這篇文章，我們將用非常淺顯易懂的語言，跟大家聊聊大規(guī)模分布式系統(tǒng)的容錯(cuò)架構(gòu)設(shè)計(jì)。雖然定位是有“分布式”、“容錯(cuò)架構(gòu)”等看起來略顯復(fù)雜的字眼，但是咱們還是按照老規(guī)矩：大白話 + 手繪數(shù)張彩圖，逐步遞進(jìn)，讓每個(gè)同學(xué)都能看懂這種復(fù)雜架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想。

1、TB級(jí)數(shù)據(jù)放在一臺(tái)機(jī)器上：難??！

咱們就用分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)舉例，來聊一下容錯(cuò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)。

首先，我們來瞧瞧，到底啥是分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)呢？

其實(shí)特別的簡單，咱們就用數(shù)據(jù)庫里的一張表來舉例。

比如你手頭有個(gè)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫里有一張?zhí)貏e大的表，里面有幾十億，甚至上百億的數(shù)據(jù)。

更進(jìn)一步說，假設(shè)這一張表的數(shù)據(jù)量多達(dá)幾十個(gè)TB，甚至上百個(gè)TB，這時(shí)你覺得咋樣？

當(dāng)然是內(nèi)心感到恐慌和無助了，因?yàn)槿绻阌肕ySQL之類的數(shù)據(jù)庫，單臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的磁盤可能都不夠放這一張表的數(shù)據(jù)！

咱們就來看看下面的這張圖，來感受一下。

2、到底啥是分布式存儲(chǔ)？

所以，假如你手頭有一個(gè)超大的數(shù)據(jù)集，幾百TB！那你還是別考慮傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫技術(shù)來存放了。

因?yàn)橛靡慌_(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可能根本都放不下，所以我們考慮一下分布式存儲(chǔ)技術(shù)？對(duì)了！這才是解決這個(gè)問題的辦法。

咱們完全可以搞多臺(tái)機(jī)器嘛！比如搞20臺(tái)機(jī)器，每臺(tái)機(jī)器上就放1/20的數(shù)據(jù)。

舉個(gè)例子，比如總共20TB的數(shù)據(jù)，在每臺(tái)機(jī)器上只要把1TB就可以了，1TB應(yīng)該還好吧？每臺(tái)機(jī)器都可以輕松加愉快的放下這么多數(shù)據(jù)了。

所以說，把一個(gè)超大的數(shù)據(jù)集拆分成多片，給放到多臺(tái)機(jī)器上去，這就是所謂的分布式存儲(chǔ)。

咱們再看看下面的圖。

3、那么啥又是分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)呢？

那分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)是啥呢？

分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，當(dāng)然就是負(fù)責(zé)把一個(gè)超大數(shù)據(jù)集拆分成多塊，然后放到多臺(tái)機(jī)器上來存儲(chǔ)，接著統(tǒng)一管理這些分散在多臺(tái)機(jī)器上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的一套系統(tǒng)。

比如說經(jīng)典的hadoop就是這類系統(tǒng)，然后fastdfs也是類似的。

如果你可以腦洞打開，從思想本質(zhì)共通的層面出發(fā)，那你會(huì)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)類似elasticsearch、redis cluster等等系統(tǒng)，他本質(zhì)都是如此。

這些都是基于分布式的系統(tǒng)架構(gòu)，把超大數(shù)據(jù)拆分成多片給你存放在多臺(tái)機(jī)器上。

咱們這篇文章是從分布式系統(tǒng)架構(gòu)層面出發(fā)，不拘泥于任何一種技術(shù)，所以姑且可以設(shè)定：這套分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)，有兩種進(jìn)程。

一個(gè)進(jìn)程是Master節(jié)點(diǎn)，就在一臺(tái)機(jī)器上，負(fù)責(zé)統(tǒng)一管控分散在多臺(tái)機(jī)器上的數(shù)據(jù)。

另外一批進(jìn)程叫做Slave節(jié)點(diǎn)，每臺(tái)機(jī)器上都有一個(gè)Slave節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)管理那臺(tái)機(jī)器上的數(shù)據(jù)，跟Master節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

咱們看看下面的圖，通過圖再來直觀的看看上面的描述。

4、天哪！某臺(tái)機(jī)器宕機(jī)了咋辦？

這個(gè)時(shí)候又有一個(gè)問題了，那么萬一上面那20臺(tái)機(jī)器上，其中1臺(tái)機(jī)器宕機(jī)了咋整呢？

這就尷尬了，兄弟，這會(huì)導(dǎo)致本來完整的一份20TB的數(shù)據(jù)，最后有19TB還在了，有1TB的數(shù)據(jù)就搞丟了，因?yàn)槟桥_(tái)機(jī)器宕機(jī)了啊。

