《区块链：技术与应用》课后思考题及答案 第二章 课后思考题答案

第二章课后思考题答案1.分布式系统架构有哪些类别?不同架构的优缺点是什么?分布式系统架构有分层架构、面向服务的架构和微服务架构。1.分层架构优点为开发效率较高,系统内各部分的相互依赖程度较低,系统维护成本较低,标准化程度较高,易于开发,模块可复用性较强；缺点为表示层数据的改动可能会导致其他相关层逻辑的修改,在该场景下的开发效率会因此而降低。2.面向服务的架构优点为能使服务更具业务价值,响应速度更快,复用性也更强,具有服务间相互依赖性低、系统具有平台无关性以及可复用性强的特点；缺点为可能导致系统整体复杂度提高,服务间通信开销较大,有时还会因过度拆分而影响系统的整体性能和稳定性,并且在小规模应用程序中适用性较差。3.微服务架构优点为开发复杂度低,微服务间的依赖性低,具有跨语言特性,微服务独立开发部署；缺点为链修改导致业务修改复杂,对服务进行拆分导致系统测试复杂。2.分布式系统在业务处理和数据存储方面采用了哪些设计?不同设计的优缺点是什么？在业务处理方面，最初使用单体架构时虽然开发测试简单，部署运维方便，但是框架更新复杂，系统各功能间依赖严重，系统可用性和性能都有瓶颈，于是逐渐演变出了各种分布式系统架构，如①分层架构，其将业务抽象出了不同层，每层与上一层服务之间是层调用的限制关系,同时也可以降低系统不同层之间的依赖关系，而三层架构的业务逻辑层由于承载了所有业务处理逻辑,会随着系统的不断发展而愈发庞大，因此,可以将这一层进一步优化,分离为接入层和服务层,接入层更为简单,拥有更好的可扩展性,服务层则专注于实现业务逻辑的处理，然而，在分层架构下，表示层数据的改动可能会导致其他相关层逻辑的修改,在该场景下的开发效率会因此而降低；②面向服务的架构依据业务的属性对服务进行了划分和定义，这样做提高了服务的业务价值，提升了响应速度和复用性，但可能会导致系统整体复杂度高、服务间通信开销大、过度拆分影响性能和稳定性，以及小规模应用程序中适用性较差的问题；③微服务架构中的业务从API网关开始作为系统的唯一入口,所有模块都按照业务进行拆分，起到了降低开发复杂度和服务间依赖性的作用，但缺点是链修改导致业务修改复杂,对服务进行拆分导致系统测试复杂。在数据存储方面，高可用角度下分布式系统架构在数据存储方面主要指两个层面,从服务器层面讲是双机架构,从数据层面讲是数据多副本。一般将单机房场景下的两台服务器配合实现高可用称为双机架构,常见的双机架构有主备模式、主从模式和双主模式。①主备模式是一种最简单的架构,由一个主数据库和一个备数据库组成。备数据库在正常情况下不使用,只有在主数据库出现故障时才启用。主备模式的优点是实现非常简单,对外业务只需要感知主数据库的地址,备数据库对业务透明,它只需要从主数据库同步数据，缺点是在正常业务场景下,备数据库不提供服务,这就导致备数据库在资源层面上没有得到有效利用,数据库的性能(特别是读取性能)无法得到有效提升。另外,备数据库的切换只能靠人工实现,因此会提高运维成本,降低系统可用性；②主从模式是在主备模式基础上的一个升级,它将正常场景下的备数据库提升为可用的从数据库，其优点是解决了主备模式下的资源浪费问题,提升了线上读取数据的性能，缺点是业务需要感知主从数据库,并且需要判断什么场景下分发到哪个数据库进行读取，以及当出现故障时,仍然需要人工介入切换；③双主模式是指两个数据库互为主从,都对外提供读写,当客户端访问时,可以以某种策略来连接后端的两台服务器，其适用于对数据一致性不敏感的场景。①副本是分布式系统容错、提高可用性的基本手段,一般数据副本的基本策略以机器为单位,每个副本存储在不同的机器上,副本的数据保持完全一致,称为全量数据多副本。