Hadoop中的HDFS是这种架构的佼佼者。

分布式系统管理

分布式系统，并不是简单的堆砌机器集群，如果没有良好的调度和管理方式，分布式系统可能还不如集中式系统，它的复杂性和容错性，可能还会降低效率。

在分布式系统的管理上，我们可以关注以下几个主要指标：

• 硬件故障率：分布式集群，拥有很多太服务器，每个服务器都有一定的硬件故障几率，我们设定为x。分布式系统拥有n台服务机器，作为一个整体集群，它出现硬件的故障几率，可以使用如下计算方式：SER（System Error Rate）=1 –(1-x)^n，可以看出，随着机器规模的增加，故障率会逐步上升。有效的硬件监控和故障预测，是分布式系统管理的重要组成。
• 资源利用率：分布式系统在运作的时候，可能会出现这样一种情况：在某些时段，某些机器非常繁忙，而某些机器却出现闲置，甚至某些服务长期才会使用一次。这样造成了计算资源极大的浪费，也会让分布式系统产生了很多不必要的开销。一个高效的分布式系统管理，需要有高效和灵活的管理机制，既不会让某些机器高负载运转，也能在灵活调度计算资源的分配，让整个系统都能得到较好的使用效率，并且持续保持健康。另外，分布式系统集群的扩容、缩容，实时在线操作，都是需要非常复杂的技术处理，这也是分布式系统管理的重要研究对象。
• 分布式系统的更新和扩展：在一个大型的分布式系统中，多个系统相互协作，相互影响，在更新某个系统或者模块的时候，不免会影响到其他系统的工作。如果停止整个系统的运营，会对用户造成极大的伤害。所以在分布式系统的设计当中，系统的更新和扩展，也是极其重要的考核指标。在这个方面，诞生了不少优秀的分布式框架，比如微服务框架EJB、WebService等。
• 数据决策统计：在大型的分布式系统中，很多都伴随着大数据系统的运行，如何去使用分布式方案，进行数据的统计和决策，也是重要的技术方案。其中Google的MapReduce模型，如图5所示：
  
  
  图5 MapReduce分词处理模型

针对分布式系统的各项需求，在长期的发展中，在工业界和学术界，诞生了许多针对性的系统或者组件，具体可以归类如下所示：

目录服务和中控系统

分布式系统是由许多系统和进程共同组成，如何去响应每个服务所需要的功能模块，监听服务模块的负载情况，调配系统集群资源，应急突发的错误情况、扩展和恢复系统组件，是分布式系统的痛点需求。其中Hadoop的Zookeeper是比较优秀的开源项目，它能帮助系统处理数据发布/订阅、负载均衡、服务名称管理、配置信息维护、命名处理、分布式协调、Master选举、数据同步、消息队列、分布式业务锁等。它的运作方式，如图6所示：

图6 ZooKeeper集群结构

在Zopper集群种，采用Paxos算法，主要包含三种节点角色：

• Leader节点：表示被选区的机器节点，提供读写的服务，需要被选举。
• Follow节点：集群的其他节点，提供对外逻辑服务和同步功能，参与Leader节点的选举策略。
• Observer节点：集群的其他节点，提供对外逻辑服务和同步功能，不参与Leader节点的选举策略。

消息队列

在分布式系统中，不同服务之间，需要进行协调沟通，消息的一致性也是非常重要的。对此产生了一些非常优秀的消息队列组件，比如Kafka、ActiveMQ、ZeroMQ、Jgroups等。消息队列模型，将抽象进程间的交互为消息处理，形成一个“消息队列的管道”，进行存储。其他的进程可以对队列进行访问，读取消息或者处理消息，消息的路由存放的队列管道进行决策，这样就静态化了复杂的消息路由问题，形成了易用的消息模型。具体模型示例，如图7所示：

图7 消息通道组件工作

消息队列组件，类似一个邮箱，消息队列服务是一个独立的进程，相关的其他服务，可以通过消息队列组件，向队列进程投放消息，队列再进行消息的一致性分发，将它分发到预定的目标服务，让消息的分发更加简便、运维更加清晰。

事务协调系统

事务协调是分布式系统中最为复杂的技术问题，一个完全的业务流程，它可能关联着不同的服务进程，不同的进程之间协调工作，是一个复杂的流程。业务过程中还会有故障产生，相关的备用解决方案，也是重要的问题。

自动化部署

分布式系统是一个分散化的、高度复杂性的大型系统，对于它的部署和运维，是一项艰难的任务，如果通过人力进行工作，将会耗费极大精力和时间。自动化的部署，就成为了分布式系统的重要辅助系统，其中容器化Docker、“池管理”、RPM打包，都是优秀的部署系统。下面是Docker的运作模式，如图8所示：

图8 Docker的容器组件模块

分布式系统是一个复杂的、高度能力分散自治的系统能力，如何去面向未来群体智能的新时代技术体系，分布式系统是打开大门最关键的一把钥匙。

本文节选自《分布式人工智能：基于TensorFlow、RTOS与群体智能体系》，经出版社授权发布。