分布式系统与WEB服务3

第七章

容错与实时系统属性：

可用性

可靠性

保险性

可信任性

完整性

可维护性后果：

失灵

错误

故障策略：

防止故障

故障容错

故障恢复

故障预报什么是“可依赖的系统”？如何区分各种故障？如何处理故障？

容错与实时系统是分布式系统的两大领域.

一般而言，容错服务是允许系统出错的，但它可以在故障后恢复,而不丢失数据。大多数容错应用有两种形式，一种叫做基于事务的容错;二种叫做进程控制的容错，二者的主要区别在于恢复时间。容错具有两个方面，一是故障特征的描述,二是故障屏蔽,故障屏蔽的方法有层次式屏蔽和成组屏蔽两种．本章中将讨论相关设计中的主要问题包括协议、调度策略和设计依据等。7．1事务的故障模型利用事务处理服务的概念起源于数据库管理，最初的目的是提供原子性协议，用于处理消息的丢失。原子提交协议接受这样一个模型：机器在故障时，将不能做任何事情；而在故障前均能正确地做任何事。对于事务的处理，要考虑磁盘出错,服务器故障及通信不畅等出错问题，这样便需要一个故障模型，在该模型中，事务处理算法可以在可预测的故障下正常工作(含利用恢复技术)，但不保证在出现不可预测的灾难性故障下也能恢复正常工作。

故障模型描述如下:1.写永久存储器时可能出错,可能未写人，也可能写错

例如在出现灾难性故障.2.服务器随时可能出现故障。

3.消息传递延迟可能是无限制的。消息可能丢失、重复或受损。接收消息的服务器应该能够检测消息损坏情况。所有出错或未检测出的受损消息都会引起严重故障。

以上故障模型的特点有：

(1)原子提交协议不能保证在有限的时间内完成，因为通信消息的延迟可能无限大；

(2)分布式事务的恢复时间可能要比预料的时间长；

(3)原子提交协议认为，服务器总能正确执行并能检测故障；

(4)原子提交协议认为，永久性存储器上的受损消息和出错数据是可检测的。

以上故障模型是设计稳定存储器的基础，稳定存储器要在写操作出现故障时、或在进程故障时提供原子写操作。通信故障可以通过可靠的RPC协议缓解。下面先讨论稳定存储器，尔后更详尽地讨论容错概念与技术。7．2稳定存储

服务器(特别是文件服务器)的重要特性就在于其可恢复性,特别是文件映射表和文件索引的恢复。文件访问一般有这样几种出错情况：读块时出错、写块时出错、数据传输时出错及存储介质本身出错。

因此，需要一种检测错误的方法，一般采用计算并记录校验和的方法来解决，这一方法步骤如下：(1)写块时，计算数据的校验和并记录下来；写块后，一般要读出一次，进行校验和比较，若不同则再写；同样，经过一定次数的重写后，若读出的校验和仍与写入的校验和不同，则记下“坏块”，并向客户机报错，从而保证写时的正确性。

(2)读块时，计算读出数据的校验和并与原记录的校验和比较，若不同，则重新读块。经过一定次数的重读后，若校验和仍然不同，则向客户机报错。这样，保证避免产生读块时的错误。

