Таненбаум Э. Распределенные системы. Принципы и парадигмы

Подождите немного. Документ загружается.

Самостоятельное изучение 21

Глава Тема Разделы

8 Защита

9 Распределенные системы объектов

10 Распределенные файловые системы

11 Распределенные системы документов

12 Распределенные системы

согласования

8.1.8.2.1,8.2.2,8.3,8.4

9.1,9.2,9.4

10.1.

10.4

11.1

12.1,

12.2 или 12.3

Было бы неплохо, если бы можно было заранее оценить время, необходимое

на усвоение рекомендуемого материала, однако это время определяется базовы-

ми знаниями читателя. Тем не менее даже если этот материал читать по вечерам

после работы, на него потребуется максимум несколько недель.

Глава 1

Введение

1.1.

Определение распределенной системы

1.2. Задачи

1.3. Концепции аппаратных решений

1.4. Концепции программных решений

1.5. Модель клиент-сервер

1.6. Итоги

Компьютерные системы претерпевают революцию. С 1945 года, когда началась

эпоха современных компьютеров, до приблизительно 1985 года компьютеры бы-

ли большими и дорогими. Даже мини-компьютеры стоили сотни тысяч долларов.

В результате большинство организаций имели в лучшем случае лишь несколько

компьютеров, и, поскольку методы их соединения отсутствовали, эти компьюте-

ры работали независимо друг от друга.

Однако в середине восьмидесятых под воздействием двух технологических

новинок ситуация начала меняться. Первой из этих новинок была разработка

мощных микропроцессоров. Изначально они были 8-битными, затем стали дос-

тупны 16-, 32- и 64-битные процессоры. Многие из них обладали вычислитель-

ной мощностью мэйнфреймов (то есть больших компьютеров), но лишь частью

их цены.

Скорость роста, наблюдавшаяся в компьютерных технологиях в последние

полвека, действительно потрясает. Ей нет прецедентов в других отраслях. От ма-

шин, стоивших 100 миллионов долларов и выполнявших одну команду в секунду,

мы пришли к машинам, стоящим 1000 долларов и выполняющим 10 миллионов

команд в секунду. Разница в соотношении цена/производительность достигла

порядка 10^^. Если бы автомобили за этот период совершенствовались такими же

темпами, «роллс-ройс» сейчас стоил бы один доллар и проходил миллиард миль на

одном галлоне бензина (к сожалению, к нему потребовалось бы 200-страничное

руководство по открыванию дверей).

Второй из новинок было изобретение высокоскоростных компьютерных се-

тей.

Локальные сети {Local-Area Networks, LAN) соединяют сотни компьютеров,

находящихся в здании, таким образом, что машины в состоянии обмениваться

1.1.

Определение распределенной системы 23

небольшими порциями информации

за

несколько микросекунд. Большие масси-

вы да1И1ых передаются

машины на машину со скоростью

от

10 до 1000 Мбит/с.

Глобальные сети (Wide-Area Networks,

WAN)

позволяют миллионам машин

во

всем мире обмениваться информацией

со

скоростями, варьирующимися

от

64 кбит/с (килобит

секунду)

до

гигабит

секунду.

В результате развития этих технологий сегодня не просто возможно, но

дос-

таточно легко можно собрать компьютерную систему, состоящую

из

множества

компьютеров, соединенных высокоскоростной сетью.

Она

обычно называется

компьютерной сетью, или

распределенной системой

{distiibuted system),

отли-

чие

от

предшествовавших

ей

централизованнъих {centralized

systems),

или

одно-

процессорных {single-processor

systems),

систем, состоявших

из

одного компьюте-

ра, его периферии

и,

возможно, нескольких удаленных терминалов.

1.1.

Определение распределенной

системы

в литературе можно найти различные определения распределенных систем, при-

чем

ни

одно

из

них

не

является удовлетворительным

и не

согласуется

осталь-

ными. Для наших задач хватит достаточно вольной характеристики.

Распределенная система — это набор независимых компьютеров, представляющийся их поль-

зователям единой объединенной системой.

