یکپارچگی در سیستم‌های توزیع‌شده به توانایی یک سیستم توزیع‌شده برای حفظ یک وضعیت منسجم و قابل‌اعتماد در سراسر اجزای چندگانه یا گره‌های آن اشاره دارد. در یک سیستم توزیع‌شده، داده‌ها و محاسبات اغلب در سراسر چندین گره همگام‌سازی و توزیع می‌شوند تا دسترس‌پذیری، مقیاس‌پذیری و تحمل خرابی را به دست آورند. با این حال، این توزیع داده‌ها و محاسبات می‌تواند چالش‌هایی را در حفظ یکپارچگی ایجاد کند.
اینجا جنبه‌های کلیدی یکپارچگی در سیستم‌های توزیع‌شده آورده شده است:
1. یکپارچگی داده:
یکپارچگی داده به توانایی سیستم توزیع‌شده برای اطمینان از اینکه همه همگامسازهای همان آیتم داده همان مقدار را در هر زمان داشته باشند اشاره دارد.
این برای جلوگیری از واگرایی داده و اطمینان از اینکه کلاینت ها داده صحیح و به‌روز را با توجه به گره‌ای که با آن تعامل دارند، دریافت می‌کنند مهم است.
دستیابی به یکپارچگی داده در یک سیستم توزیع‌شده به دلیل عواملی مانند شکاف‌های شبکه، خرابی گره و همگام‌سازی داده‌های آسنکرون چالش‌برانگیز است.
2. مدل‌های یکپارچگی:
سیستم‌های توزیع‌شده می‌توانند مدل‌های یکپارچگی مختلفی را پیاده‌سازی کنند، که هر کدام تعادل های خود را بین یکپارچگی، دسترس‌پذیری و تحمل شکاف (مطابق با قضیه CAP) دارند.
مدل‌های یکپارچگی اصلی شامل یکپارچگی قوی (مانند خطی‌سازی)، یکپارچگی تدریجی و یکپارچگی ضعیف است.
انتخاب مدل یکپارچگی به نیازهای برنامه، مانند نیاز به یکپارچگی داده، تحمل ناسازگاری موقت و اهمیت دسترس‌پذیری و تحمل شکاف بستگی دارد.
3. پروتکل‌های یکپارچگی:
سیستم‌های توزیع‌شده اغلب از پروتکل‌ها و الگوریتم‌های مختلفی برای تضمین یکپارچگی داده استفاده می‌کنند، مانند:
پروتکل‌های توافق (مانند Paxos، Raft) برای دستیابی به توافق بین گره‌ها در مورد وضعیت سیستم.
پروتکل‌های همگام‌سازی (مانند primary-backup، quorum-based) برای حفظ همگام‌سازی همگامسازهای داده.
مکانیزم‌های کنترل همزمانی (مانند قفل‌گذاری، کنترل همزمانی خوشبینانه) برای مدیریت دسترسی همزمان به داده‌های مشترک.
4. Trade-offs یکپارچگی و دسترس‌پذیری:
قضیه CAP بیان می‌کند که در یک سیستم توزیع‌شده، می‌توانید فقط دو تا از سه ویژگی یکپارچگی، دسترس‌پذیری و تحمل شکاف را به دست آورید.
سیستم‌های توزیع‌شده باید این بده بستان ها را بر اساس نیازهای برنامه و سناریوهای شکست مورد انتظار متعادل کنند.
به عنوان مثال، سیستمی که بر یکپارچگی و تحمل شکاف تمرکز دارد ممکن است دسترس‌پذیری را فدا کند، در حالی که سیستمی که بر دسترس‌پذیری و تحمل شکاف تمرکز دارد ممکن است از یکپارچگی قوی صرف‌نظر کند.
5. یکپارچگی تدریجی و حل تعارض:
در برخی سیستم‌های توزیع‌شده، مانند پایگاه‌های داده NoSQL، تمرکز بر دستیابی به دسترس‌پذیری و تحمل شکاف بالا است، اغلب با قربانی کردن یکپارچگی قوی.