上述方法叫做精心块传输(CBT，CarefulBlockTransfer)方法，但是这种方法并不保证其可恢复性，因为若在写索引时出现错误，则所有文件块均将访问不到，如果在写文件映射表时出错，则无法再访问文件。针对这两种情况，文件映射表和文件索引一般要备份存储，当系统出现故障后，读操作发现校验和不一致时，则服务器可利用备份进行恢复。这种备份一般采用两种存储结构，以减少两备份同时出现错误的可能性，一种常用的结构就是文件映射表和文件索引。另一种结结构用一一个柱面面映射表表完成文文件页到到物理块块的映射射，柱面面映射表表的每一一行由<分配状态态，UFID，索引中中的位置置，块指指针>组成。显显然，柱柱面映射射表的大大小决定定于磁盘盘的柱面面数。以上措施施都假设设在存储储器可能能出错的的情况下下，存储储故障对对于程序序是不透透明的，，至少程程序员认认为存储储器不是是十分可可靠的。。下面讨论论的稳定定存储(StableStorage)则是通过过一定的的手段使使程序员员感到所所使用的的存储器器是非常常可靠的的，从而而增加存存储系统统的故障障透明性性。稳定存储储其实是一种在不不可靠介介质上建建立可靠靠信息存存储系统统的方法法，它可以保保证服务务器系统统可以从从硬件或或软件故故障中得得到恢复复。稳定存储储一般采采用冗余余备份的的方法。。由于稳定定存储的的空间冗冗余太大大，故一般仅用用于文件件的关键键信息，，如前述的的文件映映射表和和文件索索引等。。当然，，它也用用于对数数据安全全性要求求甚高的的应用中中，如银银行业务务等。实现稳定定存储的的主要原原则有以以下三个个：1)一般用两两个相距距较远的的磁盘块块形成一一个稳定定存储块块，尽可能减减少发生生两块同同时出错错的可能能性；2)要同时保保持以下下不变性性：①至少有有一个块块是好块块；②若两块块都是好好块，则则内容应应当一致致，若在在操作过过程中，可以以有暂时时的不同同。3)稳定块指指针由两两个正常常的块指指针提供供．7．3容错基本概念念一、部件件故障故障通常常可分为为暂时性性、间歇歇性和永永久性故故障．暂时性故故障只发发生一次次，如果果重复操操作，故故障可能能不会再再现。一只鸟在在穿过微微波波束束时会引引起无线线网络上上的信息息丢失，，这就是是暂时性性故障，，如果下下一步重重传，它它可能正正常工作作。间歇性故故障发生生后消失失，过一一段时间间后又出出现。一个连接接器中若若结合不不紧(如插座未未插牢或或虚焊等等)，会引起起间歇性性故障。。这种错误误很难诊诊断，但但一旦被被找到故故障点，，系统很很容易恢恢复。永久性故故障在故故障修复复之前一一直存在在。如烧坏的的芯片、、软件中中的错误误、磁头头故障都都会引起起这种故故障。并不是所所有的部部件故障障都会引引起系统统失败，，但计算算机系统统的确会会因某些些部件故故障而工工作失败败。设计计和构造造容错系系统的目目标是保保证系统统能够在在部件故故障出现现时继续续正常工工作。这这个目标标与要求求单个部部件的高高度可靠靠性是不不同的。。二.系统故障障在分布式式系统中中，我们们最感兴兴趣的是是系统在在部件出出错时能能否继续续工作。。由于分分布式系系统中有有大量部部件，出出错概率率高，因因此对系系统的可可靠性要要求很高高。下面我们们来看处处理机故故障．处处理机故故障分为为两类：：(1)悄然停(Fail-silent，或fai1-stop)故障；(2)拜占庭(Byzantine)故障。在悄然停故故障中，出错的处处理机停停止运行行，除了了声明它它停止运运行外，，不对后后续输入入产生反反应也不不产生输输出.而拜占庭故障则则是，虽出故障，，但仍继续运运行，对于后后续输入继续续处理给出错错误结果，给给人一种仍在在正常工作的的假象。没有有检测出的软软件错误常常常属于拜占庭庭故障。通常处理拜占占庭故障比处处理悄然停故故障更困难。。三、同步／异异步系统如果一个系统统总能在有限限时间内对消消息做出反应应，那么就称称它为同步系系统；反之，，就称为异步步系统。异步系统比同同步系统更复复杂。如果一一个处理机发发出一条消息息，并且知道道在T秒内没有回答答就意味着接接收失败，它它就可采取相相应的正确行行动；如果没没有反应时间间的限制，就就很难判断是是否发生故障障。四、冗余配置置常用的容错方方法是冗余配配置。它有信息冗余、时时回冗余、物物理冗余三种形式。信息冗余就是是，增加额外外的信息位使使错误信息可可以得到纠正正。例如海明码码是存储器设设计中的重要要冗余配置技技术，它可以以用于检测和和恢复传输错错误。时间冗余就是是，执行一个个操作，如果果需要就再次次执行。前面讲到的原原子事务，就就属于这种冗冗余．如果事事务取消，它它对系统无影影响，可以再再做。时间冗余对于于解决暂时性性故障和间歇歇性故障非常常有效。物理冗余就是是增加额外的的设备使系统统可以承受某某个部件的故故障。例如给系统增增加额外处理理机，如果某某台处理机出出错，系统可可以马上切换换到正常的处处理机上继续续执行。组织额外处理理机有两种方方法，一种是活动备备份(ActiveReplicate)法，一种是主主副(PrimaryandBackup)结构法，比如对一个服服务器，如果果使用活动备备份法，则所所有的处理机都象服服务器那样同同时并行工作，来达到屏蔽故故障。主副结构法法则是使用一台处理机做做工作，当它出现故故障时，再用用备份机来替替代它．采用哪种办法法，主要取决决于应用对于于以下几点的的基本需求：：(1)所需的备份(冗余)程度；(2)有故障时的平平均和最坏性性能；(3)无故障时的平平均和最坏性性能。活动备份技术术活动备份是一一种典型的技技术，它的特特点就是使用用物理冗余．．人类生活和工工程中许多都都用到了这种种技术，如哺哺乳动物有两两只眼、两个个耳朵、两个个肺等；飞机机一般要用多多个发动机(波音747则有4台发动机)；体育比赛中中要有多个裁裁判等等。