分布式系统 第2章 体系结构 相关问题与总结

分布式系统第2章体系结构问题总结与课后习题

第一部分：问题总结

1、DHT的主要思想是什么

答：首先，每条文件索引被表示成一个 (K, V) 对，K 称为关键字，可以是文件名(或文件的其他描述信息)的哈希值，V 是实际存储文件的节点的 IP 地址(或节点的其他描述信息)。所有的文件索引条目(即所有的 (K, V) 对)组成一张大的文件索引哈希表，只要输入目标文件的 K 值，就可以从这张表中查出所有存储该文件的节点地址。

2、Chord系统的核心用法

答：Chord协议的核心用法是从客户端（节点）查询键值k（k的数据项被映射到其后续节点上），即查找successor （k）。（k，id）在实际查找过程中，通过调用任意节点上的LOOKUP（k）函数查找某一键值k的数据项时，可返回该键值的后续节点（即保存了该键值数据项的节点）的网络地址，这样就可以任意节点上的应用程序与键值k的后续节点联系以获得该数据项的副本。

3、Chord系统中的Finger表的作用

答：为了避免LOOKUP（）函数的线性搜索，每个节点维护一个最多包含m（共2^m-1个节点）条信息的路由表，这样查找工作就可以在O（logN）步内实现。（幂次逼近查询法，指数幂）

4、某节点要加入Chord系统的步骤

答：新节点的加入需要一个称为向导的已知节点协助，任何一个运行在 Chord 网络中的节点都可以充当这个角色。加入过程包括新节点本身的 Join 操作和被其他节点发现2个阶段

（1）本身的Join操作：首先生成一个随机表示符id（该id与网络中已存在的节点的id不重复），向向导节点查找后继，并初始化自身的Finger表和后继节点

（2）被其他节点发现阶段：网络中所有节点定期检查自己的后继节点，并向自己的直接后继节点发送确认消息。

5、某节点离开Chord系统的步骤

答：节点的失效是节点没有通知其他节点而突然离开网络，这通常由主机崩溃或 IP 网络断开等意外原因造成，此时失效节点的前继保存的后继信息变得不可用，从而造成 Chord 环的断裂。退出进行如下操作：（类似于链表的节点删除）

(1)把节点id 的后继节点的前继改成节点id 的前继；

(2)把节点id 前继节点的后继改成节点id 的后继；

(3)从节点id 前继的后继表中删除节点id；

(4)把数据项转移给后续节点。

6、CAN系统的核心用法

答：通过部署一个d维的笛卡尔坐标空间，并按参与该系统的所有节点进行划分区域划分，每个节点都有一个相关区域，该相关区域内的点就是该节点上负责的数据项。也就是说每个数据项都被赋予了此空间中唯一的一点，该点位于那一块相关区域就由哪一个节点负责。

7、某节点要加入CAN系统的步骤

答：CAN系统处理节点加入大致分为三个步骤

（1）在坐标空间中取任意一点找到覆盖网络中已有的节点

（2）确定可以拆分的区域

（3）更新与新拆分区域相邻的节点的路由表

8、某节点要离开CAN系统的步骤

答：CAN系统中处理节点的离开分为三个步骤

（1）识别即将离开的节点

（2）将离开节点的区域合并或由相邻节点接管

（3）通过网络更新路由表

9、什么是超级对等体？

答：简单的来说，就是一个能维护一个索引或充当一个代理程序的节点通常称之为超级对等体。其中代理程序指的是能够收集一些节点的资源使用情况并且快速的选择具有足够资源的节点。

10、为什么要引入超级对等体？

答：引入超级对等体使非结构化的系统具有了某种结构，从而解决了数据定位的问题。在非结构化的点对点系统中，随着网络的扩大，仅使用泛洪泛定位数据项的位置是十分的困难并且费时的，因为没有一种确定的方法可以把查找请求路由到特定的数据项。因此需要类似于超级对等体的节点作为索引节点将查找请求路由到特定的数据项。

11、超级对等体的作用是什么？

答：每个常规的对等体作为一个客户连接点唯一的一个超级对等体上，所有的往来于常规对等体的通信都是由超级对等体负责的，然后再通过超级对等体之间的联系实现由不同超级对等体负责的常规对等体的通信的。客户端和超级对等体的关系可以是固定的，这要求超级对等体的可靠性要高，或者通过备份超级对等体实现可靠性；它们的关系也可以是可变的，客户端可以选择更好的超级对等体。

