《區(qū)塊鏈：技術(shù)與應(yīng)用》課后思考題及答案 第二章 課后思考題答案

第二章課后思考題答案1.分布式系統(tǒng)架構(gòu)有哪些類別?不同架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)是什么?分布式系統(tǒng)架構(gòu)有分層架構(gòu)、面向服務(wù)的架構(gòu)和微服務(wù)架構(gòu)。1.分層架構(gòu)優(yōu)點(diǎn)為開發(fā)效率較高,系統(tǒng)內(nèi)各部分的相互依賴程度較低,系統(tǒng)維護(hù)成本較低,標(biāo)準(zhǔn)化程度較高,易于開發(fā),模塊可復(fù)用性較強(qiáng)；缺點(diǎn)為表示層數(shù)據(jù)的改動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致其他相關(guān)層邏輯的修改,在該場(chǎng)景下的開發(fā)效率會(huì)因此而降低。2.面向服務(wù)的架構(gòu)優(yōu)點(diǎn)為能使服務(wù)更具業(yè)務(wù)價(jià)值,響應(yīng)速度更快,復(fù)用性也更強(qiáng),具有服務(wù)間相互依賴性低、系統(tǒng)具有平臺(tái)無(wú)關(guān)性以及可復(fù)用性強(qiáng)的特點(diǎn)；缺點(diǎn)為可能導(dǎo)致系統(tǒng)整體復(fù)雜度提高,服務(wù)間通信開銷較大,有時(shí)還會(huì)因過(guò)度拆分而影響系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性,并且在小規(guī)模應(yīng)用程序中適用性較差。3.微服務(wù)架構(gòu)優(yōu)點(diǎn)為開發(fā)復(fù)雜度低,微服務(wù)間的依賴性低,具有跨語(yǔ)言特性,微服務(wù)獨(dú)立開發(fā)部署；缺點(diǎn)為鏈修改導(dǎo)致業(yè)務(wù)修改復(fù)雜,對(duì)服務(wù)進(jìn)行拆分導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)試復(fù)雜。2.分布式系統(tǒng)在業(yè)務(wù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面采用了哪些設(shè)計(jì)?不同設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？在業(yè)務(wù)處理方面，最初使用單體架構(gòu)時(shí)雖然開發(fā)測(cè)試簡(jiǎn)單，部署運(yùn)維方便，但是框架更新復(fù)雜，系統(tǒng)各功能間依賴嚴(yán)重，系統(tǒng)可用性和性能都有瓶頸，于是逐漸演變出了各種分布式系統(tǒng)架構(gòu)，如①分層架構(gòu)，其將業(yè)務(wù)抽象出了不同層，每層與上一層服務(wù)之間是層調(diào)用的限制關(guān)系,同時(shí)也可以降低系統(tǒng)不同層之間的依賴關(guān)系，而三層架構(gòu)的業(yè)務(wù)邏輯層由于承載了所有業(yè)務(wù)處理邏輯,會(huì)隨著系統(tǒng)的不斷發(fā)展而愈發(fā)龐大，因此,可以將這一層進(jìn)一步優(yōu)化,分離為接入層和服務(wù)層,接入層更為簡(jiǎn)單,擁有更好的可擴(kuò)展性,服務(wù)層則專注于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的處理，然而，在分層架構(gòu)下，表示層數(shù)據(jù)的改動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致其他相關(guān)層邏輯的修改,在該場(chǎng)景下的開發(fā)效率會(huì)因此而降低；②面向服務(wù)的架構(gòu)依據(jù)業(yè)務(wù)的屬性對(duì)服務(wù)進(jìn)行了劃分和定義，這樣做提高了服務(wù)的業(yè)務(wù)價(jià)值，提升了響應(yīng)速度和復(fù)用性，但可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)整體復(fù)雜度高、服務(wù)間通信開銷大、過(guò)度拆分影響性能和穩(wěn)定性，以及小規(guī)模應(yīng)用程序中適用性較差的問(wèn)題；③微服務(wù)架構(gòu)中的業(yè)務(wù)從API網(wǎng)關(guān)開始作為系統(tǒng)的唯一入口,所有模塊都按照業(yè)務(wù)進(jìn)行拆分，起到了降低開發(fā)復(fù)雜度和服務(wù)間依賴性的作用，但缺點(diǎn)是鏈修改導(dǎo)致業(yè)務(wù)修改復(fù)雜,對(duì)服務(wù)進(jìn)行拆分導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)試復(fù)雜。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，高可用角度下分布式系統(tǒng)架構(gòu)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面主要指兩個(gè)層面,從服務(wù)器層面講是雙機(jī)架構(gòu),從數(shù)據(jù)層面講是數(shù)據(jù)多副本。