این سیستم‌ها ممکن است از مدل‌های یکپارچگی تدریجی استفاده کنند، جایی که داده‌ها در نهایت به یک وضعیت یکپارچه همگرا می‌شوند، اما ممکن است ناسازگاری‌های موقت در طی فرایند همگرایی وجود داشته باشد.
در چنین مواردی، سیستم باید مکانیزم‌هایی برای شناسایی و حل تعارضاتی که ممکن است به دلیل به‌روزرسانی‌های همزمان ایجاد شوند، مانند انواع داده‌های همگام‌سازی‌شده عاری از تعارض (CRDTs) یا تحول عملیاتی داشته باشد.
حفظ یکپارچگی در سیستم‌های توزیع‌شده یک چالش پیچیده است و راه‌حل‌های خاص و trade-offs آن به نیازهای برنامه، سناریوهای شکست مورد انتظار و منابع موجود بستگی دارد. درک و مدیریت دقیق یکپارچگی برای ساخت سیستم‌های توزیع‌شده قابل‌اعتماد و مقیاس‌پذیر بسیار مهم است.
برای مثال، سرویس Amazon S3 (Simple Storage Service) از یک مدل داده‌ای یکپارچگی تدریجی استفاده می‌کند، که به این معنی است که پس از به‌روزرسانی یک شیء، نسخه جدید ممکن است فوراً برای همه کاربران قابل مشاهده نباشد. این مدل یکپارچگی تدریجی به S3 امکان می‌دهد تا دسترس‌پذیری و تأخیر کم را ارائه دهد، زیرا به‌روزرسانی‌ها می‌توانند به صورت آسنکرون به چندین همگام‌ساز منتشر شوند. trade-off این است که ممکن است مدت کوتاهی وجود داشته باشد که کاربران مختلف نسخه‌های متفاوتی از همان شیء را ببینند، اما این معمولاً برای بیشتر موارد استفاده مشکل‌ساز نیست.
از سوی دیگر، پایگاه‌های داده رابطه‌ای سنتی مانند MySQL و PostgreSQL مدل داده‌ای یکپارچگی قوی را ارائه می‌دهند. در یک پایگاه داده رابطه‌ای، همه خواندن‌ها و نوشتن‌ها اتمی، قابل‌سریالیزه و خطی‌سازی هستند، که تضمین می‌کند داده همیشه در یک وضعیت معتبر باشد. این مدل یکپارچگی قوی برای برنامه‌هایی که یکپارچگی داده حیاتی است، مانند معاملات مالی، سیستم‌های بانکی و سیستم‌های برنامه‌ریزی منابع سازمانی (ERP) حیاتی است. trade-off برای یکپارچگی قوی این است که این سیستم‌ها ممکن است دسترس‌پذیری پایین‌تر و تأخیر بالاتری نسبت به سیستم‌های یکپارچگی تدریجی یا ضعیف داشته باشند، زیرا باید اطمینان حاصل کنند که همه همگام‌سازها قبل از تکمیل یک عملیات همگام هستند.
در زمینه مدل‌های یکپارچگی در سیستم‌های توزیع‌شده، سه نوع اصلی از تضمین‌های یکپارچگی وجود دارد: یکپارچگی تدریجی، یکپارچگی ضعیف و یکپارچگی قوی. توضیحی در مورد هر کدام ارائه می‌شود:
Eventual Consistency
1. یکپارچگی تدریجی:
یکپارچگی تدریجی یک مدل یکپارچگی است که در آن سیستم تضمین می‌کند اگر هیچ به‌روزرسانی جدیدی برای یک آیتم داده خاص انجام نشود، در نهایت همه دسترسی‌ها به آن آیتم آخرین مقدار به‌روزرسانی شده را برمی‌گرداند.
در یک سیستم دارای یکپارچگی تدریجی، به‌روزرسانی‌ها ممکن است به همگام‌سازها به صورت آسنکرون انتشار یابند و ممکن است مدت زمانی وجود داشته باشد که همگامسازهای مختلف مقادیر متفاوتی برای همان آیتم داده داشته باشند.
