分布式計(jì)算技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r研究

王欣

（太原旅游職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030006）

分布式計(jì)算技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r研究

王欣

（太原旅游職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030006）

分布式計(jì)算技術(shù)是把網(wǎng)絡(luò)上分散于各處的資源匯聚起來，利用空閑的計(jì)算容量完成各種大規(guī)模、復(fù)雜的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。文章研究總結(jié)了目前分布式計(jì)算技術(shù)的主流技術(shù)和新一代分布式計(jì)算技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)，討論分析了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了分布式計(jì)算技術(shù)存在的問題并展望了未來。

分布式計(jì)算；中間件；Web服務(wù)；網(wǎng)格

分布式計(jì)算就是在兩個(gè)或多個(gè)軟件互相共享信息，這些軟件既可以在同一臺計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，也可以在通過網(wǎng)絡(luò)連接起來的多臺計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。分布式計(jì)算的研究主要是分布式操作系統(tǒng)和分布式計(jì)算環(huán)境兩個(gè)方面。隨著因特網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，分布式計(jì)算的研究從傳統(tǒng)的以分布式操作系統(tǒng)為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐跃W(wǎng)絡(luò)平臺為中心的實(shí)用分布式技術(shù)，并取得了一定的成功。在過去的20多年間出現(xiàn)了大量的分布式計(jì)算技術(shù)，如中間件技術(shù)、移動(dòng)Agent技術(shù)、P2P技術(shù)以及最近推出的Web服務(wù)技術(shù)和網(wǎng)格技術(shù)等。每一種技術(shù)都得到了一定程度的認(rèn)同，在特定的范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。

一、主流的分布式計(jì)算技術(shù)

通信網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使得計(jì)算能力的遠(yuǎn)程使用成為可能，下面討論幾種主流的分布式計(jì)算技術(shù)，并分析其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

（一）遠(yuǎn)程過程調(diào)用

遠(yuǎn)程過程調(diào)用 （Remote Procedure Call，RPC）（如圖1-1）是為了緩解最初的消息傳遞模型編程的瑣碎性而提出的，它支持本地機(jī)的程序通過標(biāo)準(zhǔn)過程調(diào)用機(jī)制調(diào)用遠(yuǎn)程機(jī)的過程?；舅枷胧前驯镜氐倪^程調(diào)用擴(kuò)展到分布式環(huán)境中，當(dāng)程序員使用RPC調(diào)用一個(gè)遠(yuǎn)程過程時(shí)，代碼實(shí)際執(zhí)行的是一個(gè)代理函數(shù)，代理過程的目的是編排輸入?yún)?shù)，并把它們傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。

缺點(diǎn)：1）RPC是面向過程的一種方法，在應(yīng)用過程中有很大的局限性，例如系統(tǒng)管理問題、系統(tǒng)安全問題等；2）在通信過程中，遠(yuǎn)程與本地需要進(jìn)行頻繁的交互，而且調(diào)用必須是單向的；3）RPC正確執(zhí)行的前提是被調(diào)用的過程事先存在，這個(gè)要求限制了RPC在大型分布式系統(tǒng)中的應(yīng)用，很多情況下，要調(diào)用的過程在遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)上并不存在。下面的遠(yuǎn)程求值可以解決這個(gè)問題。

（二）遠(yuǎn)程求值

遠(yuǎn)程求值（Remote Evaluation，REV）（如圖1-2）允許網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)向遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送子程序和參數(shù)信息，遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)該子程序，一些初始請求可由該子程序發(fā)出，中間結(jié)果由該子程序處理，而不是發(fā)回源節(jié)點(diǎn)，子程序只是將最后的處理結(jié)果返回到源節(jié)點(diǎn)。

（三）客戶/服務(wù)器模式

在客戶/服務(wù)器（Client/Server，C/S）通信模式中，通信的實(shí)體雙方有固定、預(yù)先定義好的角色：服務(wù)器提供服務(wù)，客戶使用服務(wù)。這種模式隱含了一種嚴(yán)格的依賴關(guān)系：客戶依賴服務(wù)器所提供的服務(wù)而工作?？蛻舭l(fā)出服務(wù)請求，然后在服務(wù)器上完成任務(wù)，最后服務(wù)器將處理結(jié)果返回到客戶機(jī)（如圖1-3）。引入客戶和服務(wù)器的角色，RPC模式和REV模式都是客戶/服務(wù)器模式的一種。