В этом определении оговариваются два момента. Первый относится

аппара-

туре:

все машины автономны. Второй касается программного обеспечения: поль-

зователи думают, что имеют дело с единой системой. Важны оба момента. Позже

в этой главе мы

ним вернемся,

но

сначала рассмотрим некоторые базовые

во-

просы, касающиеся

как

аппаратного,

так и

программного обеспечения.

Возможно, вместо того чтобы рассматривать определения, разумнее будет со-

средоточиться

на

важных характеристиках распределенных систем. Первая

из та-

ких характеристик состоит

том, что

от

пользователей скрыты различия между

компьютерами и способы связи между ними. То же самое относится

и к

внешней

организащп! распределенных систем. Другой важной характеристикой распреде-

ленных систем является способ, при помощи которого пользователи

приложе-

ния едрпюобразно работают

распределенных системах, независимо

от

того,

где

и когда происходит

их

взаимодействие.

Распределенные системы должны также относительно легко поддаваться рас-

ширению,

или

масштабированрпо. Эта характеристика является прямым следст-

вием наличия независимых компьютеров,

но в то же

время

не

указывает,

ка-

ким образом

эти

компьютеры

на

самом деле объединяются

едгпгую систему.

Распределенные системы обычно существуют постоянно, однако некоторые

их

части могут временно выходить

из

строя. Пользователи

приложения не долж-

ны уведомляться

том,

что эти

части заменены

или

починены

или что

добав-

24 Глава 1. Введение

лены новые части для поддержки дополнительных пользователей или прило-

жений.

Для того чтобы поддержать представление различных компьютеров и сетей

в виде единой системы, организация распределенных систем часто включает

в себя дополнительный уровень программного обеспечения, находящийся между

верхним уровнем, на котором находятся пользователи и приложения, и нижним

уровнем, состоящим из операционных систем, как показано на рис. 1.1. Соответ-

ственно, такая распределенная система обычно называется системой промежу-

точного уровня (middleware).

Машина А

Машина В

Машина С

Распределенные приложения

Служба промежуточного уровня

Локальная ОС Локальная ОС Локальная ОС

Сеть

Рис. 1.1. Распределенная система организована в виде службы промежуточного уровня.

Отметим,

что промежуточный уровень распределен среди множества компьютеров

Взглянем теперь на некоторые примеры распределенных систем. В качестве

первого примера рассмотрим сеть рабочих станций в университете или отделе

компании. Вдобавок к персональной рабочей станции каждого из пользователей

имеется пул процессоров машинного зала, не назначенных заранее ни одному из

пользователей, но динамически выделяемых им при необходимости. Эта распре-

деленная система может обладать единой файловой системой, в которой все

файлы одинаково доступны со всех машрш с использованием постоянного пути

доступа. Кроме того, когда пользователь набирает команду, система может найти

наилучшее место для выполнения запрашиваемого действия, возможно, на соб-

ственной рабочей станции пользователя, возможно, на простаивающей рабочей

станции, принадлежащей кому-то другому, а может быть, и на одном из свобод-

ных процессоров машинного зала. Если система в целом выглядит и ведет себя

как классическая однопроцессорная система с разделением времени (то есть

многопользовательская), она считается распределенной системой. В качестве вто-

рого примера рассмотрим работу информационной системы, которая поддержива-

ет автоматическую обработку заказов. Обычно подобные системы используются

сотрудниками нескольких отделов, возможно в разных местах. Так, сотрудники

отдела продаж могут быть разбросаны по обширному региону или даже по всей

стране. Заказы передаются с переносных компьютеров, соединяемых с системой

при помощи телефонной сети, а возможно, и при помощи сотовых телефонов.

Приходящие заказы автоматически передаются в отдел планирования, превра-

щаясь там во внутренние заказы на поставку, которые поступают в отдел достав-

1.2. Задачи 25

ки,

и в заявки на оплату, поступающие в бухгалтерию. Система автоматически

пересылает эти документы имеющимся на месте сотрудникам, отвечающим за их

обработку. Пользователи остаются в полном неведении о том, как заказы на са-

мом деле курсируют внутри системы, для них все это представляется так, будто

вся работа происходит в централизованной базе данных.

В качестве последнего примера рассмотрим World Wide Web. Web предо-

ставляет простую, целостную и единообразную модель распределенных докумен-

тов.

