分佈式理論之CAP定理（布魯爾定理）

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1. 分佈式理論之CAP定理（布魯爾定理）
2. 分佈式理論之BASE理論
3. 分佈式理論之2PC協議(2階段提交協議)

定義

在理論計算機科學中，CAP定理（CAP theorem），又被稱做布魯爾定理（Brewer's theorem），它指出對於一個分佈式計算系統來講，不可能同時知足如下三點

選項	具體意義
一致性（Consistency）	全部節點訪問同一份最新的數據副本
可用性（Availability）	每次請求都能獲取到非錯的響應，可是不保證獲取的數據爲最新數據
分區容錯性（Partition tolerance）	分佈式系統在遇到任何網絡分區故障的時候，仍然可以對外提供知足一致性和可用性的服務，除非整個網絡環境都發生了故障

而CAP指的就是上述三個指標的首字母

分別解釋每一個指標

一致性（Consistency）

這裏指的是強一致性，而最終一致性後續討論
在寫操做完成後開始的任何讀操做都必須返回該值，或者後續寫操做的結果
也就是說，在一致性系統中，一旦客戶端將值寫入任何一臺服務器並得到響應，那麼以後client從其餘任何服務器讀取的都是剛寫入的數據

用以下系統進行解釋

1. 客戶端向G1寫入數據v1，並等待響應
2. 此時，G1服務器的數據爲v1，而G2服務器的數據爲v0，二者不一致
3. 接着，在返回響應給客戶端以前，G2服務器會自動同步G1服務器的數據，使得G2服務器的數據也是v1
4. 一致性保證了無論向哪臺服務器（好比這邊向G1）寫入數據，其餘的服務器（G2）能實時同步數據
5. G2已經同步了G1的數據，會告訴G1，我已經同步了
6. G1接收了全部同步服務器的已同步的報告，纔將「寫入成功」信息響應給client
7. client再發起請求，讀取G2的數據
8. 此時獲得的響應是v1，即便client從未寫入數據到G2

可用性（Availability）

系統中非故障節點收到的每一個請求都必須有響應
在可用系統中，若是咱們的客戶端向服務器發送請求，而且服務器未崩潰，則服務器必須最終響應客戶端，不容許服務器忽略客戶的請求

分區容錯性（Partition tolerance）

容許網絡丟失從一個節點發送到另外一個節點的任意多條消息，即不一樣步
也就是說，G1和G2發送給對方的任何消息都是能夠放棄的，也就是說G1和G2可能由於各類意外狀況，致使沒法成功進行同步，分佈式系統要能容忍這種狀況。

CAP三者不可能同時知足

假設確實存在三者能同時知足的系統

• 那麼咱們要作的第一件事就是分區咱們的系統，因爲知足分區容錯性，也就是說可能由於通訊不佳等狀況，G1和G2之間是沒有同步

• 接下來，咱們的客戶端將v1寫入G1，但G1和G2之間是不一樣步的，因此以下G1是v1數據，G2是v0數據。

• 因爲要知足可用性，即必定要返回數據，因此G1必須在數據沒有同步給G2的前提下返回數據給client，以下

• 接下去，client請求的是G2服務器，因爲G2服務器的數據是v0，因此client獲得的數據是v0

很明顯，G1返回的是v1數據，G2返回的是v0數據，二者不一致。
其他狀況也有相似推導，也就是說CAP三者不能同時出現。

CAP三者如何權衡

三選二利弊如何

• CA (Consistency + Availability)：關注一致性和可用性，它須要很是嚴格的全體一致的協議，好比「兩階段提交」（2PC）。CA 系統不能容忍網絡錯誤或節點錯誤，一旦出現這樣的問題，整個系統就會拒絕寫請求，由於它並不知道對面的那個結點是否掛掉了，仍是隻是網絡問題。惟一安全的作法就是把本身變成只讀的。
• CP (consistency + partition tolerance)：關注一致性和分區容忍性。它關注的是系統裏大多數人的一致性協議，好比：Paxos 算法 (Quorum 類的算法)。這樣的系統只須要保證大多數結點數據一致，而少數的結點會在沒有同步到最新版本的數據時變成不可用的狀態。這樣可以提供一部分的可用性。
• AP (availability + partition tolerance)：這樣的系統關心可用性和分區容忍性。所以，這樣的系統不能達成一致性，須要給出數據衝突，給出數據衝突就須要維護數據版本。Dynamo 就是這樣的系統。

如何進行三選二

權衡三者的關鍵點取決於業務
放棄了一致性，知足分區容錯，那麼節點之間就有可能失去聯繫，爲了高可用，每一個節點只能用本地數據提供服務，而這樣會容易致使全局數據不一致性。對於互聯網應用來講（如新浪，網易），機器數量龐大，節點分散，網絡故障再正常不過了，那麼此時就是保障AP，放棄C的場景，而從實際中理解，像門戶網站這種偶爾沒有一致性是能接受的，但不能訪問問題就很是大了。

對於銀行來講，就是必須保證強一致性，也就是說C必須存在，那麼就只用CA和CP兩種狀況，當保障強一致性和可用性（CA），那麼一旦出現通訊故障，系統將徹底不可用。另外一方面，若是保障了強一致性和分區容錯（CP），那麼就具有了部分可用性。實際究竟應該選擇什麼，是須要經過業務場景進行權衡的（並非全部狀況都是CP好於CA，只能查看信息但不能更新信息有時候還不如直接拒絕服務）

參考

CAP原則(CAP定理)、BASE理論
分佈式理論(一) - CAP定理
CAP定理
An Illustrated Proof of the CAP Theorem
分佈式系統的一致性協議之 2PC 和 3PC