全量数据多副本的优点在于实现比较简单，缺点在于数据恢复效率低，数据写入性能成为瓶颈，②针对以上两点不足,演变出了一种基于数据分片的多副本存储模式,将每个业务的数据进行分片,每个分片的数据再采取多副本存储模式，其优点在于数据写入性能好，数据恢复效率高，扩容便捷。3.数据库系统的四个基本特性是什么?任何一个特性不满足会对数据库造成什么影响？数据库的四个基本特性是原子性(atomicity)、一致性(consistency)、隔离性(isolation)和持久性(durability)。1.如果不满足原子性，数据库可能会进入不一致的状态，部分数据更新可能会丢失或不完整，导致数据不准确；如果一个操作分配了资源（如内存或文件描述符）而未能成功地释放或回滚，可能会导致资源泄露；当多个事务相互依赖时，一个事务的部分完成可能导致其他事务无法继续，影响系统的整体可靠性；2.如果不满足一致性，数据库可能会存在不符合预定约束的状态，产生不合法的数据，破坏数据完整性；3.如果不满足隔离性，可能会出现脏读、不可重复读或幻读等问题，导致错误的计算和决策；4.如果不满足持久性，那么在事务提交后，如果发生系统崩溃或者其他故障，那么这个事务的修改结果可能会丢失，没有被永久的保存在数据库中。4.Gossip协议也是一种分布式通信协议,用于实现分布式系统中的数据同步和复制。Gossip协议也称流行病协议,是基于流行病传播方式的信息交换协议。查阅相关资料了解Gossip协议的基本原理。Gossip协议是一种基于信息传播的分布式协议，类似于八卦传播，节点通过随机选择其他节点交换信息，逐渐实现系统中的数据同步、状态传播或一致性维护。每个节点在收到其他节点的信息后，会更新自己的状态，并将更新后的信息继续传播，直至整个系统达成一致。该协议的特点包括去中心化、容错性高和高效性。信息传播不依赖中心节点，节点间对等通信，具有较强的容错能力，并且在大规模系统中，信息能迅速传播至所有节点。此外，由于每个节点自主传播信息，系统具有较好的扩展性和灵活性。Gossip协议广泛应用于分布式系统中的故障检测、数据同步、负载均衡和一致性协议等场景。它能有效支持大规模分布式环境中的高效运作，特别适用于需要容忍节点失败或网络问题的系统。然而，Gossip协议也存在一定的缺点，比如可能会导致冗余信息的传播，增加网络负担，并且信息传播有延迟，可能导致短时间内节点状态不一致。5.并发是分布式系统中非常重要的概念,而Go语言是一种天生支持并发的编程语言。请查阅相关资料,学习了解Go语言的goroutine、channel等特色设计。1.goroutine是Go语言中轻量级的线程，由Go运行时(runtime)管理。通过go关键字启动一个新的goroutine，使得程序能并发执行。每个goroutine在执行时并不需要操作系统的线程调度，而是由Go运行时调度，因此创建和销毁的开销非常小。其特性有：轻量级：goroutine的内存开销非常小，通常只有几KB，这使得可以在一个程序中启动数千、甚至数万个goroutine。协作式调度：Go使用协作式调度，即goroutine在执行过程中会自愿让出控制权，Go运行时会根据一定的策略安排其调度。非阻塞：goroutine的执行不会阻塞主线程或其他goroutine，多个goroutine之间可以并发执行，充分利用多核CPU；2.channel是Go语言中的一种用于在不同goroutine之间传递数据的管道。通过channel，数据可以从一个goroutine安全地传递到另一个goroutine，从而实现goroutine之间的通信和同步。其特性有：类型安全：channel是类型安全的，只有同类型的数据可以通过channel传递，这避免了数据类型错误。同步机制：