分布式系统架构笔记

1. 计算机系统架构 

 

架构，又名软件架构，是一个系统的草图，描述的对象是直接构成系统的抽象组件，包括系统的组件、模块、接口以及它们之间的关系和交互方式等方面。

在一个分布式系统中，需要考虑如何将不同计算机节点之间的代码和数据进行组织，如何处理分布式环境下的通信和同步问题，以及如何保证系统的可伸缩性、容错性和可维护性等方面。因此，选择适合的软件架构可以有助于解决这些问题，并显著提高分布式系统的可靠性和性能。

2. 分布式系统

分布式系统是由多台计算机节点通过网络连接相互协作，共同完成一定任务的计算机系统。分布式系统的特点包括高可用性、可扩展性、容错性和并发性等。

在分布式系统中，每个节点都是自治的，有自己的计算资源和数据存储，节点之间通过消息传递或共享数据来完成任务。分布式系统通常由多个分布式组件或服务组成，这些组件或服务分布在不同的节点上，并通过分布式协议协调彼此之间的交互。

分布式与集群一样，都是集中多个代理设备进行工作，但集群是将全部的服务器都集中起来做相同的事情，而分布式是将一种业务拆分为多个子部分，每个子部分分布在不同的服务器上，因此每台服务器进行的是不同的工作。

3. 分布式选举算法​​​​​​​

（1）Bully算法

目标：选择ID最大的节点成为主节点。

算法思想：

1. 假设每个节点都知道集群中其他节点的ID；

2. 每个节点都判断自己的ID是否是所有节点中最大的。如果是，节点将直接向其他节点发送Victory消息，宣布自己成为主节点。如果自己不是所有节点中ID最大的，节点将向所有比自己ID大的节点发送Election消息，并等待其他节点的回复；

3. 如果节点收到来自比自己ID小的节点发来的Election消息，节点将回复一个Alive消息，告知其他节点自己的ID更大；

4. 如果在给定的时间范围内，本节点没有收到其他节点回复的Alive消息，该节点将成为主节点，并向其他节点发送Victory消息。如果该节点接收到来自比自己ID大的节点的Alive消息，则将等待其他节点发送Victory消息。

（2）Raft算法

目标：由集群中的每个节点投票选举主节点，第一个获得超过一半选票的节点成为主节点。

算法思想：

1. 集群中所有节点随机生成一个时间间隔，若在该时间间隔内没有接收到其他节点的心跳消息，则该节点成为候选节点；

2. 候选节点向其他节点发送投票请求，包括自己的任期号和候选节点的ID；

3. 其他节点进行投票，如果该节点的任期号大于等于候选节点的任期号，则该节点同意投票，并将自己的任期号返回给候选节点；

4. 若候选节点收到超过一半的投票，则该节点成为领导者，并向其他节点发送心跳消息；若候选节点未收到足够多的投票，则视为选举失败，候选节点增加自己的任期号，并重新执行选举过程。

（注：由于集群中节点成为主节点的条件为获得超过一半的选票，因此总结点数一般选为奇数，以防止出现两个节点均获得一半选票的情况）

（3）ZAB算法

目标：由含有数据最新的节点成为主节点。

算法思想：

1. 节点随机生成一个初始的选举ID，并以此ID作为自己的提议；

2. 节点向其他节点发送提议消息，消息中包含自己的选举ID和zxID，其中zxID为节点中包含数据的ID，数据越新则zxID越大；

3. 其他节点接收到提议消息后，比较提议中的选举ID和自己的选举ID，如果提议中的选举ID大于自己的选举ID，则回复“赞成”消息，否则回复“反对”消息；

4. 发送提议消息的节点收到超过半数的“赞成”消息，则该节点成为领导者，并将自己的zxID与该消息一同发送给其他节点；若候选节点未收到足够多的“赞成”消息，则视为选举失败，候选节点增加自己的任期号，并重新执行选举过程。

（注：与Raft算法类似，为了防止出现两个节点均获得一半选票的情况，集群总结点数量一般选为奇数）

算法时间对比：Bully < Raft < ZAB

算法性能对比：ZAB > Raft > Bully