1.3　分布式系統的趨勢

分布式系統正在經歷巨大的變化，這可追溯到一系列有影響力的趨勢：

• 出現了泛在聯網技術；
• 出現了無處不在計算，它伴隨著分布式系統中支持用戶移動性的意愿；
• 對多媒體設備的需求增加；
• 把分布式系統作為一個設施。

1.3.1　泛在聯網和現代互聯網

現代互聯網是一個巨大的由多種類型計算機網絡互連的集合，網絡的類型一直在增加，現在包括多種多樣的無線通信技術，如WiFi、WiMAX、藍牙（參見第3章）和第三代移動電話網絡。最終結果是聯網已成為一個泛在的資源，設備可以在任何時間、任何地方被連接（如果愿意）。
圖1-3舉例說明了互聯網的部分典型組成。互聯網上的計算機程序通過傳遞消息進行交互，采用了一種公共的通信手段。互聯網通信機制（互聯網協議）的設計和構造是一項重大的技術成果，它使得一個在某處運行的程序能給另一個地方的程序發送消息。

互聯網也是一個超大的分布式系統。它使得世界各地的用戶都能利用諸如萬維網、電子郵件和文件傳送等服務。（有時，Web被不正確地等同于互聯網。）服務集是開放的，它能夠通過服務器計算機和新的服務的增加而被擴展。圖1-3還展示了許多企業內部網——由公司和其他組織操作的子網，通常受防火墻的保護。防火墻的作用是保護企業內部網，防止未授權的消息進出網絡。8防火墻是通過過濾到達消息和外發消息來實現的。可以在源或目的地進行過濾，或者防火墻可以僅允許與電子郵件和Web訪問相關的消息進出它保護的企業內部網。互聯網服務提供商（Internet Service Provider，ISP）是給個體用戶和小型組織提供寬帶鏈接和其他類型連接的公司，使他們能獲得互聯網上任何地方的服務；同時提供諸如電子郵件和Web托管等本地服務。企業內部網通過主干網實現互相鏈接。主干網是具有高傳送能力的網絡鏈接，通常采用衛星連接、光纜和其他高帶寬線路。
一些組織并不希望將他們的內部網絡連接到互聯網。例如，警察局與其他安全和法律執行機構可能至少有一些內部網與外部世界隔離（沒有與互聯網的任何物理連接——可能是最有效的防火墻）。當內部用戶和外部用戶之間需要資源共享時，對服務的合法訪問受到防火墻的阻礙，也會在分布式系統中出現問題。因此，必須經常用更細粒度的機制和策略（見第11章的討論）作為防火墻的補充。
互聯網和其支持的服務的實現，使得必須開發實用解決方案來解決分布式系統中的許多問題（包括在1.5節中定義的大多數問題）。本書將著重闡述這些解決方案，并在適當的時候說明它們的適用范圍和局限性。9

1.3.2　移動和無處不在計算

設備小型化和無線網絡方面的技術進步已經逐步使得小型和便攜式計算設備集成到分布式系統中。這些設備包括：

• 筆記本電腦。
• 手持設備，包括移動電話、智能電話、GPS設備、傳呼機、個人數字助理（PDA）、攝像機和數碼相機。
• 可穿戴設備，如具有類似PDA功能的智能手表。
• 嵌入在家電（如洗衣機、高保真音響系統、汽車和冰箱）中的設備。

這些設備大多數具有可攜帶性，再加上它們可以在不同地方方便地連接到網絡的能力，使得移動計算成為可能。移動計算是指用戶在移動或訪問某個非常規環境時執行計算任務的性能。在移動計算中，遠離其本地的企業內部網（指工作環境或其住處的企業內部網）的用戶也能通過他們攜帶的設備訪問資源。他們能繼續訪問互聯網，繼續訪問在他們本地內部企業網上的資源。為用戶在其移動時提供資源（如打印機）或方便地利用附近的銷售點的情形也在不斷增加。后者也稱為位置感知或上下文感知的計算。移動性為分布式系統引入了一系列的挑戰，包括需要處理變化的連接甚至斷連、需要在設備移動時維持操作（見1.5.7節關于移動透明性的討論）。
無處不在計算是指對在用戶的物理環境（包括家庭、辦公室和其他自然環境）中存在的多個小型、便宜的計算設備的利用。術語“無處不在”意指小型計算設備最終將在不會引人注意的日常物品中普及。也就是說，它們的計算行為將透明地緊密捆綁到這些日常物品的物理功能上。
各處的計算機只有在它們能相互通信時才變得有用。例如，如果用戶能通過電話或一個“通用遠程控制”設備控制家里的洗衣機和娛樂系統，那么用戶會覺得很方便。而洗衣機在完成洗衣后能通過一個智能徽章或電話通知用戶，也會讓人覺得很方便。
無處不在計算和移動計算有交叉的地方，因為從原理上說，移動用戶能受益于遍布各處的計算機。但一般而言，它們是不同的。無處不在計算能讓待在家里或醫院這樣單一的環境中的用戶受益。類似地，即使移動計算只涉及常見的、分立的計算機和設備（如筆記本電腦和打印機），它還是有優勢的。
圖1-4顯示了一個正在訪問一個組織的用戶。該圖顯示出用戶本地的內部網和用戶正在訪問的內部網。兩個企業內部網都連接到互聯網。