Чтобы увидеть документ, пользователю достаточно активизировать ссылку.

После этого документ появляется на экране. В теории (но определенно не в теку-

щей практике) нет необходимости знать, с какого сервера доставляется документ,

достаточно лишь информации о том, где он расположен. Публикация документа

очень проста: вы должны только задать ему уникальное имя в форме унифициро-

ванного

указателя

ресурса {Uniform Resouixe

Locator,

URL),

которое ссылается на

локальный файл с содержимым документа. Если бы Всемирная паутина пред-

ставлялась своим пользователям гигантской централизованной системой доку-

ментооборота, она также могла бы считаться распределенной системой. К сожа-

лению, этот момент еще не наступил. Так, пользователи сознают, что документы

находятся в различных местах и распределены по различным серверам.

1.2. Задачи

Возможность построения распределенных систем еще не означает полезность

этого. Современная технология позволяет подключить к персональному компью-

теру четыре дисковода. Это возможно, но бессмысленно. В этом разделе мы обсу-

дим четыре важных задачи, решение которых делает построение распределенных

систем осмысленным. Распределенные системы могут легко соединять пользова-

телей с вычислительными ресурсами и успешно скрывать тот факт, что ресурсы

разбросаны по сети

.и

могут быть открытыми и масштабируемыми.

1.2.1.

Соединение пользователей

с ресурсами

Основная задача распределенных систем — облегчить пользователям доступ

к удаленным ресурсам и обеспечить их совместное использование, регулируя

этот процесс. Ресурсы могут быть виртуальными, однако традиционно они вклю-

чают в себя принтеры, компьютеры, устройства хранения данных, файлы и дан-

ные.

Web-страницы и сети также входят в этот список. Существует множество

причин для совместного использования ресурсов. Одна из очевидных

—

это эко-

номичность. Например, гораздо дешевле разрешить совместную работу с принте-

ром нескольких пользователей, чем покупать и обслуживать отдельный принтер

для каждого пользователя. Точно так же имеет смысл совместно использовать

дорогие ресурсы, такие как суперкомпьютеры или высокопроизводительные хра-

нилища данных.

26 Глава 1. Введение

Соединение пользователей

ресурсов также облегчает кооперацию

обмен

информацией,

что

лучше всего иллюстрируется успехом Интернета

с его

про-

стыми! протоколами

для

обмена файлами, почтой, документами, аудио-

видео-

информацией. Связь через Интернет

настоящее время привела

появлению

многочисленных виртуальных организаций,

которых географически удален-

ные друг

от

друга группы сотрудников работают вместе

при

помощи систем

групповой

работы

(groupware) —

программ

для

совместного редактирования

до-

кументов, проведения телеконференций

и т. п.

Подобным

же

образом подключе-

ние

Интернету вызвало

жизни электронную коммерцию, позволяющую

нам

покупать

продавать любые виды товаров, обходясь

без

реального посещения

магазина.

Однако

по

мере роста числа подключений

степени совместного использова-

ния ресурсов все более

более важными становятся вопросы безопасности.

со-

временной практике системы имеют слабую защиту

от

подслушивания

или

вторжения

по

линиям связи. Пароли

другая особо важная информация часто

пересылаются

по

сетям открытым текстом

(то

есть незашифрованными)

или

хранятся

на

серверах, надежность которых

не

подтверждена ничем, кроме нашей

веры. Здесь имеется еще очень много возможностей

для

улучшения. Так, напри-

мер,

настоящее время

для

заказа товаров необходимо просто сообщить

но-

мер своей кредитной карты. Редко требуется подтверждерпте того,

что

покупа-

тель деР1Ствительно владеет этой картой.

будущем заказ товара таким образом

будет возможен только

в том

случае, если

вы

сможете физически подтвердить

факт обладания этой картой

при

помощи считывателя карт.

Другая проблема безопасности состоит в том, что прослеживание коммуникаций

позволяет построить профиль предпочтений конкретного пользователя

[485].

Подобное отслеживание серьезно нарушает права личности, особенно если про-

изводится

без

уведомления пользователя. Связанная

этим проблема состоит

в том,

что

рост подключений ведет

росту нежелательного общегпш, такого

как

получаемые по электронной почте бессмысленные письма,

так

называемый спам.