所以說你當(dāng)然不能允許這種情況的發(fā)生，這個(gè)時(shí)候就必須做一個(gè)數(shù)據(jù)副本的策略。

比如說，我們完全可以給每一臺(tái)機(jī)器上的那1TB的數(shù)據(jù)做2個(gè)副本的冗余，放在別的機(jī)器上，然后呢，萬一說某一臺(tái)機(jī)器宕機(jī)，沒事啊，因?yàn)槠渌麢C(jī)器上還有他的副本。

我們來看看這種多副本冗余的架構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

上面那個(gè)圖里的淺藍(lán)色的“1TB數(shù)據(jù)01”，代表的是20TB數(shù)據(jù)集中的第一個(gè)1TB數(shù)據(jù)分片。

圖中可以看到，他就有3個(gè)副本，分別在三臺(tái)機(jī)器中都有淺藍(lán)色的方塊，代表了他的三個(gè)副本。

這樣的話，一份數(shù)據(jù)就有了3個(gè)副本了。其他的數(shù)據(jù)也是類似。

這個(gè)時(shí)候我們假設(shè)有一臺(tái)機(jī)器宕機(jī)了，比如下面這臺(tái)機(jī)器宕機(jī)，必然會(huì)導(dǎo)致“1TB數(shù)據(jù)01”這個(gè)數(shù)據(jù)分片的其中一個(gè)數(shù)據(jù)副本丟失。如下圖所示：

那這個(gè)時(shí)候要緊嗎？不要緊，因?yàn)椤?TB數(shù)據(jù)01”這個(gè)數(shù)據(jù)分片，他還有另外2個(gè)副本在存活的兩臺(tái)機(jī)器上呢！

所以如果有人要讀取數(shù)據(jù)，完全可以從另外兩臺(tái)機(jī)器上隨便挑一個(gè)副本來讀取就可以了，數(shù)據(jù)不會(huì)丟的，不要緊張，大兄弟。

5、Master節(jié)點(diǎn)如何感知到數(shù)據(jù)副本消失？

現(xiàn)在有一個(gè)問題，比如說有個(gè)兄弟要讀取“1TB數(shù)據(jù)01”這個(gè)數(shù)據(jù)分片，那么他就會(huì)找Master節(jié)點(diǎn)，說：

“你能不能告訴我“1TB數(shù)據(jù)01”這個(gè)數(shù)據(jù)分片人在哪里?。吭谀呐_(tái)機(jī)器上?。课倚枰x他??！”

我們來看看下面的圖。

那么這個(gè)時(shí)候，Master節(jié)點(diǎn)就需要從“1TB數(shù)據(jù)01”的3個(gè)副本里選擇一個(gè)出來，告訴人家說：

“兄弟，在哪臺(tái)哪臺(tái)機(jī)器上，有1個(gè)副本，你可以去那臺(tái)機(jī)器上讀“1TB數(shù)據(jù)01”的一個(gè)副本就ok了?！?/span>

但是現(xiàn)在的問題是，Master節(jié)點(diǎn)此時(shí)還不知道“1TB數(shù)據(jù)01”的副本3已經(jīng)丟失了，那萬一Master節(jié)點(diǎn)還是通知人家去讀取一個(gè)已經(jīng)丟失的副本3，肯定是不可以的。

所以，我們怎么才能讓Master節(jié)點(diǎn)知道副本3已經(jīng)丟失了呢？

其實(shí)也很簡單，每臺(tái)機(jī)器上負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)的Slave節(jié)點(diǎn)，都每隔幾秒（比如說1秒）給Master節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)心跳。

那么，一旦Master節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)一段時(shí)間（比如說30秒內(nèi)）沒收到某個(gè)Slave節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的心跳，此時(shí)就會(huì)認(rèn)為這個(gè)Slave節(jié)點(diǎn)所在機(jī)器宕機(jī)了，那臺(tái)機(jī)器上的數(shù)據(jù)副本都丟失了，然后Master節(jié)點(diǎn)就不會(huì)告訴別人去讀那個(gè)丟失的數(shù)據(jù)副本。

大家看看下面的圖，一旦Slave節(jié)點(diǎn)宕機(jī)，Master節(jié)點(diǎn)收不到心跳，就會(huì)認(rèn)為那臺(tái)機(jī)器上的副本3就已經(jīng)丟失了，此時(shí)絕對(duì)不會(huì)讓別人去讀那臺(tái)宕機(jī)機(jī)器上的副本3。

