分布式操作系统 - 5.分布式命名管理

1.基本概念

实体（entity）：系统中的任何对象

• 物理资源型：主机、文件、打印机、磁盘
• 逻辑抽象型：进程、用户、邮箱、新闻组、主页、报文

实体的名字（Name）：一个数字位串或字符串，可唯一地表示一个实体

• 如主机名、文件名、进程名、用户名

命名（Naming）：赋予名字

• 引用（Refer）：如果实体X的名字为A，我们说，名字A引用（指向）实体X。

实体访问点（access point）：用于访问该实体的接口，也是一个实体

• 可以有多个访问点
• 实体可以改变访问点
• 访问点可以赋值给另一个实体

地址（address）：实体访问点的名字，指向（引用）访问点；例如：服务器地址：IP+端口号

位置独立性

• 实体的名字包含有地址信息，则是位置相关的
• 实体的名字独立于地址，则是位置独立的

标识符（Identifier）：特殊类型的名字

• 一个标识符最多引用一个实体
• 每个实体被一个标识符所引用
• 一个标识符总是引用同一个实体（不准重用）

机器可读的名字：数字位传，如网卡地址

用户友好的名字（human-friendly name）：有意义的字符串

实体定位：通过名字，找到实体所在的位置，从而找打实体

• 名字解析：将名字映射到地址的操作过程

名称到地址的绑定：二元关系组（名字，地址），举例：域名数据库

固定实体：固定位置，实体的位置不会改变

移动实体（mobile entiny）：具有可变位置，实体的位置可以改变

位置更新问题：

• 位置改变后，需查找DNS数据库，进行地址更新
• 地址采用硬链接，如130.37.21.5，更新效率低
• 地址采用符号链接，ftp.is.vu.nl，查找效率低

传统方法：在名字和地址之间的直接的单级映射

适合移动实体的方法：

• 采用标识符的两级映射
• 将命名服务与定位服务分离开

2.非结构化命名管理

名称中不包含任何访问点的信息。例：72550（工作证号）

2.1 简单的实体定位方法：广播和多播方法

（1）广播方法（broadcast）

例： 地址解析协议（ARP ） ： 由IP地址找到它的链路地址

在大规模网络环境中， 效率低

（2）多播方法（multicast）

多播组、 多播地址

定位点到点网络中的实体

定位多个实体： 同一组织

定位实体的副本： 最近的副本

（3）问题：可伸缩性

只适用于小规模网络，如局域网络

2.2 转发指针方法

当实体从A移动到B之后，在A上设置一个指向B的引用

优点：客户可利用传统的命名服务

缺点：间址链可能会很长、链的中间节点需要维护转发信息、链容易断

目标：限制链的长度，保证链的鲁棒性

（1）分布式对象迁移原理

SSP链：（stub存根，scion后代）$pairs=(proxy,skeleton)$

• proxy：客户存根
• skeleton：服务器存根

举例：当O从A移动B后，在A上保留原来的proxy，并设立一个代表O的skeleton

（2）转发指针的优化策略

例：通过在proxy中存储一个捷径（shortcut），重定向转发指针

调整策略：

• 单独：仅有请求发起人，即初始proxy建立proxy短路
• 全部：转发链上的所有proxy建立短路

2.3 基于原籍的方法

可用于大规模网络

原籍（Home）位置：

• 实体的创建位置
• 用于跟踪实体的当前位置

举例：移动IP原理

• 每一个主机有一个固定IP地址
• 固定IP地址对应一个Home代理
• 主机移动后的临时地址（care-of转交地址）在它的Home代理上登记
• 当Home代理收到packet后，转发到转交地址

缺点：

• 可能会舍近求远；当前位置比原籍近，增加通信开销
• 固定的原籍位置；无法根据需要改变，如主机已永远移动后

解决方案：将原籍位置记录在传统的名字服务器中

2.4 分布式哈希表（DHT）

（1）概念

散列表（Hash table，也叫哈希表）：根据关键码值（key value）而直接进行访问的数据结构

分布式哈希表（DHT）：

• 广域范围中的巨大哈希表，有若干个分布式结点共同维护
• 散列表被划分成很多块，每个结点被分配一个标识符（id），并称为与id对应的散列块的管理者。

散列表入口项：

• 一个实体的名字或关键字，通过散列（hash）函数，被映射为128位或160位散列值k
• 键值为k的实体位于大于k的最小标识符（k≤ id）的节点内

Chord系统：

• 结点：具有标识符id
• 实体：具有键值k
• k的存储节点$succ(k)$， m i n   { i d ∣ i d ≥ k } min~\{id|id≥k\} min { id∣id≥k}