Единственное,

что мы

можем сделать

этом случае,

это

защитить себя, исполь-

зуя специальные информационные фильтры, которые сортируют входящие

со-

общения

на

основании

их

содержимого.

1.2.2.

Прозрачность

Важная задача распределенных систем состоит в том, чтобы скрыть тот факт,

что

процессы

ресурсы физически распределены

по

множеству компьютеров. Рас-

пределенные сргстемы, которые представляются пользователям

приложениям

в виде единой компьютерной системы, называются прозрачными {transparent).

Рассмотрим сначала,

как

прозрачность реализуется

распределенных системах,

а затем зададимся вопросом, зачем вообще

она

нужна.

Прозрачность

распределенных системах

Концепция прозрачности,

как

видно

из

табл. 1.1, применима

различным аспек-

там распределенных систем

[210].

1.2. Задачи 27

Таблица 1.1. Различные формы прозрачности в распределенных системах

Прозрачность Описание

Доступ Скрывается разница в представлении данных

и доступе к ресурсам

Местоположение Скрывается местоположение ресурса

Перенос Скрывается факт перемещения ресурса в другое место

Смена местоположения Скрывается факт перемещения ресурса в процессе

обработки в другое место

Репликация Скрывается факт репликации ресурса

Параллельный доступ Скрывается факт возможного совместного использования

ресурса несколькими конкурирующими пользователями

Отказ Скрывается отказ и восстановление ресурса

Сохранность Скрывается, хранится ресурс (программный) на диске

или находится в оперативной памяти

Прозрачность

доступа

{access transparency)

призвана скрыть разницу в пред-

ставлении данных и в способах доступа пользователя к ресурсам. Так, при пере-

сылке целого числа с рабочей станции на базе процессора Intel на Sun SPARC

необходимо принять во внимание, что процессоры Intel оперируют с числами

формата «младший

—

последним» (то есть первым передается старший байт),

а процессор SPARC использует формат «старший

—

последним» (то есть пер-

вым передается младший байт). Также в данных могут присутствовать и другие

несоответствия. Например, распределенная система может содержать компьюте-

ры с различными операционными системами, каждая из которых имеет собст-

венные ограничения на способ представления имен файлов. Разница в ограни-

чениях на способ представления имен файлов, так же как и собственно работа

с ними, должны быть скрыты от пользователей и приложений.

Важная группа типов прозрачности связана с местоположением ресурсов.

Прозрачность местоположения {location transparency)

призвана скрыть от поль-

зователя, где именно физически расположен в системе нужный ему ресурс. Важ-

ную роль в реализации прозрачности местоположения играет именование. Так,

прозрачность местоположения может быть достигнута путем присвоения ресур-

сам только логических имен, то есть таких имен, в которых не содержится зако-

дированных сведений о местоположении ресурса. Примером такого имени мо-

жет быть URL: http://~wiv.prenhall.com/index.html, в котором не содержится

никакой информации о реальном местоположении главного web-сервера изда-

тельства Prentice Hall. URL также не дает никакой информации о том, находил-

ся ли файл index.html в указанном месте постоянно или оказался там недавно.

О распределенных системах, в которых смена местоположения ресурсов не влияет

на доступ к ним, говорят как об обеспечивающих

прозрачность

переноса {mig-

ration transparency). Более серьезна ситуация, когда местоположение ресурсов

может измениться в процессе их использования, причем пользователь или при-

ложение ничего не заметят. В этом случае говорят, что система поддерживает

прозрачность

смены

местопололсения {relocation

transparency).

Примером могут

28 Глава 1. Введение

служить мобильные пользователи, работающие с беспроводным переносным

компьютером и не отключающиеся (даже временно) от сети при перемещении

с места на место.

Как мы увидим, репликация имеет важное значение в распределенных систе-

мах. Так, ресурсы могут быть реплицированы для их лучшей доступности или

повышения их производительности путем помещения копии неподалеку от того

места, из которого к ней осуществляется доступ.

