微服务-理论(CAP,一致性协议)

news2024/11/18 22:28:38

CAP理论

关于CAP理论的介绍可以直接看这篇文章

CAP分别是什么？

一致性（Consistency
一致性包括强一致性，弱一致性，最终一致性。
一致性其实是指数据的一致性，为什么数据会不一致呢？
在这里插入图片描述

如上面这张图，我们服务是以集群的方式向外提供服务，客户端并不会关心我这次请求到了那个节点。如果我第一次请求到了A节点做了更新数据的操作，但是第二次我的请求被转发到B节点了。如果这个时候服务A和服务B的数据还没有进行同步，这个时候数据就不一致了，事实上我们也很难做到服务A的数据发生变化就可以立即传给B进行同步，特别是在请求特别频繁的情况下。因此要根据实际场景去判断是否一定要保证强一致性。例如涉及金钱和库存的这种服务集群肯定是要保证强一致性的。又例如点赞量和播放量或者访问量，这些并不需要实时一致，保证最终一致即可。

可用性（Availability）
其实就是不管数据正不正确，只要用户来请求，就返回给用户数据。
在我们说一致性的时候，如果去保证强一致性，这个时候客户端如果请求到达了B是不能对外提供服务的，因为一旦提供服务这个数据还是老的数据，就产生了数据的不一致性。但是如果不提供服务的话，那这个服务节点岂不是不可以用了吗？那就是没有保障可用性呀。所以我们也可以看到，一致性和可用性之间是需要做一定妥协的。

分区容错性（Partition tolerance）

1 分区
什么是分区，分布式系统分布在多个子网络中。分布式系统的服务节点可能由于网络原因，或者其它因素不能相互通信。这种情况就叫产生了分区。
在这里插入图片描述

2 什么是分区容忍？
因为产生分区这种情况一般来说是无法避免的，我们不能完全保证两个服务节点能够完全互通，不产生任何异常。

总结下来就是在一个分布式系统中，这个P分区是一定存在的。我们需要根据业务场景来做C和A的一些取舍。

常见组件保证的模式

  • Nacos 保证了AP + CP
  • Zookeeper 保证了CP
  • Eureka 保证了AP

Distro 一致性协议（临时节点协议）

原文链接
distro协议网上的资料比较少，因为它是阿里“自创的协议“，通过源码总结一下distro协议的关键点：
distro协议是为了注册中心而创造出的协议；
客户端与服务端有两个重要的交互，服务注册与心跳发送；
客户端以服务为维度向服务端注册，注册后每隔一段时间向服务端发送一次心跳，心跳包需要带上注册服务的全部信息，在客户端看来，服务端节点对等，所以请求的节点是随机的；
客户端请求失败则换一个节点重新发送请求；
服务端节点都存储所有数据，但每个节点只负责其中一部分服务，在接收到客户端的“写“（注册、心跳、下线等）请求后，服务端节点判断请求的服务是否为自己负责，如果是，则处理，否则交由负责的节点处理；
每个服务端节点主动发送健康检查到其他节点，响应的节点被该节点视为健康节点；
服务端在接收到客户端的服务心跳后，如果该服务不存在，则将该心跳请求当做注册请求来处理；
服务端如果长时间未收到客户端心跳，则下线该服务；
负责的节点在接收到服务注册、服务心跳等写请求后将数据写入后即返回，后台异步地将数据同步给其他节点；
节点在收到读请求后直接从本机获取后返回，无论数据是否为最新。
新节点同步机制：
DistroProtocol#startDistroTask

private void startDistroTask() {
    if (EnvUtil.getStandaloneMode()) {
        isInitialized = true;
        return;
    }
    // 健康检查
    startVerifyTask();
    // 开始加载
    startLoadTask();
}

平等机制：
Nacos 的每个节点是平等的，都可以处理写的请求
异步复制机制：
DistroProtocol#sync

public void sync(DistroKey distroKey, DataOperation action) {
     sync(distroKey, action, DistroConfig.getInstance().getSyncDelayMillis());
 }

健康检查机制：
DistroProtocol#startDistroTask

private void startVerifyTask() {
    GlobalExecutor.schedulePartitionDataTimedSync(new DistroVerifyTimedTask(memberManager, distroComponentHolder,
                    distroTaskEngineHolder.getExecuteWorkersManager()),
            DistroConfig.getInstance().getVerifyIntervalMillis());
}

本地读机制(每个节点拥有全量的数据)：
但是写处理，是只有一部分数据，也就是有个数据拆分，分而治之的机制。
InstanceController#list

/**
  * Get all instance of input service.
  *
  * @param request http request
  * @return list of instance
  * @throws Exception any error during list
  */
 @GetMapping("/list")
 @Secured(action = ActionTypes.READ)
 public Object list(HttpServletRequest request) throws Exception {}

路由转发机制：
DistroFilter#doFilter

if (distroMapper.responsible(distroTag)) {
     filterChain.doFilter(req, resp);
     return;
 }

在这里插入图片描述

Raft 一致性协议（持久化节点协议）

该协议主要是发起选举，选举后如何同步数据。一个节点起来了以后，会发起投票，如果集群过半数据认可这个节点则这个节点为leader，成为leader后与其它节点建立联系。
V1版本的选举与同步

try {
     if (stopWork) {
         return;
     }
     if (!peers.isReady()) {
         return;
     }
     
