1.4　分布式系統

在講區塊鏈之前，我們先看一下區塊鏈的產生背景。在計算機領域，有一類非常經典的問題是關于多臺計算機如何同時運行同一個任務。我們通常把解決這類問題的系統稱為“分布式系統”。分布式系統如今已經越來越重要，根本原因是我們要處理的問題越來越復雜，如果單純只靠一臺計算機，哪怕這臺計算機有最頂尖的配置通常也不夠。另外一個原因就是我們要處理的問題所覆蓋的地域越來越廣，現在服務全世界已經不是什么特別遠大的理想，而是比較常見的一個需求。而不同的地域有不同的網絡環境，如果只把服務放在單一某個地方，那么在某些地區就很容易遇到服務質量下降的問題，這時我們就需要把服務放在不同的地域來滿足需求。

在這些情況下，最終都是多臺計算機同時做一個任務的問題。而如何很好地同步多臺計算機之間的狀態是一個非常棘手的問題。

CAP理論

分布式系統的狀態同步是一個很有難度的問題，其中誕生了非常重要的CAP理論。CAP理論指出，在分布式存儲系統中，有三個主要的指標，而這三個指標在某一時刻不可能同時滿足，它們分別是一致性、可用性和分區容忍性。

（1）一致性（Consistency）：當你向系統發出讀取數據的請求時，你一定只會讀取到最后寫入的結果。

（2）可用性（Availability）：當你向系統發出讀寫請求時，你一定能得到結果。（注意這個結果不一定需要滿足一致性，也就是你發起讀請求的時候，可能會讀到過期的數據。）

（3）分區容忍性（Partition tolerance）：分布式系統中的多臺計算機通過網絡相連，如果某些計算機之間丟失消息或者消息的發送發生延遲，整個系統需要能夠繼續正常運行。

考慮到我們解決的是分布式系統問題，所以分區容忍性是一個需要滿足的特性，那么當分布式系統中的消息傳遞出現問題的時候，我們有兩個選擇：

（1）暫停接下來的操作，等待各計算機節點間的數據同步完成。這樣就削弱了可用性，保證了一致性。

（2）繼續正常提供服務，這時候訪問不同的節點就可能得到不同的數據。這樣就削弱了一致性，但保持了可用性。

接下來，我們用大家常用的自動提款機來舉一個例子。每臺自動提款機可以看成分布式系統中的一個節點。我們假設，某一時刻，某臺自動提款機和銀行總部的網絡連接斷開，這就是發生了分區錯誤。對于自動提款機的設計者來說，有兩種選擇：一種選擇是讓自動提款機繼續工作，因為畢竟自動提款機中是有現金的，所以理論上能夠繼續取錢。這時候就是滿足了可用性，代價就是用戶的賬戶無法及時同步，可能會出現超額取錢的情況，也就是犧牲了一致性。另一種選擇就是讓自動提款機暫停工作，直到網絡恢復。這就是犧牲了可用性，而保證了一致性。

日常生活中，我們通常都會認為第二種方案更加可取，但其實第一種方案在某些國家也是存在的。不過為了預防太惡劣的情況，實際的設計是如果自動提款機掉線，那么取款就只能是小額取款。這種設計方案就是滿足部分可用性，同時也犧牲一致性。

值得提出的是，CAP理論容易會被誤讀為一致性、可用性、分區容忍性只能是單純的滿足和不滿足兩種狀態，實際上應該是指滿足的程度如何。就好比自動提款機的例子，我們可以把它設計成同時犧牲一部分可用性以及一部分一致性。

另外需要注意的是，我們說不滿足一致性，并不是說永遠不一致。當出現故障的節點恢復之后，仍然可以繼續同步到最新的數據。所以最終所有節點還是能保持一致，這就是最終一致性。

區塊鏈從技術的角度看其實就是一種分布式系統的解決方案。通常的設計都是以滿足分區容忍性為前提，然后滿足極高的可用性，犧牲數據的一致性。