分布式系统概述

1. 什么是分布式系统

分布式系统是相对于单机系统或者是集中式系统的一个概念，在明确分布式系统的概念之前，先来看下集中式系统的定义

1.1 集中式系统

集中式系统通常由一台性能超强的大型计算机来构成，构成一个中心节点，数据集中存储于这个中心节点上，并且整个系统的所有业务单元都集中部署在这个中心节点上，所有的业务逻辑都集中在这个中心节点上处理

1.1.1 特点

这种集中式系统的最大特点就是结构简单，因为它一般是在一台高性能的单机节点上实现的，这台主机往往价格十分昂贵。由于是单机部署，所以不用考虑各个节点之间的分布式协作问题，所有的逻辑都由这个节点一体化处理。也正是由于单机部署，导致整个单机系统庞大而复杂，难以维护，并且还会存在单点故障，扩展性差等问题。单机系统要扩展，只能选用性能更高的主机，这往往意味着更高的成本，而且单机性能总有上限，也不容易达到性能要求

1.2 分布式系统

分布式系统可以看作是针对单机系统的瓶颈而产生的，采用的是“分治”的思想，将计算和存储分散到不同的网络节点上，彼此协调服务。可以给分布式系统下一个定义：分布式系统是硬件和软件都分布在不同的网络主机上，这些网络主机之间通过传递消息进行通信和协调，共同完成一个任务的系统

1.2.1 特点

1. 分散性：分布式系统中的节点都是独立运行的，并且可以在空间任意分布，而且可以随时变动。这种分散特性可以有效的提高分布式系统的可用性和伸缩性，并且具备很强的容错能力

2. 并发性：分布式系统中有多个进程并发的运行，从而实现更高的性能

3. 异构性：分布式系统中的节点可能具有不同的硬件和操作系统，甚至不同的进程可能有不同的编程语言完成

4. 容错性：分布式系统可以通过备份、复制以及一些容错算法来避免单点故障，提高系统的可靠性

5. 可扩展性：分布式系统可以灵活的增加和删除系统资源来适应不同的业务场景

6. 透明性：分布式系统对外是无感知的，对用户而言感觉系统就是一个整体

2. 单机和集群以及分布式的关系

2.1 单机

单机其实很好理解，如上面集中式系统的图示，比如一个电商系统，最基本的需求，用户需要查看商品，所以需要对外提供商品服务，用户还需要查看物流信息，以及一些售后处理，所以系统还需要提供订单服务和物流服务。除了这些业务服务之外，系统还有一些提供基础功能的服务，比如文件服务，缓存服务等，在单机系统中这些服务都集中在一台机器上运行，这就是单机架构

2.2 集群

单机架构的缺陷和明显，就是单机硬件资源瓶颈，有限的单机资源无法支撑大的业务量。那既然一台机器不行，就用多台机器不就可以了嘛，这样就催生出了集群架构。所以集群可以认为是单机的多副本模式，将原本的单机系统复制多分部署在多台机器上，这样就构成了一个集群。每台机器就称为集群的一个节点，注意集群中的每个节点干的是相同的工作，提供的是相同的服务

在构建集群模式之后，很快就发现一个问题，当一个请求来到的时候，由于多个节点都是提供相同的服务，不可能这个请求在所有节点都跑一遍，那样就没有解决性能瓶颈问题了，只需要让这次请求打到某一个节点上，让这个节点来处理就可以了，这就是后面会详细讨论的负载均衡策略

2.3 分布式

集群的方式虽然可以有效解决单机资源瓶颈的问题，但是在单台机器上所有的业务都在一起，耦合度太高，这个系统庞大而复杂，维护起来也很麻烦。所以以应用系统的业务功能作为出发点，并将每个业务功能拆分成一个完全独立子系统，这些子系统之间通过传递消息进行通信和协调，共同完成一个任务的系统。可以看出，集群是相同应用的多备份部署，同一份代码，功能相同。而分布式是将业务拆成了不同的子业务，每个子业务有单独的服务部署，功能都不一样，这些子业务一起组成一个完整的系统。所以相比于集群，分布式的每个子系统是有区别的

上图所示就是一个分布式系统，并且是一个分布式集群，将电商业务拆成了多个服务部署到了不同的服务器，并且订单服务，物流服务，还有商品服务都是集群化部署，部署了多份，当然这个例子只是为了说明分布式和集群的关系，现在真正的业务场景一般不会这样部署了，不会一台服务器部署一个应用服务，都是容器化多实例部署