实体k的查找（线性）

• 为结点p建立的链表
• $succ(p+1) $：p的后继节点
• $pred(p)$：p的前驱结点
• 如果 $pred(p)<k\le p$，则为结点p把自己地址返回给键值为k的进程；否则，只需将该请求转发给两个邻接点。
• 时间复杂度：$O(N)$

（2）指示表：

一种路由表

$F{T}_p[i]=succ(p+2^{i-1})$，第i各实体，指向p后$2^{i-1}$个结点。

查找键值k，结点p立即把该请求发给p的指示标中索引为j的结点q：$q=F{T}_p[j]\le k\le F{T}_p[j+1]$，j即为下一跳

时间复杂度：$O(log(N))$

新结点p到来：找到$succ(p+1)$

指示表的更新：

• 检查$F{T}_p[1]$（即$succ(q+1)$）的一致性
• 确定后继节点的前驱节点是否是自己
• 后台进程完成

（3）利用网络邻近的优化策略

跨网路由问题：在解析一个键值时，如通过路径a-b-c。 而a-b， b-c 之间是广域通信。 即， 在因特网中产生多次广域消 息传输。

DHT系统的优化设计：减少因特网中的广域消息传输

考虑底层物理网络的三种设计：

1、基于拓扑的结点表示符赋值

• 两个邻近结点所赋给的标识符是靠近的
• 但不适合Chord系统：到因特网映射繁琐、关联失效导致标识符空当

2、邻近路由（proximity routing）

• 每个结点维护一个转发请求的可选列表。例如，每个结点有r个后继者
• 当转发请求时，选择离它最近的后继者，减少广域通信
• 单个结点失效时，可使用其他结点

3、邻近邻居结点选择（proximity neighbor selection）

• 优化路由表，选择距离最近的结点为邻居结点
• 对于Chord，Finger表中的每个表项包含r个后继者时，相当于该方法

2.5 层次方法

将一个定位服务分层组织成域（domain）

• 每个域拥有相关的目录节点
• 根节点：最顶层的目录结点

叶子域对应于局域网（LAN）

定位记录：

• 叶子域目录结点：$<实体ID，当前地址>$
• 上层域目录结点：$<实体ID，下层目录结点地址>$

根节点：

• 包含域中所有的实体的定位记录

一个实体E可以拥有n个地址A1，A2

• 每个地址，保存在一个叶子域上，共有n个叶子域
• 在n个叶子域的最小共同祖先域上，保留n个子域指针

定位记录举例：具有两个地址的实体E的目录信息

• D1，D2叶子域
• M最小公共祖先

查找操作举例：在层次型定位服务中，查找实体E的位置

• 局部性原则：从最小的域开始，自底向上查找

插入操纵举例：自下而上的插入方法

3.结构化命名管理

简单的、可读的名称。例如：ftp.neu.edu.cn（URL地址）

3.1 名字空间

分布式系统中名字集合的组织形式

例：文件目录系统（目录名，文件名）

一个名字空间可表示为带标号的有向图：

• 叶子节点：命名实体的信息（地址、状态）
• 目录结点：$<边标号，结点标识符>$，目录表
• 根节点：只有出边，没有入边。通常只有一个

路径名：对应于边的标号序列

• N：<标号1，标号2，…，标号n>
• 绝对路径名：从根节点开始
• 相对路径名：从非根节点开始

路径的表示：/home/steen/mbox

名字的种类：

• 全局名（global），绝对名，适用于整个系统
• 局部名（local），相对名，与具体目录有关

名字解析（Resolution）

• 找到名字所对应实体， 进而可访问关于实体的信息

闭合机制(Closure)

