分散式系統(tǒng)簡介

1、分散式系統(tǒng)分散式系統(tǒng)簡介1集中式系統(tǒng)最早期的電腦是由電腦主體及簡單的輸出輸入裝置所構(gòu)成集中式系統(tǒng)多臺終端機(jī)共用一部主電腦分時(shí)系統(tǒng)可執(zhí)行批次作業(yè)2分散式系統(tǒng)分散式系統(tǒng)的概念與電腦網(wǎng)路的發(fā)展有密切的關(guān)係電腦網(wǎng)路利用通訊線路，將兩地的電腦連接在一起，讓終端機(jī)可以存取許多部電腦，也可在不同的電腦間處理應(yīng)用程式3建構(gòu)電腦網(wǎng)路的原因提供各種資源的遠(yuǎn)程存取與資料庫存取功能資源共享提供資源受損時(shí)的備份功能提供高可靠度的通信方法，來進(jìn)行資源的遠(yuǎn)程存取和分散式處理4電腦網(wǎng)路發(fā)展1979年，美國國防部正式成立ARPANET(阿帕網(wǎng)路)網(wǎng)路，將遠(yuǎn)端的電腦連接在一起。1983年，ARPANET分割為ARPANET（民間

2、研究機(jī)構(gòu)使用）與MILNET（軍事網(wǎng)路）（軍事、國防單位所使用）?，F(xiàn)在，連結(jié)的電腦讓我們能將資料或是軟體送到任何角落。5電腦網(wǎng)路電腦網(wǎng)路實(shí)質(zhì)上就是一種對等的分散式系統(tǒng)，但在當(dāng)初並沒有特別稱為分散式系統(tǒng)電腦網(wǎng)路的重點(diǎn)在將不同的電腦或作業(yè)系統(tǒng)連接在一起，因此需要制定通訊協(xié)定6分散式系統(tǒng)類型區(qū)域分散式系統(tǒng)LAN分散式系統(tǒng)7區(qū)域分散式系統(tǒng)數(shù)個(gè)機(jī)體可以構(gòu)成一個(gè)區(qū)域分散式系統(tǒng)，一個(gè)機(jī)體可以內(nèi)藏?cái)?shù)個(gè)CPU系統(tǒng)的各項(xiàng)功能沒有集中在同一電腦中，而是分散在各個(gè)獨(dú)立的電腦電腦與電腦之間的溝通透過匯流排8LAN分散式系統(tǒng)使用Ethernet將電腦相互連接不同功能的電腦透過區(qū)域網(wǎng)路或廣域網(wǎng)路連接現(xiàn)今稱為Client-S

3、erver架構(gòu)9早期分散式系統(tǒng)的定義分散式系統(tǒng)式透過通信線路來連接處理器，而處理器之間可以共用所擁有的資源此處理器可以是一部電腦，或是作業(yè)系統(tǒng)上運(yùn)作的程序10早期分散式系統(tǒng)的定義虛擬分散式系統(tǒng)主從架構(gòu)11虛擬分散式系統(tǒng)以邏輯概念來掌握分散式系統(tǒng)構(gòu)成分散式系統(tǒng)的元件（裝置）不一定要分散透過多重程式設(shè)計(jì)的方式來進(jìn)行分散處理12虛擬分散式系統(tǒng)程式並行處理的種類完全從屬型部份從屬型對等型程序之間的同步必須利用雙方都可以存取的共同變數(shù)13主從架構(gòu)透過網(wǎng)路來委託處理並接收處理結(jié)果處理內(nèi)容依靠主從模式(client/server model)來解決早期概念以LAN或RPC（Remote Procedure

4、Call，遠(yuǎn)程程序呼叫）應(yīng)用在工作站方面近期則是客戶端的個(gè)人電腦能夠利用伺服器端的主電腦或?qū)Ｓ盟欧?4系統(tǒng)通訊在分散式系統(tǒng)中，不同電腦行程間也必須有相互溝通的機(jī)制主從架構(gòu)模式是最常見的溝通方式分散式系統(tǒng)上實(shí)作系統(tǒng)通訊，有以下問題必須注意定址阻隔緩衝可靠性 15主從架構(gòu)示意圖網(wǎng)路要求回應(yīng)客戶端伺服端16定址基本上有三種方法可以達(dá)成定址的目的第一種是利用電腦編號，行程編號，也就是電腦編號加行程編號的機(jī)制來達(dá)到定址的功能第二種是讓行程從一個(gè)很大的範(fàn)圍中挑選一個(gè)號碼，然後廣播通知彼此的位址 第三種是利用一部名稱伺服器記錄各個(gè)行程在系統(tǒng)中的位址，當(dāng)需要溝通時(shí)，再向名稱伺服器詢問對方的位址 17三種定址