12、边界服务器系统的工作原理

答：边界服务器系统是一种典型的混合体系结构的分布式结构。例如，英特网服务提供商（international service provider，ISP）,家庭终端用户通过ISP连接到互联网，该ISP就可以认为是因特网的边界。边界服务器的主要目的是在进行过滤和编码转换后提供内容服务，并可用于优化内容和应用程序的分布性。

13、BitTorrent文件下载系统的工作原理

答：在下载文件时，用后缀名为.torrent的文件下载特定的文件需要的信息，通常它指向的是一个跟踪器。跟踪器实际上就是一个服务器，上面记录有保存请求文件的数据块的活跃节点的信息。一旦确定一个节点上保存有指定文件的数据块，这个节点立刻就变为活跃节点。换而言之，它是被迫参向其他节点提供帮助的。并且这种强迫性遵从一个简单的规则：如果P节点察觉到Q节点的下载数据多于它的上传数据时，P就降低它向Q发送数据的速率，这就类似于两个节点之间的数据交易。

14、拦截器的定义、基本思想以及工作流程

答：

（1）拦截器：拦截器是一种软件架构，它会中断正常的控制流，并且允许其他代码（特定的应用程序）执行。（2）拦截器的基本思想：对象A可以调用对象B的方法，而对象B和对象A不在同一台机器上。

（3）工作步骤：

1）对象A提供一个本地接口，该接口与对象B提供的接口相同。A只需要调用该接口中的一个方法变量即可2）A的调用转化为一个通用的对象激活，可以通过与A同一机器的中间件提供的对象激活接口来完成

3）最后，将通用对象转化为一个消息，该消息通过A的操作系统的传输层接口发送出去

（4）图2.15解释

当客户应用程序对象A调用位于不同机器的对象B后，B.do_something(value)调用转换成诸如

invoke(B,&do_something,value)之类的通用调用。现在假如B有很多副本，请求级拦截器将要为每个副本调用invoke(B,&do_something,value)。只有请求级拦截器才需要知道B的副本的存在，而对象A和中间件不需要和副本打交道。然后远程对象的调用必须在网络上发送，消息级拦截器负责将远程对象的调用封装成消息进行发送，并在发送的过程中可将消息进行分组拆分发送，在目的地在进行组装。

15、Globule的工作原理

答：Globule假定请求都是通过边界服务器来传输的，如果在特定的边界服务器（指离客户较近的地方）放置了副本，那么就可以改善响应时延。在英特网中，Globule通过设置一个初始服务器跟踪每个Web页面的访问模式（读写操作），记录时间戳与日志，当收集到对一个页面足够多的请求时，初始服务器就开始通过某种策略来分析该页面要复制到何处，即分析最优的复制策略，以供改善响应时延。

16、什么是差分复制策略？

答：简而言之，就是由于不同的复制策略会导致不同的性能表现（如时延），通过某种方法对复制策略进行选择，就是差分复制策略。书中通过简单的线性加权确定不同的性能度（客户与副本服务器的总时延、初始服务器与副本服务器消耗的带宽，旧副本的数量等）之间的关系，从而选择出最佳的复制策略。

17、拆分复制策略解决了一个什么问题？

答：通过选择最优的复制策略，优化了客户的体验，降低了时延。

18、如何确定需要收集多少个请求？

答：迹线长度：选择下一策略的请求系列长度；错误预计率：复制策略的选择错误的预计值

通过前一段时间对于复制策略选择结果的表现来不断的更新实际请求的数量，以达到最佳的收集数

第二部分课后习题

19、如果客户和服务器相隔很远，我们可以看到，网络延时将主导整个性能。我们如何处理这个问题？

答：这实际上取决于客户端是如何组织起来的。首先，将客户端的代码切割成更小的部分，这样它们可以单独运行。这种情况下，当一部分正在等待服务器的响应时，我们可以安排另一部分去做其他的事。或者，我们可以重新安排客户端的处理过程，让他们在向服务器发送客户请求之后去做其他的事情。

最后有效的解决方案是用单程异步通信取代了客户端-服务器的同步通信。

20、什么是三层客户-服务器体系结构？

答：三层客户——服务器体系结构包括三个逻辑层：用户接口层、处理层和数据层，每一层在理论上来说都在一台单独的机器上实现。最高层包括了客户的用户界面，中间层包括实际的应用程序，最底层包含了被使用的数据。

21、纵向分布与横向分布有什么不同？

答：纵向分布指的是多台机器组成的多层架构中各个层的分布，通过按逻辑把不同组件放在不同的机器上来获得。从理论上说，每一层都在一台不同的机器上实现。横向分布则处理多台机器上的一个层的分布，客户或者服务器可能在物理上被分隔成逻辑上相对的几个部分，每个部分都操作在整个数据集中自己共享的部分。例如一个数据库的分布。

