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演进中的架构之原始分布式时代

Unix的分布式设计哲学

Simplicity of both the interface and the implementation are more important than any other attributes of the system — including correctness, consistency, and completeness.

保持接口与实现的简单性,比系统的任何其他属性,包括准确性、一致性和完整性,都来得更加重要。

—— Richard P. Gabriel,The Rise of 'Worse is Better,1991

可能与绝大多数人心中的认知会有差异,“使用多个独立的分布式服务共同构建一个更大型系统”的设想与实际尝试,反而要比今天大家所了解的大型单体系统出现的时间更早。

在20世纪的70年代末期到80年代初,计算机科学刚经历了从以大型机为主向以微型机为主的蜕变,计算机逐渐从一种存在于研究机构、实验室当中的科研设备,转变为存在于商业企业中的生产设备,或者是面向家庭、个人用户的娱乐设备。此时的微型计算机系统通常具有16位寻址能力、不足5MHz时钟频率的处理器和128KB左右的内存地址空间。譬如著名英特尔处理器的鼻祖,Intel 8086处理器就是在1978年研制成功,流行于80年代中期,甚至一直持续到90年代初期仍有生产销售。

由于当时计算机硬件局促的运算处理能力,已直接妨碍到了单台计算机上信息系统软件能够达到的最大规模。为突破硬件算力的限制,各个高校、研究机构、软硬件厂商开始分头探索使用多台计算机共同协作来支撑同一套软件系统运行的可行性。这阶段是对分布式架构最原始的探索与研究,但仅从技术角度来看,这个阶段的探索称得上的硕果累累,成绩斐然。提出的很多技术、概念对*nix系统后续的发展,乃至对今天计算机科学的诸多领域都产生了巨大而深远的影响,直接牵引了后续软件架构演化进程。譬如,惠普(及后来被惠普收购的Apollo)提出的网络运算架构(Network Computing Architecture,NCA)是未来远程服务调用的雏形;卡内基·梅隆大学提出的AFS文件系统是日后分布式文件系统的最早实现(顺便一提,AFS中的A是Andrew的意思,意为纪念Andrew Carnegie和Andrew Mellon);麻省理工学院提出的Kerberos协议是服务认证和访问控制(ACL)的基础性协议,是分布式服务安全性的重要支撑,目前仍被用于实现包括Windows和MacOS在内众多操作系统的登陆、认证功能等等。

为了避免Unix系统的版本战争在分布式领域中重演,Unix系统标准化组织开放软件基金会(Open Software Foundation,OSF,也即后来的“国际开放标准组织”)邀请了各主要的研究厂商参与,共同制订了名为“分布式运算环境”(Distributed Computing Environment,DCE)的软件架构公约,DCE包括了一整套完整的分布式服务组件的规范与实现,譬如源自NCA的远程服务调用规范(Remote Procedure Call,RPC),当时被称为DCE/RPC,与后来Sun公司向互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force,IETF)提交的基于通用TCP/IP协议的远程服务标准ONC RPC被认为是现代RPC的共同鼻祖;源自AFS的分布式文件系统(Distributed File System,DFS)规范,当时被称为DCE/DFS;源自Kerberos的服务认证规范;还有时间服务、命名与目录服务,以及当今程序中很常用的UUID也是在DCE中定义的。

由于OSF本身的Unix背景,当时研究这些分布式技术,通常有一个预设的重要原则是实现分布式环境中的服务调用、资源访问、数据存储等操作尽可能的透明化、简单化,使开发人员不必过于关注他们访问的方法或其他资源是位于本地还是远程。这样的主旨非常符合一贯的Unix设计哲学(有过几个版本的不同说法,这里指的是Common Lisp作者Richard P. Gabriel提出的简单优先“Worse is Better”原则),但这个过于理想化的目标背后其实蕴含着彼时根本不可能完美解决的技术困难。“调用远程方法”与“调用本地方法”尽管只是两字之差,但若要同时兼顾到简单、透明、性能、正确、鲁棒、一致的话,两者的复杂度就完全不可同日而语。且不说远程方法无法去做本地方法那些以内联为代表的传统编译优化来提升速度,光是“远程”二字带来的网络环境下的新问题,如远程的服务在哪里(服务发现)、有多少个(负载均衡)、网络出现分区、超时或者服务出错了怎么办(熔断、隔离、降级)、方法的参数与返回结果如何表示(序列化协议)、如何传输(传输协议)、服务权限如何管理(认证、授权)、如何保证通信安全(网络安全层)、如何令调用不同机器的服务能返回相同的结果(分布式数据一致性)等一系列问题就需要设计者耗费大量心思。