在电子线路中中也经常采用用活动备份技技术。典型设计称TMR(三模件冗余)技术。冗余能够屏蔽蔽故障．但需需要多少个副副本才合适呢呢?这主要依赖于于应用要求的的容错能力。。如果一个系统被称称为K级容错，那就就意味着它可可以容忍K个同样部件的的错误。如果K个处理机出现现的是悄然停故障。。那么用K+1个处理机就可可以实现K级容错。这样，在K个处理机停止止工作后，还还有一个处理理机在运行。。原始电路模三冗余电路路：三是实施施“少数服从多数数”原则的最少选选举人数。模三冗余TMR如果处理机出出现拜占庭故障，，那么就必须须使用至少2K+1个相同的处理理机来处理。。这样，在最坏坏情况下，即即K个处理机给出出了错误结果果，但还有K+1个处理机会给给出正确答案案，仍可屏蔽蔽错误。在实际应用中中，由于环境境的复杂性，，很难保证只只有K个处理机出问问题，另外K+1个不出问题。。因此，在容错系统的的设计中，还还需要依据统统计分析结果果来设置冗余余备份的数量量。总之，活动备备份方法并不不是非常困难难的问题。主副容错技术术这个方法的基基本思想就是是，在任一时刻，，有一台机器器是主服务器器，完成所有有的工作。一旦这个主服服务器出现故故障，那么副副服务器就接接替工作。理想情况下，，切换应当干干脆利落，并且只能被客客户机操作系系统感知，对对应用程序是是透明的。这个方法同活活动备份一样样，也是源自自日常工作和和生活中的常常用方法。如如国家设副主主席、政府设设副总理、一一般单位都设设副职，在汽汽车上也都配配有备用轮胎胎等。主副容错方法法比活动备份份有两大优点点。首先是简单，，因为在正常操操作中，消息息仅仅送到主主服务器而不不是整个服务务器组；第二，实际用用的机器也较较少，任意时时刻只需一台台副服务器备备份即可。当一个副服务务器成为主服服务器时，马马上要加入一一台新的副服服务器。它的缺点是一一般很难处理理拜占庭故障障，另外在主主服务器故障障后需要很复复杂并且时间间较长的恢复复过程，同时时如何选择切切换时间也是是需解决的问问题容错系统的协协调在许多分布式式系统中，经经常需要让进进程就某事件件达成一致的的协议。前面讨论的分分布事务就涉涉及到许多这种协调活动动，例如选举举管理员，决决定是否提交交一个事务等等等。当通信系统统和处理机郡郡正常时；达达成一致协议议是很简单的的。但若认为为处理机和通通信设施都可可能出故障，，要达成一致致协议就麻烦烦多了。分布式协调算算法的总目标标是让所有无无错处理机在在有限时间和和操作步内，，就某个问题题达成一致协协议。根据不同的系系统情况会要要求不同的处处理办法。(1)消息是否可靠靠传输?(2)进程是否会发发生故障?如果出现故障障，是悄然停停故障?还是拜占庭故故障?(3)系统是同步的的还是异步的的?算法证明：在一个有M个故障处理机机的系统中，，仅能在还有有2M+1个正常工作的的处理机时，，才能达成一一致协议。而在一个异步步的无传输延延迟限制的分分布式系统，，即使只有一一个处理出现现故障也不能能达成协议7.4实时分布式系系统什么是实时系系统?实时系统根据据时限要求的的严格程度及及漏掉一次处处理所带来的的后果分成软软实时系统和和硬实时系统统。所谓软实时系统就就是指漏掉一一个偶发事件件处理不会影影响系统正常常工作。例如：电话交交换机允许在在超载情况下下，丢失或接接错一个电话话。相反，硬实时系统不不允许漏掉任任何一个事件件．在实际当中，，还有些系统统处于两者之之间，即如果果有一事件没没有在最后期期限内得到处处理，那就必必须关闭当前前活动，但却却不产生致命命的结果。另另外，在某些些实时系统中中，有的子系系统是硬实时时的．有些子子系统是软实实时的．设计问题实时系统有许许多特有的问问题，下面来来讲一些重要要的。一、时钟同步步(参见第三章)二、事件触发发和时间触发发系统事件触发是:如外界发生某某事件,被传感器检测测到,就发一个中断信号,事件触发触发发系统在系统统负裁很重的情况下，效效果不好。在时间触发系系统中就不存存在上述问题题，在时间触发的的实时系统中中，每隔△T发生一次时钟钟中断。在时时间触发实时时系统中，间间隔时间△T的选择很重要要。三.可预见性行为预见性：：即系统设计时时应清楚所要要满足的所有有时间限制因而实时系统统是一个确定定的系统，而而不是随机系统。四.容错，可采用前面介介绍的两种方方法五.语言支持：通用的语言，，也可用专用用的语言实时通信实时系统中的的通信与其它它分布式系统统的通信不同同。由于对性能的要求求很高，因此可预测性和确确定性是其关关键问题．在分布式系统统中实现可预预测性就意味味着处理机间间的通信是可可预测的。与以太网相反反，令牌环网网比较适合于于实时系统。。另一个是TDMA(分时多路复用用)。通过时间槽槽的方法。实时分布式系系统的通信协协议常是专用用的.如TTP协议（时间触发协协议）它的特别之处处：接收者能够发发现信包的丢丢失、自动的的成员关系协协议、信包和和全局状态的的CRC效验码、及时时钟同步的方方法。7.4.4实时调度实时调度算法法需刻画的参参数：1）硬实时或软软实时，硬实实时要满足时时间限制，软软实时较松。。2）抢占式或非非抢占式，如如何让出CPU，3）动态或静态态，动态为执执行中做出调调度决策，静静态事先计划划。典型动态算法法有速度单调调算法，即任务的优先先级与它的执执行频率有关。。还有抢占式动动态调度（最早期限优优先算法）及最小松弛度算算法静态调度适合合时间触发系系统；动态调调度适合事件件触发系统4）集中式或分分散式，集中中式一台决定定，分散式处处理机自己做出决定定实时系统的设设计依据和主主要措施按照实时系统统的要求，时限是基本的的设计依据。