22、考虑一个进程链，该进程链由进程P1,P2,…,Pn构成，实现了一个多层客户-服务器体系结构。进程Pi 是进程Pi+1的客户，Pi只有得到Pi+1的应答之后才能向Pi-1发出应答。如果考虑到进程P1的请求-应答性能，这种组织结构主要存在什么问题？

答：如果n很大的话性能会很差。从理论上来说，两个邻接层之间的通信应该在两台不同的机器之间发生。因此，P1和P2之间的性能由n-2次其它层之间的请求——应答过程决定。另一个问题是如果链中的一台机器性能很差甚至临时不可达，这会立刻使最高层的性能降低。

13、在结构化的覆盖网络中，消息是根据覆盖的拓扑结构来路由的，这种方法的主要缺点是什么？

答：问题是我们处理的是逻辑路径。很有可能出现的情况是，在覆盖网络中的两个邻居节点A和B，在物理距离上是相距很远的。因此，A和B之间的逻辑最短路径实际上在底层物理网络上是很长的一条路径。

14、图2.8中的CAN网络，如何把坐标（0.2,0.3）的节点的消息路由到坐标为（0.9，0.6）的节点？

答：有几种可能性。如果我们想要根据欧几里得距离得到一条最短路径需要进过的路径是：（0.2,0.3）----（0.6,0.7）----（0.9,0.6），距离是0.882.另一条路径：(0.2,0.3)---(0.7,0.2)----(0.9,0.6)，距离是0.957

15、假设CAN中的一个节点知道其紧邻节点的坐标，一个合理的路由策略是把消息路由给离目的地最近的节点，这样的策略的好处是什么？

答：从先前的问题可以看出，它不需要去寻找整体最优的路径。如果节点（0.2,0.3）按照题目要求的策略进行，传送到（0.9,06），它先会将节点发送给（0.7,0.2）。

16、在非结构化的覆盖网络中，每个节点随机选择c个邻接节点。如果P和Q都是R的邻接节点，那么P和Q互为邻接节点的概率是多少？

答：如果网路中有N个节点，如果每个节点随机选择c个邻居，那么P选择Q或Q选择p的概率就是

2c/(N-1)。（P从N-1个节点中选择到Q的概率为c/(N-1) ，同理Q从N-1个节点中选择到p的概率也为

c/(N-1)，因此总的概率为 2c/(N-1) ）

17、在非结构化的覆盖网络中，每个节点随机的选择c个邻节点。要查找一个文件，节点将泛洪一个请求给他的邻接点，这些请求又将再次泛洪，该请求将到达多少个节点？

答：可到达节点的上界是c*(c-1)(因为，每个节点随机选择c个邻居，只有第一个节点a可以选择c个，第二次洪泛时，每个节点只需要随机选择c-1个，因为a也是他们的邻居，但a已经在洪泛到达的范围内了，因此上限是c(c-1))，但是这我们忽略了节点p同样可以成为其他邻居节点的邻居。P的一个邻居泛洪信息给不是P邻居节点的概率是1减去发送给至少P的一个邻居节点的概率。

这个情况下，泛洪策略将会到达c*q *(c-1)个节点。例如，c=20,N=10000,那么一次查询将会到达的节点数是365.817个节点。

基于概率论中的二项分布原理，在n重伯努利试验中,事件A恰好发生k次的概率为：

，因为p已经选择了Q，所以p最多可以选择Q的c-1个邻居节点作为洪泛的目标节点。

18、.在点对点的网络中，并不是每个节点都能成为超级对等体。满足超级对等体的合理要求是什么？

答：首先，节点是高度可用的，因为其他节点需要依赖该节点。并且，它应该有足够的能力处理各种请求。最重要的是依靠它能够高效快速的处理任务。

19、.在Bitgtorren系统中，每个节点具有一个带宽为Bout的输出链接，以及一个带宽为Bin的输入链接。这些节点（称为种子节点）中的一些可以自愿的为其他节点提供下载文件。如果假设在某个时候，一个BitTorrent的系统最多只有一个种子节点，那么他的最大下载带宽是多少？

答：这里需要考虑种子节点的输出带宽需要在客户端间共享。假设有s个种子，N个客户端，每个客户端随机的选择种子。种子节点结合的输出带宽就是S*Bout，每个客户端有S*Bout/N的直接下载带宽。另外，如果这些客户端互相协作，每个能够在下载数据块时达到Bout，假定Bin>Bout。因为tit-for-tat策略，一个BitTorrent客户端的下载带宽主要取决于他的输出带宽。所以说，整体的下载带宽能够达到

