第1章分布式系統(tǒng)概念zj

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張璟博士中國計算機(jī)學(xué)會服務(wù)計算專業(yè)委員會委員中國計算機(jī)學(xué)會電子政務(wù)與辦公自動化專業(yè)委員會委員國家重點(diǎn)新產(chǎn)品計劃咨詢專家國家自然科學(xué)基金評審專家陜西省計算機(jī)學(xué)會軟件專業(yè)委員會委員西安市信息化專家組專家西安理工大學(xué)計算機(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（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)及云計算概論，清華大學(xué)出版社，2011年5月。（36元）4.喻堅、韓燕波著，面向服務(wù)的計算—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(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

本書前版已被愛丁堡大學(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操作系統(tǒng)、計算機(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)立功能的計算機(jī)，在一套特殊軟件的管理下，整個系統(tǒng)在用戶面前呈現(xiàn)為一個透明的整體。(Tanenbaumetal.2002)一個分布式系統(tǒng)是一組位于網(wǎng)絡(luò)計算機(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)都只能通過消息傳遞進(jìn)行，其目的是實現(xiàn)資源共享。(Coulourisetal.2005)計算機(jī)計算機(jī)……….網(wǎng)絡(luò)消息傳遞計算機(jī)應(yīng)用軟件（中間件）Adistributedsystemisdefinedasoneinwhichcomponentsatnetworkedcomputers

communicateandcoordinatetheiractionsonlybypassingmessages.

單機(jī)系統(tǒng)用戶共享一臺計算機(jī)可以訪問所有資源單一時鐘單一系統(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)沒有全局時鐘沒有共享內(nèi)存（大多數(shù)情況）并發(fā)性（concurrence)多個程序（進(jìn)程，線程）并發(fā)執(zhí)行，共享資源沒有全局時鐘(globalclock)每個機(jī)器的有各自的時間，沒有辦法做到統(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)展簡史系統(tǒng)名稱組織機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)要求計算機(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算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，并在這個范圍內(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隱蔽數(shù)據(jù)表達(dá)以及資源訪問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)生的競爭故障隱蔽資源的故障與排錯恢復(fù)持續(xù)隱蔽軟件資源所處的存儲空間：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

任何一臺計算機(jī)都不可能掌握全局狀態(tài)

任何一臺計算機(jī)都根據(jù)自己的局部信息做出決定

一臺計算機(jī)的故障不會導(dǎo)致全局崩潰

不存在全局時鐘

調(diào)節(jié)對象：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)分布具有各個計算機(jī)間相互通訊,

無主從關(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)中若干個計算機(jī)可相互協(xié)作共同完成一項任務(wù)分布式系統(tǒng)舉例典型分布式系統(tǒng)因特網(wǎng)（Internet，萬維網(wǎng)）企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)（Intranet）WEB服務(wù)/網(wǎng)格系統(tǒng)移動計算無處不在的計算（普及計算、泛計算）分布式系統(tǒng)的一些實例DNS服務(wù)分布式文件系統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫全球時間定時系統(tǒng)

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

典型應(yīng)用以計算為主的問題

（分布式計算）：

數(shù)學(xué)計算，環(huán)境模擬，生物和仿生，經(jīng)濟(jì)和財政模型，氣象預(yù)報，動畫制作，

…以數(shù)據(jù)為主的問題

（分布式數(shù)據(jù)）：

數(shù)據(jù)挖掘,信息檢索，保險分析，圖像處理，

…以通信為主的問題

（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波多黎各有臺世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡，采集來自外太空的各種信號，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，是世界上任何一臺超級計算機(jī)都無法完成的。

1999年5月加州大學(xué)伯克利分校在網(wǎng)站上發(fā)布了一個軟件，邀請志愿者前去下載。當(dāng)這個軟件安裝在志愿者的計算機(jī)上后，以屏幕保護(hù)程序的方式工作，每當(dāng)計算機(jī)空閑時，它就自動開始計算，分析一小塊數(shù)據(jù)，并把計算結(jié)果自動發(fā)往“在家中搜尋外星人”項目的網(wǎng)站進(jìn)行匯總。參加者完全出于興趣，免費(fèi)貢獻(xiàn)自己計算機(jī)的處理能力。這個項目取得了巨大成功，參加的人數(shù)和所貢獻(xiàn)的計算能力是天文數(shù)字。從1999年5月到2004年6月，共有500萬人參加此項計算，貢獻(xiàn)了197萬年的計算機(jī)處理時間，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第一個通過大規(guī)模并行計算完成來自其它宇宙文明社會電波信號的靈敏搜索SETI@home主要集中在檢測窄頻段信號根據(jù)頻段對數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，這些分塊在本質(zhì)上是相互獨(dú)立的對太空一個位置的觀察得到的結(jié)果和另外一個位置得到的結(jié)果是相互獨(dú)立的把很大的數(shù)據(jù)集分成大量小塊，每一個計算機(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時間已經(jīng)有1,326,312,701