一般將單機(jī)房場(chǎng)景下的兩臺(tái)服務(wù)器配合實(shí)現(xiàn)高可用稱為雙機(jī)架構(gòu),常見的雙機(jī)架構(gòu)有主備模式、主從模式和雙主模式。①主備模式是一種最簡(jiǎn)單的架構(gòu),由一個(gè)主數(shù)據(jù)庫(kù)和一個(gè)備數(shù)據(jù)庫(kù)組成。備數(shù)據(jù)庫(kù)在正常情況下不使用,只有在主數(shù)據(jù)庫(kù)出現(xiàn)故障時(shí)才啟用。主備模式的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單,對(duì)外業(yè)務(wù)只需要感知主數(shù)據(jù)庫(kù)的地址,備數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)業(yè)務(wù)透明,它只需要從主數(shù)據(jù)庫(kù)同步數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是在正常業(yè)務(wù)場(chǎng)景下,備數(shù)據(jù)庫(kù)不提供服務(wù),這就導(dǎo)致備數(shù)據(jù)庫(kù)在資源層面上沒(méi)有得到有效利用,數(shù)據(jù)庫(kù)的性能(特別是讀取性能)無(wú)法得到有效提升。另外,備數(shù)據(jù)庫(kù)的切換只能靠人工實(shí)現(xiàn),因此會(huì)提高運(yùn)維成本,降低系統(tǒng)可用性；②主從模式是在主備模式基礎(chǔ)上的一個(gè)升級(jí),它將正常場(chǎng)景下的備數(shù)據(jù)庫(kù)提升為可用的從數(shù)據(jù)庫(kù)，其優(yōu)點(diǎn)是解決了主備模式下的資源浪費(fèi)問(wèn)題,提升了線上讀取數(shù)據(jù)的性能，缺點(diǎn)是業(yè)務(wù)需要感知主從數(shù)據(jù)庫(kù),并且需要判斷什么場(chǎng)景下分發(fā)到哪個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行讀取，以及當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),仍然需要人工介入切換；③雙主模式是指兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)互為主從,都對(duì)外提供讀寫,當(dāng)客戶端訪問(wèn)時(shí),可以以某種策略來(lái)連接后端的兩臺(tái)服務(wù)器，其適用于對(duì)數(shù)據(jù)一致性不敏感的場(chǎng)景。①副本是分布式系統(tǒng)容錯(cuò)、提高可用性的基本手段,一般數(shù)據(jù)副本的基本策略以機(jī)器為單位,每個(gè)副本存儲(chǔ)在不同的機(jī)器上,副本的數(shù)據(jù)保持完全一致,稱為全量數(shù)據(jù)多副本。全量數(shù)據(jù)多副本的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)在于數(shù)據(jù)恢復(fù)效率低，數(shù)據(jù)寫入性能成為瓶頸，②針對(duì)以上兩點(diǎn)不足,演變出了一種基于數(shù)據(jù)分片的多副本存儲(chǔ)模式,將每個(gè)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分片,每個(gè)分片的數(shù)據(jù)再采取多副本存儲(chǔ)模式，其優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)寫入性能好，數(shù)據(jù)恢復(fù)效率高，擴(kuò)容便捷。3.數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的四個(gè)基本特性是什么?任何一個(gè)特性不滿足會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)造成什么影響？數(shù)據(jù)庫(kù)的四個(gè)基本特性是原子性(atomicity)、一致性(consistency)、隔離性(isolation)和持久性(durability)。1.如果不滿足原子性，數(shù)據(jù)庫(kù)可能會(huì)進(jìn)入不一致的狀態(tài)，部分?jǐn)?shù)據(jù)更新可能會(huì)丟失或不完整，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確；如果一個(gè)操作分配了資源（如內(nèi)存或文件描述符）而未能成功地釋放或回滾，可能會(huì)導(dǎo)致資源泄露；當(dāng)多個(gè)事務(wù)相互依賴時(shí)，一個(gè)事務(wù)的部分完成可能導(dǎo)致其他事務(wù)無(wú)法繼續(xù)，影響系統(tǒng)的整體可靠性；2.如果不滿足一致性，數(shù)據(jù)庫(kù)可能會(huì)存在不符合預(yù)定約束的狀態(tài)，產(chǎn)生不合法的數(shù)據(jù)，破壞數(shù)據(jù)完整性；3.