分布式系統(tǒng)進程通信模型的選擇

分布式系統(tǒng)進程通信模型的選擇

進程通信是進程之間信息的交換。進程間通信是所有分布系統(tǒng)的核心。在進程之間存儲信息需要兩個消息通信原始語言：發(fā)送和發(fā)送。在分散的系統(tǒng)中，通信通常基于低級網(wǎng)絡(luò)提供的低息傳輸機制?，F(xiàn)代分布統(tǒng)計通常包含數(shù)千萬個進程，需要一種取代計算機網(wǎng)絡(luò)的原始通信功能。否則，很難開發(fā)大規(guī)模的分布式應(yīng)用程序。在分布式系統(tǒng)中，要解決的重要問題是，提供更高級的抽象以實現(xiàn)通信層接口提供的支持，以便更容易實現(xiàn)進程之間的通信。在本文中，我們分析了分散進程中的通信模型，并提出了在開發(fā)分割應(yīng)用程序時選擇通信模型的原則。1中間件協(xié)議協(xié)議的獨立分布式應(yīng)用程序可以直接使用網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)提供的編程接口如套接字,這種方法使得分布難以做到透明,不利于編寫大規(guī)模分布式應(yīng)用程序.現(xiàn)在常用的編程平臺是中間件,中間件系統(tǒng)提供多種通用的服務(wù),并通過提供高層通信功能以隱藏通過計算機網(wǎng)絡(luò)進行的低層消息傳遞,力圖實現(xiàn)訪問透明性.支持通信的具體方式,隨中間件系統(tǒng)向用戶和應(yīng)用程序提供的分布模型的不同而有較大差異,如RPC,RMI和消息隊列等.中間件包含了許多通用的協(xié)議,協(xié)議獨立于特定的應(yīng)用程序;同時,將中間件協(xié)議與應(yīng)用層協(xié)議區(qū)分開來,有利于應(yīng)用程序的開發(fā),例如認證(Authentication)協(xié)議的定位,建立認證機制來確認身份,由于認證協(xié)議并不僅限于一個特定的應(yīng)用,它用于分布式系統(tǒng)的許多方面,它應(yīng)被集成到中間件系統(tǒng)中作為一個特定的服務(wù).因此中間件需構(gòu)建在一個獨立的層次上.中間件通信協(xié)議應(yīng)支持高層通信服務(wù),如RPC支持一個進程以透明的方式調(diào)用另一臺機器上的一個過程;RMI支持一進程以透明方式訪問遠程機器上的一個對象.因此在網(wǎng)絡(luò)通信分層結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,分布式系統(tǒng)的通信模型可以構(gòu)成如圖1所示的六層模型,同OSI/RM相比,OSI/RM的對話層和表示層被中間件層所取代,它包含一些獨立于特定應(yīng)用程序的協(xié)議.傳輸層服務(wù)可以不加修改地作為中間層服務(wù).如圖2所示,中間件層位于應(yīng)用層和傳輸層之間.中間件層又分為兩部分:RPC,RMI等中間件服務(wù)和編碼及外部數(shù)據(jù).前者在下節(jié)將做重點說明.編碼和外部數(shù)據(jù)表示,存在兩種比較流行的風格:CORBA公共數(shù)據(jù)表示和Java對象序列化.CORBA采用的編碼數(shù)據(jù)方式要求接收者具有各個成分的類型知識,還需要編碼(如IDL)數(shù)據(jù)項類型的規(guī)范,以便生成編碼和解碼方法.相反,Java序列化數(shù)據(jù)包括了關(guān)于內(nèi)容類型的所有信息,允許接收方根據(jù)內(nèi)容重構(gòu),而且Java使用反射,進行序列化對象和解序列化串行格式的對象.2持久通信.關(guān)于用戶體驗管理在分布式系統(tǒng)中,消息的發(fā)送者和接收者有時可能都在運行中,有時可能不同時運行.根據(jù)是否要求發(fā)送者和接收者同時處于運行中,進程通信分為持久通信和暫時通信.持久通信需要傳輸?shù)南⒃谔峤恢笥赏ㄐ畔到y(tǒng)來存儲,直到將其交付給接收者為止.持久通信要求存在持久保存消息的消息服務(wù)器,消息保存在硬盤中,消息服務(wù)器給發(fā)送者和接收者起到橋梁作用,因此發(fā)送消息的應(yīng)用程序不必在提交消息后保持運行.同樣,要接收消息的應(yīng)用程序在消息提交給消息服務(wù)器時也可以不處于運行狀態(tài).暫時通信只在發(fā)送和接收消息的應(yīng)用程序運行期間存儲消息.如果路由器無法將消息遞送到下一個路由器或者接收者,消息將會被簡單地丟棄.例如傳輸層通信服務(wù)都僅僅提供暫時通信.持久通信和暫時通信各有優(yōu)缺點.暫時通信有很高的效率,實時性強,而且不需要額外的硬件支持.然而,暫時通信很難做到地域擴展,暫時通信的容錯能力也較弱,系統(tǒng)發(fā)生故障時,難于將故障屏蔽并啟動恢復(fù)過程.持久通信能克服暫時通信的缺點.分布式系統(tǒng)由局域網(wǎng)環(huán)境向互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境擴展過程中,持久通信就能發(fā)揮重大作用.在不可靠的互聯(lián)網(wǎng)中,可能由于網(wǎng)絡(luò)故障或者進程故障導(dǎo)致訪問受到限制,并且很難做到發(fā)送應(yīng)用程序和接收應(yīng)用程序同時處于工作狀態(tài),持久通信犧牲通信延時,但可以保證消息可靠接收.