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1、1,第2章 系统模型,2,第一章回顾,引言 分布式系统的目标（设计、分析、实现-资源共享 等）、定义（建立在网络之上的软件系统 ）、特点 （并发性、没有全局时钟、故障独立性） 分布式系统举例 Internet / Intranet / Mobile Computing等 挑战 异构性、开放性、安全性、可扩展性、正确性、透明性，如何故障处理、并发处理、复制透明等 总结 分布式系统无处不在，分布式系统具有高度的内聚性和透明性。,第2章 系统模型,引言 物理模型 体系结构模型 基础模型 总结,4,引言,The Swedish Ship Vasa 17世纪上半叶，北欧新教势力与中欧天主教势力发生了一场
2、“三十年战争”，作为北欧新教势力的代表，瑞典的军事力量达到鼎盛时期。 1625年，号称“北方飓风”的瑞典国王古斯塔夫斯阿道弗斯（Gustavs Adolphus）决心建造一艘史无前例的巨型新战舰瓦萨（Vasa）战舰。瓦萨战舰确实是一艘令人望而生畏的战舰：舰长70米，载员300人，在三层的甲板上共装有64门重炮，火力超强。,5,瓦萨战舰的首航 1628年8月10日，这艘巨大的战舰终于完工。 在1万多名围观者的目光注视下，忽然，瓦萨号奇怪地摇晃了一下，便向左舷倾斜。海水从炮孔处涌入船舱，战舰迅速翻入水中。几分钟后，这艘雄伟战舰的处女航也是唯一的一次航行结束了。瓦萨战舰在它壮丽的起航时刻，带着全身飘
3、扬的彩旗，沉没于它诞生的港口。,引言,6,引言,瓦萨战舰为什么沉没？人们对瓦萨的沉没做出了各种各样的分析，最后的主要结论是： 该舰制造工艺精良，但“比例严重失调”。也就是说，该战舰的架构存在缺陷。,引言,物理模型：考虑组成系统的计算机和设备的类型以及它们的互连，不涉及特定的技术细节； 体系结构模型：从系统的计算元素执行的计算和通信任务方面来描述系统； 基础模型：采用抽象的观点描述大多数分布式系统面临的单个问题的方案。,8,引言,不同类型的分布式系统表现出共同的基本特性及设计问题。 模型试图对分布式系统的相关方面给出抽象、简化但一致的描述。 结构模型（Architectural Model） 基
4、础模型（Fundamental Model）,物理模型,从计算机和所用网络技术的特定细节中抽象出来的分布式系统底层硬件元素的表示。 早期的分布式系统 互联网规模的分布式系统 当代的分布式系统 移动计算-结点移动 无处不在的计算-嵌入日常物品和周围环境 云计算-一组结点提供给定服务,静态、分立和自治,物理模型,11,结构模型,结构模型 构成系统各部分（components, computers, procedures )的位置、角色和它们之间的关系，它定义了系统的各组件之间相互交互的方式以及它们映射到下面的计算机网络的方式。 客户/服务器结构 对等结构（客户/服务器模型的变种）,12,客户/服务
5、器结构,它是所有网络应用的基础。客户/服务器分别指参与一次通信的两个应用实体，客户方主动地发起通信请求，服务器方被动地等待通信的建立。 优点：可以在用户态服务器中构造各种各样的API， 为应用程序与服务间通过RPC调用进行通信提供一致的方法， 且没有限制其灵活性，为分布式计算提供了适当的基础。 客户/服务器模型扩展 在（多个）协作的服务器上划分和复制数据； 由代理服务器和客户进行数据缓存； 使用移动代码和移动代理； 以方便的方式添加和删除移动设备。,13,对等结构,该结构可由若干互联协作的计算机构成，且至 少具有如下特征之一: 系统依存于边缘化(非中央式服务器)设备的主动协作; 每个成员直接从