用戶可以使用三種無線連接。筆記本電腦可以連接到被訪問組織的無線LAN。無線LAN覆蓋方圓幾百米的范圍（即建筑物的一層）。10它通過網關或訪問點連接到被訪問組織的企業內部網。用戶還有一部連到互聯網的移動電話，電話可以訪問Web和其他互聯網服務，只是所顯示的內容受限于小的顯示屏幕，電話也可以通過內置的GPS功能提供位置信息。最后，用戶攜帶一臺數碼相機，它能通過一個個域無線網絡（其覆蓋范圍大約為10m）與打印機這樣的設備通信。
利用適當的系統基礎設施，用戶能在其訪問地用他們攜帶的設備完成一些簡單的任務。當用戶到達其訪問的地方時，他能通過移動電話從Web服務器上取得最新的股票價格，也能使用內置的GPS和路由尋找軟件來獲得到達目標位置的方向。在與訪問單位開會時，通過把數碼相機的照片直接發送到會議室的一臺可用的（本地）打印機或投影機上，用戶就能展示最近的照片。這僅僅要求相機和打印機或投影機之間具有無線連接。原則上，用戶可以利用無線LAN或有線的以太網鏈接從筆記本電腦上把文件發送到同一臺打印機。
這個場景說明了支持自發互操作的需求，依靠自發互操作，設備之間的關聯被例行地創建和拆除，定位和使用所訪問地的設備（如打印機）是一個這方面的例子。這種情況下的最大挑戰是讓互操作快速和方便（即自發），即使用戶可能在一個他們以前從來沒有訪問過的環境。這意味著，要讓訪問者的設備在訪問地的網絡上通信，并將設備與合適的本地設備相關聯——這個過程稱為服務發現。
移動和無處不在計算是一個熱門的研究領域，上面提到的多個方面將在第19章深入討論。11

1.3.3　分布式多媒體系統

另一個重要的趨勢是在分布式系統中支持多媒體服務的需求。多媒體支持可以定義為以集成的方式支持多種媒體類型的能力。人們可以期望分布式多媒體系統支持離散類型媒體（如圖片或正文消息）的存儲、傳輸和展示。分布式多媒體系統應該能對連續類型媒體（如音頻和視頻）完成相同的功能，即它應該能存儲和定位音頻或視頻文件，并通過網絡傳輸它們（可能需要以實時的方式，因為流來自攝像機），從而能向用戶展示多種媒體類型，以及在一組用戶中共享多種類型的媒體。
連續媒體的重要特點是它們包括一個時間維度，確實，媒體類型的完整性從根本上依賴于在媒體類型的元素之間保持實時關系。例如，在視頻展示中，保持給定的吞吐量是必要的，它以幀/秒計，而對實時流來說，是給定幀傳遞的最大延遲。（這是服務質量的一個例子，詳細討論見1.5.8節。）
分布式多媒體計算的好處是相當大的，因為能在桌面環境提供大量的新（多媒體）服務和應用，包括訪問實況或預先錄下的電視廣播、訪問提供視頻點播服務的電影資料庫、訪問音樂資料庫、提供音頻和視頻會議設施、提供集成的電話功能（包括IP電話或相關的技術，例如IP電話的一個對等方案Skype，對Skype底層的分布式系統基礎設施的討論見4.5.2節）。注意，該項技術對于制造商重新思考消費類設備方面是革命性的。例如，什么是將來核心的家庭娛樂設備——計算機、電視或游戲控制臺？
網絡播放（webcasting）是分布式多媒體技術的應用。網絡播放是在互聯網上廣播連續媒體（典型的是音頻或視頻）的能力，現在常見以這種方式廣播主要的體育或音樂事件，它經常吸引大量的觀看者（例如，2005年的Live8音樂會在其高峰同時吸引了大約170000名用戶）。
分布式多媒體應用（例如網絡播放）對底層的分布式基礎設施提出了大量的要求，包括：

