第1章分布式系统概念zj

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张璟博士中国计算机学会服务计算专业委员会委员中国计算机学会电子政务与办公自动化专业委员会委员国家重点新产品计划咨询专家国家自然科学基金评审专家陕西省计算机学会软件专业委员会委员西安市信息化专家组专家西安理工大学计算机学院教授博士生导师第1章分布式系统概念教材：1.李西宁，分布式系统,科学出版社,2006年12月。32元参考书：1.【英】GeorgeCoulourisatall.,分布式系统概念与设计（第4版）,金蓓弘译，机械工业出版社，2008年1月。（69元）2.【美】黄铠(kaiHwang)等著，武永卫等译，云计算与分布式系统:从并行处理到物联网(中文版)，机械工业出版社，2013年1月。（85元）3.陆嘉恒，分布式系统及云计算概论，清华大学出版社，2011年5月。（36元）4.喻坚、韩燕波著，面向服务的计算—原理和应用，清华大学出版社，2006年12月。（30元）5.刘鹏主编，云计算(第二版)，电子工业出版社,2011年5月。（48元）

分布式系统:概念与设计(原书第4版)

本书是衡量所有其他分布式系统教材的标准。－－Amazon.co.uk评

本书前版已被爱丁堡大学、伊利诺伊大学、卡内基-梅隆大学、南加州大学、得克萨斯A&M大学、多伦多大学、罗切斯特理工学院、北京大学等世界众多名校采纳为高级操作系统、计算机网络、分布式系统课程的教材。DistributedSystems:ConceptsandDesign(4thEdition)(InternationalComputerScienceSeries)(Hardcover)，byJeanDollimore(Author),TimKindberg(Author),GeorgeCoulouris(Author)

§1分布式系统概念

一个分布式系统是一组由网络联接的具有独立功能的计算机，在一套特殊软件的管理下，整个系统在用户面前呈现为一个透明的整体。(Tanenbaumetal.2002)一个分布式系统是一组位于网络计算机上的并发构件，这些构件之间的通信以及任务协调都只能通过消息传递进行，其目的是实现资源共享。(Coulourisetal.2005)计算机计算机……….网络消息传递计算机应用软件（中间件）Adistributedsystemisdefinedasoneinwhichcomponentsatnetworkedcomputers

communicateandcoordinatetheiractionsonlybypassingmessages.

单机系统用户共享一台计算机可以访问所有资源单一时钟单一系统控制单一地理位置单一故障点分布式系统一组由网络互联的、自治的计算机和资源资源为用户所共享可以集中控制，也可以分布控制计算机可以同构，也可以异构分散的地理位置分布式故障点没有全局时钟没有共享内存（大多数情况）并发性（concurrence)多个程序（进程，线程）并发执行，共享资源没有全局时钟(globalclock)每个机器的有各自的时间，没有办法做到统一，程序间的协调靠交换消息故障独立性(independentfailure)一些进程出现故障，并不能保证其它进程都能知道分布式系统的发展简史系统名称组织机构网络要求计算机研制日期CM*卡内基.梅隆大学层次总线PDP1975CambridgeDCS剑桥大学剑桥环LSI-41979Locus加州大学洛杉矶分校以太网PC1980VSystem斯坦佛大学以太网Sun1982Mach卡内基.梅隆大学以太网Sun,PC1985CORBAOMG互联网任何机器1990DistributedCOM微软公司互联网PC1996JINISun

Microsystems互联网任何机器2000

分布式系统的目标

资源共享透明性开放性可调节性特殊系统：安全性可靠性数据一致性资源共享一些计算机通过网络连接起来，并在这个范围内有效地共享资源。共享内容：硬件资源：CPU、Mem、Printer、Disk等。

软件资源：各种系统或者应用程序数据资源服务媒体流（动态的资源形式）分布式系统的八种透明性形式透明性描述访问隐蔽数据表达以及资源访问方法的不同之处位置隐蔽资源所处的物理位置迁移隐蔽资源的物理移动重定位隐蔽正在使用的资源迁移复制隐蔽资源的复制并发隐蔽若干用户共享同一资源所产生的竞争故障隐蔽资源的故障与排错恢复持续隐蔽软件资源所处的存储空间：内存或磁盘