那么此時(shí)，Master節(jié)點(diǎn)就可以通知人家去讀“1TB數(shù)據(jù)01”的副本1或者副本2，哪個(gè)都行，因?yàn)槟莾蓚€(gè)副本其實(shí)還是在的。

舉個(gè)例子，比如可以通知客戶端去讀副本1，此時(shí)客戶端就可以找那臺(tái)機(jī)器上的Slave節(jié)點(diǎn)說要讀取那個(gè)副本1。

整個(gè)過程如下圖所示。

6、復(fù)制副本保持足夠副本數(shù)量

這個(gè)時(shí)候又有另外一個(gè)問題，那就是“1TB數(shù)據(jù)01”這個(gè)數(shù)據(jù)分片此時(shí)只有副本1和副本2這兩個(gè)副本了，這就不足夠3個(gè)副本啊。

因?yàn)槲覀冾A(yù)設(shè)的是每個(gè)數(shù)據(jù)分片都得有3個(gè)副本的。大家想想，此時(shí)如何給這個(gè)數(shù)據(jù)分片增加1個(gè)副本呢？

很簡單，Master節(jié)點(diǎn)一旦感知到某臺(tái)機(jī)器宕機(jī)，就能感知到某個(gè)數(shù)據(jù)分片的副本數(shù)量不足了。

此時(shí)，就會(huì)生成一個(gè)副本復(fù)制的任務(wù)，挑選另外一臺(tái)機(jī)器來從有副本的機(jī)器去復(fù)制一個(gè)副本。

比如看下面的圖，可以挑選第四臺(tái)機(jī)器從第二臺(tái)機(jī)器去復(fù)制一個(gè)副本。

但是，現(xiàn)在這個(gè)復(fù)制任務(wù)是有了，我們怎么讓機(jī)器4知道呢？

其實(shí)也很簡單，機(jī)器4不是每秒都會(huì)發(fā)送一次心跳么？當(dāng)機(jī)器4發(fā)送心跳過去的時(shí)候，Master節(jié)點(diǎn)就通過心跳響應(yīng)把這個(gè)復(fù)制任務(wù)下發(fā)給機(jī)器4，讓機(jī)器4從機(jī)器2復(fù)制一個(gè)副本好了。

同樣，我們來一張圖，看看這個(gè)過程：

看上圖，現(xiàn)在機(jī)器4上是不是又多了一個(gè)“1TB數(shù)據(jù)01”的副本3 ？那么“1TB數(shù)據(jù)01”這個(gè)數(shù)據(jù)分片是不是又變成3個(gè)副本了？

7、刪除多余副本

那反過來，如果說此時(shí)機(jī)器3突然恢復(fù)了，他上面也有一個(gè)“1TB數(shù)據(jù)01”的副本3，相當(dāng)于此時(shí)“1TB數(shù)據(jù)01”就有4個(gè)副本了，副本不就多余了嗎？

沒關(guān)系，一旦Master節(jié)點(diǎn)感知到機(jī)器3復(fù)活，會(huì)發(fā)現(xiàn)副本數(shù)量過多，此時(shí)會(huì)生成一個(gè)刪除副本任務(wù)。

他會(huì)在機(jī)器3發(fā)送心跳的時(shí)候，下發(fā)一個(gè)刪除副本的指令，讓機(jī)器3刪除自己本地多余的副本就可以了。這樣，就可以保持副本數(shù)量只有3個(gè)。

一樣的，大家來看看下面的圖。

8、全文總結(jié)

好了，到這里，通過超級(jí)大白話的講解，還有十多張圖的漸進(jìn)式演進(jìn)說明，相信大家以前即使不了解分布式系統(tǒng)，都絕對(duì)能理解一個(gè)分布式系統(tǒng)的完整的數(shù)據(jù)容錯(cuò)架構(gòu)是如何設(shè)計(jì)的了。

實(shí)際上，這種數(shù)據(jù)分片存儲(chǔ) 、多副本冗余、宕機(jī)感知、自動(dòng)副本遷移、多余副本刪除，這套機(jī)制，對(duì)于hadoop、elasticsearch等很多系統(tǒng)來說，都是類似的。

所以筆者在這里強(qiáng)烈建議大家，一定好好吸收一下這種分布式系統(tǒng)、中間件系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)容錯(cuò)架構(gòu)的思想。

這樣，以后學(xué)習(xí)類似的一些技術(shù)的時(shí)候，對(duì)他們的原理、思想都會(huì)感到一種似曾相識(shí)的感覺。