我们必须从从应用要求来来分析和选择择系统的硬件件平台和软件件平台，特别别是前面已经经说明，由于于系统的日趋趋复杂化，再再利用汇编语语言来编写实实时系统已经经是不可能的的。假设已经经选择了一个个硬件平台，，我们要从以下几个方面面分析系统对对于实时性的的支持。一、实时响应应实时应用需要要对外部事件件有可预测的的响应时间，，如设备中断断等。典型的实时时应用包括三三部分：中断断产生设备、、从设备上采采集数据的中中断服务程序序和处理数据据的用户级代代码。实时响应其实实是反映应用用系统与操作作系统如何高速地共共同工作来快速处理外部部事件的一个个指标。在系统中一般般有两类延迟：(1)中断服务程序序(lSR)延迟该延迟是指从从中断产生到到中断服务程程序第一条指指令执行所经经过的时间。。(2)进程调用延迟迟(PDL,即ProcessDispatchLatency)进程调用延时时是指从中断断产生到等待待进程开始执执行的时间。。包括以下几个个时间段：①中断服务程序序延迟；②中断服务程序序执行时间；；③从中断服务程程序返回的时时间；④等待中断进程程的语景切换换(ContextSwitch)时间二、主要措施施(1)多级流水(信息缓冲)为了满足系统统强实时要求求，单靠串行行程序的一次次处理是很难难完成任务的的，可以采用多进进程调度，进进程之间采用用信息缓冲的的技术，使一次服务在在总时间较长长的情况下，，能够满足及及时处理高速速实时输人信信息的处理。。(2)内存锁定，提提供高速的数数据访问为了满足实时时性要求，实实时处理所需需的数据一般般不能访问磁磁盘，因此，，可将常用数据据全部锁定在在内存中，这这样保证所需需要的数据访访问均能在确确定的时间(内存访问时间间)内完成，进而而保证系统的的实时性。(3)优先级动态可可调、抢占式式调度策略在实时系统的的设计中，应应当将系统中中的进程根据据实时性要求求，确定其静静态优先级，，保证具有高优优先级的进程程具有可抢占占特性。同时，为保保证优先级较较低的进程能能够运行，当当其请求达到到一定时限时时，可以动态提提高其优先级级，以便及时完完成这类服务务。(4)CPU的特定调度为了保证实时时性要求，特特别是强实时的请求求，可以在分分布式系统中中利用操作系系统提供的支支持，将某个个确定进程分分配在特定处处理机上运行行，从而保证证在时限内完完成相应服务务。7.5分布式多媒体体系统简介现代计算机可可以处理像数数字音频和数数字视频数据据这样连续的的、基于时间间的数据流。。其处理能力导导致了分布式式多媒体应用用程序的发展展，如网络视频库库、因特网电电话和视频会会议；这些应应用程序能在在当前网络和和系统上运行行，但它们的的音频和视频频质量常难以以令人满足。。许多像大范围的视频频会议、数字字电视产品、、交耳式的电电视以及视频频监视系统，这样对实时时数据要求很很高的应用程程序需要分布布式系统技术术所实现。多媒体应用程程序需要在有有限时间内将将多媒体数据据流传输到客客户端。音频频和视频数据据流被实时地地生成和消耗耗，同时应用用程序完整性性的实质是实实时地传输数数据元素(音频采样，视视频帧)，简单说，多媒体系统是是实时系统分布式多媒体体系统它必须按照外外部决定的调调度方案执行行任务和传输输结果。底层层系统达到这这些要求的程程度便是应用用程序拥有的的服务质量(QoS)。实时系统所执执行任务的特特征和多媒体体应用程序的的特征不同。。前者通常处处理相对小的的数据量相对对少的硬时间间限制，但是是如果超过了了时间限制，，就会导致严严重的甚至是是灾难性的结结果。这种种情况下，解解决办法是充充分估计所需需要的资源并并为其指定固固定的调度计计划，这样可可以保证在最最坏的情况下下满足其要。。为了满足多媒媒体和其他应应用程序的需需要而进行的的有计划的资资源分配和资资源调度，这这被称为服务质量管理理。大多数当前的的操作系统和和网络并没有有包含支持多多媒体应用程程序所需要的的QoS管理设施。。服务质量管管理当多媒体应应用程序运运行在个人人计算机网网络上时，，它与运行行着应用程程序的工作作站(处理器周期期、主线周周期、缓冲冲区容量)和网络(物理传输连连接、开关关、网关)竞争资源。。工作站和网网络可能必必须同时支支持多个多多媒体程序序和传统应应用程序。在多媒体和和传统应用用程序间就就有竞争，，在不同的的多媒体应应用程序之之间甚至在在单个应用用程序的数数据流之间间都可能有有竞争。在多任务操操作系统和和共享网络络中，物理理资源都是是可以被并并发使用的的。在多任任务的操作作系统中，，中央处理理器在每一一时刻只处处理一个任任务(或进程)，一个轮转或或其他调度度方法的调调度程序负负责在当前前竞争处理理器资源的的任务中选选出一个，，并调度它它到处理器器上运行。。网络是被设设计用来使使不同来源源的信息进进行交流的的，它允许许多个虚拟拟通道存在在于同一个个物理通道道上。以太网这一一主要的局局域网技术术以最优的的方式来管管理共享的的传输介质质。当通道道上是平静静时，任何何结点都可可以使用这这一通道。。但是这样样可能会发发生信息包包冲突，当当发生冲突突时，结点点会等待随随机的一段段时间，然然而重发包包，这样可可以防止冲冲突。当网网络负载很很重时，很很容易发生生包冲突，，但是这一一发送方案案在这种情情况发生时时，不能提提供关于带带宽和延迟迟的任何保保证。其资源分配配方案特点点：当对资源的的需求增加加时，它们们将资源更更稀疏地分分配给每个个竞争资源源的任务。共享处理理器周期和和网络带宽宽的轮转和和其他方法法都不能满满足多媒体体应用程序序的需要。。显而易见，，它们不能能实时地处处理和传输输多媒体数数据流。迟迟到的传输输数据是没没有价值的的。为了实实现实时传传输，应用程序需需要保证在在需要的时时候能得到到必要的资资源，为了提供这这一保障而而进行的资资源管理和和分配被称为服务务质量管理理。