優(yōu)點(diǎn)：1）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)利用率，減少了網(wǎng)絡(luò)流量；2）響應(yīng)時(shí)間較短；3）通過把應(yīng)用程序同它們處理的數(shù)據(jù)隔離，可以使數(shù)據(jù)具有獨(dú)立性。

缺點(diǎn)：1）C/S模式的服務(wù)器若不能確切提供客戶方所要求的服務(wù)，則客戶就必須通過一系列的遠(yuǎn)程調(diào)用來獲得它所需的服務(wù)，這就導(dǎo)致了服務(wù)響應(yīng)的延遲和網(wǎng)絡(luò)帶寬的浪費(fèi)；2）因?yàn)橛?jì)算環(huán)境中的處理器資源、軟件資源和信息資源等都集中在服務(wù)器上，當(dāng)客戶請求較多時(shí)，服務(wù)器的效率會(huì)大大降低，客戶請求的響應(yīng)時(shí)間也會(huì)增大。

（四）移動(dòng)代碼

移動(dòng)代碼（Code-on-demand）模式使用了代碼移動(dòng)的技術(shù)，即在需要遠(yuǎn)程服務(wù)時(shí)，首先從遠(yuǎn)程獲得該服務(wù)的代碼[4]。

優(yōu)點(diǎn)：1）解決了C/S結(jié)構(gòu)中資源過于集中的缺點(diǎn)。2）與C/S模式不同，本地機(jī)不用知道遠(yuǎn)程主機(jī)的情況，只需下載所需的代碼即可。

缺點(diǎn)：可移動(dòng)代碼的遷移只是程序代碼的遷移，而并沒有攜帶程序的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)等其他信息。另外，移動(dòng)代碼本身不是有名字的實(shí)體，它們相互之間不能進(jìn)行通信合作。因此，移動(dòng)代碼只適合簡單的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供以及遠(yuǎn)程軟件安裝等領(lǐng)域。

（五）移動(dòng)Agent計(jì)算技術(shù)

移動(dòng)Agent技術(shù)是分布式技術(shù)和Agent技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它結(jié)合了分布式計(jì)算技術(shù)和人工智能技術(shù)，除了具有智能Agent的最基本特性:自主能力、社交能力、適應(yīng)能力和一致主動(dòng)性，還具有移動(dòng)能力、可靠性和安全性[5]。

移動(dòng)Agent計(jì)算模式與其他分布式計(jì)算模式的不同之處在于:1）自治性的優(yōu)勢。移動(dòng)Agent模式可以根據(jù)資源所在的位置自主地決定移動(dòng)的目的地，適合大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，有效利用了網(wǎng)絡(luò)中各主機(jī)的資源，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，避免大量網(wǎng)絡(luò)傳輸，克服了網(wǎng)絡(luò)延遲；2）在異構(gòu)平臺適應(yīng)性更強(qiáng)。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下分布式計(jì)算平臺往往是異構(gòu)的，移動(dòng)Agent通常獨(dú)立于特定的軟硬件環(huán)境，與它所在的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)傳輸層無關(guān)，僅依賴于其運(yùn)行環(huán)境。其自治性和智能性使它更能動(dòng)態(tài)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)資源分散、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變、網(wǎng)絡(luò)接入帶寬不一、網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定性較差的大規(guī)模的異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；3）健壯與容錯(cuò)。移動(dòng)Agent對網(wǎng)絡(luò)的依賴性很小，而且具備動(dòng)態(tài)反應(yīng)能力，使其易于建立健壯而容錯(cuò)的分布式系統(tǒng)。當(dāng)所工作的主機(jī)出現(xiàn)問題時(shí)，它會(huì)遷移到其他主機(jī)上繼續(xù)工作；4）使用移動(dòng)Agent特有的通信協(xié)議可以將不同的通信協(xié)議進(jìn)行封裝，不再需要考慮不同系統(tǒng)間通信協(xié)議不同的通信問題；5）使用移動(dòng)Agent模式構(gòu)建分布式系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)上更加靈活。

