# 第二部分：分散式資料

> 一個成功的技術，現實的優先順序必須高於公關，你可以糊弄別人，但糊弄不了自然規律。
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> —— 羅傑斯委員會報告（1986）
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在本書的 [第一部分](part-i.md) 中，我們討論了資料系統的各個方面，但僅限於資料儲存在單臺機器上的情況。現在我們到了 [第二部分](part-ii.md)，進入更高的層次，並提出一個問題：如果 **多臺機器** 參與資料的儲存和檢索，會發生什麼？

你可能會出於各種各樣的原因，希望將資料庫分佈到多臺機器上：

* 可伸縮性

  如果你的資料量、讀取負載、寫入負載超出單臺機器的處理能力，可以將負載分散到多臺計算機上。

* 容錯 / 高可用性

  如果你的應用需要在單臺機器（或多臺機器，網路或整個資料中心）出現故障的情況下仍然能繼續工作，則可使用多臺機器，以提供冗餘。一臺故障時，另一臺可以接管。

* 延遲

  如果在世界各地都有使用者，你也許會考慮在全球範圍部署多個伺服器，從而每個使用者可以從地理上最近的資料中心獲取服務，避免了等待網路資料包穿越半個世界。

## 伸縮至更高的載荷

如果你需要的只是伸縮至更高的 **載荷（load）**，最簡單的方法就是購買更強大的機器（有時稱為 **垂直伸縮**，即 vertical scaling，或 **向上伸縮**，即 scale up）。許多處理器，記憶體和磁碟可以在同一個作業系統下相互連線，快速的相互連線允許任意處理器訪問記憶體或磁碟的任意部分。在這種 **共享記憶體架構（shared-memory architecture）** 中，所有的元件都可以看作一臺單獨的機器 [^i]。

[^i]: 在大型機中，儘管任意處理器都可以訪問記憶體的任意部分，但總有一些記憶體區域與一些處理器更接近（稱為 **非均勻記憶體訪問（nonuniform memory access, NUMA）**【1】）。 為了有效利用這種架構特性，需要對處理進行細分，以便每個處理器主要訪問臨近的記憶體，這意味著即使表面上看起來只有一臺機器在執行，**分割槽（partitioning）** 仍然是必要的。

共享記憶體方法的問題在於，成本增長速度快於線性增長：一臺有著雙倍處理器數量，雙倍記憶體大小，雙倍磁碟容量的機器，通常成本會遠遠超過原來的兩倍。而且可能因為存在瓶頸，並不足以處理雙倍的載荷。

共享記憶體架構可以提供有限的容錯能力，高階機器可以使用熱插拔的元件（不關機更換磁碟，記憶體模組，甚至處理器）—— 但它必然囿於單個地理位置的桎梏。

另一種方法是 **共享磁碟架構（shared-disk architecture）**，它使用多臺具有獨立處理器和記憶體的機器，但將資料儲存在機器之間共享的磁碟陣列上，這些磁碟透過快速網路連線 [^ii]。這種架構用於某些資料倉庫，但競爭和鎖定的開銷限制了共享磁碟方法的可伸縮性【2】。

[^ii]: 網路附屬儲存（Network Attached Storage, NAS），或 **儲存區網路（Storage Area Network, SAN）**

### 無共享架構

相比之下，**無共享架構**【3】（shared-nothing architecture，有時被稱為 **水平伸縮**，即 horizontal scaling，或 **向外伸縮**，即 scaling out）已經相當普及。在這種架構中，執行資料庫軟體的每臺機器 / 虛擬機器都稱為 **節點（node）**。每個節點只使用各自的處理器，記憶體和磁碟。節點之間的任何協調，都是在軟體層面使用傳統網路實現的。

無共享系統不需要使用特殊的硬體，所以你可以用任意機器 —— 比如價效比最好的機器。你也許可以跨多個地理區域分佈資料從而減少使用者延遲，或者在損失一整個資料中心的情況下倖免於難。隨著雲端虛擬機器部署的出現，即使是小公司，現在無需 Google 級別的運維，也可以實現異地分散式架構。

在這一部分裡，我們將重點放在無共享架構上。它不見得是所有場景的最佳選擇，但它是最需要你謹慎從事的架構。如果你的資料分佈在多個節點上，你需要意識到這樣一個分散式系統中約束和權衡 —— 資料庫並不能魔術般地把這些東西隱藏起來。

雖然分散式無共享架構有許多優點，但它通常也會給應用帶來額外的複雜度，有時也會限制你可用資料模型的表達力。在某些情況下，一個簡單的單執行緒程式可以比一個擁有超過 100 個 CPU 核的叢集表現得更好【4】。另一方面，無共享系統可以非常強大。接下來的幾章，將詳細討論分散式資料會帶來的問題。

### 複製 vs 分割槽

資料分佈在多個節點上有兩種常見的方式：

* 複製（Replication）

  在幾個不同的節點上儲存資料的相同副本，可能放在不同的位置。 複製提供了冗餘：如果一些節點不可用，剩餘的節點仍然可以提供資料服務。 複製也有助於改善效能。 [第五章](ch5.md) 將討論複製。

* 分割槽 (Partitioning)

  將一個大型資料庫拆分成較小的子集（稱為 **分割槽**，即 partitions），從而不同的分割槽可以指派給不同的 **節點**（nodes，亦稱 **分片**，即 sharding）。 [第六章](ch6.md) 將討論分割槽。

複製和分割槽是不同的機制，但它們經常同時使用。如 [圖 II-1](../img/figii-1.png) 所示。

![](../img/figii-1.png)

**圖 II-1 一個數據庫切分為兩個分割槽，每個分割槽都有兩個副本**

理解了這些概念，就可以開始討論在分散式系統中需要做出的困難抉擇。[第七章](ch7.md) 將討論 **事務 (Transaction)**，這對於瞭解資料系統中可能出現的各種問題，以及我們可以做些什麼很有幫助。[第八章](ch8.md) 和 [第九章](ch9.md) 將討論分散式系統的根本侷限性。

在本書的 [第三部分](part-iii.md) 中，將討論如何將多個（可能是分散式的）資料儲存整合為一個更大的系統，以滿足複雜的應用需求。 但首先，我們來聊聊分散式的資料。


## 索引

5. [複製](ch5.md)
6. [分割槽](ch6.md)
7. [事務](ch7.md)
8. [分散式系統的麻煩](ch8.md)
9. [一致性與共識](ch9.md)


## 參考文獻

1. Ulrich Drepper: “[What Every Programmer Should Know About Memory](https://people.freebsd.org/~lstewart/articles/cpumemory.pdf),” akka‐dia.org, November 21, 2007.
1. Ben Stopford: “[Shared Nothing vs. Shared Disk Architectures: An Independent View](http://www.benstopford.com/2009/11/24/understanding-the-shared-nothing-architecture/),” benstopford.com, November 24, 2009.
1. Michael Stonebraker: “[The Case for Shared Nothing](http://db.cs.berkeley.edu/papers/hpts85-nothing.pdf),” IEEE Database EngineeringBulletin, volume 9, number 1, pages 4–9, March 1986.
1. Frank McSherry, Michael Isard, and Derek G. Murray: “[Scalability! But at What COST?](http://www.frankmcsherry.org/assets/COST.pdf),” at 15th USENIX Workshop on Hot Topics in Operating Systems (HotOS),May 2015.

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