1）服务质量量协商为了在应用用程序和它它底层的系系统之间进进行QoS协商，应用用程序必须须向QoS管理指定自自己的QoS需求，它是是通过传递递一个参数数集实现的的。当处理理和传输多多媒体数据据时，有3个参数非常常重要，它它们是：带宽、延迟迟和丢失率率为数据流设设定QoS：如摄像输出出流需要带带宽50Mbps,延时150ms,丢失率在帧帧10中少于1帧流量调整:流量调整是是用来描述述使用输出出缓冲来使使数据元素素流平滑这这一方法的的术语。多媒体数据据流的带宽宽参数通常常给出发生生在数据流流传输时对对实际传输输模式的理理想化近似似。实际的的传输模式式越接近这这一描述，，系统就能能越好地处处理传输流流量，特别别是在系统统使用为周周期性请求求设计的调调度方法时时，这一特特点就会越越显著.协商过程:对分布式多多媒体应用用程序，一一个数据流流的组件可可能位于多多个结点上上。在每个个结点上有有一个QoS管理器。直直接的QoS协商办法是是从源端到到目的端一一直跟随着着数据流。。源端组件件通过向本本地QoS管理器发送送一个流规范来启启动协议过过程。这个QoS管理器可以以检查数据据库中记录录的可用资资源并决定定所请求的的QoS是否能满足足。如果应应用程序涉涉及到其他他系统，流流规范被传传送到下一一需要资源源的结点。。这一流规规范传输过过所有的结结点，直到到它最终到到达目的端端，然后系系统可得出出此QoS请求是否能能满足的结结论，并将将该信息传传输回源端端。这种简简单的协商商方法可满满足多种目目的，但它它没有考虑虑到在不同同结点上的的并发QoS协商之间可可能会发生生冲突。为了彻底解解决问题，，需要一个个分布事务务式的QoS协商过程。。2）许可控制制许可控制管理对资源源的访问，，以避免资资源过载，，并防止资资源接收不不可能实现现的请求。。它涉及关关掉那些与与当前的QoS保证冲突的的资源清求求。一个许可控控制方案是是基于整个系系统容量和和每个应用用程序产生生的负载这这两方面的的知识的。。一个应用程程序的带宽宽需求规范范可能是应应用程序需需要的最大大带宽、保保证其运行行的最小带带宽，或者者是它们之之间的平均均值。相应应地，许可可控制方案案可以基于于这些值之之一进行资资源分配。。如果所有的的资源只由由一个分配配器控制，，那么许可可控制是直直接的。如果资源源分布在各各个结点上上，例如许许多局域网网环境，其其可以使用用一个集中中式的访问问控制，也也可以使用用一个分布布式的许可可控制算法法，由它避避免并发许许可控制的的冲突。工作站的总总线仲裁算算法属于这这一类；然而执行行带宽分配配的多媒体体系统并不不控制总线线许可，因因为总线带带宽并不在在内。带宽宽预预留留保证证多多媒媒体体数数据据流流某某QoS级别别的的普普通通方方法法是是预预留留一一部部分分的的资资源源带带宽宽以以便便由由它它独独占占使使用用。。为为了了在在任任一一时时刻刻实实现现数数据据流流的的需需求求，，需需要要为为它它预预留留最最大大带带宽宽。。这这是是提提供供给给应应用用程程序序有有保保障障QoS惟一一可可能能的的方方法法。统计计的的多多路路技技术术因为为系系统统中中可可能能存存在在潜潜在在的的未未被被利利用用的的资资源源，，这这在在超超额额预预留留资资源源的的情情况况下下常常发发生生。。而而一一些些保保证证技技术术可可提提供供使使用用这这些些资资源源的的一一些些可可能能性性，，这些些保保证证通通常常被被称称为为统统计计保保证证或或软软保保证证，它它与与前前面面介介绍绍的的硬硬保保证证技技术术不不同同。。因为为不不考考虑虑最最坏坏的的情情况况，，统统计计性性保保证证技技术术可可以以提提供供更更高高的的资资源源利利用用率率。。但是是如如果果仅仅仅仅只只依依据据最最小小或或平平均均需需求求来来分分配配资资源源，，那那么么短短期期的的负负载载高高峰峰可可能能会会导导致致服服务务质质量量的的下下降降；；应应用用程程序序必必须须能能应应付付这这样样的的服服务务质质量量降降低低。。统计计的的多多路路技技术术是是基基于于这这样样一一个个假假设设：：对大大量量数数据据流流来来说说，，虽虽然然单单个个的的数数据据流流可可能能会会发发生生变变化化，，但但这这些些数数据据流流需需要要的的总总带带宽宽相相对对稳稳定定。。它它假假设设当当一一个个数数据据流流发发送送大大量量的的数数据据时时，，就就有有可可能能有有另另一一个个数数据据流流发发送送的的数数据据量量较较小小，，这这样样总总带带宽宽需需求求保保存存平平衡衡。。当然然这这些些数数据据流流之之间间应应该该是是没没有有联联系系的的。。7.5.3资源源管管理理为了了向向应应用用程程序序提提供供一一定定等等级级的的QoS服务务，，系系统统不不仅仅需需要要充充分分的的资资源源(执行行)，还还需需要要在在应应用用程程序序需需要要时时有有能能力力将将这这些些资资源源提提供供给给程程序序使使用用(调度度)。资源源调调度度系统统需需要要根根据据进进程程的的优优先先级级来来为为其其分分配配资资源源。。资源源调调度度器器根根据据特特定定的的标标准准来来决决定定进进程程的的优优先先级级。。在传传统统的的分分时时系系统统中中，，CPU调度度进进程程基基于于程程序序的的响响应应时时间间以以及及公公平平原原则则来来指指定定优优先先级级：：I／O量大大的的进进程程会会获获得得高高优优先先级级，，这这样样可可以以保保证证对对用用户户做做出出快快速速响响应应，，与与CPU联系系紧紧密密的的任任务务获获得得低低优优先先级级，，并并且且系系统统平平等等对对待待同同一一优优先先级级的的进进程程。。多媒媒体体系系统统也也可可以以使使用用这这一一标标准准，但但是是传传输输单单个个多多媒媒体体数数据据元元素素的的时时间间限限制制改改变变了了调调度度问问题题的的特特性性。。为为解解决决这这一一问问题题，，系系统统可可以以使使用用实时时调调度度算算法法。