個結(jié)果26DRC5，找出密鑰獎金:$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臺計算機(jī)參與這個項目

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

網(wǎng)站的挑戰(zhàn)項目是美國RSA數(shù)據(jù)安全公司開發(fā)的RC5－56密匙，即對用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256天對3．4兆個密匙中的47％個密匙進(jìn)行試驗后，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)有計算機(jī)運(yùn)算能力限制，可能至少要花100年時間才能解開RC5－64。2002年10月7日，Distributed．net宣布，在經(jīng)過全球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)安全實驗室開發(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)家們試圖通過對粒子的研究尋找宇宙的起源。正在建造一臺大型強(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來存儲解決方法：網(wǎng)格計算，IBM分布式虛擬存儲和文件管理技術(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)舉例移動計算（mobile，nomadiccomputing）移動設(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：計算機(jī)手表,數(shù)字眼鏡家電設(shè)備移動計算的主要核心問題有以下幾方面：無線傳輸技術(shù)、無線局域網(wǎng)與802.11、無線個人網(wǎng)與藍(lán)牙、無線自組織網(wǎng)絡(luò)(adhoc)、移動網(wǎng)絡(luò)和mobileIP、傳感器網(wǎng)絡(luò)(Sensor)、無線網(wǎng)絡(luò)中的傳輸協(xié)議等。33分布式系統(tǒng)舉例移動計算在移動中執(zhí)行計算任務(wù)的能力，訪問因特網(wǎng)的資源，位置清楚的計算（location–awarecomputing)：在移動環(huán)境中，能夠發(fā)現(xiàn)并附近的資源。自組網(wǎng)絡(luò)(AdHoc)要解決的問題避免由于移動而需要重新配置的問題（DHCP）無線帶寬有限，需要考慮QoS私秘和安全問題的解決AdHoc網(wǎng)絡(luò)的路由問題34分布式系統(tǒng)舉例LaptopMobilePrinterCameraInternetHostintranetHomeintranetWAPWirelessLANphonegatewayHostsite移動計算35無處不在的計算（Ubiquitouscomputing，pervasivecomputing，普適計算、泛計算）指各種小型計算設(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“計算機(jī)無處不在”，其無處不在性達(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算機(jī)就屬于這種技術(shù)范疇。分布式系統(tǒng)舉例

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

“隨時隨地”指人們可在工作、生活的現(xiàn)場就可以獲得服務(wù),而不需離開這個現(xiàn)場而去端坐在一個專門的計算機(jī)面前，即像空氣一樣無所不在。

“透明”指獲得這種服務(wù)時不需要花費(fèi)很多注意力，即這種服務(wù)的訪問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)上來說，要求普適計算對環(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)的自動配置和自適應(yīng)能力更強(qiáng)，所以普適計算的研究涵蓋中間件、移動計算、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。普適計算要解決的問題包括：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性(Invisibility)。其中不可見性對普適計算來說是至關(guān)重要的，因為它要求系統(tǒng)無需用戶干預(yù)或只需要最少干預(yù)，也就是要求系統(tǒng)具有自動和動態(tài)的配置機(jī)制。

普適計算能力是動態(tài)變化的，它能把住宅、汽車、辦公室、商店和銀行里的計算設(shè)備以及個人計算設(shè)備連接起來，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)行計算的方式也發(fā)生了巨大變化。從集群計算到瘦客戶機(jī)，再到家庭娛樂終端的各種應(yīng)用，為消費(fèi)者和企業(yè)市場提供了一套全新方案。出現(xiàn)了：多人可以使用的計算，計算環(huán)境。如交互墻(會議室)、電子白板(教室)。普遍、到處無處不在的計算。個人所擁有的計算，日用品。如可穿戴計算設(shè)備。

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

(a)：