یکپارچگی تدریجی دسترس‌پذیری و تحمل شکاف (مطابق با قضیه CAP) را بر یکپارچگی قوی اولویت می‌دهد، که آن را برای سیستم‌هایی که می‌توانند ناسازگاری‌های موقت را تحمل کنند مناسب می‌سازد، مانند حافظه پنهان توزیع‌شده، شبکه‌های تحویل محتوا و برخی انواع پایگاه‌های داده (مانند پایگاه‌های داده NoSQL).
Dynamo ،Cassandra و Riak از جمله مثال‌های سیستم‌های دارای یکپارچگی تدریجی هستند.
Weak Consisteny
2. یکپارچگی ضعیف:
یکپارچگی ضعیف یک مدل یکپارچگی است که در آن سیستم تضمینی برای ترتیب خاصی از عملیات یا سطح خاصی از یکپارچگی ندارد.
در یک سیستم دارای یکپارچگی ضعیف، خواندن‌ها و نوشتن‌ها ممکن است مقادیر دلخواهی را برگردانند و سیستم ممکن است تضمین نکند که همه همگام‌سازها در هر زمان داده یکسانی داشته باشند.
یکپارچگی ضعیف دسترس‌پذیری و سرعت را بر یکپارچگی قوی اولویت می‌دهد، که آن را برای سیستم‌هایی که می‌توانند برخی سطح از ناسازگاری را تحمل کنند مناسب می‌سازد، مانند حافظه پنهان، شبکه‌های تحویل محتوا و برنامه‌های همکاری آنلاین آنی
Strong Consistency
3. یکپارچگی قوی:
یکپارچگی قوی یک مدل یکپارچگی است که در آن سیستم تضمین می‌کند که همه خواندن‌ها و نوشتن‌ها اتمی، قابل‌سریالیزه و خطی‌سازی هستند.
در یک سیستم دارای یکپارچگی قوی، همه همگامسازهای یک آیتم داده در هر زمان مقدار یکسانی دارند و همه عملیات در یک ترتیب مشخص اجرا می‌شوند.
یکپارچگی قوی یکپارچگی را بر دسترس‌پذیری و تحمل شکاف (مطابق با قضیه CAP) اولویت می‌دهد، که آن را برای سیستم‌هایی که به یکپارچگی داده بالایی نیاز دارند مناسب می‌سازد، مانند سیستم‌های بانکی، معاملات مالی و زیرساخت‌های حیاتی.
مثال‌هایی از سیستم‌های دارای یکپارچگی قوی شامل پایگاه‌های داده رابطه‌ای سنتی مانند MySQL و PostgreSQL، همچنین پروتکل‌های توافق توزیع‌شده مانند Raft و Paxos هستند.
انتخاب بین یکپارچگی تدریجی، ضعیف یا قوی به نیازهای خاص سیستم بستگی دارد، مانند سطح یکپارچگی مورد نیاز، نیازهای دسترس‌پذیری و مقیاس‌پذیری و میزان تحمل ناسازگاری‌های موقت. در عمل، بسیاری از سیستم‌های توزیع‌شده از ترکیبی از این مدل‌های یکپارچگی استفاده می‌کنند، با استفاده از یکپارچگی قوی‌تر برای عملیات حیاتی و یکپارچگی ضعیف‌تر برای بخش‌های کم‌اهمیت‌تر یا مقیاس‌پذیرتر سیستم.
بیایید به برخی از مثال‌های واقعی از این مدل‌های یکپارچگی نگاه کنیم:
1. یکپارچگی تدریجی:
مثال: Amazon S3 (Simple Storage Service)
Amazon S3 یک سرویس ذخیره‌سازی شیء با قابلیت مقیاس‌پذیری و دوام بالا است که توسط Amazon Web Services (AWS) ارائه می‌شود.
S3 از یک مدل داده‌ای یکپارچگی تدریجی استفاده می‌کند، که به این معنی است که پس از به‌روزرسانی یک شیء، نسخه جدید ممکن است فوراً برای همه کاربران قابل مشاهده نباشد.
