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“太白金星：聽聞老君最近在練神丹妙藥，可否與我一講?

太上老君：老白啊，我最近在練六顆丹藥：兩顆延年丹、兩顆健步丹、兩顆恢復(fù)丹。

太白金星：那這三個八卦爐定是練這三件法寶的?

太上老君：正是正是。而且對于相同的丹藥，功效和大小還得完全一樣。”

三種丹藥

 

一、三個煉丹爐怎么分配的“

太白金星：老君，你的八卦爐怎么分配的啊?

”讓我們揭開老君的煉丹爐，看看六顆丹藥是怎么分配的。

首先我們是很容易猜到丹爐是怎么分配煉丹的：

• 一號丹爐煉兩顆延年丹。
• 二號丹爐煉兩顆健步丹。
• 三號丹爐煉兩顆恢復(fù)丹。

太白金星認(rèn)為的丹爐情況

 

那如此分配會有什么問題呢?

我們試想一下，如果一號丹爐因?yàn)闋t火太高炸裂了，那么兩顆延年丹定會失敗。這和把雞蛋放到一個籃子里面是一個道理。假如籃子不慎被打翻，里面的雞蛋都掉出來，就都碎了。

“太上老君：老白，我把鍋爐的蓋子揭開給你看看你就知道了。”

• 一號丹爐煉一顆延年丹和一顆健步丹。
• 二號丹爐煉一顆延年丹和一顆恢復(fù)丹。
• 三號丹爐煉一顆健步丹和一顆恢復(fù)丹。

丹爐實(shí)際分配情況

 

“太白金星：老君，為何要如此分配，每個丹藥的火候可不那么好把控啊?

太上老君：老白，我可是煉丹大師，火候難不倒我。

太白金星：不愧是老君啊，這樣即使有一個丹爐有問題，至少能保證一顆能煉成，而不是兩顆都?xì)Я恕?rdquo;

映射到我們互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中：丹爐類似于服務(wù)器節(jié)點(diǎn)或數(shù)據(jù)庫節(jié)點(diǎn)，通過多個節(jié)點(diǎn)來相互備份數(shù)據(jù)來保證系統(tǒng)的高可用性(High Availability)。

二、如何保證丹藥品質(zhì)一樣

2.1 一致性

“太白金星：老君，你剛提到，兩顆延年丹需要保證功效一樣，大小一樣?

太上老君：確實(shí)如此，丹藥品質(zhì)必須保持一致，我煉的都是九品丹藥，藥效差一點(diǎn)則是千差萬別。”

太上老君說的品質(zhì)保持一致到底怎么回事?

一號丹爐里面的延年丹和二號丹爐的延年丹如何保證品質(zhì)一致呢?

這不就是我們常常說的分布式一致性嗎?兩顆丹藥分布在不同的丹爐中，需要保證品質(zhì)一致。

如下圖所示，這兩顆延年丹的一大一小，顏色也有不同，這就是品質(zhì)不一樣。

品質(zhì)不一樣

 

而在架構(gòu)設(shè)計(jì)中，比如請求訪問到不同的數(shù)據(jù)庫，查到的數(shù)據(jù)都是一樣的，這就是一致性。

如下圖所示：瀏覽器訪問數(shù)據(jù)庫 1 和數(shù)據(jù)庫 2 中的數(shù)據(jù) A，結(jié)果返回的都是 A = 1。

分布式系統(tǒng)中的一致性

 

2.2 最終一致性和強(qiáng)一致性

分布式中的一致性又分為最終一致性和強(qiáng)一致性。

所謂強(qiáng)一致性就是寫操作完成后，任何后續(xù)訪問都能讀到更新后的值。這就是CP系統(tǒng)所要求的一致性和分區(qū)容錯性。。

那放到煉丹中怎么理解?

比如老君給一號丹爐的延年丹加入了蓮花這種藥材，給二號丹爐的延年丹也這么操作，那么老白揭開爐蓋看到的兩顆延年丹的成分是一樣的。

而最終一致性就是不保證后續(xù)訪問都能讀到更新后的值，但是經(jīng)過一段時間后，再去讀，就能得到相同的值。也就是說，在這段時間內(nèi)，可能讀到舊的數(shù)據(jù)。這就是AP系統(tǒng)所要求的可用性和分區(qū)容錯性。

放到煉丹中怎么理解?

比如老君給一號丹爐的延年丹加入了蓮花，而經(jīng)過了一個時辰后，才給二號丹爐加雪蓮，那么在這個時辰內(nèi)，看到的兩顆延年丹的成分就不一樣了。但經(jīng)過一個時辰后，最終成分一樣。

三、可控的品質(zhì)：Quorum NWR 協(xié)議

“假如延年丹必須保證品質(zhì)的強(qiáng)一致性，而健步丹只需要保證品質(zhì)的最終一致性，這個該怎么控制呢?

”這個可沒有難倒老君，因?yàn)槔暇梅植际絽f(xié)議：Quorum NWR。

Quorum 這個單詞的意思：(會議的)法定人數(shù)。主要是看后面三個大寫字母：N、W、R。由 NWR 來控制一致性。

3.1 參數(shù) N

我們還是來看下丹爐中的情況，兩顆延年丹是互為備份的，相當(dāng)于有兩個副本。

N 稱作副本數(shù)，又叫做復(fù)制因子(Replication Factor)。表示同一份數(shù)據(jù)有多少個副本，所以：延年丹的 N = 2。依次類推：健步丹的 N = 2，恢復(fù)丹的 N = 2。如下圖所示：

丹藥的副本數(shù)一樣

 

那 N 可以變嗎?

