CAP-Theorem

Das CAP-Theorem oder Brewer's Theorem besagt, dass es für ein System zum verteilten Rechnen unmöglich ist, gleichzeitig die drei Eigenschaften Konsistenz, Verfügbarkeit und Partitionstoleranz zu garantieren.^[1][2]

Eigenschaften

Laut dem CAP-Theorem kann ein verteiltes System zwei der folgenden Eigenschaften gleichzeitig erfüllen, jedoch nicht alle drei^[3].

• Konsistenz (C): Alle Knoten sehen zur selben Zeit die selben Daten.
• Verfügbarkeit (A): Alle Anfragen an das System werden stets beantwortet.
• Partitionstoleranz (P): Das System arbeitet trotz willkürlicher Verluste von Nachrichten weiter.

Das CAP-Theorem läßt sich anschaulich mit der folgenden Abbildung darstellen^[4]:

Veranschaulichung des CAP-Theorems

Die System-Eigenschaften C, A und P sind dabei als graduelle Größen zu sehen, d.h. die Verfügbarkeit ist hoch, wenn das System schnell antwortet, und gering, wenn das System langsam antwortet. In Hinblick auf die Konsistenz bedeutet das, dass diese entweder sofort sichergestellt ist (etwa ACID-Prinzip relationaler Datenbanksysteme) oder erst nach einem gewissen Zeitfenster der Inkonsistenz (BASE-Prinzip vieler NoSQL-Datenbanken).

Ein konkretes verteiltes System liegt immer auf einem der Schenkel (CA), (CP) oder (AP) dieses Dreiecks. Da man eigentlich immer an hoher Verfügbarkeit interessiert ist, kann man diskutieren, ob ein CP-System wirklich Sinn macht und man im realen Leben nur die Wahl zwischen (CA) und (AP) hat. Weiterhin steht man bei verteilten Systemen bei der Eigenschaft der Partitionstoleranz nicht wirklich vor einer Wahl – will man ein ausfallsicheres verteiltes System haben, ist P stets Voraussetzung.

Geschichte

Das Theorem entstand im Jahr 2000 als eine Vermutung des Informatikers Eric Brewer an der University of California, Berkeley beim "Symposium on Principles of Distributed Computing" (PODC).^[5] Im Jahr 2002 veröffentlichten Seth Gilbert und Nancy Lynch vom MIT einen axiomatischen Beweis von Brewer's Vermutung, und etablierten diese somit als Theorem.^[1]

Beispiele^[4]

DNS – Domain Name System

Das DNS ist der Dienst, mit dem symbolische Hostnamen wie de.wikipedia.org zu numerischen IP-Adressen zur TCP/IP-Kommunikation aufgelöst werden.

Das DNS fällt in die Kategorie (AP). Die Verfügbarkeit ist extrem hoch, ebenso Toleranz gegenüber dem Ausfall einzelner DNS-Server. Allerdings ist die Konsistenz nicht immer sofort gegeben: es kann mitunter Tage dauern, bis ein geänderter DNS-Eintrag an die gesamte DNS-Hierarchie propagiert ist und damit von allen Clients gesehen wird.

RDBMS – Relationales Datenbank Management System

Die klassischen RDBMSe wie DB2 oder Oracle garantieren vor allem eins: Konsistenz. Grundlagen dieser System ist das ACID-Prinzip: Zugriffe sind stets atomar, konsistent, isoliert und dauerhaft.

Ein RDBMS fällt in die Kategorie (CA). Verfügbarkeit und Konsistenz sind bei einem Einzelsystem in der Regel sehr hoch. Setzt man ein Datenbank-Cluster mit Replikation zwischen mehreren Knoten ein, sinkt die Verfügbarkeit, da eine konsistente Transaktion nun länger dauert. Mit steigender der Anzahl der Knoten verlängert sich die Dauer einer Transaktion.

Cloud Computing

Cloud-Plattformen setzen auf eine horizontale Skalierung, das heißt die Last wird auf viele Knoten verteilt, die aus billiger, nicht unbedingt ausfallsicherer Hardware bestehen (können). Daher muss eine Cloud-Anwendung zwingend Toleranz gegenüber dem Ausfall einzelner Knoten zeigen können. Eine hohe Verfügbarkeit wird auch gefordert. Daraus folgt, dass eine Cloud-Anwendung (zumindest in großen Teilen) in die Kategorie (AP) fällt.

Da eine Konsistenz im Sinne des ACID-Prinzips wegen des CAP-Theorems nun nicht mehr gewährleistet werden kann, eine völlig inkonsiste Datenhaltung aber auch nicht gewünscht ist, muss man sich mit schwächeren Konsistenzbedingungen abfinden. Als Gegenstück zum ACID-Prinzip der relationalen Datenbanken setzen viele NoSQL-Datenbanken auf das BASE-Prinzip. BASE steht für: Basically Available, Soft State, Eventual consistency. Eventual consistency lässt sich sinngemäß gut mit „schlussendlicher Konsistenz“ übersetzen, das heißt: das System ist nach Ablauf einer gewissen (möglichst kurzen) Zeitspanne der Inkonsistenz wieder in einem konsistenten Zustand.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Lynch, Nancy, and Seth Gilbert. “Brewer's conjecture and the feasibility of consistent, available, partition-tolerant web services.” ACM SIGACT News, v. 33 issue 2, 2002, p. 51-59.
2. ↑ julianbrowne.com: Brewer's CAP Theorem. Retrieved 02-Mar-2010.
3. ↑ royans.net: Brewers CAP theorem on distributed systems
4. ↑ ^{a b} Grundlagen Cloud Computing: CAP-Theorem
5. ↑ Brewer, Eric. Towards Robust Distributed Systems