（六）P2P技術(shù)

P2P系統(tǒng)由若干互聯(lián)協(xié)作的計(jì)算機(jī)構(gòu)成，是因特網(wǎng)上實(shí)施分布式計(jì)算的新模式。它把C/S系統(tǒng)中的角色一體化，引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式從集中式向分布式轉(zhuǎn)變。P2P技術(shù)已發(fā)展為一種重要的分布式計(jì)算技術(shù)。

優(yōu)點(diǎn)：1）P2P模式最主要的優(yōu)點(diǎn)就是資源的高度利用率。2）P2P不同于傳統(tǒng)的C/S模式，它們能分配每一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為客戶機(jī)或服務(wù)器。這就避免了在不對稱的C/S模式中服務(wù)器可能遇到的性能瓶頸問題。3）信息在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間直接流動(dòng)，高速及時(shí)，降低中轉(zhuǎn)服務(wù)成本。

缺點(diǎn)：1）P2P不易于管理，而C/S網(wǎng)絡(luò)，只需在中心點(diǎn)進(jìn)行管理。2）P2P網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的安全性難于保證。安全策略、備份策略等方面的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。3）對等點(diǎn)可以隨意地加入或退出網(wǎng)絡(luò)，造成網(wǎng)絡(luò)帶寬和信息存在的不穩(wěn)定。

二、新一代分布式計(jì)算系統(tǒng)

web服務(wù)和網(wǎng)格計(jì)算是在因特網(wǎng)上進(jìn)行大規(guī)模分布式計(jì)算的兩大關(guān)鍵技術(shù)，它們主要是專注于解決分布式計(jì)算的系統(tǒng)管理和資源共享問題，web服務(wù)和網(wǎng)格計(jì)算的出現(xiàn)，無論是在理念上，還是在技術(shù)上都取得了巨大的進(jìn)步。

（一）Web服務(wù)

Web服務(wù)（Web Service）技術(shù)是對Web進(jìn)行擴(kuò)展，為相互間連接的軟件提供服務(wù)。Web服務(wù)是一種構(gòu)建在簡單對象訪問協(xié)議之上的分布式應(yīng)用程序，其實(shí)質(zhì)是由XML通過HTTP協(xié)議來調(diào)度的遠(yuǎn)過程調(diào)用[6]。

Web服務(wù)技術(shù)是新一代的分布式計(jì)算和處理技術(shù)，它具有如下諸多優(yōu)點(diǎn)，可以說是新一代的真正動(dòng)態(tài)的分布式系統(tǒng)。

優(yōu)點(diǎn)：1）Web服務(wù)在因特網(wǎng)上的高度的擴(kuò)展性；2）Web服務(wù)技術(shù)是跨平臺的，聯(lián)接非常松散，采用的是性能穩(wěn)定的、基于消息的異步技術(shù)，在改變?nèi)魏我欢私涌诘那闆r下，應(yīng)用程序仍可以不受影響地工作。3）完全的平臺、語言的獨(dú)立性。Web服務(wù)進(jìn)行了更高程度的抽象，只要遵守Web服務(wù)的接口即可進(jìn)行服務(wù)的請求和調(diào)用。

當(dāng)然，Web服務(wù)也存在缺點(diǎn)，在有些情況下，它會(huì)降低應(yīng)用程序的性能。

（二）網(wǎng)格計(jì)算

網(wǎng)格計(jì)算通過因特網(wǎng)把分散在各處的硬件、軟件、信息資源連結(jié)成為一個(gè)巨大的整體，從而使得人們能夠利用地理上分散于各處的資源，完成各種大規(guī)模的、復(fù)雜的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的任務(wù)[7]。

