第1章分布式系統(tǒng)概念zj

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張璟博士中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)服務(wù)計(jì)算專業(yè)委員會(huì)委員中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)電子政務(wù)與辦公自動(dòng)化專業(yè)委員會(huì)委員國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品計(jì)劃咨詢專家國(guó)家自然科學(xué)基金評(píng)審專家陜西省計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)軟件專業(yè)委員會(huì)委員西安市信息化專家組專家西安理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授博士生導(dǎo)師第1章分布式系統(tǒng)概念教材：1.李西寧，分布式系統(tǒng),科學(xué)出版社,2006年12月。32元參考書：1.【英】GeorgeCoulourisatall.,分布式系統(tǒng)概念與設(shè)計(jì)（第4版）,金蓓弘譯，機(jī)械工業(yè)出版社，2008年1月。（69元）2.【美】黃鎧(kaiHwang)等著，武永衛(wèi)等譯，云計(jì)算與分布式系統(tǒng):從并行處理到物聯(lián)網(wǎng)(中文版)，機(jī)械工業(yè)出版社，2013年1月。（85元）3.陸嘉恒，分布式系統(tǒng)及云計(jì)算概論，清華大學(xué)出版社，2011年5月。（36元）4.喻堅(jiān)、韓燕波著，面向服務(wù)的計(jì)算—原理和應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，2006年12月。（30元）5.劉鵬主編，云計(jì)算(第二版)，電子工業(yè)出版社,2011年5月。（48元）

分布式系統(tǒng):概念與設(shè)計(jì)(原書第4版)

本書是衡量所有其他分布式系統(tǒng)教材的標(biāo)準(zhǔn)。－－Amazon.co.uk評(píng)

本書前版已被愛(ài)丁堡大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)、卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)、南加州大學(xué)、得克薩斯A&M大學(xué)、多倫多大學(xué)、羅切斯特理工學(xué)院、北京大學(xué)等世界眾多名校采納為高級(jí)操作系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、分布式系統(tǒng)課程的教材。DistributedSystems:ConceptsandDesign(4thEdition)(InternationalComputerScienceSeries)(Hardcover)，byJeanDollimore(Author),TimKindberg(Author),GeorgeCoulouris(Author)

§1分布式系統(tǒng)概念

一個(gè)分布式系統(tǒng)是一組由網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接的具有獨(dú)立功能的計(jì)算機(jī)，在一套特殊軟件的管理下，整個(gè)系統(tǒng)在用戶面前呈現(xiàn)為一個(gè)透明的整體。(Tanenbaumetal.2002)一個(gè)分布式系統(tǒng)是一組位于網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)上的并發(fā)構(gòu)件，這些構(gòu)件之間的通信以及任務(wù)協(xié)調(diào)都只能通過(guò)消息傳遞進(jìn)行，其目的是實(shí)現(xiàn)資源共享。(Coulourisetal.2005)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)……….網(wǎng)絡(luò)消息傳遞計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件（中間件）Adistributedsystemisdefinedasoneinwhichcomponentsatnetworkedcomputers

communicateandcoordinatetheiractionsonlybypassingmessages.

單機(jī)系統(tǒng)用戶共享一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以訪問(wèn)所有資源單一時(shí)鐘單一系統(tǒng)控制單一地理位置單一故障點(diǎn)分布式系統(tǒng)一組由網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的、自治的計(jì)算機(jī)和資源資源為用戶所共享可以集中控制，也可以分布控制計(jì)算機(jī)可以同構(gòu)，也可以異構(gòu)分散的地理位置分布式故障點(diǎn)沒(méi)有全局時(shí)鐘沒(méi)有共享內(nèi)存（大多數(shù)情況）并發(fā)性（concurrence)多個(gè)程序（進(jìn)程，線程）并發(fā)執(zhí)行，共享資源沒(méi)有全局時(shí)鐘(globalclock)每個(gè)機(jī)器的有各自的時(shí)間，沒(méi)有辦法做到統(tǒng)一，程序間的協(xié)調(diào)靠交換消息故障獨(dú)立性(independentfailure)一些進(jìn)程出現(xiàn)故障，并不能保證其它進(jìn)程都能知道分布式系統(tǒng)的發(fā)展簡(jiǎn)史系統(tǒng)名稱組織機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)要求計(jì)算機(jī)研制日期CM*卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)層次總線PDP1975CambridgeDCS劍橋大學(xué)劍橋環(huán)LSI-41979Locus加州大學(xué)洛杉磯分校以太網(wǎng)PC1980VSystem斯坦佛大學(xué)以太網(wǎng)Sun1982Mach卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)以太網(wǎng)Sun,PC1985CORBAOMG互聯(lián)網(wǎng)任何機(jī)器1990DistributedCOM微軟公司互聯(lián)網(wǎng)PC1996JINISun