S*Bout/N+Bout. (S*Bout/N 是从种子节点上直接下载的带宽，Bout 是从协作节点上下载的带宽，因为Bin>Bout 成立，所以S*Bout/N+Bout 是可以达到的)

20、.请从技术的角度来解释，为什么BitTorrent中的tit-for-tat策略比因特网中的文件共享要好得多？答：大多数的BitTorrent客户端是被例如ADSL或调制解调器所提供的不对称链接所处理的。一般来说，BitTorrent会提供给客户端比较高的进入带宽，但是并不希望客户端可以提供服务。BitTorrent不会使用这种假设，把客户端变成协作服务器。对称连接会比tit-for-tat策略提供更好的匹配。

21、Bit Torrent的工作原理是什么?

BT首先在上传者端把一个文件分成了Z个部分，甲在伺服器随机下载了第N各部分，乙在伺服器随机下载了第M个部分，这样甲的BT就会根据情况到乙的电脑上去拿乙已经下载好的M部分，乙的BT就会根据情况去到甲的电脑上去拿甲已经下载好的N部分，这样就不但减轻了伺服器端的负荷，也加快了用户方(甲乙)的下载速度，效率也提高了，更同样减少了地域之间的限制。比如说丙要连到伺服器去下载的话可能才几K，但是要是到甲和乙的电脑上去拿就快的多了。所以说用的人越多，下载的人越多，大家也就越快，BT的优越性就在这里。而且，在你下载的同时，你也在上传(别人从你的电脑上拿那个文件的某个部分)，所以说在享受别人提供的下载的同时，你也在贡献。

22、.我们给出了在自适应中间件中使用中断器的示例，请问还有其他什么示例？

答：我们利用拦截器来支持移动性。这种情况下，一个request-level拦截器在转发请求前，首先将查看它所引用的对象的当前位置。同样，当安全出现问题时，一个拦截器可以用来透明的加密消息。另一个例子，如果记录日志是必须的，我们可以简单的插入一个method-specic拦截器在将消息传递给引用对象前，记录该事件。（中断器类似于struct的拦截器，只是应用在分布式系统场景中而已）

23、中断器与其部署所在的中间件的依赖程度如何？

答：一般来说，它们之间是高度依赖的。客户端很有可能被中间件所提供的下层接口所约束，正如消息级中断器，它高度依赖中间件和本地操作系统的相互作用。然后，这些接口也可以标准化，便于开发可移植的拦截器，虽然它作为一种特殊类型的中间件。这些中间件需要满足CORBA的体系结构。

24、现代的汽车都装备有电子设备，请给出在汽车中的一些反馈控制系统的示例。

答：巡航控制系统。一方面，巡航控制的子系统掌控着当前的速度，当它达到设定要求时，汽车就会加速或减速。巡航控制系统的设置使驾驶员可以将车速设定在一个固定的速度上，车辆准确地按照所设定的速度行驶。驾驶员可以不必踩加速踏板，从而大大减轻长途驾车的疲劳，同时匀速行驶也可以减少燃油的消耗。防抱死制动系统（ABS），当刹车时，它是利用阀体内的一个橡胶气囊，在踩下刹车时，给予刹车油压力，充斥到ABS 的阀体中，此时气囊利用中间的空气隔层将压力返回，使车轮避过锁死点。防抱死刹车系统可以提高行车时，车辆紧急制动的安全系数。换句话说，没有ABS的车，汽车在遇紧急情况采取紧急刹车时，容易出现轮胎暴死，也就是方向盘不能转动，这样危险系数就会随之增加，很容易造成严重后果。车用传感器是汽车计算机系统的输入装置，它把汽车运行中各种工况信息，如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，转化成电讯号输给计算机，以便发动机处于最佳工作状态。

25、请给出自我管理系统的一个示例，其中的分析组件为完全分布式或隐藏的。

答：我们已经遇到很多这种类型的系统，在非结构化的点对点系统中，节点间在进行信息交换，如何生成一个拓扑结构。其分析组件包含放弃那些不会帮助目标拓扑结构收敛的链接。（无线传感器网络中，自动更新和寻找路由，传递数据）

26、请描述一个解决办法，为Globule中的预测复制自动确定最佳跟踪路径长度。

答：源服务器需要利用Ti到Ti+1的迹线来定期评价策略的预测。判断该策略是否是实际访问模式所选择的在Ti-1到Ti阶段所使用的策略。这样可以帮助服务器计算预测误差。通过改变迹线长度，源服务器能够自动找到预测长度最小的迹线。这样，就可以自动的确定最佳跟踪路径长度。

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