Hệ thống phân phối: Xương sống vô hình của Internet và Blockchain

Bạn có biết không? Mạng, Blockchain, dịch vụ đám mây mà bạn đang sử dụng hiện nay đều chạy trên cùng một bẫy logic - hệ thống phân tán. Nói đơn giản, đó là chia một nhiệm vụ lớn cho nhiều máy tính làm cùng một lúc, sau đó chúng giao tiếp với nhau để hoàn thành mục tiêu. Nghe có vẻ không phức tạp, nhưng thứ này đã nâng đỡ toàn bộ internet.

Hệ thống phân tán thực sự là gì?

Hãy tưởng tượng bạn phải xử lý 10 tỷ giao dịch dữ liệu. Một chiếc máy tính sẽ mất một thời gian rất lâu. Nhưng nếu bạn chia dữ liệu thành 100 phần, và giao cho 100 chiếc máy tính xử lý cùng một lúc, bạn chỉ cần 1/100 thời gian là xong. Đây là logic cốt lõi của phân phối - xử lý song song, phân tán áp lực.

Hệ thống phân tán bao gồm ba phần quan trọng:

1. Nhiều nút độc lập

Mỗi máy tính là một nút, có thể hoạt động độc lập và cũng có thể hợp tác với nhau. Giống như một đàn ong, mỗi con ong có nhiệm vụ riêng của nó, nhưng lại phối hợp chặt chẽ.

2. Lớp giao tiếp mạng

Thông tin được truyền giữa các nút thông qua giao thức mạng (TCP/IP, HTTP, v.v.). Đây là điều quan trọng - nếu có sự cố trong giao tiếp, toàn bộ hệ thống có thể bị tê liệt.

3. Phần mềm trung gian

Chịu trách nhiệm phối hợp công việc của các nút khác nhau, đảm bảo chúng hoạt động đồng bộ.

Tại sao mọi người đều sử dụng phân phối?

Ưu điểm vượt trội:

• Hiệu suất cao: Nhiều máy tính làm việc, tốc độ nhanh đến bay lên.
• Khả năng chịu lỗi mạnh: Một máy tính gặp sự cố, máy khác vẫn tiếp tục hoạt động, hệ thống sẽ không sập.
• Khả năng mở rộng: Người dùng nhiều hơn? Chỉ cần thêm một máy tính, không cần phải xây dựng lại toàn bộ.
• Tính khả dụng cao: Dịch vụ không gián đoạn 7×24

Ví dụ như mạng Bitcoin, hàng nghìn nút trên toàn cầu xác thực giao dịch đồng thời, bất kỳ nút đơn lẻ nào bị lỗi đều không ảnh hưởng đến toàn bộ mạng. Đây chính là độ bền phân tán.

Nhưng nhược điểm cũng rõ ràng:

• Khó khăn trong việc phối hợp: Nhiều nút cần đồng bộ thông tin, dễ xảy ra sự không nhất quán trong dữ liệu
• Độ phức tạp cao: Chi phí thiết kế và bảo trì rất lớn, cần nhân tài chuyên môn
• Rủi ro deadlock: Khi nhiều tiến trình cạnh tranh tài nguyên, dễ dàng chờ đợi lẫn nhau, bị kẹt.

Trong thực tế có những hệ thống phân tán nào?

Blockchain (Phân phối tối thượng)

Tất cả các tính năng bạn muốn đều có - phi tập trung, an toàn cao, chống giả mạo. Sổ cái được phân phối trên các nút toàn cầu, mỗi nút có bản sao hoàn chỉnh, hacker phải tấn công hơn 51% các nút mới có thể gian lận, chi phí là vô hạn.

Công cụ tìm kiếm

Google sử dụng hàng nghìn máy chủ để thu thập trang web phân tán, xây dựng chỉ mục và xử lý truy vấn. Ngay khi bạn tìm kiếm, có thể backend đã huy động 100 máy tính.

Nền tảng mạng xã hội

Dữ liệu người dùng của Facebook và Twitter được phân tán trên các trung tâm dữ liệu toàn cầu, nếu một trung tâm bị ngừng hoạt động thì các trung tâm khác sẽ tiếp tục.

Điện toán đám mây

AWS, Azure đều là phân tán. Máy chủ đám mây của bạn thực chất là máy ảo trong một trung tâm dữ liệu nào đó, bên dưới chạy lưu trữ và tính toán phân tán.

Có những loại hệ thống phân tán nào?

1. Mô hình máy khách - máy chủ

Trình duyệt của bạn là khách hàng, máy chủ web là máy chủ. Kiến trúc phổ biến nhất.

2. Mạng P2P đối xứng

Mỗi nút vừa là khách hàng vừa là máy chủ. Tải xuống BitTorrent, lưu trữ IPFS đều sử dụng mô hình này. Không có máy chủ tập trung, về lý thuyết khó bị kiểm soát hơn.

3. Cơ sở dữ liệu phân tán

Cơ sở dữ liệu được phân tán trên nhiều máy. Kho đơn hàng của nền tảng thương mại điện tử, kho người dùng của mạng xã hội đều được lưu trữ như vậy, cần tính khả dụng cao và phản hồi nhanh.

4. Hỗn hợp

Kết hợp nhiều kiến trúc. Chẳng hạn như một số dự án Web3, sử dụng lưu trữ P2P dữ liệu, sử dụng mô hình máy khách-máy chủ để cung cấp giao diện truy vấn.

Bạn cần hiểu các đặc điểm chính

Tính đồng thời

Nhiều nhiệm vụ chạy đồng thời. Lợi ích là hiệu suất cao, nhược điểm là dễ xuất hiện điều kiện đua (race condition) và deadlock.

Khả năng mở rộng

Thêm nút có thể nâng cao hiệu suất theo tuyến tính (trường hợp lý tưởng). Trong thực tế sẽ có nút thắt mạng.

Khả năng chịu lỗi

Một số sự cố sẽ không dẫn đến việc hệ thống ngừng hoạt động hoàn toàn. Điều này được thực hiện thông qua dự phòng, sao lưu và chuyển đổi lỗi.

Tính nhất quán dữ liệu

Đây là điều khó nhất. Khi nhiều nút cùng sửa đổi dữ liệu, làm thế nào để đảm bảo tất cả các bản sao đều nhất quán? Blockchain giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng Proof of Work, trong khi cơ sở dữ liệu phân tán giải quyết bằng cách sử dụng cam kết hai giai đoạn hoặc tính nhất quán cuối cùng.

Tính minh bạch

Người dùng không cảm nhận được hệ thống là phân tán, giống như sử dụng một máy tính. Điều này cần được thiết kế cẩn thận.

Xu hướng tương lai

Tính toán cụm ngày càng rẻ, xử lý dữ liệu lớn, đào tạo AI đều đang tiến tới phân tán. Tính toán biên làm cho tính toán gần gũi hơn với người dùng, giảm độ trễ. Kiến trúc gốc đám mây giúp cho hệ thống phân tán dễ triển khai và quản lý hơn.

Đường dưới: Hệ thống phân tán không còn là tương lai nữa, mà là hiện tại. Từ việc bạn lướt điện thoại đến việc khai thác Blockchain, phân tán luôn âm thầm hỗ trợ ở phía sau. Hiểu nó là hiểu bản chất của internet.