Grundsatz bei verteilten IT-Systemen Was ist das CAP-Theorem?

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Das CAP-Theorem ist ein Grundsatz, der bei verteilten IT-Systemen Anwendung findet. Die Aussage des Theorems ist, dass ein verteiltes System niemals gleichzeitig die drei Eigenschaften Konsistenz, Verfügbarkeit und Ausfalltoleranz garantieren kann. Maximal hält es zwei der drei Eigenschaften gleichzeitig ein. Das Theorem ist beim Aufbau verteilter Systeme zu berücksichtigen. Hinsichtlich Konsistenz, Verfügbarkeit und Ausfalltoleranz sind entsprechende Kompromisse zu schließen.

Die drei Buchstaben C, A und P im Begriff CAP-Theorem stehen für die drei englischen Begriffe Consistency, Availability und Partition Tolerance. Im Deutschen bedeuten sie „Konsistenz“, „Verfügbarkeit“ und „Partitionstoleranz“ beziehungsweise „Ausfalltoleranz“.

Das Theorem ist ein Grundsatz, der bei verteilten IT-Systemen Anwendung findet. Verteilte Systeme speichern und verarbeiten Daten auf mehreren über Netzwerke miteinander verbundenen Knoten. Beispiele für verteilte Systeme sind verteilte Datenbanken, Cloud-Computing-Services, Microservices, das Domain Name System (DNS) oder Anwendungen wie verteilte Finanz- und Banking-Anwendungen.

Das Theorem besagt, dass ein verteiltes System niemals gleichzeitig die drei Eigenschaften Konsistenz, Verfügbarkeit und Ausfalltoleranz garantieren kann. Es können maximal zwei der drei Eigenschaften gleichzeitig eingehalten werden. Daraus leitet sich ab, dass bei der Konzeption und beim Aufbau verteilter Systeme zwischen der Einhaltung von Konsistenz, Verfügbarkeit und Ausfalltoleranz abzuwägen ist und entsprechende Kompromisse geschlossen werden müssen. Die Systeme lassen sich in die drei Kategorien CP-Systeme (Konsistenz und Ausfalltoleranz), AP-Systeme (Verfügbarkeit und Ausfalltoleranz) und CA-Systeme (Konsistenz und Verfügbarkeit) einteilen.

Nicht verwechselt werden darf das CAP-Theorem mit den ACID-Eigenschaften (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability), die beispielsweise relationale Datenbanken zu erfüllen haben. Die Einhaltung des ACID-Prinzips bei Transaktionen stellt sicher, dass die Informationen eines Datenbanksystems verlässlich und konsistent sind. Der Begriff Konsistenz ist bei ACID allerdings anders definiert als beim CAP-Theorem. Die Konsistenz betrifft bei ACID nur die innere Konsistenz eines Datenbestands.

Entstanden ist das CAP-Theorem im Jahr 2000. Es war zunächst eine Vermutung des Informatikers Eric Brewer, weshalb es auch als Brewer-Theorem bezeichnet wird. 2002 wurde ein axiomatischer Beweis der Vermutung veröffentlicht.

Die drei Eigenschaften Konsistenz, Verfügbarkeit und Ausfalltoleranz im Detail

Das CAP-Theorem definiert die drei Eigenschaften Konsistenz, Verfügbarkeit und Ausfalltoleranz folgendermaßen:

Konsistenz: Sind die gespeicherten Daten konsistent, sehen alle Clients zum selben Zeitpunkt auf allen Knoten die gleichen Daten. Die verteilten Systeme müssen sicherstellen, dass bei einer Transaktion auch alle Replikate der veränderten Daten aktualisiert werden.

Verfügbarkeit: Ein verfügbares System beantwortet jederzeit alle von den Clients an das System gestellte Anfragen.

Ausfalltoleranz: Das System arbeitet weiter und bleibt funktionstüchtig, selbst wenn es partitioniert ist und einzelne Knoten ausgefallen sind, untereinander nicht mehr kommunizieren können oder Nachrichten zwischen den Knoten verloren gehen.

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