این مدل یکپارچگی تدریجی به S3 امکان می‌دهد تا دسترس‌پذیری بالا و تأخیر کم را ارائه دهد، زیرا به‌روزرسانی‌ها می‌توانند به صورت آسنکرون به چندین همگام‌ساز منتشر شوند.
trade-off این است که ممکن است مدت کوتاهی وجود داشته باشد که کاربران مختلف نسخه‌های متفاوتی از همان شیء را ببینند، اما این معمولاً برای بیشتر موارد استفاده مشکل‌ساز نیست.
S3 به طور گسترده برای ذخیره‌سازی و ارائه محتوای ایستا، پشتیبان‌گیری و سایر انواع داده‌ای که در آن‌ها یکپارچگی تدریجی قابل قبول است استفاده می‌شود.
2. یکپارچگی ضعیف:
مثال: Memcached
Memcached یک داده‌ستور توزیع‌شده و در حافظه موقت منبع‌باز است که برای حافظه پنهان‌سازی داده و اشیاء استفاده می‌شود.
Memcached یک مدل یکپارچگی ضعیف را ارائه می‌دهد، جایی که خواندن‌ها و نوشتن‌ها ممکن است مقادیر دلخواهی را برگردانند و هیچ تضمینی برای ترتیب خاصی از عملیات وجود ندارد.
این مدل یکپارچگی ضعیف به Memcached امکان می‌دهد تا دسترسی بسیار سریع به داده‌های حافظه پنهان را ارائه دهد، زیرا نیازی به اعمال تضمین‌های یکپارچگی قوی ندارد.
Memcached به طور معمول به عنوان لایه حافظه پنهان در برنامه‌های وب استفاده می‌شود، جایی که trade-off بین یکپارچگی و عملکرد قابل قبول است، زیرا داده‌های حافظه پنهان را می‌توان به راحتی تازه‌سازی یا باطل کرد.
3. یکپارچگی قوی:
مثال: پایگاه‌های داده رابطه‌ای (مانند MySQL، PostgreSQL)
پایگاه‌های داده رابطه‌ای سنتی مانند MySQL و PostgreSQL یک مدل داده‌ای یکپارچگی قوی را ارائه می‌دهند.
در یک پایگاه داده رابطه‌ای، همه خواندن‌ها و نوشتن‌ها اتمی، قابل‌سریالیزه و خطی‌سازی هستند، که تضمین می‌کند داده همیشه در یک وضعیت معتبر باشد.
این مدل یکپارچگی قوی برای برنامه‌هایی که به یکپارچگی داده نیاز دارند، مانند معاملات مالی، سیستم‌های بانکی و سیستم‌های برنامه‌ریزی منابع سازمانی (ERP) حیاتی است.
trade-off برای یکپارچگی قوی این است که این سیستم‌ها ممکن است دسترس‌پذیری پایین‌تر و تأخیر بالاتری نسبت به سیستم‌های یکپارچگی تدریجی یا ضعیف داشته باشند، زیرا باید اطمینان حاصل کنند که همه همگام‌سازها قبل از تکمیل یک عملیات همگام هستند.
پایگاه‌های داده رابطه‌ای به طور گسترده در کاربردهای حیاتی که در آن‌ها یکپارچگی داده از اهمیت فوق‌العاده برخوردار است و trade-off دسترس‌پذیری و تأخیر قابل قبول است استفاده می‌شوند.
این مثال‌ها نشان می‌دهند که چگونه انتخاب مدل یکپارچگی در یک سیستم توزیع‌شده به نیازهای خاص برنامه و trade-offs بین یکپارچگی، دسترس‌پذیری و تحمل شکاف بستگی دارد. توسعه‌دهندگان باید این trade-offs را به دقت در نظر بگیرند هنگام طراحی و پیاده‌سازی سیستم‌های توزیع‌شده تا اطمینان حاصل کنند که سیستم نیازهای مورد نیاز مورد استفاده خود را برآورده می‌کند.