6、其他成员而不是从服务器的参与中受益; 系统中成员同时扮演服务器与客户端的角色; 系统应用的用户能够意识到彼此的存在，构成一个虚拟或实际的群体。,14,基础模型,基础模型:对体系结构模型中公共属性的一种更为形式化的描述 交互模型：处理消息发送的性能问题，解决在分布式系统中设置时间限制的难题。例如对于消息传递，反映了进程交互的方式。 故障模型：试图给出进程和信道（通信通道）故障的一个精确的约定。它定义了什么是可靠通信和正确的进程。 安全模型：讨论对进程的和信道的各种可能的威胁。引入了安全通道的概念，它可以保证在存在各种威胁的情况下通信的安全。,15,设计者面临的困难和挑战 使用模式的多样性 系统环
7、境的多样性 内部问题：非同步的时钟，数据修改的不一致性、系统中单个部件的软件硬件故障。 外部问题：数据在传输过程中存在着对私密性、完整性的攻击。,16,第2章 系统模型,引言 体系结构模型 基础模型 总结,17,Architectures,Architectural styles Software architectures Architectures versus middleware Self-management in distributed systems,18,体系结构模型,一个系统的体系结构是指各个独立指定组件的结构。 建筑物的结构设计有类似的方面：不仅要确定它的外观，而且要确定它
8、的总体结构和结构风格。 整体目标是确保结构能满足现在和将来可能的需求。 主要关心系统可靠性、适应性、可管理性和性价比。,19,体系结构模型,体系结构模型首先简化和抽象系统每个独立的构成模块的作用和功能； 其次在网络中如何部署各个组件，对数据分布和负载定义有用的模式； 各个模块之间的关系，组件的角色和组件之间的通讯模式； 例如：分布式存储系统的角色、数据、数据的索引。由此确定了目录服务器和数据服务器，以及它们之间的关系和通信交互模式。 例如：门户网站：client/server模型，因为门户网站和用户不可能对等（应用模式）。为了减少服务器的负载，服务器之间可以P2P连接（效率、扩展性）。,体系结
9、构元素,通信的实体是什么？ 如何通信（通信范型）？ 扮演的脚色及承担的责任是什么？ 如何映射到具体的基础设施上（放置）？,体系结构元素通信实体,面向系统的角度 线程 进程 结点 面向问题的角度 对象：给定问题领域的自然单元 组件：提供的接口+所需的接口 Web服务：经常跨越组织边界,体系结构元素通信范型,进程间通信：相对底层的支持 套接字、多播 、消息传递 远程调用：最常见的通信范型，双向交换 请求应答协议：一对消息的交换 远程过程调用（Remote Procedure Call, RPC）：远程计算机上进程中的过程能被调用 远程方法调用（Remote Method Invocation, R
10、MI）: 一个发起调用的对象能够调用一个远程对象中的方法。,体系结构元素通信范型,进程间通信及远程调用的限制： 发送者需要知道接收者（空间耦合） 发送者和接收者同时存在 （时间耦合）,体系结构元素通信范型,间接通信（空间、时间解耦合） 组通信：一对多通信范型 发布订阅系统：提供一个中间服务，有效确保由生产者生成的消息被路由到需要这个消息的 消费者 消息队列：提供点到点服务 元组空间：进程可把任意结构化数据项存放在一个持久元组空间，其他进程可读或删除 分布式共享内存：用于支持在不共享物理内存的进程间共享数据,实体及通信范型小结,26,体系结构模型,软件体系结构是指计算机里软件的分层或模块结构，近
11、来多指进程之间请求和提供的服务。,27,体系结构模型,平台（Platform） 最底层的软硬件，为上层提供服务。如： Intel x86（ X86是处理器中一种很“本质”的“大架构” ）/Windows Intel x86/Linux Intel x86/Solaris SPARC（“可扩充处理器架构”（Scalable Processor ARChitecture）/SunOS PowerPC（一种RISC架构）/MacOS,28,体系结构模型,中间件层 中间件是一种软件，它提供基本的通信模块和其他一些基础服务模块，为应用程序开发提供平台。主要解决异构网络环境下分布式应用软件的互连与互操作问