面对重重困难与压力,DCE不仅从零开始、从无到有全部解决了这些问题,构建出大量的分布式基础组件与协议,而且还真的尽力去做到了相对意义的“透明”,譬如你在DFS上访问文件,如果不考虑性能上的差异的话,就很难感受到它与本地磁盘文件系统有什么不同。可是,一旦考虑性能上的差异,分布式和本地的鸿沟是无比深刻的,这是数量级上的差距,是不可调和的差距。尤其是在那个年代的机器硬件限制下,开发者为了让程序在运行效率上可以接受,不得不局限仅在方法本身运行时间很长,可以相对忽略远程调用成本时的情况下才考虑分布式,如果方法本身运行时长不够,就要人为用各种奇技淫巧地刻意构造出这样的场景,譬如将几个原本毫无关系的方法打包到一个方法内,一块进行远程调用。这一方面本身就与使用分布式来突破硬件算力,提升性能的初衷相互矛盾,需要小心平衡;另一方面,此时的开发人员实际上仍然必须每时每刻都意识到自己是在编写分布式的程序,不可轻易踏过本地与远程的界限,设计向性能做出的妥协,令DCE“尽量简单透明”的努力几乎全部付诸东流,本地与远程无论是编码、运行还是效率角度上看,都有着天壤之别,设计一个能运作良好的分布式应用,变得需要极高的编程技巧和各方面的知识去支撑,这时候反而是人员本身对软件规模的约束,超过机器算力上的约束了。

对DCE的研究是计算机科学中第一次有组织领导、有标准可循、有巨大投入的分布式计算的尝试,但无论是DCE还是稍后出现的CORBA,从结果来看,都不能称取得了成功,将一个系统直接拆分到不同的机器之中,这样做带来的服务的发现、跟踪、通讯、容错、隔离、配置、传输、数据一致性和编码复杂度等方面的问题,所付出的代价远远超过了分布式所取得的收益。亲身经历过那个年代的计算机科学家、IBM院士Kyle Brown事后曾经评价道:“这次尝试最大的收获就是对RPC、DFS等概念的开创,以及得到了一个价值千金的教训:某个功能能够进行分布式,并不意味着它就应该进行分布式,强行追求透明的分布式操作,只会自寻苦果。”

原始分布式时代的教训

Just because something can be distributed doesn’t mean it should be distributed. Trying to make a distributed call act like a local call always ends in tears.

某个功能能够进行分布式,并不意味着它就应该进行分布式,强行追求透明的分布式操作,只会自寻苦果。

—— Kyle Brown,IBM Fellow,Beyond buzzwords: A brief history of microservices patterns,2016

以上结论是有违Unix设计哲学的,但也是当时现实情况下不得不做出的让步。摆在计算机科学面前有两条通往更大规模软件系统的道路,一条是尽快提升单机的处理能力,以避免分布式带来的种种问题;另一条路是找到更完美的解决如何构筑分布式系统的方案。

上世纪80年代正是摩尔定律开始稳定发挥作用的黄金时期,微型计算机的性能以每两年即增长一倍的惊人速度提升,硬件算力束缚软件规模的链条很快变得松动,信息系统进入了以单台或少数几台计算机即可作为服务器来支撑大型信息系统运作的单体时代,且在很长的一段时间内,单体系统都将是软件架构的主流。尽管如此,对于另外一条路径,即对分布式计算、远程服务调用的探索却也从未有过中断。关于远程服务调用这个关键问题的历史、发展与现状,笔者还会在服务设计风格的“远程服务调用”部分,以现代RPC和RESTful为主角来进行更详细的讲述。而对于在原始分布式时代中遭遇到的其他问题,也还将会在软件架构演进后面几个时代里被反复提起。

总结

原始分布式时代提出的构建“符合Unix的设计哲学的”、“如同本地调用一般简单透明的”分布式系统这个目标,是软件开发者对分布式系统最初的美好愿景,迫于现实,它会在一定时期内被妥协、被舍弃,分布式将会经过一段越来越复杂的发展进程。但是,到了三十多年以后的未来,随着微服务的逐渐成熟完善,成为大型软件的主流架构风格以后,这个美好的愿景终将还是会重新被开发者拾起。

作者简介

周志明,腾讯云最具价值专家(TVP),Java技术、机器学习和企业级开发技术专家,现任远光软件研究院院长,机器学习方向博士, 开源技术的积极倡导者和推动者,对计算机科学和相关的多个领域都有深刻的见解,尤其是人工智能、Java技术和敏捷开发等领域。曾受邀在InfoQ和IBMDeveloperWorks等网站撰写技术专栏。

著有畅销书多本。著有《智慧的疆界》、《深入理解Java虚拟机》、《深入理解OSGi》,翻译了《Java虚拟机规范》等著作。其中《深入理解Java虚拟机》第1版出版于2011年,已经出至第3版,累计印刷超过35次,销量30万册;不仅销量好,而且口碑更好,是中文计算机图书领域公认的、难得一见的佳作。

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