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張璟博士中國計算機學會服務計算專業委員會委員中國計算機學會電子政務與辦公自動化專業委員會委員國家重點新產品計劃咨詢專家國家自然科學基金評審專家陜西省計算機學會軟件專業委員會委員西安市信息化專家組專家西安理工大學計算機學院教授博士生導師第1章分布式系統概念教材：1.李西寧，分布式系統,科學出版社,2006年12月。32元參考書：1.【英】GeorgeCoulourisatall.,分布式系統概念與設計（第4版）,金蓓弘譯，機械工業出版社，2008年1月。（69元）2.【美】黃鎧(kaiHwang)等著，武永衛等譯，云計算與分布式系統:從并行處理到物聯網(中文版)，機械工業出版社，2013年1月。（85元）3.陸嘉恒，分布式系統及云計算概論，清華大學出版社，2011年5月。（36元）4.喻堅、韓燕波著，面向服務的計算—原理和應用，清華大學出版社，2006年12月。（30元）5.劉鵬主編，云計算(第二版)，電子工業出版社,2011年5月。（48元）

分布式系統:概念與設計(原書第4版)

本書是衡量所有其他分布式系統教材的標準。－－Amazon.co.uk評

本書前版已被愛丁堡大學、伊利諾伊大學、卡內基-梅隆大學、南加州大學、得克薩斯A&M大學、多倫多大學、羅切斯特理工學院、北京大學等世界眾多名校采納為高級操作系統、計算機網絡、分布式系統課程的教材。DistributedSystems:ConceptsandDesign(4thEdition)(InternationalComputerScienceSeries)(Hardcover)，byJeanDollimore(Author),TimKindberg(Author),GeorgeCoulouris(Author)

§1分布式系統概念

一個分布式系統是一組由網絡聯接的具有獨立功能的計算機，在一套特殊軟件的管理下，整個系統在用戶面前呈現為一個透明的整體。(Tanenbaumetal.2002)一個分布式系統是一組位于網絡計算機上的并發構件，這些構件之間的通信以及任務協調都只能通過消息傳遞進行，其目的是實現資源共享。(Coulourisetal.2005)計算機計算機……….網絡消息傳遞計算機應用軟件（中間件）Adistributedsystemisdefinedasoneinwhichcomponentsatnetworkedcomputers

communicateandcoordinatetheiractionsonlybypassingmessages.

單機系統用戶共享一臺計算機可以訪問所有資源單一時鐘單一系統控制單一地理位置單一故障點分布式系統一組由網絡互聯的、自治的計算機和資源資源為用戶所共享可以集中控制，也可以分布控制計算機可以同構，也可以異構分散的地理位置分布式故障點沒有全局時鐘沒有共享內存（大多數情況）并發性（concurrence)多個程序（進程，線程）并發執行，共享資源沒有全局時鐘(globalclock)每個機器的有各自的時間，沒有辦法做到統一，程序間的協調靠交換消息故障獨立性(independentfailure)一些進程出現故障，并不能保證其它進程都能知道分布式系統的發展簡史系統名稱組織機構網絡要求計算機研制日期CM*卡內基.梅隆大學層次總線PDP1975CambridgeDCS劍橋大學劍橋環LSI-41979Locus加州大學洛杉磯分校以太網PC1980VSystem斯坦佛大學以太網Sun1982Mach卡內基.梅隆大學以太網Sun,PC1985CORBAOMG互聯網任何機器1990DistributedCOM微軟公司互聯網PC1996JINISun

Microsystems互聯網任何機器2000

分布式系統的目標

資源共享透明性開放性可調節性特殊系統：安全性可靠性數據一致性資源共享一些計算機通過網絡連接起來，并在這個范圍內有效地共享資源。共享內容：硬件資源：CPU、Mem、Printer、Disk等。

軟件資源：各種系統或者應用程序數據資源服務媒體流（動態的資源形式）分布式系統的八種透明性形式透明性描述訪問隱蔽數據表達以及資源訪問方法的不同之處位置隱蔽資源所處的物理位置遷移隱蔽資源的物理移動重定位隱蔽正在使用的資源遷移復制隱蔽資源的復制并發隱蔽若干用戶共享同一資源所產生的競爭故障隱蔽資源的故障與排錯恢復持續隱蔽軟件資源所處的存儲空間：內存或磁盤