• 提供對一系列（可擴展的）編碼和加密格式的支持，例如MPEG系列標準（包括如流行的MP3標準，也稱MPEG-1音頻第三層）和HDTV；
• 提供一系列機制來保障所需的服務質量能得到滿足；
• 提供相關的資源管理策略，包括合適的調度策略，來支持所需的服務質量；
• 提供適配策略來處理在開放系統中不可避免的場景，即服務質量不能得到滿足或維持。

這些機制的進一步討論可以在第20章找到。12

1.3.4　把分布式計算作為一個公共設施

隨著分布式系統基礎設施的不斷成熟，不少公司在推廣這樣的觀點：把分布式資源看成一個商品或公共設施，把分布式資源和其他公用設施（例如水或電）進行類比。采用這個模型，資源通過合適的服務提供者提供，能被最終用戶有效地租賃而不是擁有。這種模型可以應用到物理資源和更多的邏輯服務上。

• 聯網的計算機可用諸如存儲和處理這樣的物理資源，從而無須自己擁有這樣的資源。從一個維度看，用戶可以為其文件存儲（例如，照片、音樂或視頻等多媒體數據的存儲）需求和/或文件備份需求選擇一個遠程存儲設施。類似地，利用這個方法，用戶能租用一個或多個計算結點，從而滿足他們的基本計算需求或者完成分布式計算。從另一個維度看，用戶現在能用像Amazon和Google之類的公司提供的服務訪問復雜的數據中心（網絡化的設施，為用戶或機構提供對擁有大量數據的數據倉庫的訪問）或計算基礎設施。操作系統虛擬化是該方法關鍵的使能技術，它意味著實際上可以通過一個虛擬的而不是物理的結點為用戶提供服務。這從資源管理角度給服務提供者提供了更大的靈活性（關于操作系統虛擬化的詳細討論見第7章）。
• 用這種方法，軟件服務（其定義見1.4節）也能跨全球互聯網使用。確實，許多公司現在提供一整套服務用于租賃，包括諸如電子郵件和分布式日歷之類的服務。例如，Google將其旗下的一系列業務服務捆綁成Google Apps［www.google.com I］。軟件服務所遵循的標準，例如Web服務（見第9章）提供的標準，使得這類開發成為可能。

關于計算作為公共設施，術語云計算（cloud computing）被用來刻畫其前景。云被定義成一組基于互聯網的應用，并且足以滿足大多數用戶需求的存儲和計算服務的集合，這使得用戶能大部分或全部免除本地數據存儲和應用軟件的使用（見圖1-5）。

　圖1-5　云計算該術語也推廣“把每個事物看成一個服務”的觀點，從物理或虛擬基礎設施到軟件，這樣，服務經常根據使用而非購買來支付費用。注意，云計算減少了對用戶設備的需求，允許非常簡單的桌面或便攜式設備來訪問可能很廣范圍內的資源和服務。
通常，云實現在集群計算機上，從而提供每個服務所要求的必要的伸縮性和性能。集群計算機（cluster computer）是互連的計算機集合，它們緊密協作提供單一的、集成的高性能計算能力。在諸如Berkeley的NOW（Network of Workstations）項目［Anderson et al.1995,now.cs.berkeley.edu］和NASA的Beowulf項目［www.beowulf.org］的基礎上，現在的趨勢是計算機和互連網絡都朝著利用商用硬件的方向發展。13大多數集群由商用PC組成，這些PC運行操作系統（如Linux）的標準版本（有時是縮減版），并通過局域網互聯。諸如HP、Sun和IBM等公司提供了刀片解決方案。刀片服務器（blade server）是最小的包含處理和（主存）存儲能力的計算元素。刀片系統由包含在一個刀片機架中的大量刀片服務器組成。其他元素例如電源、冷卻、持久存儲（磁盤）、聯網和顯示，或是由機架提供或是通過虛擬化解決方案提供（相關討論見第7章）。通過這個解決方案，單個刀片服務器比商用PC更小，也更便宜。
集群服務器的總目的是提供一系列的云服務，包括高性能計算能力、大容量存儲（例如通過數據中心）、豐富的應用服務（如Web搜索——Google依賴大容量集群計算機體系結構來實現其搜索引擎和其他服務，相關討論見第21章）。
網格計算（相關討論見第9章9.7.2節）也能被看成是一種云計算。大量的術語是同義的，偶爾定義得不清楚，但網格計算通常被看成是云計算這種更通用模式的先驅，它只是偏重于支持科學計算。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的《分布式系统：概念与设计》一1.3　分布式系统的趋势的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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