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途達車載wifi的使用
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② 請教一個關於分布式系統的問題
分布式系統是其組件分布在聯網計算機上,組件之間通過傳遞信息進行通信和動作協調的系統。從硬體方面來看,一個分布式系統是一組有網路連接的能夠獨立工作的計算機;從軟體方面來看,分布式系統則是多個進程/線程相互協調工作,並支持特定目標完成的軟體系統。實際中存在著多種多樣的硬體組織結構,分布式系統軟體也根據不同的硬體結構和應用領域展現出多種多樣的模型和設計風格,同時,在網際網路域的應用非常廣泛。
當今世界,計算機網路已無處不在,網際網路也是其中一個,它是有許多種網路組成的。行動電話網、企業網、校園網、家庭網等等。這些網路既可以單獨使用,又可以結合使用,因為它們具有相同的本質特徵。為此,人們開始發掘其中的潛力,尋求將網路中的計算機聯合為一個整體,協同合作,以達到資源共享,從而發揮更大的計算效力。於是,分布式系統應運而生。
分布式系統發展的背景及推動因素
分時系統產生於7 0年代,不僅作為提高計算機利用率的手段,也使用戶離計算機更
近。分時是邁向分布式系統的第一步:用戶可以在不同的地點共享並訪問資源。8 0年代是個人計算的1 0年:人們有了自己個人專用的計算機PC。到了9 0年代,基於微處理器的系統所提供的出色的性能/價格比和網路技術的穩步提高,分布式系統開始走進歷史舞台。
分布式系統發展的主要推動因素有:
1、固有的分布式應用。分布式系統以一種很自然的方式開始存在,例如,在我們的社會中,人群在地理上是分布式的並且分布式地共享信息。一方面,一個分布式資料庫系統中的信息產生於不同的分支機構(子資料庫),因此本地訪問可以很快進行;另一方面,系統也提供了全局視圖來支持各種全局操作。2、性能/成本。分布式系統的並行性減少了處理瓶頸,全方位提高了性能,也就是說,分布式系統提供了更好的性能價格比。3、資源共享。分布式系統能有效地支持不同地方的用戶對信息和資源(硬體和軟體)的共享。4、靈活性和可擴展性。分布式系統可以增量擴展,並能方便地修改或擴展系統以適應變化的環境而無需中斷其運行。5、實用性和容錯性。依靠存儲單元和處理單元的多重性,分布式系統具有在系統出現故障的情況下繼續運行的潛力。6、可伸縮性。分布式系統容易擴大規模以包括更多的資源(硬體和軟體)。
分布式系統的定義
一個分布式系統是一個看似為普通系統,而又運行在一系列自治處理單元( P E)上的系統,每個P E都有各自的物理存儲器空間並且信息傳輸延遲不能忽略不計。在這些P E間有緊密的合作。系統必須支持任意數量的進程和P E的動態擴展。
分布式系統可以有不同的物理組成:一組通過通信網路互連的個人計算機,一系列不僅共享文件系統和資料庫系統而且共享C P U周期的工作站(而且在大部分情況下本地進程比遠程進程有更高的優先順序,其中一個進程就是一個運行中的程序),一個處理機池(其中終端不隸屬於任何一個處理機,而且不論本地進程還是遠程進程,所有資源得以真正的共享)。
物理的系統機構和邏輯的系統機構表示了這樣一個系統,其屬性要求為:
• 任意數目的進程。每個進程也被稱做一個邏輯資源。
• 任意數目的P E。每個P E也被稱做一個物理資源。
• 通過消息傳遞的通信。這提供了比主/從方式更合適的合作式消息傳遞方式。
• 合作式進程。進程間以一種合作的方式交互,或者說多個進程用於解決一個共同的應用而不是幾個獨立的應用。
• 通信延遲。兩個P E間的通信延遲不可忽略。
另外,一個分布式系統還應有以下屬性:
• 資源故障獨立。沒有任何單個邏輯或物理的資源故障會導致整個系統的癱瘓。