可調節性：中央控制機制

概念例子中央式服務

所有客戶共享一臺服務器中央式數據

一本聯機的電話目錄中央式算法

集中式資源管理程序

可調節性：分布式控制機制

任何一臺計算機都不可能掌握全局狀態

任何一臺計算機都根據自己的局部信息做出決定

一臺計算機的故障不會導致全局崩潰

不存在全局時鐘

調節對象：系統規模，系統功能，管理結構調節方法：隱蔽通信延遲，資源分布，資源復制等網絡和分布式的區別(1)分布具有各個計算機間相互通訊,

無主從關系；網絡有主從關系(2)分布式系統資源為所有用戶共享；而網絡有限制地共享

(3)分布式系統中若干個計算機可相互協作共同完成一項任務分布式系統舉例典型分布式系統因特網（Internet，萬維網）企業內部網（Intranet）WEB服務/網格系統移動計算無處不在的計算（普及計算、泛計算）分布式系統的一些實例DNS服務分布式文件系統分布式數據庫全球時間定時系統

ATM（銀行自動取款機）全球定位系統自動售貨終端機航空管制系統網絡拍賣系統

典型應用以計算為主的問題

（分布式計算）：

數學計算，環境模擬，生物和仿生，經濟和財政模型，氣象預報，動畫制作，

…以數據為主的問題

（分布式數據）：

數據挖掘,信息檢索，保險分析，圖像處理，

…以通信為主的問題

（網絡應用）：

事務處理，電子商務，遠程文件交換，電子信件，…

SETI@home:搜索外星人

探索外星文明射電天文望遠鏡:Arecibo(305m)地理位置:PuertoRico（波多黎各）接收4,000,000無線電波段下載屏保程序作數據分析中央控制系統分布數據UCBerkeley波多黎各有臺世界上最大的射電望遠鏡，采集來自外太空的各種信號，希望找到外星人試圖與人類溝通的證據。它每天采集50G字節的數據，分析50G數據的工作量，是世界上任何一臺超級計算機都無法完成的。

1999年5月加州大學伯克利分校在網站上發布了一個軟件，邀請志愿者前去下載。當這個軟件安裝在志愿者的計算機上后，以屏幕保護程序的方式工作，每當計算機空閑時，它就自動開始計算，分析一小塊數據，并把計算結果自動發往“在家中搜尋外星人”項目的網站進行匯總。參加者完全出于興趣，免費貢獻自己計算機的處理能力。這個項目取得了巨大成功，參加的人數和所貢獻的計算能力是天文數字。從1999年5月到2004年6月，共有500萬人參加此項計算，貢獻了197萬年的計算機處理時間，完成了5.2×1021次運算。當然，至今尚未找到外星人存在的有力證據。SETI@home第一個通過大規模并行計算完成來自其它宇宙文明社會電波信號的靈敏搜索SETI@home主要集中在檢測窄頻段信號根據頻段對數據進行分塊，這些分塊在本質上是相互獨立的對太空一個位置的觀察得到的結果和另外一個位置得到的結果是相互獨立的把很大的數據集分成大量小塊，每一個計算機能夠比較快的分析出其中的一塊把工作分配到自愿貢獻空閑cpu周期的機器處理4,951,150用戶參加已投入1,879,970年CPU時間已經有1,326,312,701

個結果26DRC5，找出密鑰獎金:$10,000美元RC_56:250天破譯(1997)RC_64:1,757天破譯(2002)RC_72:?例如:RC_64采用64位密鑰，一共有18,446,744,073,709,551,616 可能的密鑰組合有上百萬臺計算機參與這個項目

Distributed．net是個非贏利性質的組織，總部設在美國德州的奧斯汀，網站使用的服務器和寬帶都是志愿者捐贈的，她以破解加密術而著稱。

網站的挑戰項目是美國RSA數據安全公司開發的RC5－56密匙，即對用RC5方式加密具有56位密鎖的密碼文件進行解密。1999年，在經過256天對3．4兆個密匙中的47％個密匙進行試驗后，破譯RC5－56的工作大功告成。

