Система CAP (Consistency, Availability, Partition tolerance) - это теоретическая модель, которая описывает требования к системе, чтобы она могла обеспечить надежность и доступность данных. Эта модель стала широко известной благодаря работам Эрика Брьюера, Сета Джилберта и Нэнси Линч, которые опубликовали ее в 2002 году.
Согласно CAP-теории, любая распределенная система данных может обеспечивать только две из трех базовых свойств: консистентность (Consistency), доступность (Availability) и устойчивость к разделению (Partition tolerance). Это означает, что при проектировании любой распределенной системы появляется необходимость определить, на какие из трех этих свойств нужно сделать больший упор.
Данный подход используется в разных областях, включая облачные вычисления, мобильные приложения и системы хранения больших данных. На практике, разработчики часто сталкиваются с задачей выбора любой из двух свойств системы (доступности или консистентности), так как устойчивость к разделению всегда остается обязательной.
Консистентность (Consistency)
Консистентность - это один из принципов CAP-теории, который гласит, что все узлы кластера должны одновременно видеть одни и те же данные. Это означает, что если изменения были внесены в данные, то любой запрос должен вернуть обновленную информацию.
Консистентность имеет большое значение в системах, где информация должна быть точной и актуальной. Она необходима для обеспечения правильной работы систем управления информацией, банковских систем, компьютерных сетей и других критически важных систем.
Однако консистентность может быть достигнута только за счет увеличения нагрузки на систему. Это происходит из-за того, что чтобы убедиться в том, что данные одинаковы на всех узлах, системе необходимо время на синхронизацию данных.
Таким образом, выбор между консистентностью и доступностью (Availability) является основной дилеммой при проектировании распределенных систем. Решение зависит от специфики приложения и требований к нему.
Определение
CAP (Consistency, Availability, Partition tolerance) - это сокращение, используемое для описания трёх свойств, которые могут существовать в любой распределенной системе. CAP теорема, представленная в 2000 году Eric Brewer, гласит, что в любой распределенной системе можно выбрать только два из трех свойств из CAP (согласованность, доступность, устойчивость к разделению), но невозможно обеспечить все три свойства одновременно.
Согласованность означает, что все копии данных в системе должны быть одинаковы в любой момент времени. Это означает, что если клиент выполняет операцию чтения из системы, то в результате он должен получить самую последнюю версию данных. Если же клиент выполняет операцию записи, то данные должны быть записаны во все копии.
Доступность означает, что любой запрос к системе должен быть выполнен успешно. В случае ошибок система должна возвращать информацию об ошибке, а не просто отказывать в запросе. Все данные, которые доступны в системе, должны быть доступным для клиентов.
Устойчивость к разделению означает, что система должна продолжать работать, даже если происходит разделение сети. Это означает, что система должна иметь возможность продолжать работу, даже если к ней доступны только часть узлов или если происходит утеря части сообщений между узлами.
Выбор двух свойств из трех, зависит от потребностей клиента и системы. Например, если вы строите распределенную систему для финансовых транзакций, выбранными свойствами будут согласованность и устойчивость к разделению, но не достпуность.
Принципы работы
CAP – это тройка свойств, которые описывают, как себя ведет распределенная система в случае сбоев. Эти свойства – консистентность (Consistency), доступность (Availability) и устойчивость к разделению (Partition tolerance) – являются взаимоисключающими.
Консистентность означает, что данные в распределенной системе всегда имеют одинаковое состояние. Если несколько клиентов попытаются изменить один и тот же объект данных, то все изменения будут видны всем клиентам сразу же, независимо от того, какой узел системы они используют.
Доступность означает, что система всегда готова отвечать на запросы клиентов. Если какой-то узел системы выходит из строя, то клиенты должны продолжать получать ответы от других узлов.
Устойчивость к разделению означает, что система должна продолжать функционировать, даже если связь между узлами нарушена. Если два узла распределенной системы не могут связаться друг с другом, то каждый из них должен продолжать работу независимо.
Принципы CAP описывают, что происходит, когда система испытывает сбой. Но часто принципы эти трудно реализовать вместе. Поэтому выбор между ними – это компромисс, который должен быть сделан, исходя из конкретных требований.
Примеры
Пример 1: Полная доступность (CP):
- Система имеет полную доступность ко всему своему функционалу в любой момент времени.
- Пример: Яндекс.Диск - пользователь имеет доступ к своим файлам на облаке в любое время, если у него есть подключение к Интернету.
Пример 2: Подтверждение (AP):
- Система возвращает результаты действий пользователей, однако это может занимать дополнительное время из-за асинхронности.
- Пример: Приложение для обработки фотографий Instagram - когда пользователь ставит лайк на фото, система возвращает подтверждение, что лайк был поставлен, но обновление с количеством лайков может занять несколько секунд.
Пример 3: Устойчивость к разделению (CP):
- Система всегда работает даже в случае отказа узлов в сети.
