分布式操作系统 - 2.分布式体系结构

2.分布式体系结构

1.体系结构的样式

1.1 基本概念

软件体系结构（ Software Architecture）

• 软件的组件， 以及组件之间的相互关系

软件体系结构的要素

• 组件(component)： 模块单元， 能提供良好的接口

• 连接器（ connector） ： 实现组件间通信的机制

软件体系结构的风格（ style）

如何表示一个体系结构，常用的有4种

1. 层次体系结构

2. 面向对象体系结构

3. 资源为中心的体系结构

4. 面向事件的体系结构

1.2层次型体系结构

系统由自上而下的不同层次的组件组成

只有相邻的层次可以通信

请求消息自上而下，响应自下而上

1.3面向对象的体系结构

每个组件对应一个对象

对象间调用使用RMI（远程方法调用）实现

远程对象的一般组织方式

1.4以数据/资源为中心的体系结构

SOA的集成噩梦，从SOA到REST

• SOA全英文是Service-Oriented Architecture，中文意思是中文面向服务编程，是一种思想，一种方法论，一种分布式的服务架构

RESTful：Representation State Transfer

将分布式系统视为一个资源的集合，这些资源由组件们管理

• 命名方式：URI（统一资源标识符）

• 访问方式：HTTP（GET，POST，DELETE，PUT）

• 消息自描述

• 不保留上下文：轻量级

1.5以事件为中心的体系结构

发布/订阅（publish/subscribe）系统

2.体系结构与中间件

分布式系统是由组件组成，这些组件可以按照某些style组织到一起

组件们能否被组织到一起？有两种常用的方法：适配器和拦截器

2.1 适配器

适配器是一种特殊的组件，专门用来解决接口不匹配的问题

2.2 拦截器

拦截器是在servlet执行之前执行的程序（这里就是controller代码执行之前），它主要是用于拦截用户请求并作相应的处理，比如说可以判断用户是否登录，做相关的日志记录，也可以做权限管理。

可中断正常执行的控制流，插入执行其他代码

A和B在不同的网络，A想调用B的方法。拦截器将A的调用请求拦截，封装为一个数据包，发送给远程对象B。

2.3 自适应软件

（1）概念

软件运行环境是动态的：移动、QoS、故障、能耗都可能变化。

组件也是动态变化的：上线、掉线、备份

自适应软件：可以自动适应环境变化，随着环境变化而变化

（2）场景

• 多网卡服务器上，某物理链路故障时，自动切换线路

• 云服务后端服务器，根据负载调整虚拟机数量

• 移动终端电量下降，任务模块在云端和客户端迁移，降低消耗

（3）实现三种方法

1. 分离关注点**（Separation of concerns）**：把主要功能与附加功能分离开；面向方面的软件开发

2. 计算反射**（Computational reflection）**：自我检查，并调整自身行为

3. 基于组件的设计：运行时，进行动态配置；迟后绑定（late binding）

3.系统体系结构Architecture

• 软件体系结构的具体实例（实现）

• 根据各软件组件的安放位置，确定不同类型的体系结构

共分为三种体系结构

1. 集中式体系结构

2. 非集中式体系结构

3. 混合方式

3.1 集中式体系结构

客户/服务器模型（C/S）

• 服务器：实现特定服务的进程

• 客户：向服务器提出请求，等待进程的答复

• 请求/答复模式

存在问题：

• 中心节点的单点失效

• 中心节点的维护成本

• 可伸缩性

3.2 非集中式体系结构

• 垂直分布：不同功能的分布

• 水平分布：相同功能的复制（负载均衡）

• 对等型（peer-peer）分布：（点对点系统）

（1）P2P技术

优点

非中心化、可扩展性、健壮性、高性价比性、隐私保护、负载均衡

应用

• 文件内容共享和下载：BT等

• 计算能力和存储共享

• 协同与服务共享平台

• 即时通讯工具

• P2P通讯与信息共享

• 网络电视

拓扑结构

P2P网络是建立在Internet之上的一种覆盖网络

P2P网络的拓扑结构

• 集中型（Centralized Topology）

• 分散型结构化拓扑（Decentralized Structured Topology，最典型的DHT网络）

• 分散型无结构拓扑（Decentralized Unstructured Topology）

• 半分散型拓扑（Partially Decentralized Topology）

（2）覆盖网络（组织点对点系统）

建立在另一个网络上的网络，属于应用层网络，面向应用层的，不考虑或很少考虑网络层、物理层的问题。

（3）结构化拓扑

在一个结构化的对等系统中，节点被组织在一个覆盖网络中，这个覆盖网络遵循一个特定的、确定的拓扑：一个环、一个二叉树、一个网络。

具体有：

• 全连接

• 超立方

• DHT

• Can

DHT：Distributed Hash Table

给定假设：系统中有大量的结点；结点是动态变化的，有人加入，有人退出

目标：从系统中定位资源

加密散列函数，将一个任意类型的对象（比如字符串）映射到128位或160位的散列值

SHA-1可以生成一个被160位（20字节）散列值，即40个十六进制数

DHT-chord

1. 将哈希空间表示成一个环

2. 将服务器映射到环的结点上

3. 对文件进行put、get操作

Can系统

1. 将（key，value）对存储在拥有该点所在区域的结点内

2. 将请求传给当前结点四邻中距离最接近目标点的结点

3. 时间复杂性O(n/d)，d为系统维度

4. 每结点维护的路由表信息和网络规模无关为O(d)

（4）非结构化拓扑

任意两个结点间存在边（虚拟链路）由概率决定。或者说非结构化的覆盖网络是一个随机图。

每个结点都无法得知全局拓扑网络结构，只知道自己的几个邻居

Flooding泛洪

不能保证性能，网络带宽的消耗非常大，可伸缩性差

Gossip

基于流言的协议（Gossip-based protocols）

• 关于所有节点的表，称为全部视图（total view）

• 每个节点维护一个部分视图（partial view），含有c个邻居结点的列表，表项：=<IP, age>

• 节点之间定期交换表项，由主动线程（可主动发起通信）和被动线程完成

节点的加入：

• 通过与任意一个已知的节点进行试图交换

节点的删除：

• 可自行离开，无需通知其他节点

• 当其他节点发现某节点P不再响应，将其从表中删除

3.3 混合方式

将客户/服务器结构与非集中式结构相结合

例：边界服务器系统（Edge Server）

超级节点：能够维护索引或充当代理的节点

4.客户-服务器模型

服务器（Server）：服务方，实现特性服务的进程

客户（Client）：委托方，请求服务的进程

交互方式：请求-回答（Request-Reply）