Microsystems互聯(lián)網(wǎng)任何機(jī)器2000

分布式系統(tǒng)的目標(biāo)

資源共享透明性開(kāi)放性可調(diào)節(jié)性特殊系統(tǒng)：安全性可靠性數(shù)據(jù)一致性資源共享一些計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，并在這個(gè)范圍內(nèi)有效地共享資源。共享內(nèi)容：硬件資源：CPU、Mem、Printer、Disk等。

軟件資源：各種系統(tǒng)或者應(yīng)用程序數(shù)據(jù)資源服務(wù)媒體流（動(dòng)態(tài)的資源形式）分布式系統(tǒng)的八種透明性形式透明性描述訪問(wèn)隱蔽數(shù)據(jù)表達(dá)以及資源訪問(wèn)方法的不同之處位置隱蔽資源所處的物理位置遷移隱蔽資源的物理移動(dòng)重定位隱蔽正在使用的資源遷移復(fù)制隱蔽資源的復(fù)制并發(fā)隱蔽若干用戶共享同一資源所產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)故障隱蔽資源的故障與排錯(cuò)恢復(fù)持續(xù)隱蔽軟件資源所處的存儲(chǔ)空間：內(nèi)存或磁盤

可調(diào)節(jié)性：中央控制機(jī)制

概念例子中央式服務(wù)

所有客戶共享一臺(tái)服務(wù)器中央式數(shù)據(jù)

一本聯(lián)機(jī)的電話目錄中央式算法

集中式資源管理程序

可調(diào)節(jié)性：分布式控制機(jī)制

任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)都不可能掌握全局狀態(tài)

任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)都根據(jù)自己的局部信息做出決定

一臺(tái)計(jì)算機(jī)的故障不會(huì)導(dǎo)致全局崩潰

不存在全局時(shí)鐘

調(diào)節(jié)對(duì)象：系統(tǒng)規(guī)模，系統(tǒng)功能，管理結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)方法：隱蔽通信延遲，資源分布，資源復(fù)制等網(wǎng)絡(luò)和分布式的區(qū)別(1)分布具有各個(gè)計(jì)算機(jī)間相互通訊,

無(wú)主從關(guān)系；網(wǎng)絡(luò)有主從關(guān)系(2)分布式系統(tǒng)資源為所有用戶共享；而網(wǎng)絡(luò)有限制地共享

(3)分布式系統(tǒng)中若干個(gè)計(jì)算機(jī)可相互協(xié)作共同完成一項(xiàng)任務(wù)分布式系統(tǒng)舉例典型分布式系統(tǒng)因特網(wǎng)（Internet，萬(wàn)維網(wǎng)）企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）WEB服務(wù)/網(wǎng)格系統(tǒng)移動(dòng)計(jì)算無(wú)處不在的計(jì)算（普及計(jì)算、泛計(jì)算）分布式系統(tǒng)的一些實(shí)例DNS服務(wù)分布式文件系統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)全球時(shí)間定時(shí)系統(tǒng)

ATM（銀行自動(dòng)取款機(jī)）全球定位系統(tǒng)自動(dòng)售貨終端機(jī)航空管制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拍賣系統(tǒng)

典型應(yīng)用以計(jì)算為主的問(wèn)題

（分布式計(jì)算）：

數(shù)學(xué)計(jì)算，環(huán)境模擬，生物和仿生，經(jīng)濟(jì)和財(cái)政模型，氣象預(yù)報(bào)，動(dòng)畫制作，

…以數(shù)據(jù)為主的問(wèn)題

（分布式數(shù)據(jù)）：

數(shù)據(jù)挖掘,信息檢索，保險(xiǎn)分析，圖像處理，

…以通信為主的問(wèn)題

（網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用）：

事務(wù)處理，電子商務(wù)，遠(yuǎn)程文件交換，電子信件，…

SETI@home:搜索外星人

探索外星文明射電天文望遠(yuǎn)鏡:Arecibo(305m)地理位置:PuertoRico（波多黎各）接收4,000,000無(wú)線電波段下載屏保程序作數(shù)據(jù)分析中央控制系統(tǒng)分布數(shù)據(jù)UCBerkeley波多黎各有臺(tái)世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡，采集來(lái)自外太空的各種信號(hào)，希望找到外星人試圖與人類溝通的證據(jù)。它每天采集50G字節(jié)的數(shù)據(jù)，分析50G數(shù)據(jù)的工作量，是世界上任何一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)都無(wú)法完成的。

