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CAP演化之BASE理论

CAP理论及BASE理论的关系

base理论是在cap理论的基础上发展的,cap描述了分布式系统中数据一致性,可用性,分区容错性之间的制约关系。当你选择其中两个的时候,就不得不对另外一个做出一定的牺牲。

base理论则是对cap理论的实际应用,也就是在分区和副本存在的前提下,通过一定的系统设计方案,放弃强一致性,实现基本可用,这是大部分分布式系统的选择。在这个前提下,如何把基本可用做到最好,则是我们追求的目标。

BASE理论

base是三个单词的缩写,是指基本可用(Basically Available)、软状态(Soft State)和最终一致性(Eventually Consistent)。

CAP演化之BASE理论

base理论的核心思想是最终一致性,即放弃强一致性(Strong Consistency),应用根据自身的业务特点,采用适当的方式来使系统达到最终一致性(Eventual Consistency)。

基本可用

cap中可用性是指任何时候,读写都是成功的,base的基本可用也就是不追求cap中的任何时候,读写都是成功,而是系统能够基本运行,一直提供服务。基本可用强调了分布式系统在出现不可预知故障的时候,允许损失部分可用性,相比正常的系统,可能是响应时间延长,或者是服务被降级

举个例子,在双十一秒杀活动中,如果抢购人数太多超过了系统的 QPS 峰值,可能会排队或者提示限流,这就是通过合理的手段保护系统的稳定性,保证主要的服务正常,保证基本可用。

软状态

软状态可以对应 ACID 事务中的原子性,在 ACID 的事务中,实现的是强制一致性,要么全做要么不做,所有用户看到的数据一致。其中的原子性(Atomicity)要求多个节点的数据副本都是一致的,强调数据的一致性。

原子性可以理解为一种“硬状态”,软状态则是允许系统中的数据存在中间状态,并认为该状态不影响系统的整体可用性,即允许系统在多个不同节点的数据副本存在数据延时。

最终一致性

数据不可能一直是软状态,必须在一个时间期限之后达到各个节点的一致性,在期限过后,应当保证所有副本保持数据一致性,也就是达到数据的最终一致性。

在系统设计中,最终一致性实现的时间取决于网络延时、系统负载、不同的存储选型、不同数据复制方案设计等因素。

不同数据一致性模型

一般来说,数据一致性模型可以分为强一致性和弱一致性,强一致性也叫做线性一致性,除此以外,所有其他的一致性都是弱一致性的特殊情况。弱一致性根据不同的业务场景,又可以分解为更细分的模型,不同一致性模型又有不同的应用场景。

在互联网领域的绝大多数场景中,都需要牺牲强一致性来换取系统的高可用性,系统往往只需要保证“最终一致性”,只要这个最终时间是在用户可以接受的范围内即可。

CAP演化之BASE理论

对于一致性,可以分为从服务端和客户端两个不同的视角,这里关注的主要是外部一致性。

强一致性

当更新操作完成之后,任何多个后续进程的访问都会返回最新的更新过的值,这种是对用户最友好的,就是用户上一次写什么,下一次就保证能读到什么。根据 CAP 理论,这种实现需要牺牲可用性。

弱一致性

系统在数据写入成功之后,不承诺立即可以读到最新写入的值,也不会具体的承诺多久之后可以读到。用户读到某一操作对系统数据的更新需要一段时间,我们称这段时间为“不一致性窗口”。

最终一致性是弱一致性的特例,强调的是所有的数据副本,在经过一段时间的同步之后,最终都能够达到一个一致的状态。因此,最终一致性的本质是需要系统保证最终数据能够达到一致,而不需要实时保证系统数据的强一致性。

到达最终一致性的时间 ,就是不一致窗口时间,在没有故障发生的前提下,不一致窗口的时间主要受通信延迟,系统负载和复制副本的个数影响。

最终一致性模型根据其提供的不同保证可以划分为更多的模型,包括因果一致性和会话一致性等。

因果一致性

因果一致性要求有因果关系的操作顺序得到保证,非因果关系的操作顺序则无所谓。

进程 A 在更新完某个数据项后通知了进程 B,那么进程 B 之后对该数据项的访问都应该能够获取到进程 A 更新后的最新值,并且如果进程 B 要对该数据项进行更新操作的话,务必基于进程 A 更新后的最新值。

因果一致性的应用场景可以举个例子,在微博或者微信进行评论的时候,比如你在朋友圈发了一张照片,朋友给你评论了,而你对朋友的评论进行了回复,这条朋友圈的显示中,你的回复必须在朋友之后,这是一个因果关系,而其他没有因果关系的数据,可以允许不一致。

会话一致性

会话一致性将对系统数据的访问过程框定在了一个会话当中,约定了系统能保证在同一个有效的会话中实现“读己之所写”的一致性,就是在你的一次访问中,执行更新操作之后,客户端能够在同一个会话中始终读取到该数据项的最新值。

实际开发中有分布式的 Session 一致性问题,可以认为是会话一致性的一个应用。