持久通信的另一個優(yōu)點是,系統(tǒng)存在堅固存儲器,容易屏蔽故障及從故障中恢復(fù)出來.另一種進程通信分類方法根據(jù)通信過程中是否存在阻塞及阻塞狀態(tài),通信又分為同步通信和異步通信.異步通信的特征:發(fā)送者把要傳輸?shù)南⑻峤恢罅⒓蠢^續(xù)執(zhí)行其它程序,因此該消息存儲在發(fā)送端主機的本地緩沖區(qū)中,或者存儲在送達的第一個通信服務(wù)器上緩沖區(qū)中.在異步通信中,send操作是不阻塞的,因為只要消息被復(fù)制到一個本地緩沖區(qū),發(fā)送進程就允許繼續(xù)進行其它處理,消息的傳遞與發(fā)送進程是并行工作的.receive操作可用阻塞和非阻塞兩種.阻塞型receive的顯著優(yōu)點是根據(jù)到達的消息同步接收線程在實現(xiàn)上很簡單.盡管阻塞型原語會犧牲并發(fā)性,可是在支持多線程的系統(tǒng)環(huán)境如java中,此缺點可以克服,因為receive操作可由一個線程發(fā)出,而該進程中的其它線程仍然是活動的.同步通信的發(fā)送者在提交消息之后會被阻塞,直到消息已經(jīng)到達并存儲在接收主機的本地緩沖區(qū)中以后,才會繼續(xù)執(zhí)行其它程序.在同步通信中,發(fā)送進程和接收進程在每個消息上都同步,即send和receive都是阻塞操作.每次發(fā)送一個send后,發(fā)送進程將一直阻塞,直到發(fā)送了相應(yīng)的receive.每次發(fā)送一個receive,進程將一直阻塞,直到消息到達為止.同步通信的最強形式是基于響應(yīng),即直到接收者處理完消息之后,才將發(fā)送者從阻塞中釋放.最弱形式是基于消息接收,消息送達接收主機,接收者返回一個確認消息,發(fā)送者收到確認消息后,繼續(xù)執(zhí)行其它程序.在實踐中采用這些通信類型的多種組合形式.主要通信類型有持久異步通信、持久同步通信、暫時異步通信和暫時同步通信.圖3是幾種通信形式的示意圖.3現(xiàn)代分布式系統(tǒng)的通信模式在通用的通信模型基礎(chǔ)上,隨用戶和應(yīng)用程序提供的分布模型的不同,通信的具體方式有很大的不同.現(xiàn)在廣泛使用的中間件服務(wù)有:遠程過程調(diào)用(remoteprocedurecall,RPC)、遠程方法調(diào)用(remotemethodinvocation,RMI)、消息隊列和事件.為了分析中間件通信服務(wù)的本質(zhì)和方便用戶使用這些服務(wù),把中間件分為面向?qū)ο蟮闹虚g件和面向消息的中間件.RPC和RMI的本質(zhì)相同,RMI是RPC的擴展.RPC和RMI的目的在于實現(xiàn)訪問透明性.RPC對引用傳遞的支持比較薄弱,RMI的遠程對象可以提供更好的透明性,而且將系統(tǒng)范圍的對象引用作為參數(shù)來傳遞.因此本文以RMI為代表分析面向?qū)ο蟮闹虚g件.RMI使用戶訪問在另一主機上的對象,并遠程調(diào)用其方法.程序的對象是客戶,而遠程對象是服務(wù)器.客戶機可以像調(diào)用本地對象的方法一樣用相同語法調(diào)用遠程對象.它使得分布式環(huán)境下的應(yīng)用程序之間的網(wǎng)絡(luò)通信不再涉及底層的協(xié)議和數(shù)據(jù)的編碼解碼,從而更加簡單自然.RMI體系結(jié)構(gòu)如圖4所示.RMI中間件提供了代理、骨架和調(diào)度程序等組件,這些組件為客戶和服務(wù)器的編程人員隱藏了編碼、消息傳遞和定位遠程對象的細節(jié).面向消息的中間件模型一般提供持久異步通信,它提供消息的中介存儲能力,不需要消息發(fā)送者和接收者在消息傳輸過程中都保持激活狀態(tài).應(yīng)用程序可以通過在特定隊列中插入消息來進行通信,消息由一系列通信服務(wù)器依次進行轉(zhuǎn)發(fā),最終送達目的地.消息隊列系統(tǒng)一般支持那些時間要求較為寬松的消息傳輸.如協(xié)助將高度分散的數(shù)據(jù)庫集成進大規(guī)模信息系統(tǒng)中,又如用于電子郵件和工作流.下面對廣泛使用的分布式系統(tǒng)的通信范例的各項屬性進行對比,如表1所示.在現(xiàn)代分布式系統(tǒng)中,往往使用多種類型的通信形式.例如,CORBA包含多種通信模型,除使用通用的模型外(客戶調(diào)用對象的方法并等待回答),還有以下幾種形式:單向請求,只提供盡力傳輸?shù)姆?wù),但不向調(diào)用者保證調(diào)用請求一定會傳輸?shù)綄ο蠓?wù)器;延遲同步請求,客戶向服務(wù)器發(fā)送請求后,立即繼續(xù)工作而不等待服務(wù)器的響應(yīng);事件和通知服務(wù)和消息隊列等等.因此通信方式的使用根據(jù)分布式系統(tǒng)的不同用途來加以取舍.4進程通信的仿真進程通信是分布式系統(tǒng)的核心,是開發(fā)分布式應(yīng)用程序和研究分布式系統(tǒng)的基礎(chǔ).本文在網(wǎng)絡(luò)通信模型的基礎(chǔ)上提出了通用的進程通信模型.對進程通信的持久性和同步性進行