• 故障化解( graceful degradation)。系統必須提供在資源故障的情況下重新配置系統拓撲和資源分配的手段。
分布式系統的顯著特徵
分布式系統的主要目的是使用戶方便簡捷的訪問遠程資源,從而達到某種程度的資源共享。資源可以是任何東西:可以是硬體,如磁碟、列印機、處理器(CPU)、存儲器、感測器或通信線路;也可以是軟體,如進程、文件、視窗、網頁、資料庫等。基於此,分布式系統的基本特徵為:資源共享、透明性、開放性、可調節性(可拓展性)。
資源共享:資源共享可以帶來顯著的經濟效益,且便於協同工作,一般通過「資源管理器程序」模塊來實現。不同的資源可能需要不同的管理方法和訪問認證策略。資源管理器程序有兩種常用的實現模型:1、客戶\伺服器模型;2、面向對象模型。在實現資源共享是,還必須妥善考慮系統的安全性。
透明性:分布式系統的目的是資源共享,而實現資源共享的目標之一為系統的透明性。我們希望一個系統在用戶界面前呈現為一個透明的整體,而不是一組支離的構件。固然,由網路相連的一組相互分離的構件是分布式系統的基本屬性,但正是這種相互分離彼此獨立的屬性才使我們能夠進行並發計算、資源共享以及冗餘容錯。同時,這些內部屬性不希望被用戶所看見,故通過各種隱蔽技術,使得一個分布式系統像一台功能完備的計算機,而這正是透明性的真正含義所在。ISO RM-ODP所定義的8種透明性形式:訪問、位置、遷移、重定位、復制、並發、故障、持續。
開放性:其是分布式系統實現中另一個重要目標。一個系統的開發程度取決於該系統所允許的擴展能力和包容力度。一個理想的開放性系統在接納新的系統服務時,需要保證不影響不間斷用戶的使用,保證這些新增的服務於原來存在的服務之間不產生沖突和矛盾。實現開放性的關鍵在於標准化,目前,為了實現分布式系統的開放性所普遍採用的方法為:針對不同的資源提供相應的一套標准規則,用以描述各種服務的語義和語法。
可調節性:如果一個分布式系統能夠自動地適應系統的結構規模,能夠接受各種各樣靜態或動態的規模調整,則這個系統具備可調節性。對分布式系統進行系統調節就是要改善系統的性能,其性能的決定因素主要為兩個:網路傳輸能力和伺服器吞吐量。針對此,調節方法主要有3個:隱蔽通信延遲、資源分布和資源復制。
分布式系統的拓撲結構
基於網路的多機系統是分布式系統硬體結構的主流,這類系統價格低廉,組織靈活,結構多樣,易於擴充,應用廣泛。網路可以用來連接多處理器或者多計算機,而連接計算機的網路同時也呈現著多樣性,故而,利用拓撲圖可以實現描述這類系統的普遍特徵。分布式系統的拓撲結構是一種抽象的示圖方法,如下各圖中,用結點代表網路中的計算機,邊代表網路連接,在此主要給出以下5中典型的分布式系統拓撲結構,依次為:環形,星形,二叉樹形,2維圓環形(正則形),全連通形。
在分析一個互連網路的拓撲結構時,通常使用以下度量參數:
1、結點數:網路中結點的個數體現了其規模大小,記作N;
2、結點:構成網路的結點,用Vi標注任意一個結點,1≤ i ≤N;
3、結點距離:兩個結點(Vi ,Vj)之間的邊的條數,記作Dij;
4、網路直徑:網路中任意兩結點間的最長的距離,記作Dm;
Dm = MAX(Dij),任意Vi,Vj∈網路
5、結點度:通向一個結點的邊的條數,記作degree(Vi)。
根據上述參數的定義,可以得到以下期望的5個分布式系統拓撲結構的網路屬性:
1、當網路結點數任意增長時,網路直徑增長漸變緩慢,即:
LimN→∞(Dm/N)= 0 ;
2、存在一個與網路無關的常數K,使得:
K ≥ degree(Vi),任意Vi∈網路;
3、網路的路徑演算法(routing algorithm)易於實現,而且與網路規模增長無關;
4、當網路中某些結點或者某些邊出現故障時,網路連通性不受致命的損壞;
5、網路負載在所有結點和邊上均勻分布。