可调节性：中央控制机制

概念例子中央式服务

所有客户共享一台服务器中央式数据

一本联机的电话目录中央式算法

集中式资源管理程序

可调节性：分布式控制机制

任何一台计算机都不可能掌握全局状态

任何一台计算机都根据自己的局部信息做出决定

一台计算机的故障不会导致全局崩溃

不存在全局时钟

调节对象：系统规模，系统功能，管理结构调节方法：隐蔽通信延迟，资源分布，资源复制等网络和分布式的区别(1)分布具有各个计算机间相互通讯,

无主从关系；网络有主从关系(2)分布式系统资源为所有用户共享；而网络有限制地共享

(3)分布式系统中若干个计算机可相互协作共同完成一项任务分布式系统举例典型分布式系统因特网（Internet，万维网）企业内部网（Intranet）WEB服务/网格系统移动计算无处不在的计算（普及计算、泛计算）分布式系统的一些实例DNS服务分布式文件系统分布式数据库全球时间定时系统

ATM（银行自动取款机）全球定位系统自动售货终端机航空管制系统网络拍卖系统

典型应用以计算为主的问题

（分布式计算）：

数学计算，环境模拟，生物和仿生，经济和财政模型，气象预报，动画制作，

…以数据为主的问题

（分布式数据）：

数据挖掘,信息检索，保险分析，图像处理，

…以通信为主的问题

（网络应用）：

事务处理，电子商务，远程文件交换，电子信件，…

SETI@home:搜索外星人

探索外星文明射电天文望远镜:Arecibo(305m)地理位置:PuertoRico（波多黎各）接收4,000,000无线电波段下载屏保程序作数据分析中央控制系统分布数据UCBerkeley波多黎各有台世界上最大的射电望远镜，采集来自外太空的各种信号，希望找到外星人试图与人类沟通的证据。它每天采集50G字节的数据，分析50G数据的工作量，是世界上任何一台超级计算机都无法完成的。

1999年5月加州大学伯克利分校在网站上发布了一个软件，邀请志愿者前去下载。当这个软件安装在志愿者的计算机上后，以屏幕保护程序的方式工作，每当计算机空闲时，它就自动开始计算，分析一小块数据，并把计算结果自动发往“在家中搜寻外星人”项目的网站进行汇总。参加者完全出于兴趣，免费贡献自己计算机的处理能力。这个项目取得了巨大成功，参加的人数和所贡献的计算能力是天文数字。从1999年5月到2004年6月，共有500万人参加此项计算，贡献了197万年的计算机处理时间，完成了5.2×1021次运算。当然，至今尚未找到外星人存在的有力证据。SETI@home第一个通过大规模并行计算完成来自其它宇宙文明社会电波信号的灵敏搜索SETI@home主要集中在检测窄频段信号根据频段对数据进行分块，这些分块在本质上是相互独立的对太空一个位置的观察得到的结果和另外一个位置得到的结果是相互独立的把很大的数据集分成大量小块，每一个计算机能够比较快的分析出其中的一块把工作分配到自愿贡献空闲cpu周期的机器处理4,951,150用户参加已投入1,879,970年CPU时间已经有1,326,312,701

个结果26DRC5，找出密钥奖金:$10,000美元RC_56:250天破译(1997)RC_64:1,757天破译(2002)RC_72:?例如:RC_64采用64位密钥，一共有18,446,744,073,709,551,616 可能的密钥组合有上百万台计算机参与这个项目

Distributed．net是个非赢利性质的组织，总部设在美国德州的奥斯汀，网站使用的服务器和宽带都是志愿者捐赠的，她以破解加密术而著称。

网站的挑战项目是美国RSA数据安全公司开发的RC5－56密匙，即对用RC5方式加密具有56位密锁的密码文件进行解密。1999年，在经过256天对3．4兆个密匙中的47％个密匙进行试验后，破译RC5－56的工作大功告成。