12、题，它可屏蔽实现细节，提高应用系统的易移植性。,29,体系结构模型,中间件要解决的问题。 硬件： 数据类型在不同的硬件平台上有不同的表示：big-endian，little-endian。 PowerPC 系列采用big-endian方式存储数据，而 X86 系列则采用 little-endian方式存储数据。 通信协议： 独立于网络底层的传输协议。 操作系统： 在操作系统层上提供更高级的抽象API，屏蔽操作系统的异构。 编程语言： CORBA通过IDL，可以使得不同的语言写的代码互相调用。 CORBA-公共对象请求代理结构(Common Object Request Broker Archi
13、tecture)，由对象管理组织 (Object Management Group，缩写为 OMG)标准化。它的组成是接口定义语言(IDL), 语言绑定(binding，联编)和允许应用程序间互操作的协议。 中间件提供了一个编程的抽象，来屏蔽上述的异构问题。,30,体系结构模型,中间件的特性 满足大量应用的需要 运行于多种硬件和OS平台 提供跨网络、硬件和OS平台的透明性的应用或服务的交互 支持标准的协议 支持标准的接口,由于标准接口对于可移植性和标准协议对于互操作性的重要性，中间件已成为许多标准化工作的主要部分。 对于应用软件开发，中间件提供的程序接口定义了一个相对稳定的高层应用环境。 不管
14、底层的计算机硬件和系统软件怎样更新换代，只要将中间件升级更新，并保持中间件对外的接口定义不变，应用软件几乎不需任何修改。,31,软件体系结构,分布式系统设计主要考虑： 系统组件之间的责任划分； 组件在网络上的放置。 以上两个因素对系统性能、可靠性和安全性有较大影响。,32,体系结构模型-分布式体系结构的设计需求,资源共享是分布式系统的基本目标，但是在大规模的系统中仍能保证有效的共享是一个严重的挑战。 性能 服务质量 缓存和复制的使用 可靠性问题,33,体系结构模型-分布式结构设计的需求,性能问题 响应能力 服务器和网络的负载 操作系统、中间件和代码执行引起的延迟 吞吐量 单位时间内能完成的任务
15、量 它由处理速度和传输速度决定 负载平衡 多个机器同时提供服务 用applets在本地和客户端交互,34,体系结构模型-分布式结构设计的需求,QoS-服务质量 非功能性的特征：可靠性、安全性 （基础模型中的两个问题）、性能。 适应性（adaptability）：满足变化的系统配置和资源可用性的要求，也将被看作是服务质量的重要指标。 性能一般来说体现在响应时间和吞吐量上，但是一些新的解释是能否满足时间性的要求。（用基础模型中的交互模型来刻画）。 有些应用处理强时间性数据（time-critical data），例如：流媒体，要求按一定的速率处理。 QoS可以在操作系统层、网络层以及各个层面上都可
16、以实现。,35,体系结构模型-分布式结构设计的需求,缓存和复制的使用 使用数据复制和缓存解决性能问题 Web缓存协议：客户请求的响应可能来自浏览器缓存，也可能来自客户和服务器之间的代理服务器缓存。,36,体系结构模型-分布式结构设计的需求,可靠性问题 正确性 没有成熟的技术 容错性 冗余是关键，例如：消息保存以便重传，使用副本技术进行容错。 安全性 保证数据不受攻击 通过网络访问数据的权限,37,客户服务器模型,历史上最重要的结构之一，是Internet应用最常见的结构。,38,Centralized Architectures,Basic ClientServer Model-Characteristics: There are processes offering services (servers) There are processes that use services (clients) Clients and servers can be on different machines C