Прозрачность

репликации {rep-

lication

transparency) позволяет скрыть тот факт, что существует несколько ко-

пий ресурса. Для скрытия факта репликации от пользователей необходимо, чтобы

все реплики имели одно и то же имя. Соответственно, система, которая поддер-

живает прозрачность репликащп^, должна поддерживать и прозрачность место-

положения, поскольку иначе невозможно будет обращаться к репликам без ука-

зания их истинного местоположения.

Мы часто упоминаем, что главная цель распределенных систем

—

обеспечить

совместное использование ресурсов. Во многих случаях совместное использова-

ние ресурсов достигается посредством кооперации, например в случае коммугп!-

каций. Однако существует множество примеров настоящего совместного исполь-

зования ресурсов. Например, два независихмых пользователя могут сохранять

свои файлы на одном файловом сервере или работать с одной и той же таблицей

в совместно используемой базе данных. Следует отметить, что в таких случаях

ни один из пользователей не имеет никакого понятия о том, что тот же ресурс

задействован другим пользователем. Это явление называется прозрачностью

параллелыюго доступа (сопсигтепсу

transparency).

Отметим, что подобный парал-

лельный доступ к совместно используемому ресурсу сохраняет этот ресурс в не-

противоречивом состоянии. Непротиворечивость может быть обеспечена ме-

ханизмом блокР1ровок, когда пользователи, каждый по очереди, получают

исключительные права на запрашиваемый ресурс. Более изощренный вариант

—

использование транзакций, однако, как мы увидим в следующих главах, меха-

низм транзакций в распределенных системах труднореализуем.

Популярное альтернативное определение распределенных систем, принадле-

жащее Лесли Лампорт (Leslie Lamport), выглядит так: «Вы понимаете, что у вас

есть эта штука, поскольку при поломке компьютера вам никогда не предлагают

приостановить работу». Это определение указывает еще на одну важную сторо-

ну распределенных систем: прозрачность отказов.

Прозрачность отказов

{failure

transparency)

означает, что пользователя никогда не уведомляют о том, что ре-

сурс (о котором он мог никогда и не слышать) не в состоянии правильно рабо-

тать и что система далее восстановилась после этого повреждения. Маскировка

сбоев

—

это одна из сложнейших проблем в распределенных системах и столь же

необходимая их часть. Определенные соображения по этому поводу будут при-

ведены в главе 7. Основная трудность состоит в маскировке проблем, возникаю-

щих в связи с невозможностью отличить неработоспособные ресурсы от ресур-

сов с очень медленным доступом. Так, контактируя с перегруженным web-серве-

ром, браузер выжидает положенное время, а затем сообщает о недоступности

страницы. При этом пользователь не должен думать, что сервер и правда не ра-

ботает.

1.2. Задачи 29

Последний тип прозрачности, который обычно ассоциируется с распределен-

ными системами,

—

это

прозрачность сохранности {persistence

transparency),

мас-

кирующая реальную (диск) или виртуальную (оперативная память) сохранность

ресурсов. Так, например, многие объектно-ориентированные базы данных пре-

доставляют возможность непосредственного вызова методов для сохраненных

объектов. За сценой в этот момент происходит следующее: сервер баз данных

сначала копирует состояние объекта с диска в оперативную память, затем вы-

полняет операцию и, наконец, записывает состояние на устройство длительного

хранения. Пользователь, однако, остается в неведении о том, что сервер переме-

щает данные между оперативной памятью и диском. Сохранность играет важ-

ную роль в распределенных системах, однако не менее важна она и для обычных

(не распределенных) систем.

Степень прозрачности

Хотя прозрачность распределения в общем желательна для всякой распределен-

ной системы, существуют ситуации, когда попытки полностью скрыть от пользо-

вателя всякую распределенность не слишком разумны. Это относится, например,

к требованию присылать вам свежую электронную газету до 7 утра по местному

времени, особенно если вы находитесь на другом конце света и живете в другом

часовом поясе. Иначе ваша утренняя газета окажется совсем не той утренней га-

зетой, которую вы ожидаете.

Точно так же в глобальной распределенной системе, которая соединяет про-

цесс в Сан-Франциско с процессом в Амстердаме, вам не удастся скрыть тот факт,

что мать-пррфода не позволяет пересылать сообщения от одного процесса к дру-

гому быстрее чем за примерно 35 мс. Практика показывает, что при использова-

нии компьютерных сетей на это реально требуется несколько сотен миллисе-

кунд. Скорость передачи сигнала ограничивается не столько скоростью света,

сколько скоростью работы промежуточных переключателей.