- Пример: Платежная система PayPal - даже если один из серверов компании перестанет работать, пользователи всегда смогут осуществить транзакцию через другой сервер.
Пример 4: Согласованность (CA):
- Система уверенно подтверждает, что любые изменения данных будут сохранены и будут доступны для чтения в любой точке системы.
- Пример: База данных Oracle - любые изменения данных в таблице подтверждаются и сохраняются, и каждый пользователь системы имеет доступ к этим изменениям.
Доступность (Availability)
Доступность (Availability) – это один из компонентов концепции CAP, который определяет, насколько доступной является система для пользователя в любое время.
В контексте CAP, доступность означает, что система должна быть доступна для чтения и записи данных в любое время без ограничений. Это связано с тем, что пользователи могут ожидать, что система всегда будет доступна, и если она не будет, то это может привести к потере данных или повреждению системы.
Для обеспечения высокой доступности, система должна иметь возможность автоматического восстановления после сбоя, резервирования компонентов и репликации данных на нескольких уровнях. Это позволяет предотвратить единую точку отказа и гарантирует, что система будет доступна пользователю даже в случае сбоя.
Вопрос доступности является важным в любой системе, которая предоставляет услуги пользователям, включая базы данных, веб-приложения и облачные сервисы. Поэтому, разработчики должны уделять достаточное внимание обеспечению высокой доступности системы, чтобы убедиться, что пользователи могут иметь доступ к системе в любое время и без ограничений.
Определение
CAP (англ. consistency, availability, partition tolerance - согласованность, доступность, устойчивость к разделению) - это сокращение, которое обозначает требования к системам распределенного хранения данных.
Концепция CAP была впервые предложена в 2000 году Эриком Брюэром и Сетом Гильбертом. Она описывает свойства, которыми должна обладать любая система, подобная системам на основе сетей хранения данных. Она подразумевает, что такая система не может на 100% обеспечить одновременно все три свойства, которые оно обозначает.
Тем не менее, системы, работающие на основе CAP, часто относятся к самым масштабируемым и удобным в использовании, поскольку они способны достигать высокого уровня производительности и устойчивости к отказам.
Принципы работы
CAP – это аббревиатура, описывающая три основные характеристики распределенной системы, которые не могут быть удовлетворены одновременно. Эти характеристики включают в себя консистентность, доступность и устойчивость к разделению.
Принцип потери одной из трех характеристик возникает из-за ограничений в сети и железе, которые не могут гарантировать соблюдение всех трех характеристик одновременно. Этот принцип был сформулирован в 2000 году Эриком Брювером и Сетом Хетерингтоном.
Консистентность – это свойство, которое гарантирует, что каждый узел в распределенной системе имеет одинаковые данные в определенный момент времени. Когда данные изменяются, они должны изменяться на всех узлах системы.
Доступность – это свойство, которое гарантирует, что каждый запрос к системе будет получен ответ. Даже если система испытывает сбои или отказы, она должна все равно продолжать работать максимально доступно.
Устойчивость к разделению – это свойство, которое гарантирует, что система будет продолжать работать, если сеть разделится на несколько частей. Это свойство обеспечивает, что система продолжает работать, даже когда отдельные узлы потеряны или не могут общаться друг с другом.
Выбор между определенными характеристиками зависит от требований и целей приложения. Например, некоторые приложения могут считать, что консистентность наиболее важная характеристика, тогда как другие могут считать, что доступность является приоритетом. Каждый выбор имеет свои преимущества и недостатки, и его нужно делать в соответствии с конкретной задачей.
Примеры
Представим, что у нас есть распределенная система, состоящая из нескольких узлов, каждый из которых отвечает за определенную функцию. При этом, все узлы синхронизируются между собой и могут обмениваться данными.
Если мы выберем CP (Consistency, Partition Tolerance) модель, то система будет иметь высокую достоверность данных, но возможны проблемы с доступностью в случае сбоя одного из узлов. Например, если узел, отвечающий за базу данных, выйдет из строя, то доступ к данным станет невозможным до момента восстановления узла. Это может привести к тому, что другие узлы не смогут выполнять задачи, которые зависят от данных из этой базы.
Если мы выберем AP (Availability, Partition Tolerance) модель, то система будет иметь высокую доступность даже в случае сбоя узла, но это может привести к тому, что данные могут быть неоднозначными или несогласованными. Например, если узел, отвечающий за обработку заказов, выйдет из строя, то другие узлы могут продолжать работать, но возможны проблемы с согласованностью данных о заказах.
Таким образом, выбор между CP и AP моделями зависит от конкретной задачи и ее требований к доступности и достоверности данных. Важно понимать, что CAP теорема не предоставляет универсального решения для всех случаев, но помогает определить основные принципы выбора между доступностью, согласованностью и устойчивостью к разделению сети.
Отказоустойчивость (Partition tolerance)
Отказоустойчивость - это один из основных принципов CAP-теоремы, которая указывает на способность системы работать после разделения на несколько независимых частей.