2.4 生活场景类比

比如说有一家饭店，刚开业的时候，由于客户量不大，所以只聘请了一位厨师，这位厨师承包了所有的工作，既负责配菜，又负责炒菜，还负责上菜，由于客人不多，完全能够应付，这种场景就相当于是最开始的单体架构

后来随着饭店名气越来越大，来的客人越来越多，此时一位厨师不够用了，所以聘请了多位厨师，但是每位厨师还是跟以前一样，干所有的活儿，只是加大了人手，并没有分工。这种场景就相当于是集群架构

再后来，饭店规模进一步扩大，为了便于管理和扩张，对厨师岗位进行了分工，有专门配菜的厨师，也有负责炒菜的厨师，有的专门负责上菜。这种场景就相当于是分布式架构

3. 分布式与微服务

熟悉了分布式的概念，这里需要强调一下分布式和微服务的关系

首先看一下微服务的定义，微服务是一种软件设计理念，它是面向服务的，将大的系统或者是服务，拆分成一组小的且相互独立的服务。这些小的服务都是独立运行的，并且每个小服务有自己的数据库、业务逻辑，服务之间通过网络进行通信和协作。这组小服务一起协作对外提供服务，共同完成一个系统的任务。

看定义其实微服务和分布式很像，都是分治的思想，加大系统拆成小单元，共同对外提供服务。他们之间的关系可以这样概括：

微服务其实是一种特定的分布式系统架构风格，分布式是一种系统架构的范畴，而微服务是分布式系统的一种具体实现方式，微服务将应用程序拆分成小的、自治的服务单元，通过网络进行通信和协作来完成系统任务。分布式有很多种实现方式，微服务并不是它唯一的实现方式

4. 为什么需要分布式系统

前面简单提到过，分布式系统是针对单机系统的瓶颈而产生的，这里就详细分析下，分布式系统究竟可以解决哪些单机系统解决不了的问题

4.1 高性能

面对现在这种海量规模的互联网业务，其实单机的物理硬件已经无法再有效支撑系统的高性能了。虽然说现在也有了一些超级计算机，拥有多核cpu，本身有着很强的计算能力，但是即便是这种超级计算机依然无法突破物理限制，并且随着机器性能越高，其成本也会迅速上升，所以，分布式就自然而然成为了解决高性能的一种有效手段。分布式系统通过将多个廉价的计算机组合起来，形成一个拥有足够的cpu，内存以及物理磁盘的系统，可以轻松突破物理瓶颈，实现对高性能的需求，并且更廉价

4.2 可扩展性

现今，很多的业务场景都海量级的，所以很多的应用都是数据密集型的，有着海量的数据存储需求。并且随着业务规模的扩张，用户增长迅速，再加上已有的历史数据，单机的存储根本就无法满足存储需求，所以存储上也需要构建一套分布式存储系统，可以让数据量方便的扩展

4.3 高可用性

前面也分析过，单机系统一个很重大的缺陷就是单点故障，这对于业务而言是完全不可接受的。尤其在现在，基本上都要求服务能够7*24小时不间断的提供服务，这就要求我们的服务必须具备高可用性，显然单机系统无法做到。而分布式系统，可以通过冗余数据备份来保证数据的可用性，同时通过冗余计算实例（跑两个相同的计算任务），一个实例挂掉之后，可以迅速切换到另一个，达到计算高可用

5. 分布式架构与单机架构对比

虽然分布式作为单机系统的一种改进，有着诸多优势，但是并非银弹，并不是所有的业务场景都适合分布式，有的场景反而单机架构更切合，以下用表格形式对分布式和单机架构做一个全方位的对比

从表格的对比分析不难发现，分布式其实也存在不少的问题，比如在系统性能上，虽然提高了吞吐量，但是由于服务间的调用链，导致一次请求的路径变长了，有多段网络通信，所以导致响应时间肯定是延长的，所以对于一些响应时间要求很高的业务往往很少用微服务架构，比如在某些游戏领域，后台有的还是单体架构，只是用了集群模式。另外，由于分布式设计到服务拆分，其设计难度也加大了，对于系统故障的排查的难度也比单体上有所增加。

所以，综合来看，分布式系统并非银弹，它和单体架构都有各自的使用场景，在做系统设计的时候要根据实际的业务场景出发，选择合适的架构

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