因因为为多多媒媒体体系系统统必必须须处处理理离离散散的的和和连连续续的的媒媒体体，，因因此此在在不不引引起起离离散散媒媒体体访访问问和和其其他他交交互互应应用用程程序序饥饥饿饿的的情情况况下下，，可可以以为为实实时时性性的的数数据据流流提提供供充充分分的的服服务务。。调度度算算法法必必须须管管理理(或协协同同)影响响多多媒媒体体应应用用程程序序的的所所有有资资源源。。在通通常常的的情情况况下下，，系系统统从从磁磁盘盘上上读读取取多多媒媒体体数数据据流流，，并并将将其其通通过过网网络络传传输输到到目目的的机机器器，，在在目目的的机机器器上上，，该该数数据据流流和和其其他他来来源源的的数数据据流流同同步步合合成成起起来来，，并并最最终终显显示示。。在在这这个个例例子子中中，，系系统统需需要要的的资资源源包包括括磁磁盘盘、、网网络络、、CPU以及及内内存存和和总总线线。。1）公公平平调调度度如果果有有多多个个数数据据流流竞竞争争同同一一资资源源，，系系统统必必须须考考虑虑到到公公平平性性，，防防止止不不正正常常的的数数据据流流占占用用过过多多的的带带宽宽。。保保证证公公平平性性的的一一个个简简单单方方法法是是对对同同一一优优先先级级的的数数据据流流使使用用轮轮转转调调度度方方法法，，称称为为公公平平排排队队。。2）实实时时调调度度人们们已已经经开开发发出出来来一一些些实实时时调调度度算算法法来来满满足足应应用用程程序序如如：：航航空空工工业业过过程程控控制制的的CPU调度度需需要要。。假假设设CPU资源源并并没没有有被被过过度度分分配配(这是是QoS管理理器器的的任任务务)，调调度度算算法法将将CPU时间间片片以以某某种种方方式式分分配配给给多多个个进进程程，，而而这这种种方方式式必必须须使使进进程程能能及及时时地地完完成成任任务务。。传统统的的实实时时调调度度算算法法十十分分适适合合规规则则的的连连续续多多媒媒体体数数据据流流模模型型。。最最早早时时间间限限制制优优先先(EDF)调度算算法几几乎是是这些些方法法的同同义词词。一一个EDF调度器器根据据每个个工作作项的的时间间限制制来决决定下下一个个要处处理的的工作作项：：具有有最早早时间间限制制的工工作项项优先先处理理。在在多媒媒体应应用程程序中中，EDF调度策策略被被证明明在基基于时时序标标准分分配单单个资资源方方面是是最优优的。。实例研研究：：Tiger视频文文件服服务器器提供多多个并并发实实时视视频数数据流流的视视频存存储系系统被被看作作为支支持面面向消消费者者的多多媒体体应用用程序序的一一个重重要的的系统统组件件。人人们已已经开开发了了多个个这种种类型型的程程序原原型，，并且且其中中的一一些已已经形形成了了产品品，Tiger视频文文件服服务器器（微微软研研究院院）系统的的主要要设计计目标标如下下：1.适用于于大量量用户户的视视频点点播应用程程序是是向点点播的的用户户提供供电影影的服服务器器。系系统从从大容容量的的数据据电影影库中中选择择电影影。客客户应应在发发送点点播请请求的的数秒秒钟内内就能能获得得电影影图像像的第第一个个帧，，并且且他还还应该该能随随心所所欲地地执行行暂停停、回回退和和快进进操作作。尽尽管库库中电电影的的数目目很大大，但但是可可能有有一些些电影影是很很受欢欢迎的的，它它们可可能同同时被被多个个客户户不同同步的的访问问，这这就导导致可可能同同时播播放它它们，，但是是播放放的时时间进进度不不同。。2.服务质质量视频数数据流流的传传输输速率率应保保持稳稳定，，其中中客户户端可可用的的缓冲冲区大大小决决定了了系统统能处处理的的最大大的抖抖动，，并且且视频频数据据流还还应保保持低低丢失失率3.可伸缩缩性和和分布布性目的是是以一一种可可伸缩缩的体体系结结构来来设计计系统统，使使它(通过增增加计计算机机可以以同时时支持持10000个客户户。4低成本本硬件系系统统是由由低价价的硬硬件构构5.容错性在单个服务务器计算机机或者是磁磁盘驱动器器发送故障障时，系统统可以继续续运行并且且执行Tiger视频文件服服务器设计计核心是分分布式调度度计算机的的工作负载载。第八章计算机支支持的协协同工作作CSCW技术的应应用领域域非常广广泛。例例如，远远程专家家会诊，，可以利利用CSCW技术，求求得远方方专家的的帮助；；合作设设计，可可以利用用CSCW技术在异异地进行行合作工工程设计计，而不不必真正正坐在一一起，CIMS中的并发发工程便便属于这这类应用用；合作作编著，，多个作作者可以以在不同同地点、、不同时时间共同同编辑和和编著同同一著作作，文件件、图书书和报刊刊等。远远程会议议更是目目前最易易接受的的CSCW技术，节节省时间间。CSCW技术在军军事应用用中，包包括战时时的协指指挥和平平时的协协同训练练等。8.1概述简介CSCW(ComputerSupportedCooperativeWork)一词最初初是在1984年提出,于1986年在美国国召开的的第一次次国际CSCW会议上正正式使用用，它的的含义是是计算机机支持的的协同(合作)工作。从从此，CSCW的研究发发展非常常之快，，CSCW国际会议议每两年年举行一一次，欧欧洲每两两年也召召开一次次欧洲CSCW会议.1989年，欧共共体设立立了COST工程计划划．其中中一项重重要工程程，专门门用于支支持合作作系统的的研究．．该工程程的目标标分为三三类：整体科学学目标;特定目标标和政治治目标其科学目目标为：：①为CT(合作技术术，CooperationTechnology)的强化训训练创建理理论基础础②为科学学团体参参加CT的研究建建立公共共框架其特定目目标为：：①改进入入机界面面，改进进总体工工作条件件，支持持CT系统的终终端用户；；②为决策人人员和计计划人员员提供对对于合作作技术的的基本理理解；③通过研研究成果果影响合合作技术术的标准准化组织织；④通过适适当的媒媒体，介介绍科学学和技术术成果，，使COST的努力为国际所注注目。