接著Distributed．net又轉到RSA更先進的RC5－64密匙。網站創建者們最初認為，考慮到現有計算機運算能力限制，可能至少要花100年時間才能解開RC5－64。2002年10月7日，Distributed．net宣布，在經過全球331000名電腦高手共同參與，苦心研究了4年之后，他們已破解了RSA數據安全實驗室開發的64位密匙（RC5－64密匙。業內人士認為，這一成果在計算機發展史上具有里程碑般的意義。

28CERN:歐洲核研究組織CERN是世界上最大的核物理研究中心，科學家們試圖通過對粒子的研究尋找宇宙的起源。正在建造一臺大型強子碰撞機:LargeHadronCollider(2007)可能產生的數據:10,000,000GB需要20,000,000張CD來存儲解決方法：網格計算，IBM分布式虛擬存儲和文件管理技術EuropeanOrganization

forNuclearResearch

CERN30分布式系統舉例intranetISPdesktopcomputer:backbonesatellitelinkserver:%networklink:%%%31分布式系統舉例32分布式系統舉例移動計算（mobile，nomadiccomputing）移動設備：筆記本電腦，手持設備，PDA,手機,攝像機,數碼照相機可穿戴設備：計算機手表,數字眼鏡家電設備移動計算的主要核心問題有以下幾方面：無線傳輸技術、無線局域網與802.11、無線個人網與藍牙、無線自組織網絡(adhoc)、移動網絡和mobileIP、傳感器網絡(Sensor)、無線網絡中的傳輸協議等。33分布式系統舉例移動計算在移動中執行計算任務的能力，訪問因特網的資源，位置清楚的計算（location–awarecomputing)：在移動環境中，能夠發現并附近的資源。自組網絡(AdHoc)要解決的問題避免由于移動而需要重新配置的問題（DHCP）無線帶寬有限，需要考慮QoS私秘和安全問題的解決AdHoc網絡的路由問題34分布式系統舉例LaptopMobilePrinterCameraInternetHostintranetHomeintranetWAPWirelessLANphonegatewayHostsite移動計算35無處不在的計算（Ubiquitouscomputing，pervasivecomputing，普適計算、泛計算）指各種小型計算設備更加強大、便宜、小巧，人人都買得起，普及到到現在的日常物品中，成為我們生活中的一部分，而且不被人們注意。它追求的目的是讓“計算機無處不在”，其無處不在性達到這樣一種程度，以至于我們留意不到它的存在。例如，目前研究的可穿戴的計算機就屬于這種技術范疇。分布式系統舉例

普適計算是指無處不在的計算能力。它要建立一個充滿計算和通信能力的環境，同時使這個環境與人們逐漸地融合在一起。普適計算是信息空間與物理空間的融合，在這個融合的空間中人們可以隨時隨地、透明地獲得數字化的服務。

“隨時隨地”指人們可在工作、生活的現場就可以獲得服務,而不需離開這個現場而去端坐在一個專門的計算機面前，即像空氣一樣無所不在。

“透明”指獲得這種服務時不需要花費很多注意力，即這種服務的訪問方式是十分自然的甚至是用戶本身注意不到的，即所謂蘊涵式的交互。從技術上來說，要求普適計算對環境信息具有高度的可感知性，人機交互更自然化，設備和網絡的自動配置和自適應能力更強，所以普適計算的研究涵蓋中間件、移動計算、人機交互、嵌入式技術、傳感器、網絡技術等領域。普適計算要解決的問題包括：擴展性、異構性、不同構件的集成、上下文感知和不可見性(Invisibility)。其中不可見性對普適計算來說是至關重要的，因為它要求系統無需用戶干預或只需要最少干預，也就是要求系統具有自動和動態的配置機制。

普適計算能力是動態變化的，它能把住宅、汽車、辦公室、商店和銀行里的計算設備以及個人計算設備連接起來，為信息、服務和應用提供接入點。為了提供各種服務，執行計算的方式也發生了巨大變化。從集群計算到瘦客戶機，再到家庭娛樂終端的各種應用，為消費者和企業市場提供了一套全新方案。出現了：多人可以使用的計算，計算環境。如交互墻(會議室)、電子白板(教室)。普遍、到處無處不在的計算。個人所擁有的計算，日用品。如可穿戴計算設備。

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

(a)：