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title: 第二部分：分散式資料
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當前頁面來自本書第一版，第二版尚不可用
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> 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。
>
> —— 羅傑斯委員會報告（1986）
>

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在本書的 [第一部分](/tw/part-i) 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](/tw/part-ii)，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。

## 伸縮至更高的負載

如果你需要的只是伸縮至更高的 **負載（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。

> [!NOTE]
> 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。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]。

> [!NOTE]
> 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。[第六章](/tw/ch6) 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）。[第七章](/tw/ch7) 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](#fig_replication_partitioning) 所示。

{{< figure src="/v1/ddia_part-ii_01.png" id="fig_replication_partitioning" caption="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" class="w-full my-4" >}}


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。[第八章](/tw/ch8) 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。
[第九章](/tw/ch9) 和 [第十章](/tw/ch10) 將討論分散式系統的根本侷限性。

在本書的 [第三部分](/tw/part-iii) 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。


## [6. 複製](/tw/ch6)
- [單主複製](/tw/ch6#sec_replication_leader)
- [複製延遲的問題](/tw/ch6#sec_replication_lag)
- [多主複製](/tw/ch6#sec_replication_multi_leader)
- [無主複製](/tw/ch6#sec_replication_leaderless)
- [總結](/tw/ch6#summary)

## [7. 分片](/tw/ch7)
- [分片的利與弊](/tw/ch7#sec_sharding_reasons)
- [鍵值資料的分片](/tw/ch7#sec_sharding_key_value)
- [請求路由](/tw/ch7#sec_sharding_routing)
- [分片與二級索引](/tw/ch7#sec_sharding_secondary_indexes)
- [總結](/tw/ch7#summary)

## [8. 事務](/tw/ch8)
- [事務到底是什麼？](/tw/ch8#sec_transactions_overview)
- [弱隔離級別](/tw/ch8#sec_transactions_isolation_levels)
- [可序列化](/tw/ch8#sec_transactions_serializability)
- [分散式事務](/tw/ch8#sec_transactions_distributed)
- [總結](/tw/ch8#summary)
- [參考](/tw/ch8#參考)

## [9. 分散式系統的麻煩](/tw/ch9)
- [故障與部分失效](/tw/ch9#sec_distributed_partial_failure)
- [不可靠的網路](/tw/ch9#sec_distributed_networks)
- [不可靠的時鐘](/tw/ch9#sec_distributed_clocks)
- [知識、真相和謊言](/tw/ch9#sec_distributed_truth)
- [總結](/tw/ch9#summary)

## [10. 一致性與共識](/tw/ch10)
- [線性一致性](/tw/ch10#sec_consistency_linearizability)
- [ID 生成器和邏輯時鐘](/tw/ch10#sec_consistency_logical)
- [共識](/tw/ch10#sec_consistency_consensus)
- [總結](/tw/ch10#summary)


### 參考

[^1]: Ulrich Drepper: “[What Every Programmer Should Know About Memory](https://people.freebsd.org/~lstewart/articles/cpumemory.pdf),” akka‐dia.org, November 21, 2007.
[^2]: 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.
[^3]: 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.
[^4]: 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.