其政治目标是是使欧洲成为为合作技术研研究的领袖。。在美国，虽然然没有相应的的计划，但其其研究和资助助强度一点也也不逊色，主主要由各大商商家和著名大大学立项研究究．由此，也也可以看出美美国和欧洲研研究方式的不不同，在美国是直接接利益驱动，，在欧洲则是是技术驱动。。在我国，关于于CSCW的研究是从多多媒体领域展展开的，最初初大家讨论的的热点是分布布式多媒体技技术，关注这这一领域研究究的文章最初初发表在我国国第一届多媒媒体技术研讨讨会(1992年，北京)上，到了第二二(1993，杭州)，三(1994，上海)、四(1995，广州)届多媒体研讨讨会，文章便便不断增多，，表现出我国国研究人员对对于该领域研研究的热情。。主要研究单单位有清华大大学、国防科科技大学、华华中理工大学学，南京大学学等。其中，，清华大学推推出了会议系系统和合著系系统的原型，，在会议和合合著系统的研研究中重点突突出了合作机机制的研究。。综合世界各国国的相关研究究情况，CSCW的主要需求有有群体工作需需求的分析、、多用户界面面、分布式结结构、合作规规则组织织模型、群体体协调理论租租模型等方面面。CSCW中的研究问题题主要包括：：合作认知模模型的研究；；合作控制机机制的研究；；合作通讯；；合作软件支支持工具和环环境的研究。。自CSCW提出以来，人人们在以下几几个主要领域域进行了广泛泛研究，并取取得了成绩。。(1)消息系统(Messagesystem)，是电子邮件的的后代，可以以让用户通过过中心机发送送文字消息给给其它用户。。广域网的存存在使电子邮邮件所完成的的功能更为广广泛。电子邮件的发发展导致了消消息处理系统统(MessageHandlingSystem)模型的出现，，这一模型已已经为CCITT的X．400系列标准所采采用。每个消消息系统都使使用特定的消消息格式来传传输信息，结结构化消息系系统的主要原原理是通过扩扩充现有消息息格式来扩充充计算机可处处理的信息。。(2)计算机会议(ComputerConferencing)，本身也是由由电子邮件：：发展而来，，但它主要关关心的问题是是如何组织消消息，而不是是如何传输消消息。一个典典型的计算机机会议系统包包括一组叫做做会议的群体体，每一个群群体拥有——组成员和一组组消息。会议议的安排主要要由成员各自自选定一个论论题展开讨论论。申请参加加会议的用户户应当对会议议中的论题感感兴趣。通常常情况下，系系统存储的信信息均为会议议成员所共事事和访问。这这些信息通常常存储在中心心数据库的会会议消息中，，而不是在个个人的邮箱中中。现有的原原型系统有Notepad、COM、潘多多拉系系统等等。高速可可靠的的通讯讯技术术的发发展使使实时时的计计算机机会议议得以以实现现，如如RCAL，可以以允许许与会会人员员之间间实时时通讯讯。另另外，，先进进的工工作站站已经经可以以支持持桌面面会议议系统统，这这类系系统充充分利利用了了工作作站环环境中中的共共享窗窗口来来处理理实时时的会会议需需求。。现已已推出出了一一些多多媒体体会议议系统统，它它们都都集成成了包包括音音频、、趾频频和文文本等等媒体体信息息的支支持。。(3)合著系统统，此类系系统用于于支持和和表达参参于群体体工作成成员之间间的协商商和讨论论。合著著系统便便是具有有明确合合作成果果的系统统，即成成果是反反映所有有参与人人员意见见的一个个文档。。其中，合合著系统统在欧美美都有专专门的立立项研究究。在美美国，由由卡内基基梅隆大大学承担担的合著著系统研研究项目目PREP，三年期期限，总总投资达达95万美元；；在欧洲洲，则有有专门的的研究队队伍，从从社会学学、心理理学和计计算机科科学几个个方面着着手研究究．总的来来看，，CSCW系统及及应用用的研研究目目前正正在努努力解解决下下列问问题：：第一，，适合合于人人类自自然合合作方方式的的计算算机支支持；；第二，，对实实时性性群体体交互互的支支持；；第三，，多媒媒体合合作的的支持持；第四，，对于于多媒媒体信信息的的高效效传输输提供供支持持。系统的的功能能和特特点CSCW系统的的主要要功能能有如如下五五点：：(1)通讯：：是指信信息的的共享享与传传送；；至少少涉及及两种种不同同的进进程一一千逍逍息发发送进进程和和信息息共享享进程程。(2)任务调调度:是指任任务执执行临临时序序列的的确定定。这这取决决于许许多因因素，，如时时限、、任务务的预预计时时间、、对其其它任任务提提出的的要求求、人人员及及资源源的可可用性性等等等．(3)合作角角色及及责任任的分分配：包括括指定定合适适的人人员，，确定定他们们所起起的作作用。。通过过定义义人员员，确确定人人员对对于这这一角角色的的适应应性，，保持持责任任的可可跟踪踪性是是支持持这一一功能能的基基本方方法；；(4)资源分分配：：在任务务执行行过程程中，，使合合适的的资源源可用用。(5)进展跟踪：：包括监控任任务的执存存状态，以以确认一项项活动是否否正在按计计划进行；；CSCW系统具有如如下特点：：(1)开放性：合作中没有有获得希望望结果的固固定方法，，不同人、、不同组处处理任务的的方式是不不同的。(2)边界开放性性：合作中没有有确定的结结束标记或或结束点。。(3)异步性：合作中不同同人具有自自己不同的的操作序列列，即使同同一工作组组的不同个个人也具有有自己独立立的行为。。’’(4)信息共享性性：这是合作的的基础、合合作的结果果。(5)自动化支持持：这是CSCW系统不断追追求的目标标。8.1.3CSCW系统的基本本需求需解决的四四个问题：：(1)群体合作策策略和规范范；(2)计算机通信信(3)多用户界面面；(4)共享的多媒媒体信息服服务。