目前比較重要的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)有兩個(gè)：一個(gè)是以GLobus項(xiàng)目為代表的五層沙漏結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)以協(xié)議為中心的框架；另一個(gè)是與Web服務(wù)相融合的開放網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu)OGSA，它與Web服務(wù)一樣都是以服務(wù)為中心。

網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)包括：資源層、中間件層和應(yīng)用層。1）資源層：構(gòu)成網(wǎng)格系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。它包括因特網(wǎng)上的各種計(jì)算資源，這些資源通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來。網(wǎng)格資源層僅僅實(shí)現(xiàn)了計(jì)算資源在物理上的連通。2）中間件層：一系列工具和協(xié)議軟件。其功能是屏蔽資源層中計(jì)算資源的分布、異構(gòu)特性，向網(wǎng)格應(yīng)用層提供透明、一致的使用接口。網(wǎng)格中間件層也稱為網(wǎng)格操作系統(tǒng)，它同時(shí)需要提供用戶編程接口和相應(yīng)的環(huán)境，以支持網(wǎng)格應(yīng)用的開發(fā)。3）網(wǎng)格應(yīng)用層：用戶需求的具體體現(xiàn)。在網(wǎng)格操作系統(tǒng)的支持下，提供系統(tǒng)能接受的語言、Web服務(wù)接口、二次開發(fā)環(huán)境和工具，并可配置支持工程應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫訪問的軟件等。

網(wǎng)格計(jì)算應(yīng)用于分布式面臨一些問題：互連網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸能力不足的問題；人機(jī)通信的問題；網(wǎng)格計(jì)算的安全性。

網(wǎng)格計(jì)算、web服務(wù)等技術(shù)在異構(gòu)平臺上構(gòu)筑了一層通用的、與平臺無關(guān)的信息和服務(wù)交換設(shè)施，從而屏蔽了因特網(wǎng)中千差萬別的差異，使信息和服務(wù)暢通無阻地在計(jì)算機(jī)之間流動(dòng)。因此說，網(wǎng)格系統(tǒng)、Web服務(wù)是新一代的、真正動(dòng)態(tài)的分布式系統(tǒng)。

三、分布式計(jì)算技術(shù)存在的問題

1）到目前為止，幾乎所有的分布式計(jì)算技術(shù)都沒有完整的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的缺乏使得分布式計(jì)算技術(shù)研究分散，很難形成穩(wěn)定的研究方向，更難以開發(fā)出得到廣泛接受的產(chǎn)品。不過，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的工作研究已經(jīng)展開。

2）軟件方法學(xué)是軟件能夠進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的前提，分布式計(jì)算系統(tǒng)沒有相關(guān)的軟件方法。缺乏可行的軟件方法學(xué)使得分布式計(jì)算的軟件質(zhì)量、開發(fā)進(jìn)度等很難得到保證，普及則更困難。

3）分布式計(jì)算系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的控制手段，它的質(zhì)量和可用性難以保證。在沒有滿意的服務(wù)質(zhì)量和可用性保證之前，這項(xiàng)技術(shù)很難被接受。

4）網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)異構(gòu)的環(huán)境，分布式計(jì)算技術(shù)需要解決異構(gòu)環(huán)境的互操作問題。解決異構(gòu)環(huán)境的互操作問題，重要的是如何互相區(qū)別?，F(xiàn)有資源不可能以同一種方式描述，又沒有自動(dòng)識別資源的方法，所以分布式計(jì)算技術(shù)的使用具有范圍性。

四、展望

自從出現(xiàn)了分布式技術(shù)之后，分布式計(jì)算技術(shù)的發(fā)展就沒有停止過。目前已進(jìn)行了大量的研究，并產(chǎn)生了諸如中間件、移動(dòng)Agent、P2P、Web服務(wù)和網(wǎng)格等技術(shù)，但離真正完善還有很大的距離。分布式計(jì)算技術(shù)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)物，也是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用未來的發(fā)展方向，有機(jī)地綜合已有的技術(shù)，吸取所有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，合理地解決分布式計(jì)算的需求，是分布式計(jì)算技術(shù)研究的方向。

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TP

A

1673-0046（2011）06-0187-02