如果不滿足隔離性，可能會(huì)出現(xiàn)臟讀、不可重復(fù)讀或幻讀等問(wèn)題，導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算和決策；4.如果不滿足持久性，那么在事務(wù)提交后，如果發(fā)生系統(tǒng)崩潰或者其他故障，那么這個(gè)事務(wù)的修改結(jié)果可能會(huì)丟失，沒(méi)有被永久的保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。4.Gossip協(xié)議也是一種分布式通信協(xié)議,用于實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)同步和復(fù)制。Gossip協(xié)議也稱流行病協(xié)議,是基于流行病傳播方式的信息交換協(xié)議。查閱相關(guān)資料了解Gossip協(xié)議的基本原理。Gossip協(xié)議是一種基于信息傳播的分布式協(xié)議，類似于八卦傳播，節(jié)點(diǎn)通過(guò)隨機(jī)選擇其他節(jié)點(diǎn)交換信息，逐漸實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)同步、狀態(tài)傳播或一致性維護(hù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在收到其他節(jié)點(diǎn)的信息后，會(huì)更新自己的狀態(tài)，并將更新后的信息繼續(xù)傳播，直至整個(gè)系統(tǒng)達(dá)成一致。該協(xié)議的特點(diǎn)包括去中心化、容錯(cuò)性高和高效性。信息傳播不依賴中心節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間對(duì)等通信，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力，并且在大規(guī)模系統(tǒng)中，信息能迅速傳播至所有節(jié)點(diǎn)。此外，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)自主傳播信息，系統(tǒng)具有較好的擴(kuò)展性和靈活性。Gossip協(xié)議廣泛應(yīng)用于分布式系統(tǒng)中的故障檢測(cè)、數(shù)據(jù)同步、負(fù)載均衡和一致性協(xié)議等場(chǎng)景。它能有效支持大規(guī)模分布式環(huán)境中的高效運(yùn)作，特別適用于需要容忍節(jié)點(diǎn)失敗或網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的系統(tǒng)。然而，Gossip協(xié)議也存在一定的缺點(diǎn)，比如可能會(huì)導(dǎo)致冗余信息的傳播，增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，并且信息傳播有延遲，可能導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)不一致。5.并發(fā)是分布式系統(tǒng)中非常重要的概念,而Go語(yǔ)言是一種天生支持并發(fā)的編程語(yǔ)言。請(qǐng)查閱相關(guān)資料,學(xué)習(xí)了解Go語(yǔ)言的goroutine、channel等特色設(shè)計(jì)。1.goroutine是Go語(yǔ)言中輕量級(jí)的線程，由Go運(yùn)行時(shí)(runtime)管理。通過(guò)go關(guān)鍵字啟動(dòng)一個(gè)新的goroutine，使得程序能并發(fā)執(zhí)行。每個(gè)goroutine在執(zhí)行時(shí)并不需要操作系統(tǒng)的線程調(diào)度，而是由Go運(yùn)行時(shí)調(diào)度，因此創(chuàng)建和銷毀的開銷非常小。其特性有：輕量級(jí)：goroutine的內(nèi)存開銷非常小，通常只有幾KB，這使得可以在一個(gè)程序中啟動(dòng)數(shù)千、甚至數(shù)萬(wàn)個(gè)goroutine。協(xié)作式調(diào)度：Go使用協(xié)作式調(diào)度，即goroutine在執(zhí)行過(guò)程中會(huì)自愿讓出控制權(quán)，Go運(yùn)行時(shí)會(huì)根據(jù)一定的策略安排其調(diào)度。非阻塞：goroutine的執(zhí)行不會(huì)阻塞主線程或其他goroutine，多個(gè)goroutine之間可以并發(fā)執(zhí)行，充分利用多核CPU；2.channel是Go語(yǔ)言中的一種用于在不同goroutine之間傳遞數(shù)據(jù)的管道。通過(guò)channel，數(shù)據(jù)可以從一個(gè)goroutine安全地傳遞到另一個(gè)goroutine，從而實(shí)現(xiàn)goroutine之間的通信和同步。其特性有：類型安全：channel是類型安全的，只有同類型的數(shù)據(jù)可以通過(guò)channel傳遞，這避免了數(shù)據(jù)類型錯(cuò)誤。同步機(jī)制：