其中每个问问题都有许许多尚待解解决的技术术问题如：：1)存储与处理理：多媒体信息息由不同类类型的复合合对象构成成，如文字字、图形／／图像、声声音、音频频和视频等等。每类信信息都需要要单独的获获取、处理理、传输和和存储的工工具和技术术。再进一一步，这些些信息应当当形成一定定的语义和和时态联系系，并按照照统一的表表示方式进进行管理(包括存储和和检索)，即多媒体体文档。因因此，对于于多媒体文文档的有效效支持是多多媒体合作作环境中的的第一需求求。2)功能表现：：不同的应用用可能根据据自己的需需求有自己己的功能要要求，但在在合作环境境中我们可可以发现，，有许多功功能属于任任何系统都都应具有的的，这些功功能是任何何合作环境境都应支持持的3)合作工作的的需求：合作意味着着用户间通通讯和协调调。因此，，合作规则则是合作中中的第一要要求，任何何合作者都都要遵守这这一规则，，否则合作作将无法进进行；第二二，合作设设施和合作作协议也是是必须的，，否则合作作者之间无无法通讯和和交流；第第三，必须须给所有合合作者提供供一个共同同的视图；；最后，合合作者必须须有一个共共享的数据据空间。4)通讯：合作者之间间的通讯实实际上就是是克服地理理上的距离离限制。因因此，在合合作系统中中，网络通通讯是必须须的。要支支持多媒体体信息的全全面且实时时的通讯，，必须支持持高速传输输，传输速速率一般不不应低于100Mbps。CSCW研究中的几几个问题1）工作与利利益的差异异问题。2）必需人数数与“囚徒困境”问题。3）破坏社会会的正常秩秩序。4）异常处理理问题。5）隐含访问问问题。6）评价的困困难．7）直觉的失失败8）适应性回回题与计算机体体系结构的的发展就计算机领领域的研究究与发展来来看，合作作已经不是是新名词。。合作的概概念早就已已经与计算算机系统结结构结下了了不解之缘缘。(1)多个部件的的合作．这是传统流流水线计算算机的一般般结构，在在这种结构构中，采用用多个部件件的时间重重叠(合作)，可以获得得计算机系系统的高性性能已经得得到了很好好的验证。。(2)多个处理器器的合作——多处理器(MP、MPP)结构。为了了进一步获获得计算机机的高性能能，除了开开发细粒度度的部件级级并发(合作)以外，人们们开始寻求求更大粒度度的合作，，即处理机机之间的合合作。这种种结构一般般称为并行行处理机或或超并行处处理机结构构。(3)多个个计计算算机机的的合合作作———分布布式式系系统统结结构构。。更更大大粒粒度度的的合合作作则则表表现现为为多多种种计计算算机机之之间间的的合合作作，，这这就就是是基基于于局局域域网网的的分分布布式式系系统统，，在在这这种种体体系系结结构构中中，，分分布布、、异异构构和和合合作作是是其其主主要要特特点点。。目目前前，，市市场场上上流流行行的的客客户户／／服服务务器器计计算算机机结结构构就就是是一一种种特特殊殊的的分分布布式式计计算算机机体体系系结结构构，，它它是是将将异异构构型型计计算算机机的的功功能能、、性性能能及及责责任任进进行行必必须须的的预预划划分分，，然然后后形形成成特特定定的的分分布布计计算算机机系系统统。。(4)人的的合合作作———CSCW系统统。。当技技术术发发展展到到一一定定程程度度，，在在较较低低一一级级粒粒度度下下的的合合作作与与并并因因此此，，CSCW的诞诞生生和和发发展展是是与与计计算算机机体体系系结结构构的的发发展展分分不不开开的的，，同同时时，，CSCW也是是人人类类社社会会对对于于计计算算机机提提出出更更高高要要求求所所驱驱动动形形成成的的一一个个技技术术领领域域。。是一一种种环环境境仿仿真真技技术术人的的合合作作就就是是指指两两个个或或两两个个以以上上的的人人协协商商、、通通讯讯，，以以完完成成同同一一种种工工作作。。合合作作本本身身就就是是一一个个复复杂杂问问题题。。人与与人人的的合合作作必必须须靠靠环环境境支支持持，，而而环环境境的的主主要要部部分分是是信信息息媒媒体体的的载载体体.由此可见，人人们的目标就就是在逐步扩扩充的范围内内，充分使人人们利用人造造的媒体载体体，通过自然然媒体进行通通讯和交流，，克服自然距距离带来的不不便。为了不断支持持人们跨越更更大距离的合合作与交流，，从计算机领领域来看，人人们开发的先先进技术主要要表现在以下下几个方面。。第一，网络的的出现以及联联网的工作站站形成了新的的信息处理和和存储能力，，提供了设计更更广泛模拟人人类合作环境境的可能.第二，分布式式系统中的资资源共享技术术，特别是局域网网和广域网技技术的进一步步发展使地理理上分散的用用户直接交互互的可能性进进一步增强；；第三，多媒体体信息处理和和管理技术的的进一步成熟熟，更容易模拟人人类的自然合合作环境：第四，高速网网络技术的发发展将进一步步克服当前网网络传输速率率的限制，进一步提供各各类媒体信息息的实时传输输，这是模拟拟人类自然合合作环境必备备的技术。因此，CSCW技术便是为了了追求更高层层次、不受距距离限制的、、全方位利用用各种信息媒媒体的合作而而研究的技术术。也就是说，CSCW研制的就是这这样一个环境境，无论人们们的距离有多多远，都能利利用该种环境境进行类似于于自然环境支支持的合作，，它是一种模模拟人类自然然合作环境的的虚拟环境。。CSCW的研究意义在在于，使世界变大(一个用户通过过这些系统的的支持可以涉涉猎到更加广广泛的信息和和知识)，又使世界变小小(多个异地作者者可以在同一一虚拟桌面上上讨论、合作作处理同一信信息等)。与分布式系统统的关系及异异同分布式系统通通过网络来支支持多个计算算机系统合作作完成同一项项工作。但这这里的合作是是指不同计算算机之间的合合作，而非人人之间的合作作，CSCW要支持的是人人之间的合作作，这两种合作主主之间存在着着天然的联系系第一，完全自自治的分布式式