3 分布式系统抽象
讨论编程语言时，我们使用通用术语并用函数、运算符、类、变量和指针来定义我们的程序。通用的词汇可以帮助我们避免每次都为了描述某些东西而发明新词。我们的定义越精确、越没有歧异，听众也就越容易理解。
在开始学习算法之前，我们首先要了解分布式系统中的词汇：这些定义你会经常在演讲、书籍和论文中遇到。
链路
网络是不可靠的：消息会丢失、延迟或被打乱。记住这一点之后，我们来尝试构建几种通信协议。我们从最不可靠的协议开始，确定它们可能处于的状态，然后找出可以为协议增加的东西使它提供更好的保证。
公平损失链路
我们可以从两个进程开始，它们之间以链路相连。进程可以相互发送消息，如图2所示。任何通信介质都是不完美的，消息可能丢失或延迟。
看看我们能得到什么样的保证。消息M被发送之后（从发送方的角度来看），它可能处于以下状态之一：
- 还未送达进程B（但会在某个时间点送达）
- 在途中丢失且不可恢复
- 成功送达远程进程
注意，发送方没有任何方法确定消息是否已经送达。在分布式系统的术语中，这种链路称为公平损失（fair-loss）。这种链路具有以下属性：
公平损失
如果发送方和接收方都是正确的，且发送方无限多次重复发送，则消息最终会被送达注3。
有限重复
发送的消息不会被送达无限次。
不会无中生有
链路不会自己生成消息。换句话说，它不会传递一个从未发送过的消息。
公平损失链路是一种很有用的抽象，它是构建具有更强保证的通信协议的基石。我们可以假设该链路不会在通信双方之间系统性地丢弃消息，也不会创建新消息。但与此同时，我们也不能完全依靠它。这可能让你想起了用户数据报协议（UDP），UDP允许我们从一个进程发送消息到另一个进程，但在协议层面上不提供可靠的传输语义。
消息确认
为了改善这一情况、更清晰地获得消息状态，我们可以引入确认（acknowledgment）机制：接收方通知发送方消息已送达。为此，我们需要双向通信信道，并增加一些措施以区分不同的消息，例如序列号—单调递增的唯一消息标识符。
每个消息只要有唯一标识符就足够了。序列号只是唯一标识符的一种特殊情况，即使用计数器来获取标识符，从而实现唯一性。当使用哈希算法来唯一地标识消息时，我们应当考虑可能的冲突，并确保能消除歧义。
现在，进程A可以发送消息M(n)，其中n是单调递增的消息计数器。B收到消息后立即向A发送确认ACK(n)。图8-3展示了这种通信形式。
确认消息，就像原始消息一样，也有可能在途中丢失。消息可能处于的状态数会稍有变化。在A收到确认之前，该消息仍处于我们前面提到的三种状态之一，但是，一旦A收到确认，就可以确信该消息已送达B。
消息重传
增加确认机制仍不足以保证通信协议完全可靠：发送的消息仍可能会丢失，远程进程也可能在确认之前发生故障。为了解决该问题并提供送达保证，我们可以尝试重传（retransmit）。重传是指发送方重试可能失败的操作。我们之所以说可能失败，是因为发送方并不能真的知道有没有失败，因为我们要讨论的链路不使用确认机制。
进程A发送消息M之后，它将等到超时T被触发，然后尝试再次发送同一条消息。假设进程之间的链路完好无损，进程间的网络分区不会无限持续下去，并且并非所有数据包都丢失，我们可以认为，从发送方的角度看，消息要么尚未送达进程B，要么已经成功送达。由于A一直在尝试发送消息，可以认为传输过程中不会发生不可恢复的消息丢失。
在分布式系统的术语中，这种抽象称为顽固链路（stubborn link）。之所以称为顽固，是因为发件人会无限期地反复发送消息，但是，由于这种抽象非常不切实际，因此我们需要将重试与确认结合起来。
重传的问题
每当我们发送消息时，在收到远程进程的确认之前，我们无从得知消息的状态：可能已被处理，可能马上就要处理，也可能已经丢失，甚至可能在收到消息之前远程进程就崩溃了—上述的任意状态都是可能的。我们可以重试操作、再次发送消息，但这可能导致消息重复。只有当我们要执行的操作是幂等时，处理重复消息才是安全的。
幂等（idempotent）的操作可以执行多次而产生相同的结果，且不会产生其他副作用。例如，服务器关机操作可以是幂等的，第一次调用将发起关机，而所有后续调用都不会产生任何其他影响。
如果每个操作都是幂等的，那我们可以少考虑一些传递语义，更多地依赖重传来实现容错，并以完全反应式的方式构建系统：为某些信号触发相应的操作，而不会引起预期之外的副作用。但是，操作不一定是幂等的，简单地假设它们幂等可能会导致集群范围的副作用。例如，向客户的信用卡收费不是幂等操作，绝对不可以重复收费多次。
在存在部分故障和网络分区的情况下，幂等性尤其重要，因为我们无法总是确定远程操作的确切状态—是成功还是失败，还是会马上被执行—我们只能等待更长的时间。保证每个操作都是幂等的是不切实际的，因此我们需要在不改变实际操作语义的情况下，提供与幂等性等价的保证。为此，我们可以使用去重来避免多次处理消息。