В случае разделения сети на разные подсети, система продолжает работу, в то время как передача данных между разделенными частями может быть временно недоступна.
Система, отвечающая принципу отказоустойчивости, способна справиться с временным отключением от соседних узлов и продолжать работу без воздействия на общую работу. В такой ситуации система может использовать доступные ресурсы для обеспечения своей работоспособности.
Отказоустойчивая система способна разветвляться и сливаться в соответствии с изменением условий работы и адаптироваться к обстановке, что необходимо для обеспечения высокого уровня надежности.
Определение
CAP (Consistency, Availability, Partition tolerance) — это теорема, описывающая функционирование распределенных систем. Она гласит, что в распределенной системе можно обеспечить только два из трех следующих свойств: согласованность данных, доступность сервиса и устойчивость к разделенности (отказу части системы).
Следовательно, при проектировании и эксплуатации распределенной системы необходимо учитывать эти факторы и выбрать соответствующую им архитектуру и технологии.
Например, если требуется обеспечить высокую согласованность данных, необходимо выбирать технологии, обеспечивающие синхронную репликацию данных между узлами системы. Однако, это может привести к снижению доступности сервиса в случае сбоев в сети или отказа узлов. Если же требуется высокая доступность сервиса, то необходимо выбирать технологии, которые обеспечивают асинхронную репликацию данных и быстрое восстановление системы после сбоев.
Принципы работы
Принципы работы CAP (Consistency, Availability, Partition Tolerance) имеют свою логику. Система, которая реализует CAP, должна придерживаться трех основных принципов.
Принцип согласованности (Consistency) требует от системы соблюдать все ограничения в транзакциях. Транзакция должна обеспечивать целостность данных и гарантировать непротиворечивость их состояния.
Принцип доступности (Availability) требует от системы сохранять работоспособность, даже если происходит сбой в системе или приложении. Он гарантирует, что пользователи могут получить доступ к своим данным и ресурсам в любое время.
Принцип разделения (Partition Tolerance) требует от системы сохранять свою производительность и готовность к работе даже при наличии и возможных сбоях в сети. Он убеждает нас в том, что система будет работать безопасно и без сбоев при разделении на сетевые узлы.
Каждый принцип, в свою очередь, оказывает влияние на другой принцип. Идеальной системы CAP не существует - система не может одновременно удовлетворять все три принципа.
Инженеры и разработчики должны определить, какой принцип важнее, а какой можно сжертвовать, основываясь на конкретных требованиях и потребностях компании или организации.
Примеры
Пример 1: Рассмотрим пример системы, состоящей из трех узлов (узел A, узел B и узел C). В случае, если мы выбираем CP, то система будет гарантировать согласованность данных между узлами A и B и узлами B и C, но узлы A и С могут иметь несогласованные данные.
Если мы выбираем CA, то система будет гарантировать надежность, что все данные будут успешно доставлены на каждый узел. Тем не менее, согласованность данных между узлами может быть нарушена в случае сбоя в одном из узлов.
Выбор системы CP или CA зависит от конкретных требований приложения и его целей.
Пример 2: Рассмотрим схему из трех узлов (узел A, узел B и узел C), где каждый узел обладает своей репликой базы данных. Если мы выбираем систему AP, то каждый узел может продолжать работу независимо от состояния других узлов, но могут возникать различия в данных между узлами, которые затем будут синхронизированы.
Выбор системы AP возможен в приложениях, где консистентность не является ключевой целью, а приоритет отдается обеспечению надежности и устойчивости приложения.
Видео:
WS-85PE - устройство и принципы работы (видеоинструкция)
WS-85PE - устройство и принципы работы (видеоинструкция) by Дмитрий Гузенко 3 years ago 11 minutes, 35 seconds 16,822 views
CAP теорема или теорема Брюера
CAP теорема или теорема Брюера by ITSHEFF 3 years ago 5 minutes, 46 seconds 5,096 views
Вопрос-ответ:
Что такое CAP?
CAP (Consistency, Availability, Partition tolerance) – это тройственное свойство распределенных систем, гарантирующее согласованность данных в условиях отказоустойчивости и масштабируемости.
Каковы принципы работы систем, удовлетворяющих свойствам CAP?
Принципы работы таких систем основаны на компромиссах между тройственными свойствами: согласованностью, доступностью и устойчивостью к разделению.
Какие возможны компромиссы между тройственными свойствами CAP?
Можно выбрать два свойства и жертвовать третьим. Например, система может быть согласованной и доступной, но не обладать устойчивостью к разделению.
Что означает свойство согласованности в CAP?
Свойство согласованности означает, что все узлы системы имеют одинаковое представление о состоянии данных и не нарушают целостность информации.
Что такое доступность в CAP?
Доступность означает, что каждый запрос к системе получает ответ, без гарантии того, что ответ будет согласованным с другими узлами системы.
Что такое устойчивость к разделению в CAP?
Устойчивость к разделению означает, что система продолжает работать в условиях неполадок сети и дает возможность узлам обмениваться информацией.