我們希望一個基於網路的多機系統具備上述給出的5個網路性質,但在實際中,很難找到一種滿足所有這些性質的網路拓撲結構。一般而言,不同的拓撲結構對一些性質表現得不錯,而對另一些則表現很差。在此,對上述五種典型的拓撲結構做出如下簡單性質平價:
典型的分布式系統拓撲結構及其性質評價
環形 星形 二叉樹形 正則形 全連通形
LimN→∞(Dm/N) 否(D=N-1) 是(D=2) 是(D=2logN) 是(D=√N) 是(D=1)
K≥degree(Vi) 是(K=2) 否 是(K=3) 是(K=4) 否
路徑演算法 易 易 易 易 易
連通性 差 差 較差 較好 好
負載均勻 是 否 否 是 是
當設計一個基於網路的分布式系統時,我們首先要決定選取什麼樣的網路拓撲結構,影響這個決定的主要因素有:性能、價格、可擴展性以及具體的應用。
分布式系統的設計
在設計一個分布式系統時,除了綜合考慮上述的分布式系統的顯著特徵及其拓撲結構,最重要的一點就是:在設計分布式系統之前,我們必須首先考慮用戶或潛在用戶的需求。對於一個普通的分布式系統,最基本也是相對重要的用戶需求:功能性(Functionality)和服務質量(Quality of Service)。
功能性,主要包括的方面有:用戶可以使用什麼服務或者開發什麼類型是應用,系統可以為用戶帶來多大的經濟利益,同時,系統的性能/價格比是否合理等。
服務質量,要考慮的主導性因素有:性能(performance)、可靠性(reliability)和安全性(security)。度量性能的指標主要是系統對用戶請求的反應時間(response time)。可靠性可以衡量一個系統具有的商業價值的大小。一個系統可靠並不代表其安全,當引入網路和分布式概念,安全性則變得極為重要。
分布式系統的應用
開發一個分布式系統的目的在於應用,如今,分布式系統的應用領域極為廣泛,從普通意義上的分布式計算機到電子商務(旅遊、訂票、購物、個人銀行等等),分布式系統的應用幾乎滲透到計算機應用的每一個角落。在人類探索自然的過程中,我們有太多的問題需要解決,而解決的方法往往需要巨大的計算能力。分布式系統的應用之一就是通過網路技術把被浪費的計算資源充分的利用起來。在此例舉一個典型的分布式系統應用實例——搜索外星文明(SEIT,Search for Extraterrestrial Intelligence)。
搜索外星文明是世界上一個規模巨大的分布式計算項目,是美國加州大學伯克利分校進行的搜索地球以外星上可能存在的球文明的科學實驗。實驗的目的是通過對電磁波信號的分析來尋找其他星球上可能存在的具有文明智慧的生命,從目前的技術水平來看,探索「外星人」是否存在的有效手段是對來自遙遠星球的電磁波信號進行研究。然而,即使外星人向我們發出無線信號,當這些電磁波信號經過漫長的路途達到地球時則會變得非常微弱。同時,科學家們所獲取的此類信號是一個無比龐大的數據,僅用實驗室有限的大型計算機來計算則顯得力不從心,而只能選取比較強的並且具有代表性意義的無線信號。如此一來,勢必會忽略掉某些真正具有意義的信號。為了能夠分析所有的微弱的信號以及不同的信號,SEIT號召分布於世界各地的計算機用戶參與這個偉大的實驗。參與方式很簡單,用戶們只需下載一個類似電腦屏幕保護程序那樣的特殊軟體即可。SEIT專家們還設計了一套程序,將龐大的數據分割成細小的數據段,每個數據段代表一小塊天空區域或某個波段的頻率。SEIT將這些數據發送到用戶的計算機上,而下載安裝那個的應用程序便會自動地對這些數據進行分析。這些程序不會搶占參與者的機器時間,當用戶工作時,它們停止運行,當用戶離開時,它們便出來利用這段空閑時間。
分布式系統已經演化成近代計算機系統的基本組織結構,支持非常廣泛的工業、商業應用。分布式系統自身也從學術界走進人們的日常生活,日益豐富完善,日益規范成熟。