1999年5月加州大學(xué)伯克利分校在網(wǎng)站上發(fā)布了一個(gè)軟件，邀請(qǐng)志愿者前去下載。當(dāng)這個(gè)軟件安裝在志愿者的計(jì)算機(jī)上后，以屏幕保護(hù)程序的方式工作，每當(dāng)計(jì)算機(jī)空閑時(shí)，它就自動(dòng)開(kāi)始計(jì)算，分析一小塊數(shù)據(jù)，并把計(jì)算結(jié)果自動(dòng)發(fā)往“在家中搜尋外星人”項(xiàng)目的網(wǎng)站進(jìn)行匯總。參加者完全出于興趣，免費(fèi)貢獻(xiàn)自己計(jì)算機(jī)的處理能力。這個(gè)項(xiàng)目取得了巨大成功，參加的人數(shù)和所貢獻(xiàn)的計(jì)算能力是天文數(shù)字。從1999年5月到2004年6月，共有500萬(wàn)人參加此項(xiàng)計(jì)算，貢獻(xiàn)了197萬(wàn)年的計(jì)算機(jī)處理時(shí)間，完成了5.2×1021次運(yùn)算。當(dāng)然，至今尚未找到外星人存在的有力證據(jù)。SETI@home第一個(gè)通過(guò)大規(guī)模并行計(jì)算完成來(lái)自其它宇宙文明社會(huì)電波信號(hào)的靈敏搜索SETI@home主要集中在檢測(cè)窄頻段信號(hào)根據(jù)頻段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，這些分塊在本質(zhì)上是相互獨(dú)立的對(duì)太空一個(gè)位置的觀察得到的結(jié)果和另外一個(gè)位置得到的結(jié)果是相互獨(dú)立的把很大的數(shù)據(jù)集分成大量小塊，每一個(gè)計(jì)算機(jī)能夠比較快的分析出其中的一塊把工作分配到自愿貢獻(xiàn)空閑cpu周期的機(jī)器處理4,951,150用戶參加已投入1,879,970年CPU時(shí)間已經(jīng)有1,326,312,701

個(gè)結(jié)果26DRC5，找出密鑰獎(jiǎng)金:$10,000美元RC_56:250天破譯(1997)RC_64:1,757天破譯(2002)RC_72:?例如:RC_64采用64位密鑰，一共有18,446,744,073,709,551,616 可能的密鑰組合有上百萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)參與這個(gè)項(xiàng)目

Distributed．net是個(gè)非贏利性質(zhì)的組織，總部設(shè)在美國(guó)德州的奧斯汀，網(wǎng)站使用的服務(wù)器和寬帶都是志愿者捐贈(zèng)的，她以破解加密術(shù)而著稱。

網(wǎng)站的挑戰(zhàn)項(xiàng)目是美國(guó)RSA數(shù)據(jù)安全公司開(kāi)發(fā)的RC5－56密匙，即對(duì)用RC5方式加密具有56位密鎖的密碼文件進(jìn)行解密。1999年，在經(jīng)過(guò)256天對(duì)3．4兆個(gè)密匙中的47％個(gè)密匙進(jìn)行試驗(yàn)后，破譯RC5－56的工作大功告成。

接著Distributed．net又轉(zhuǎn)到RSA更先進(jìn)的RC5－64密匙。網(wǎng)站創(chuàng)建者們最初認(rèn)為，考慮到現(xiàn)有計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力限制，可能至少要花100年時(shí)間才能解開(kāi)RC5－64。2002年10月7日，Distributed．net宣布，在經(jīng)過(guò)全球331000名電腦高手共同參與，苦心研究了4年之后，他們已破解了RSA數(shù)據(jù)安全實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的64位密匙（RC5－64密匙。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，這一成果在計(jì)算機(jī)發(fā)展史上具有里程碑般的意義。

28CERN:歐洲核研究組織CERN是世界上最大的核物理研究中心，科學(xué)家們?cè)噲D通過(guò)對(duì)粒子的研究尋找宇宙的起源。正在建造一臺(tái)大型強(qiáng)子碰撞機(jī):LargeHadronCollider(2007)可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù):10,000,000GB需要20,000,000張CD來(lái)存儲(chǔ)解決方法：網(wǎng)格計(jì)算，IBM分布式虛擬存儲(chǔ)和文件管理技術(shù)EuropeanOrganization