如下圖所示：比如我想煉 3 顆延年丹，也就是每個丹爐都有延年丹，那就把 N 改成 3 就可以了。而健步丹只需要煉一顆足以，那一號丹爐煉就可以了，所以N = 1。

多個丹藥的副本數(shù)不一樣

 

3.2 參數(shù) W

指定了副本數(shù) N 之后，就可以對副本數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作。

• 讀操作：查看所在丹爐內(nèi)丹藥的情況。
• 寫操作：給丹藥添加藥材、提高溫度。

那多個丹藥該如何執(zhí)行讀寫操作呢?對于寫操作，我們有 W 參數(shù)，對于讀操作，我們有 R 參數(shù)。

W 稱為寫一致性級別(Write Consistency Level)，表示成功完成 W 個副本更新，才完成寫操作。

比如設(shè)置延年丹的 W = 2，表示對延年丹執(zhí)行寫操作時，完成了 2 個副本的更新時，才完成寫操作。

如下圖所示：一號丹爐和二號丹爐中的延年丹都加入了蓮花，而三號丹爐中的延年丹未加入蓮花。也就是只完成了兩個副本的更新，符合 W = 2 這個條件，即寫操作完成。

兩個延年丹加入了蓮花

 

但是大家發(fā)現(xiàn)問題沒，三號丹爐的延年丹未加入蓮花，那怎么保證太上老君查看丹藥情況時，得知是已加入蓮花呢?也就是如何保證讀寫的強(qiáng)一致性，這就要用到第三個參數(shù)了：R。

3.3 參數(shù) R

R 稱為讀一致性級別(Read Consistency Level)，表示讀取一個數(shù)據(jù)對象時，需要讀 R 個副本，然后返回 R 個副本中最新的那份數(shù)據(jù)。

回到煉丹的問題中，設(shè)置延年丹的 R = 2，也就是查看延年丹的情況時，只需要查看兩個丹爐內(nèi)的延年丹的情況，然后返回最新的延年丹的情況就可以了。

• 假設(shè)查看的是一號和二號丹爐內(nèi)的延年丹，返回的情況都是：已加入蓮花。這種場景是一致性的。
• 假設(shè)查看的是一號和三號丹爐內(nèi)的延年丹，一號丹爐的延年丹是已加入蓮花，三號丹爐是未加入蓮花，但是三號丹爐內(nèi)的延年丹最后一次操作時間是早于一號丹爐的，所以返回一號丹爐內(nèi)延年丹的情況：已加入蓮花。這種場景也是一致性的。

通過上面的兩種場景，我們知道，通過設(shè)置 R = 2，即使讀到第三份未更新的數(shù)據(jù)，也能返回更新后的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)一致性。

3.4 參數(shù)組合

參數(shù) N、W、R 的不同組合將會帶來不同的一致性效果。

• 比如上面的例子，N = 3，W = 2，R = 2，W + R > N，對于客戶端來講，整個系統(tǒng)能保證強(qiáng)一致性，一定能返回更新后的那份數(shù)據(jù)。
• 當(dāng) W + R <= N 時，對于客戶端來講，整個系統(tǒng)只能保證最終一致性，訪問數(shù)據(jù)期間可能會返回舊數(shù)據(jù)。

參數(shù)不同，效果不同，分布式系統(tǒng)需要根據(jù)不同場景來配置。

四、應(yīng)用

InfluxDB 企業(yè)版是時序數(shù)據(jù)庫，它有四種寫一致性級別：

• any：W + R < N，W = 1，任何一個節(jié)點(diǎn)寫入成功后，或者寫入 Hinted-handoff 緩存(等下次重傳)，返回成功給客戶端。
• one：W + R < N，W = 1，任何一個節(jié)點(diǎn)寫入成功后，立即返回成功給客戶端，不包括寫入 Hinted-handoff 緩存
• quorum：W + R > N，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)寫入成功后，就返回成功給客戶端。(要求 N 大于2)
• all：W = N，所有節(jié)點(diǎn)都寫入成功后，返回成功。

另外對于 時序數(shù)據(jù)庫 InfluxDB 來說，讀操作需要讀取大量數(shù)據(jù)，為了保證讀取的高效，它不支持讀一致性級別(R = N)，但是可以通過設(shè)置寫一致性級別為 all，來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)一致性。

InfluxDb 實(shí)現(xiàn)了 Quorum NWR，當(dāng)線上業(yè)務(wù)需要臨時做些一致性調(diào)整時，設(shè)置不同的寫一致性級別即可完成快速切換。

五、總結(jié)

本文通過太上老君和太白金星關(guān)于煉丹的對話，引申出自定義一致性的分布式協(xié)議：Quorum NWR 協(xié)議。

• 丹爐比喻節(jié)點(diǎn)，丹藥比作數(shù)據(jù)，多個丹藥稱作副本。
• N 代表副本數(shù)，W 代表寫多少個副本數(shù)，R 代表讀多少個副本數(shù)。
• 當(dāng) N 大于節(jié)點(diǎn)數(shù)時，就會出現(xiàn)一個節(jié)點(diǎn)存在多個副本的情況，這個節(jié)點(diǎn)故障時，多個副本會受到影響。
• W + R > N 時，代表強(qiáng)一致性。
• W = N 時，讀性能好。R = N，寫性能好。
• W = R = (N+1)/2，容錯能力好，能容忍 少數(shù)節(jié)點(diǎn)(也就是(N-1)/2) 個節(jié)點(diǎn)故障。
• 如何設(shè)置 N、W、R 值，取決于我們的系統(tǒng)該往哪方面優(yōu)化。
• Quorum NWR 分布式算法給業(yè)務(wù)提供了按需選擇一致性級別的靈活度，彌補(bǔ)了 AP 型系統(tǒng)缺乏強(qiáng)一致性的缺點(diǎn)。

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