5、的做法34伺服端客戶端(b)1.廣播找尋伺服端位址2.廣播自己的位址123.送要求訊息給伺服端4.回應(yīng)給客戶端12伺服端客戶端(a)1.送要求訊息到電腦編號，行程編號 2.回應(yīng)給電腦編號，行程編號18三種定址的做法(續(xù))43客戶端伺服端(c)1.向名稱伺服器詢問伺服端位址2.名稱伺服器回應(yīng)3.送要求訊息給伺服端4.回應(yīng)給客戶端名稱伺服器1219阻隔 所謂阻隔就是在送訊息時(shí)，行程會被暫停，等到訊息被核心送出去後，行程才會繼續(xù)執(zhí)行非阻隔則是行程在送訊息時(shí)，只要在訊息被拷貝到核心的緩衝區(qū)後，送訊息的行程就可以繼續(xù)執(zhí)行非阻隔的做法有一個(gè)缺點(diǎn)，就是可能會有緩衝區(qū)中的訊息還沒傳送出去就被覆蓋掉了 20阻隔

6、與非阻隔的示意圖2.將行程暫停並將控制權(quán)交給核心3452161.行程執(zhí)行(a)2.將行程暫停並將控制權(quán)交給核心3.訊息複製到核心4.核心將訊息傳送出去5.喚醒行程6.行程繼續(xù)執(zhí)行342151.行程執(zhí)行(b)3.訊息複製到核心4.喚醒行程5.行程繼續(xù)執(zhí)行時(shí)間21緩衝 緩衝是行程間傳送訊息的重要機(jī)制，設(shè)置緩衝區(qū)可大幅減少訊息傳送的複雜度與出錯(cuò)機(jī)率擁有緩衝區(qū)的系統(tǒng)，系統(tǒng)核心會有一個(gè)緩衝區(qū)儲存?zhèn)魉偷降挠嵪?。?dāng)接收者要接收訊息時(shí)，再呼叫接收訊息函式從緩衝區(qū)拿出所需要的訊息對於一個(gè)沒有緩衝區(qū)的系統(tǒng)，接收者會被阻隔，當(dāng)傳送者的訊息到達(dá)後，核心馬上將訊息複製給接收者，並解除接收者的阻隔狀態(tài)22 緩衝區(qū)與非緩衝

7、區(qū)機(jī)制示意圖傳送者核心接收者核心網(wǎng)路客戶端伺服端傳送者核心接收者網(wǎng)路客戶端伺服端緩衝區(qū)訊息訊息23可靠性 主從架構(gòu)的另一個(gè)問題是訊息可能在傳送的過程中遺失，基本上有三種解決的方式第一種方式是假設(shè)訊息一定會傳送到，而且就算訊息遺失也沒關(guān)係第二種方式是加入確認(rèn)機(jī)制，確認(rèn)機(jī)制是指伺服端收到客戶端訊息後會回送一個(gè)確認(rèn)訊息，表示伺服端確定收到訊息第三種方法則是阻隔傳送訊息的行程，直到伺服端收到訊息並做完處理再回應(yīng)給客戶端，被阻隔的行程於收到訊息後才能繼續(xù)執(zhí)行24較具可靠性的兩種機(jī)制示意圖1.客戶端送要求訊息到伺服端4.客戶端送 ACK 給伺服端1234客戶端伺服端(a)1.客戶端送要求訊息到伺服端2.伺

8、服端送 ACK 給客戶端3.伺服端回應(yīng)給客戶端123客戶端伺服端(b)2.伺服端回應(yīng)給客戶端3.客戶端送 ACK 給伺服端25封包傳送客戶端與伺服端相互傳遞的訊息長度大小不一，為了簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通常是設(shè)計(jì)為傳送固定大小的訊息，這個(gè)固定大小的訊息就稱為封包封包的傳送可能發(fā)生封包碰撞的問題發(fā)，所以電腦間必須要有機(jī)制來解決封包碰撞的問題CSMA/CD令牌傳遞(token passing)訊息槽位(message slots)26封包傳送(續(xù))封包傳送路徑也是一個(gè)重要問題，路由表的建立與維護(hù)有以下三種常用的方法固定路由(fit routing)虛擬路由(virtual routing)動(dòng)態(tài)路由(dyn

9、amic routing)兩個(gè)行程經(jīng)網(wǎng)路建立起連線後，兩個(gè)行程間持續(xù)相互傳送訊息的這段期間內(nèi)，一般會有以下三種訊息交換模式線路交換(circuit switching)訊息交換(message switching)封包交換(package switching)27遠(yuǎn)端服務(wù)遠(yuǎn)端服務(wù)的模式是本地端的行程呼叫使用遠(yuǎn)端電腦所提供的服務(wù)，遠(yuǎn)端電腦收到這些訊息後，就開始執(zhí)行所提供的服務(wù)，並將結(jié)果回傳執(zhí)行遠(yuǎn)端服務(wù)也可以像呼叫函式一樣，也就是有一套機(jī)制幫忙處理底層的訊息傳遞，就可以簡化遠(yuǎn)端服務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)，這樣的機(jī)制稱為遠(yuǎn)端程序呼叫28遠(yuǎn)端程序呼叫模型RPC 的設(shè)計(jì)理念基本上是想要讓執(zhí)行遠(yuǎn)端服務(wù)也像呼叫內(nèi)部函式

