Distributed Systems, Networking, TCP/IP, RPC (21,22)

本节可以理解成是计算机网络原理课程的一个概括

Distributed Systems

Centralized vs. Distributed Systems

centralized

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

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