01 分布式基础理论

1.分布式理论基础

1.1 CAP理论是分布式系统的基石

Consistency(一致性):

“all nodes see the same data at the same time”，即更新操作成功并返回客户端，所有节点在同一时间的数据完全一致，一致性的问题在并发系统中不可避免。（所有的节点在同一时刻看到的数据是相同的）

对于客户端，一致性指的是并发访问时更新过的数据如何获取

对于服务端，则是更新如何复制分布到整个系统，以保证数据一致。

Availability (可用性):

“Reads and writes always succeed”，即服务一直可用，而且是正常响应时间。良好的可用性是指系统能够很好的为用户服务，不出现用户操作失败或者访问超时等用户体验不好的情况。（可用嘛，就是总是能成功）

Partition Tolerance (分区容错性):

即分布式系统在遇到某节点或网络分区故障的时候，仍然能够对外提供满足一致性和可用性的服务。

比如现在的分布式系统中有某一个或者几个机器宕掉了，其他剩下的机器还能够正常运转满足系统需求，对于用户而言并没有什么体验上的影响，（别人出问题了跟你不影响）

1.2 三者只能取其二

• CA without P： 如果不要求P（不允许分区），则保留C（强一致性）和A（可用性），但放弃P的同时也就意味着放弃了系统的扩展性，也就是分布式节点受限，这是有违背分布式系统的设计初衷。
• CP without A： 如果不要求A（可用），强调各服务之间数据强一致性，而P（分区）会导致同步时间无限延长(等待数据同步完才能正常访问服务)，一旦发生网络故障或者消息丢失等情况，就要牺牲用户的体验。
• AP wihtout C： 要高可用并允许分区，则需放弃一致性。一旦分区发生，节点之间可能会失去联系，为了高可用，每个节点只能用本地数据提供服务，这样会导致全局数据的不一致性。

没有完美的分布式，要看你为了什么而去牺牲什么？你要分区那可能会造成数据不一致的可能性，你要你要强一致和高可用，那就要牺牲分区的高拓展性。没有完美的系统，

1.3 BASE理论（一种妥协）

BASE是Basically Available（基本可用）、Soft state（软状态）和 Eventually consistent（最终一致性）三个短语的缩写

BASE是对CAP中一致性和可用性权衡的结果，核心思想是：即使无法做到强一致性，采用适当的方式使系统达到最终一致性。

Basically Available: 基本可用是指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，但不等价于系统不可用。系统最终是可用的

• 秒杀的场景下用户数量暴增，为保护系统稳定性，有部分用户可能被引导至一个降级页面

Soft state: 允许系统中的数据存在中间状态，并认为中间状态不会影响系统整体可用性，即允许系统在不用节点之间数据同步存在延时（加中间状态，比如说支付中）举个例子：农业银行向工商银行转账，会有一个5秒左右延迟到账，这就是中间状态。

Eventually consistent: 强调所有的数据副本在经过一段时间同步后，最终能够达成一致的状态。最终保证一致，而不是实时保证系统一致性。

BASE理论面向的是大型高可用可扩展的分布式系统，和传统的事物ACID特性是相反的，它完全不同于ACID的强一致性模型，而是通过牺牲强一致性来获得可用性，并允许数据在一段时间内是不一致的，但最终达到一致状态。但同时，在实际的分布式场景中，不同业务单元和组件对数据一致性的要求是不同的，因此在具体的分布式系统架构设计过程中，ACID特性和BASE理论往往又会结合在一起。

2.区块链不可能三角

区块链通常在安全性、去中心化和可扩展性之间进行权衡：

• 比特币：重点放在安全性和去中心化上，因此导致比特币的可扩展性受限，因为比特币的区块大小和区块时间设定限制了它的交易处理能力。在需求高的时候就会导致交易延迟和手续费上涨（假如一个区块时间是5秒，在这个区块时间内它的交易处理能力是有限的，太多交易要处理的时候，就会影响其处理时间，和手续费上涨）。
• 以太坊：重点也放在安全性和去中心化上，并作为智能合约平台，它需要确保用户的资产和协议是安全的。因此以太坊的可扩展性较差，尤其当DeFi和NFT的应用量增大时，交易延迟与费用上涨的问题尤其突出。
• Solana：主要关注可扩展性因此在处理速度和吞吐量上都非常高效，为了达到这样的性能，在网络的中心化程度作出了一些妥协，例如限制验证者的数量。

3.概率最终性和逐块最终性

概率最终性：在比特币网络中，由于采用了Proof-of-Work（工作量证明）的共识算法。尽管一个区块被添加到区块链上，但仍然存在一定的概率（尽管很小）在后续的区块中被另一个竞争者的区块所取代。因此，对于比特币网络来说，一个最新的区块在一段时间后可以被认为具有概率最终性，即随着更多的区块被添加到区块链上，该区块被替代的概率会逐渐减小。

逐块最终性：对于Cosmos网络，它采用了Tendermint共识算法，该算法通过验证人的投票来确定下一个区块的生成者。一旦在Cosmos网络中的一个区块被验证人成功生成并广播出去，它被认为是最终的结果，不会被后续的区块替代。因此，可以说Cosmos网络具有逐块最终性，即一旦一个区块在网络中被验证人确认，它就成为最终的结果。