     RaftPeer local = peers.local();
     local.leaderDueMs -= GlobalExecutor.TICK_PERIOD_MS;
     
     if (local.leaderDueMs > 0) {
         return;
     }
     // 来到这里以后已经和Master失联了
     // reset timeout
     local.resetLeaderDue();
     local.resetHeartbeatDue();
     // 发起投票，里面会向其它节点发起异步请求
     sendVote();
 } catch (Exception e) {
     Loggers.RAFT.warn("[RAFT] error while master election {}", e);
 }
// 过半
if (maxApproveCount >= majorityCount()) {
    RaftPeer peer = peers.get(maxApprovePeer);
    peer.state = RaftPeer.State.LEADER;
    if (!Objects.equals(leader, peer)) {
        leader = peer;
        ApplicationUtils.publishEvent(new LeaderElectFinishedEvent(this, leader, local()));
        Loggers.RAFT.info("{} has become the LEADER", leader.ip);
    }
}

// 处理心跳
try {
     if (stopWork) {
         return;
     }
     if (!peers.isReady()) {
         return;
     }
     RaftPeer local = peers.local();
     local.heartbeatDueMs -= GlobalExecutor.TICK_PERIOD_MS;
     if (local.heartbeatDueMs > 0) {
         return;
     }
     local.resetHeartbeatDue();
     sendBeat();
 } catch (Exception e) {
     Loggers.RAFT.warn("[RAFT] error while sending beat {}", e);
 }

V2版本的选举与同步
涉及源码
com.alibaba.nacos.naming.consistency.DelegateConsistencyServiceImpl
com.alibaba.nacos.naming.consistency.persistent.PersistentConsistencyServiceDelegateImpl#PersistentConsistencyServiceDelegateImpl
com.alibaba.nacos.naming.consistency.persistent.impl.PersistentServiceProcessor#afterConstruct
com.alibaba.nacos.core.distributed.raft.JRaftProtocol#addRequestProcessors
com.alibaba.nacos.core.distributed.raft.JRaftServer#createMultiRaftGroup
com.alipay.sofa.jraft.RaftGroupService#start(boolean)
com.alipay.sofa.jraft.RaftServiceFactory#createAndInitRaftNode
com.alipay.sofa.jraft.core.NodeImpl#init
com.alipay.sofa.jraft.core.NodeImpl#electSelf
com.alipay.sofa.jraft.core.NodeImpl#becomeLeader
同步
com.alipay.sofa.jraft.ReplicatorGroup#addReplicator(com.alipay.sofa.jraft.entity.PeerId)
部分源码：

private BasePersistentServiceProcessor createNewPersistentServiceProcessor(ProtocolManager protocolManager,
           ClusterVersionJudgement versionJudgement) throws Exception {
       final BasePersistentServiceProcessor processor =
               EnvUtil.getStandaloneMode() ? new StandalonePersistentServiceProcessor(versionJudgement)
                       : new PersistentServiceProcessor(protocolManager, versionJudgement);
       processor.afterConstruct();
       return processor;
   }

PersistentServiceProcessor#afterConstruct

@Override
public void afterConstruct() {
   super.afterConstruct();
   String raftGroup = Constants.NAMING_PERSISTENT_SERVICE_GROUP;
   this.protocol.protocolMetaData().subscribe(raftGroup, MetadataKey.LEADER_META_DATA, o -> {
       if (!(o instanceof ProtocolMetaData.ValueItem)) {
           return;
       }
       Object leader = ((ProtocolMetaData.ValueItem) o).getData();
       hasLeader = StringUtils.isNotBlank(String.valueOf(leader));
       Loggers.RAFT.info("Raft group {} has leader {}", raftGroup, leader);
   });
   this.protocol.addRequestProcessors(Collections.singletonList(this));
   // If you choose to use the new RAFT protocol directly, there will be no compatible logical execution
   if (EnvUtil.getProperty(Constants.NACOS_NAMING_USE_NEW_RAFT_FIRST, Boolean.class, false)) {
       NotifyCenter.registerSubscriber(notifier);
       waitLeader();
       startNotify = true;
   }
}

JRaft

public void init(RaftConfig config) {
    if (initialized.compareAndSet(false, true)) {
        this.raftConfig = config;
        NotifyCenter.registerToSharePublisher(RaftEvent.class);
        this.raftServer.init(this.raftConfig);
        this.raftServer.start();
        
        // There is only one consumer to ensure that the internal consumption
        // is sequential and there is no concurrent competition
        NotifyCenter.registerSubscriber(new Subscriber<RaftEvent>() {
            @Override
            public void onEvent(RaftEvent event) {
                Loggers.RAFT.info("This Raft event changes : {}", event);
                final String groupId = event.getGroupId();
                Map<String, Map<String, Object>> value = new HashMap<>();
                Map<String, Object> properties = new HashMap<>();
                final String leader = event.getLeader();
                final Long term = event.getTerm();
                final List<String> raftClusterInfo = event.getRaftClusterInfo();
                final String errMsg = event.getErrMsg();
                
                // Leader information needs to be selectively updated. If it is valid data,
                // the information in the protocol metadata is updated.
                MapUtil.putIfValNoEmpty(properties, MetadataKey.LEADER_META_DATA, leader);
                MapUtil.putIfValNoNull(properties, MetadataKey.TERM_META_DATA, term);
                MapUtil.putIfValNoEmpty(properties, MetadataKey.RAFT_GROUP_MEMBER, raftClusterInfo);
                MapUtil.putIfValNoEmpty(properties, MetadataKey.ERR_MSG, errMsg);
                
                value.put(groupId, properties);
                metaData.load(value);
                
                // The metadata information is injected into the metadata information of the node
                injectProtocolMetaData(metaData);
            }
            
            @Override
            public Class<? extends Event> subscribeType() {
                return RaftEvent.class;
            }
            
        });
    }
}

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