接着Distributed．net又转到RSA更先进的RC5－64密匙。网站创建者们最初认为，考虑到现有计算机运算能力限制，可能至少要花100年时间才能解开RC5－64。2002年10月7日，Distributed．net宣布，在经过全球331000名电脑高手共同参与，苦心研究了4年之后，他们已破解了RSA数据安全实验室开发的64位密匙（RC5－64密匙。业内人士认为，这一成果在计算机发展史上具有里程碑般的意义。

28CERN:欧洲核研究组织CERN是世界上最大的核物理研究中心，科学家们试图通过对粒子的研究寻找宇宙的起源。正在建造一台大型强子碰撞机:LargeHadronCollider(2007)可能产生的数据:10,000,000GB需要20,000,000张CD来存储解决方法：网格计算，IBM分布式虚拟存储和文件管理技术EuropeanOrganization

forNuclearResearch

CERN30分布式系统举例intranetISPdesktopcomputer:backbonesatellitelinkserver:%networklink:%%%31分布式系统举例32分布式系统举例移动计算（mobile，nomadiccomputing）移动设备：笔记本电脑，手持设备，PDA,手机,摄像机,数码照相机可穿戴设备：计算机手表,数字眼镜家电设备移动计算的主要核心问题有以下几方面：无线传输技术、无线局域网与802.11、无线个人网与蓝牙、无线自组织网络(adhoc)、移动网络和mobileIP、传感器网络(Sensor)、无线网络中的传输协议等。33分布式系统举例移动计算在移动中执行计算任务的能力，访问因特网的资源，位置清楚的计算（location–awarecomputing)：在移动环境中，能够发现并附近的资源。自组网络(AdHoc)要解决的问题避免由于移动而需要重新配置的问题（DHCP）无线带宽有限，需要考虑QoS私秘和安全问题的解决AdHoc网络的路由问题34分布式系统举例LaptopMobilePrinterCameraInternetHostintranetHomeintranetWAPWirelessLANphonegatewayHostsite移动计算35无处不在的计算（Ubiquitouscomputing，pervasivecomputing，普适计算、泛计算）指各种小型计算设备更加强大、便宜、小巧，人人都买得起，普及到到现在的日常物品中，成为我们生活中的一部分，而且不被人们注意。它追求的目的是让“计算机无处不在”，其无处不在性达到这样一种程度，以至于我们留意不到它的存在。例如，目前研究的可穿戴的计算机就属于这种技术范畴。分布式系统举例

普适计算是指无处不在的计算能力。它要建立一个充满计算和通信能力的环境，同时使这个环境与人们逐渐地融合在一起。普适计算是信息空间与物理空间的融合，在这个融合的空间中人们可以随时随地、透明地获得数字化的服务。

“随时随地”指人们可在工作、生活的现场就可以获得服务,而不需离开这个现场而去端坐在一个专门的计算机面前，即像空气一样无所不在。

“透明”指获得这种服务时不需要花费很多注意力，即这种服务的访问方式是十分自然的甚至是用户本身注意不到的，即所谓蕴涵式的交互。从技术上来说，要求普适计算对环境信息具有高度的可感知性，人机交互更自然化，设备和网络的自动配置和自适应能力更强，所以普适计算的研究涵盖中间件、移动计算、人机交互、嵌入式技术、传感器、网络技术等领域。普适计算要解决的问题包括：扩展性、异构性、不同构件的集成、上下文感知和不可见性(Invisibility)。其中不可见性对普适计算来说是至关重要的，因为它要求系统无需用户干预或只需要最少干预，也就是要求系统具有自动和动态的配置机制。

普适计算能力是动态变化的，它能把住宅、汽车、办公室、商店和银行里的计算设备以及个人计算设备连接起来，为信息、服务和应用提供接入点。为了提供各种服务，执行计算的方式也发生了巨大变化。从集群计算到瘦客户机，再到家庭娱乐终端的各种应用，为消费者和企业市场提供了一套全新方案。出现了：多人可以使用的计算，计算环境。如交互墙(会议室)、电子白板(教室)。普遍、到处无处不在的计算。个人所拥有的计算，日用品。如可穿戴计算设备。

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

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