Введение в распределенные

Требования к распределенным системам

Эффективная распределенная система должна обладать следующими свойствами: прозрачность (англ. transparency), открытость (англ. openness), безопасность (англ. security), масштабирование (англ. scalability). Однако стоит отметить, что, несмотря на кажущуюся простоту и очевидность перечисленных свойств, их реализация на практике часто представляет собой непростую задачу.

1. Прозрачность (Transparency)

Под прозрачностью распределенной системы понимают ее способность скрывать свою распределенную природу, а именно, распределение процессов и ресурсов по множеству компьютеров, и представляться для пользователей и разработчиков приложений в виде единой централизованной компьютерной системы. Стандарты эталонной модели для распределенной обработки в открытых системах Reference Model for Open Distributed Processing (RM-ODP) определяют несколько типов прозрачности. Наиболее важные из них перечислены ниже.

• 
  Прозрачность доступа (англ. access transparency). Вне зависимости от способов доступа к ресурсам и их внутреннего представления, обращения к локальным и удаленным ресурсам осуществляется одинаковым образом. На базовом уровне скрывается разница архитектур вычислительных платформ, но, что более важно, достигается соглашение о том, как ресурсы разнородных машин, будут представляться пользователям распределенной системы единым образом. В качестве примера можно привести прикладной программный интерфейс (англ. application programming interface, API) для работы с файлами, хранящимися на множестве компьютеров различных архитектур, который предоставляет одинаковые вызовы операций как с локальными, так и с удаленными файлами.
  
• 
  Прозрачность местоположения (англ. location transparency). Позволяет обращаться к ресурсам без знания их физического местоположения. В этом случае имя запрашиваемого ресурса не должно давать никакого представления о том, где ресурс расположен. Поэтому важную роль для обеспечения прозрачности местоположения играет именование ресурсов. Например, чтобы отправить электронное сообщение на адрес [e-mail] не требуется знать физического местоположения получателя, его почтового ящика или почтового сервера. В свою очередь обращение к файлу \\server\foo подразумевает знание имени сервера, на котором он расположен, а значит, не является полностью прозрачным с точки зрения местоположения.
  
• 
  Прозрачность перемещения (англ. migration transparency). Перемещение ресурса или процесса в другое физическое местоположение остается незаметным для пользователя распределенной системы. Здесь стоит отметить, что выполнение требования прозрачности местоположения не гарантирует прозрачности перемещения. Другими словами, если распределенная система скрывает местоположение ресурса, это не означает, что его можно сменить незаметно для пользователя. Например, распределенные файловые системы позволяют монтировать файловые системы удаленных компьютеров в локальное пространство имен клиента, предоставляя единое дерево каталогов и тем самым обеспечивая прозрачность местоположения. Однако если файлы на удаленных компьютерах будут перемещены в другое место, в большей части распределенных файловых систем они станут недоступны для пользователя.
  
• 
  Прозрачность смены местоположения (англ. relocation transparency). Более строгое по отношению к предыдущему требование скрыть факт перемещения ресурса во время его использования. Примером могут служить мобильные пользователи,
  

использующие сотовые телефоны. В этом случае, если рассматривать вызывающего абонента в качестве пользователя распределенной системы, а вызываемого – в качестве ее ресурса, то система будет прозрачной с точки зрения смены местоположения. Действительно, перемещение "ресурса" из соты в соту в процессе разговора остается незаметным для звонящего.

• 
  Прозрачность репликации (англ. replication transparency). Если для повышения доступности или увеличения производительности используется несколько копий ресурса (реплик), этот факт остается скрытым от пользователя, и он полагает, что в системе присутствует только один экземпляр ресурса. Для обеспечения прозрачности репликации необходимо, чтобы все реплики имели одно и то же имя, очевидно, не зависящее от местоположения копии ресурса. Таким образом, системы, которые обеспечивают прозрачность репликации, также должны поддерживать и прозрачность местоположения.
  
• 
  Прозрачность одновременного доступа (англ. concurrency transparency). Позволяет нескольким пользователям (конкурирующим процессам) одновременно выполнять операции над общим, совместно используемым ресурсом без взаимного влияния друг на друга. Иначе говоря, скрывается факт использования ресурса другими пользователями (процессами). Стоит отметить, что сам ресурс должен оставаться в непротиворечивом состоянии, что может достигаться, например, с помощью механизма блокировок, когда пользователи (процессы) по очереди получают исключительные права на запрашиваемый ресурс.
  
• 
  Прозрачность отказов (англ. failure transparency). Подразумевается, что система должна пытаться скрывать частичные отказы, позволяя пользователям и приложениям выполнить свою работу вне зависимости от сбоев в аппаратных или программных компонентах распределенной системы, а также скрывать факт их последующего восстановления. В связи с тем, что любой процесс, компьютер или сетевое соединение могут отказывать независимо от других в произвольные моменты времени, каждый компонент распределенной системы должен быть готов к сбоям в других компонентах и обрабатывать подобные ситуации соответствующим образом.
  

Степень прозрачности. Важно отметить, что степень, до которой каждое из перечисленных выше свойств должно быть выполнено, может сильно варьироваться в зависимости от задач построения распределенной системы. Действительно, полностью скрыть распределение процессов и ресурсов вряд ли удастся. Из-за ограничения в скорости передачи сигнала, задержка на обращение к ресурсам, территориально удаленным от клиента, всегда будет больше, чем к ресурсам, расположенным поблизости.
Поэтому не каждая система в состоянии или даже должна пытаться скрывать все свои особенности от пользователя. Обычно, это утверждение выражается в поиске компромисса между прозрачностью распределенной системы и ее производительностью.
Например, если для повышения отказоустойчивости в системе присутствуют географически распределенные копии ресурса, то поддержка их идентичного состояния для обеспечения прозрачности репликации потребует гораздо большего времени выполнения каждой операции обновления. Другими словами, каждая операция обновления должна будет распространиться на все реплики до того, как будет разрешена следующая операция с данным ресурсом. Или, например, многие приложения предпринимают несколько последовательных попыток связаться с сервером, пытаясь скрыть его временную недоступность, тем самым замедляя работу системы. Однако, в некоторых случаях, например, если на самом деле сервер вышел из строя, было бы разумнее сразу уведомить пользователя о недоступности ресурса.

2.