• 知道如何以及从何处开始名字解析
• 从名字空间中选择开始名字解析的初始节点
• 例： 02483683113

命名系统

• 实现命名和名字解析

3.2链接 & 挂接

（1）链接

别名（alias）：同一个实体的其他名字

别名的实现方法：链接（link）

• 硬链接(hard)：存储结点标识。用目录结点标识

• 符号链接（symbolic）：存储路径别名。用叶子节点表示

（2）挂接

挂接（mount） ： 合并两个不同的名字空间

外地名字空间（foreign name space）

挂载托（mount point）：存储外地节点标识符的本地目录节点

挂载件（mounting point）：需安装的外地名字空间的目录节点

（3）挂接方法

分布式系统中挂接的实现

• 访问协议的名字
• 服务器的名字
• 外地名字空间中挂接件的名字

名字的表示

• 例： URL名， 如ftp://ftp.neu.edu.cn//home/pub2/yuge
• 访问协议： ftp
• 服务器： ftp.neu.edu.cn
• 安装点： home/pub2/yuge

使用专门访问协议， 挂接远程名字空间

• 例： SUN NFS系统，
• 协议:nfs ； 服务器:flits.cs.vu.nl； 目录:/home/steen

例： DEC Global Name Service的结构

• 增加一个新根节点， 形成新的名字空间
• 建立映射表（子根节点ID, 新名字）

3.3 名字空间的实现

名字服务：添加、删除和查找名字

名字服务器：实现名字服务的软件系统

名字空间的分布方式：

• 区域（zone）：水平划分
• 三层结构：垂直划分

（1）名字空间的分布

名字空间的层次：

• 全局层（global）：根节点，稳定不变
• 行政层（administrational）：目录结点，很少改变
• 管理层（managerial）：底层节点，可能会经常改变

区域（zone）：

• 不相交的子空间
• 每个区设有一个名字服务器，负责本区的名字服务

DNS名字空间的三层划分

（2）名字解析的实现

名字解析器（NR）：客户端执行名字解析程序

迭代式方法：名字解析器从根名字服务器开始， 逐个与名字服务器交互， 实现名字的解析

递归式方法：名字解析器委托根名字服务器， 由各个名字服务器之间交互， 实现名字的解析

优化：解析中的缓存作用

举例： 递归式名字解析$<nl,vu,cs,ftp>$

3.4 DNS：英特网域名系统

DNS（domain name system） :

• Internet中查找主机
• 和email服务器地址

DNS名字空间

• 一个带边标号的有向树
• 根节点： 无入边的节点， 用dot表示
• 节点： 入边的标识符数为1， 也可作为该节点的名称
• 域（domain） :一个子树
• 域名： 从根节点开始的路径名
• 区域（zone） ： 域的划分， 对应一个名字服务器
• 资源纪录： 节点包含的内容

资源记录

4.基于属性的命名管理

4.1 基本概念

基于属性的命名:

• 一个实体拥有一个相关的属性集
• 例： 一个人， 名字， Alice
• 用（属性， 值） 来描述实体

目录服务：

• 基于属性的命名系统
• 可使用实体的属性查找实体

资源描述框架（RDF） ： 描述资源的统一方法

• <资源， 属性， 属性值>或<主体， 谓语， 客体>
• 例： <Person, name, Alice>

4.2 分层实现方法：LDAP

（1）概念

轻量级目录访问协议（LDAP）

• OSI X.500目录服务
• 国际电信联盟（ITU） 关于目录服务的建议标准

LDAP目录项

• 目录项: 由多个记录（属性， 值） 组成。
• 多值属性:用数组或链表表示

目录信息库(DIB)

• 所有目录项的集合。
• 相对区分名（RDN） ： 命名属性
• 每个目录项具有全局唯一的记录名： RDN值序列

（2）LDAP目录项

如： /c=NL/O=Vrije University/OU=Comp.Sc.=nl.vu.cs

（3）目录信息树（DIT）

用于描述目录项集合的层次结构， 命名图

举例： 局部的目录信息树

（3）使用Host_Name作为RDN

（4）LDAP目录服务的实现

目录服务代理(DSA) ：管理子DIB的服务器

目录用户代理(DUA) ：代表用户访问目录

目录访问协议(DAP) ：DSA与DUA之间通信

目录系统协议(DSP) ：DSA之间通信

应用: .Net, Novel, Oracle

（5）LDAP目录服务的扩展功能

例: 搜索main server

Answer=search(“&(C=NL)(O=Vrije University)(Ou= * ) (CN=Main server)”)

LDAP森林

• 允许多个目录树共存并相互链接
• 全局索引服务器

LDAP分层结构

• 根节点采用DNS命名系统管理

UDDI：

• Web 服务中的目录服务

4.3 非集中式实现方法