forNuclearResearch

CERN30分布式系統(tǒng)舉例intranetISPdesktopcomputer:backbonesatellitelinkserver:%networklink:%%%31分布式系統(tǒng)舉例32分布式系統(tǒng)舉例移動(dòng)計(jì)算（mobile，nomadiccomputing）移動(dòng)設(shè)備：筆記本電腦，手持設(shè)備，PDA,手機(jī),攝像機(jī),數(shù)碼照相機(jī)可穿戴設(shè)備：計(jì)算機(jī)手表,數(shù)字眼鏡家電設(shè)備移動(dòng)計(jì)算的主要核心問(wèn)題有以下幾方面：無(wú)線傳輸技術(shù)、無(wú)線局域網(wǎng)與802.11、無(wú)線個(gè)人網(wǎng)與藍(lán)牙、無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)(adhoc)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和mobileIP、傳感器網(wǎng)絡(luò)(Sensor)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸協(xié)議等。33分布式系統(tǒng)舉例移動(dòng)計(jì)算在移動(dòng)中執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的能力，訪問(wèn)因特網(wǎng)的資源，位置清楚的計(jì)算（location–awarecomputing)：在移動(dòng)環(huán)境中，能夠發(fā)現(xiàn)并附近的資源。自組網(wǎng)絡(luò)(AdHoc)要解決的問(wèn)題避免由于移動(dòng)而需要重新配置的問(wèn)題（DHCP）無(wú)線帶寬有限，需要考慮QoS私秘和安全問(wèn)題的解決AdHoc網(wǎng)絡(luò)的路由問(wèn)題34分布式系統(tǒng)舉例LaptopMobilePrinterCameraInternetHostintranetHomeintranetWAPWirelessLANphonegatewayHostsite移動(dòng)計(jì)算35無(wú)處不在的計(jì)算（Ubiquitouscomputing，pervasivecomputing，普適計(jì)算、泛計(jì)算）指各種小型計(jì)算設(shè)備更加強(qiáng)大、便宜、小巧，人人都買得起，普及到到現(xiàn)在的日常物品中，成為我們生活中的一部分，而且不被人們注意。它追求的目的是讓“計(jì)算機(jī)無(wú)處不在”，其無(wú)處不在性達(dá)到這樣一種程度，以至于我們留意不到它的存在。例如，目前研究的可穿戴的計(jì)算機(jī)就屬于這種技術(shù)范疇。分布式系統(tǒng)舉例

普適計(jì)算是指無(wú)處不在的計(jì)算能力。它要建立一個(gè)充滿計(jì)算和通信能力的環(huán)境，同時(shí)使這個(gè)環(huán)境與人們逐漸地融合在一起。普適計(jì)算是信息空間與物理空間的融合，在這個(gè)融合的空間中人們可以隨時(shí)隨地、透明地獲得數(shù)字化的服務(wù)。

“隨時(shí)隨地”指人們可在工作、生活的現(xiàn)場(chǎng)就可以獲得服務(wù),而不需離開(kāi)這個(gè)現(xiàn)場(chǎng)而去端坐在一個(gè)專門的計(jì)算機(jī)面前，即像空氣一樣無(wú)所不在。

“透明”指獲得這種服務(wù)時(shí)不需要花費(fèi)很多注意力，即這種服務(wù)的訪問(wèn)方式是十分自然的甚至是用戶本身注意不到的，即所謂蘊(yùn)涵式的交互。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，要求普適計(jì)算對(duì)環(huán)境信息具有高度的可感知性，人機(jī)交互更自然化，設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)配置和自適應(yīng)能力更強(qiáng)，所以普適計(jì)算的研究涵蓋中間件、移動(dòng)計(jì)算、人機(jī)交互、嵌入式技術(shù)、傳感器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域。普適計(jì)算要解決的問(wèn)題包括：擴(kuò)展性、異構(gòu)性、不同構(gòu)件的集成、上下文感知和不可見(jiàn)性(Invisibility)。其中不可見(jiàn)性對(duì)普適計(jì)算來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，因?yàn)樗笙到y(tǒng)無(wú)需用戶干預(yù)或只需要最少干預(yù)，也就是要求系統(tǒng)具有自動(dòng)和動(dòng)態(tài)的配置機(jī)制。

普適計(jì)算能力是動(dòng)態(tài)變化的，它能把住宅、汽車、辦公室、商店和銀行里的計(jì)算設(shè)備以及個(gè)人計(jì)算設(shè)備連接起來(lái)，為信息、服務(wù)和應(yīng)用提供接入點(diǎn)。為了提供各種服務(wù)，執(zhí)行計(jì)算的方式也發(fā)生了巨大變化。從集群計(jì)算到瘦客戶機(jī)，再到家庭娛樂(lè)終端的各種應(yīng)用，為消費(fèi)者和企業(yè)市場(chǎng)提供了一套全新方案。出現(xiàn)了：多人可以使用的計(jì)算，計(jì)算環(huán)境。如交互墻(會(huì)議室)、電子白板(教室)。普遍、到處無(wú)處不在的計(jì)算。個(gè)人所擁有的計(jì)算，日用品。如可穿戴計(jì)算設(shè)備。

（a）交互墻DynaWall（b）交互椅CommChair（c）交互桌InteracTable

(a)：