Distributed Systems

Centralized vs. Distributed Systems

Centralized System 中，绝大部分功能都在一台物理机器上完成。最开始连客户端也在同一台机器上，后来逐渐演化成 C/S 模型。

Distributed System 中，不同计算机通过合作的方式完成一项任务。早期以同机房下的多台机器组成的集群形式为主，后来逐渐演化为 peer-to-peer/wide-spread collaboration。

Motivation/Issue

Why do we want distributed systems?

• 造许多简单的计算机与造一台复杂计算机相比，前者成本低且难度小

• 容易逐渐扩容和缩容

• 用户可以对部分机器拥有完全控制权

• 方便更多的用户通过网络合作

The promise of distributed systems

• Higher availability：一台机器挂了，用另一台

• Better durability：复制数据

• More security：更小的粒度上进行安全控制

理想很丰满，现实很骨感。现实是：

• Worse availability：availability 有赖于所有正在运行的机器，任何服务挂了都有可能导致服务不可用。Lamport 曾说：“a distributed system is one where I can't do work because some machine I've never heard of isn't working!”

• Worse reliability：机器崩溃可能导致数据丢失

• Worse security：世界上任何人都可以入侵到系统中

除此之外，随着机器数量增加，正确、合理地调度所有机器 (coordination) 来共同完成任务变得异常困难。

What would be easy in a centralized system becomes a lot more difficult

Goals & Requirements

如果只用一个词概括 Distributed System 的目标，那就是 Transparency。

The ability of the system to mask its complexity behind a simple interface

这里的 transparency 又包括：

• Location：无需知道资源的位置

• Migration：资源在用户无感知的情况下可能被合理移动

• Replication：无需知道资源有多少份副本

• Concurrency：无需关心有多少用户正在使用资源

• Parallelism：系统可以通过将大任务拆分成小任务，再通过并行的方式加速任务运行

• Fault Tolerance：系统中出现少量问题用户无感知

Networking

Protocol

Distributed system 中，分布在不同机器上的不同进程间需要通过某种方式来交流，我们可以用人类之间交流使用的不同的语言来类比。在计算机范畴中，我们将这些方式称为 protocol。Protocol 包括两部分：

• Syntax：信息的识别和构成，包括格式、信息展示的顺序等等

• Semantics：信息的含义

对应语言，Syntax 就是语法，Semantics 就是语义。通常， protocol 可以使用状态机 (state machine) 来表示。

剩余话题概括

这里忽略网络部分的剩余讨论，该部分内容与网络原理、分布式系统等课程内容有交叉，话题包括：

• Client/Server vs. Peer-to-Peer

• Network Protocols

  • Broadcast (Aloha network)

  • Carrier Sense, Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD)

  • Point-to-point

  • The Internet Protocol (IP)

    • Address Subnets

    • Address Ranges

    • Hierarchical Networking

    • Routing/Routing Tables

    • DNS

• Network Layering

• TCP/IP

  • ordering

  • reliable delivery (exactly once)

  • congestion avoidance

  • sequence number

• Sockets

• Distributed Decision Making

  • General's Paradox

  • ​2PC​

  • Byzantine General's Problem

• RPC & Microkernel operating systems

参考

lecture note 21, 22​

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