10、一樣簡單stub分成客戶端 stub 與伺服端 stub，是用來處理 RPC 模式中參數(shù)傳遞、訊息交換、與錯(cuò)誤處理等工作的函式stub 將參數(shù)包裝成適合傳送的封包型態(tài)，稱為整碼 (marshal)stub 從接收的封包中將回傳值解開，稱為反整碼 (unmarshal)Skeleton 負(fù)責(zé)將訊息解開，還負(fù)責(zé)將回傳的資料也包裝成封包並傳回客戶端29RPC機(jī)制示意圖核心核心呼叫函式函式回傳整碼整碼反整碼反整碼遠(yuǎn)端服務(wù)客戶端stub (stub)伺服端stub (skeleton)客戶端電腦伺服端電腦30動(dòng)態(tài)連結(jié) 當(dāng)客戶端要使用某個(gè)伺服端中的服務(wù)時(shí)，必須要先知道伺服端的位址才能與伺服端溝通，這個(gè)過程

11、稱為連結(jié)動(dòng)態(tài)連結(jié)讓客戶端不必事先知道伺服端的位置，在要使用 RPC 前，再詢問伺服端目前的位址優(yōu)點(diǎn)客戶端不用事先知道伺服端的位址缺點(diǎn)客戶端向連結(jié)器詢問與向連結(jié)器註冊的額外負(fù)擔(dān) 31分散處理的概念在資料產(chǎn)生的地方進(jìn)行處理冗餘性專用系統(tǒng)的架構(gòu)32在資料產(chǎn)生的地方進(jìn)行處理系統(tǒng)內(nèi)的資料分散在各地，所以資料的處理式個(gè)別處理處理完後再進(jìn)行通信，可減少通訊量範(fàn)例分散式資料庫，系統(tǒng)先搜尋分散在各地的資料，然後在資料產(chǎn)生的地方進(jìn)行處理，因?yàn)樘幚磲岬馁Y料量縮減，因此可以減少通訊量33冗餘性資料處理並部侷限在一個(gè)地方處理電腦之間具有互相調(diào)換的特性一臺裝置故障時(shí)並不會使整個(gè)系統(tǒng)都故障系統(tǒng)具有彈性34專用系統(tǒng)的架構(gòu)分散

12、式系統(tǒng)為了執(zhí)行各種工作，必須由組成系統(tǒng)的裝置群分擔(dān)每一像工作，而不是通用系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)越簡單越好，可以降低維護(hù)與出錯(cuò)的機(jī)會功能單一35分散式系統(tǒng)的通透性通透性最主要的議題是在如何讓分散式系統(tǒng)的使用者感覺像是在使用單處理器系統(tǒng)通透性可以分成八大類36分散式系統(tǒng)的通透性位址通透性 不標(biāo)示網(wǎng)路上的任何一個(gè)資源位置不知道物件存放的位置，但仍然可以存取物件存取通透性可以用同一種方法存取以相同的操作可以存取本地和遠(yuǎn)端的檔案，以及其他物件37分散式系統(tǒng)的通透性規(guī)模透通性與系統(tǒng)規(guī)模無關(guān)不變更系統(tǒng)架構(gòu)或應(yīng)用程式的演算法，可以制定系統(tǒng)或應(yīng)用程式的規(guī)模並行透通性可以同時(shí)處理許多程序使用者或應(yīng)用程式?jīng)]有互相干擾，但仍

13、然可以同時(shí)操作共有資料38分散式系統(tǒng)的通透性備份透通性具有備份，可以提高可靠度和性能使用者或應(yīng)用程式不知道複製，但為了提高可靠度和性能，可以使用檔案或其他資料的備份故障透通性可以承受故障將故障隱藏起來，不管硬體和軟體的故障，使用者或應(yīng)用程式都可以完成工作39分散式系統(tǒng)的通透性搬移透通性可視需要搬移位置不會對使用者會應(yīng)用程式產(chǎn)生影響，仍然可以在系統(tǒng)內(nèi)搬移物件性能透通性可重新架構(gòu)，以提升性能隨著負(fù)荷的變化，重新架構(gòu)系統(tǒng)，以提升性能40分散系統(tǒng)的組合程度組合程度分散式系統(tǒng)的種類通信線路種類超粗組合電腦網(wǎng)路Internet粗組合LAN區(qū)域網(wǎng)路密組合區(qū)域分散式系統(tǒng)匯流排超密組合多重處理器匯流排41分散式系統(tǒng)的技術(shù)系統(tǒng)管理、安全保護(hù)應(yīng)用軟體應(yīng)用服務(wù)通信服務(wù)作業(yè)系統(tǒng)硬體開發(fā)支援工具42硬體硬體是實(shí)際構(gòu)成分散式系統(tǒng)的裝置包含電腦本身需要的裝置外，也含括電腦之間互相連接的通信設(shè)備43作業(yè)系統(tǒng)作業(yè)系統(tǒng)是分散式系統(tǒng)運(yùn)作的基本軟體目前常見的有WindowsUNIX專用作業(yè)系統(tǒng)44通信服務(wù)分時(shí)管理目錄/名稱服務(wù)物件管理遠(yuǎn)程程序呼叫(RP