Кроме того, существует равновесие между высокой степенью прозрачности

и производительностью системы. Так, например, многие приложения, предназна-

ченные для Интернета, многократно пытаются установить контакт с сервером,

пока, наконец, не откажутся от этой затеи. Соответственно, попытки замаскиро-

вать сбой на промежуточном сервере, вместо того чтобы попытаться работать че-

рез другой сервер, замедляют всю систему. В данном случае было бы эффектив-

нее как можно быстрее прекратить эти попытки или по крайней мере позволить

пользователю прервать попытки установления контакта.

Еще один пример: мы нуждаемся в том, чтобы реплики, находящиеся на раз-

ных континентах, были в любой момент гарантированно идентичны. Другими

словами, если одна копия изменилась, изменения должны распространиться на

все системы до того, как они выполнят какую-либо операцию. Понятно, что оди-

ночная операция обновления может в этом случае занимать до нескольких се-

кунд и вряд ли возможно проделать ее незаметно для пользователей.

Вывод из этих рассуждений следующий. Достижение прозрачности распреде-

ления

—

это разумная цель при проектировании и разработке распределенных

30 Глава 1. Введение

систем, но она не должна рассматриваться в отрыве от других характеристик

системы, например производительности.

1.2.3. Открытость

Другая важная характеристика распределенных систем — это открытость.

Открытая распределенная система {open distributed system) — это система, пред-

лагающая службы, вызов которых требует стандартные синтаксис и семантику.

HanppiMep, в компьютерных сетях формат, содержимое и смысл посылаемых и при-

нимаемых сообщений подчиняются типовым правилам. Эти правила формализо-

ваны в протоколах. В распределенных системах службы обычно определяются

через интерфейсы {interfaces), которые часто описываются при помощи языка

определения интерфейсов {Interface Definition Language, IDL), Описание интер-

фейса на IDL почти исключительно касается српгтаксиса служб. Другими слова-

ми,

оно точно отражает имена доступных функций, типы параметров, возвращае-

мых значений, исключительные ситуации, которые могут быть возбуждены

службой и т. п. Наиболее сложно точно опрюать то, что делает эта служба, то есть

семантику интерфейсов. На практике подобные спецификации задаются нефор-

мально, посредством естественного языка.

Будучи правильно описанным, определение интерфейса допускает возмож-

ность совместной работы произвольного процесса, нуждающегося в таком интер-

фейсе, с другим произвольным процессом, предоставляющим этот интерфейс. Оп-

ределение интерфейса также позволяет двум независимым группам создать

абсолютно разные реализации этого интерфейса для двух различных распреде-

ленных систем, которые будут работать абсолютно одинаково. Правильное опреде-

ление самодостаточно и нейтрально. «Самодостаточно» означает, что в нем име-

ется все необходимое для реализации интерфейса. Однако многие определения

интерфейсов сделаны самодостаточными не до конца, поскольку разработчикам

необходимо включать в них специфические детали реализации. Важно отметить,

что спецификация не определяет внешний вид реализации, она должна быть

нейтральной. Самодостаточность и нейтральность необходимы для обеспечения

переносимости и способности к взаимодействию [65]. Способность к взаимодей-

ствию {interoperability) характеризует, насколько две реализации систем или

компонентов от разных производителей в состоянии совместно работать, полага-

ясь только на то, что службы каждой из них соответствуют общему стандарту.

Переносимость {poitability) характеризует то, насколько приложение, разрабо-

танное для распределенной системы Л, может без изменений выполняться в рас-

пределенной системе В, реализуя те же, что и в Л интерфейсы.

Следующая важная характеристика открытых распределенных систем — это

гибкость. Под гибкостью мы понимаем легкость конфигурирования системы, со-

стоящей из различных компонентов, возможно от разных производителе!!. Не

должны вызывать затруднений добавление к системе новых компонентов или

замена существующих, при этом прочие компоненты, с которыми не производи-

лось никаких действий, должны оставаться неизменными. Другими словами, от-