分布式体系结构
(软件工程理论、方法与实践)第8章分布式系统体系结构
基于服务的架构设计方法
总结词
基于服务的架构设计方法是一种以服务为中心的设计方法，通过将系统功能封装为可复用的服务，实 现松耦合的分布式系统。
详细描述
01
02
分布式性
组件分布在不同的物理节点上，可以 位于不同的地理位置。
03
通信能力
组件之间通过通信进行协调和交互。
可靠性
分布式系统具有容错性和可恢复性， 能够保证系统的可靠运行。
05
04
并发性
多个组件可以并行执行，提高系统的 整体性能。
分布式系统的应用场景
云计算平台
如亚马逊AWS、谷歌云等，提供计算、存储、网络等 服务。
总结词
基于代理的分布式系统通过使用智能 代理来处理分布式任务，具有自治性、 智能性和协作性等特点。
详细描述
基于代理的分布式系统案例包括：1. 分布式 计算市场案例，如网格计算和云计算平台， 通过智能代理实现资源的共享和交易；2. 智 能家居案例，通过智能代理实现家庭设备的 互联和控制，提高生活便利性。
运维
分布式系统的运维需要关注系统的运行状态 和性能，以及服务的可用性和可靠性。这需
要使用一些监控工具和技术，如 Prometheus、Grafana等，以便及时发现 和处理系统中的问题。同时，还需要建立完 善的运维流程和规范，以确保系统的高可用
性和高可靠性。
05
分布式系统案例分析
基于代理的分布式系统案例
测试方法
对于分布式系统的测试，需要采用一些特定 的方法，如模拟测试、灰度测试、故障注入 测试等。这些方法可以帮助开发人员模拟各 种实际运行场景，以便更好地发现和修复系 统中的问题。
分布式和与域控结构-概述说明以及解释
分布式和与域控结构-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在分布式系统和域控结构领域，近年来取得了显著的进展和重要的应用。
分布式系统是指由多个独立的计算机节点组成的网络系统，节点之间通过消息传递和共享资源合作完成各种任务。
而域控结构是一种组织和管理网络资源的体系结构，通过将网络资源划分为多个独立的域，实现了资源的管理、授权和安全策略的集中管理。
分布式系统的出现是为了解决单一计算机的处理能力有限，无法满足日益增长的计算需求的问题。
它通过将计算任务分布到不同的计算机节点上，并通过网络进行通信和协调，实现了计算资源的共享和协作。
这种分布式的特点使得分布式系统具有更高的可靠性、可扩展性和容错性，可以应对大规模计算和高并发请求的需求。
域控结构则是为了解决企业或组织中网络资源的集中管理和统一控制的问题。
通过将网络资源划分为多个域，每个域都有自己的管理员和安全策略，实现了资源的分层管理和授权。
域控结构能够简化网络管理的复杂性，提高资源的可用性和安全性，有效地保护了组织的信息资产。
分布式系统和域控结构可以互相结合，共同应用于大规模的网络环境中。
分布式系统提供了强大的计算能力和数据处理能力，而域控结构则为分布式系统提供了集中管理和控制的机制。
在这种结合中，分布式系统能够更好地满足不同域之间的协作和资源共享的需求，而域控结构能够对分布式系统进行有效的管理和安全控制。
综上所述，分布式系统和域控结构是两个相互关联且相互促进的概念。
它们的发展和应用为我们提供了更加强大和灵活的计算和管理平台，对于推动信息技术的发展和提高网络资源的利用率具有重要意义。
在未来的发展中，分布式系统和域控结构将会进一步融合和创新，为我们带来更多的机遇和挑战。
1.2 文章结构文章结构部分主要介绍了本文的组织方式和章节目录，以便读者对全文有一个整体的了解。
本文分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分中，首先对分布式和域控结构这两个主题进行了简要的概述，介绍了它们的基本概念和特点。
第2章 CAT系统体系结构
故障的性质和部位
这种可更换的印刷电路板称 为车间可换组件SRU（Shop Replaceable Unit）
传统的维修概念
传统的维修概念 飞行器飞行 一定小时 人工用量仪进行 检查排除故障 修理厂进行 定期修理 各种设备组件从 飞行器上拆下
装上飞行器
其主要缺点是: （1）维修周期长，维修期间飞行器不能使用，降低 了利用率。 （2）拆卸本身带来故障。 （3）人工检查可靠性和准确性较低
有时可 占20％
在内部完成部分检测工作，可显著提高检测率和隔离 率，简化外检测系统。
内含式机载CAT系统
机载CAT系统 现代飞行器 飞行过程 某些系统自 动进行检测 装备 内含式结构
结果存在机 飞行 地勤人员读 载计算机 结束后 出故障记录
了解
维修完成 飞行器又处 于良好的可 飞行状态
故障组件用 备用件换下
纲、制造计划、在线调度、设计资料生成和使用、过程
控制、设备控制、质量控制等。
4. 内含式CAT体系结构 定义：内含式（Built－in Type）CAT体系结构是将CAT的
部分或全部组件包含在被测件内部，这主要用于一些结构 复杂的被测件。 超大规模集成电路 难以进 行检测 只依靠外部引脚进 行激励、响应。 专用于检测的逻辑 内部逻辑复杂
CAT体系结构的主要发展方向有：分布式、内含式、微型化
3. 分布式 CAT体系结构
有不同类型和层次的分布式CAT体系结构。
1) 右图 所示为多接口 CAT体系结构，有多个 接口，可同时对 n个被 测组件 UUT（Unit Under Test）进行检测。 激励组件 1～n共用， 由计算机统一调度。这 种结构可以充分利用计 算机，多用于n个组件 是相同且检测程序也相 同时。
图计算体系结构和系统软件关键技术综述
图计算体系结构和系统软件关键技术综述1. 引言图计算是指对大规模图数据进行分析和处理的计算过程。
由于图数据的复杂性和规模巨大，传统的计算方法已无法满足对图数据的高效处理需求。
因此，图计算体系结构和系统软件的研究和发展成为了当前计算领域的热点之一。
本文将对图计算体系结构和系统软件的关键技术进行综述。
2. 图计算体系结构2.1 分布式图计算体系结构分布式图计算体系结构是指将大规模图数据分布式地存储和计算的结构。
它由图计算引擎、分布式存储和通信框架等组件构成。
图计算引擎负责图算法的实现和优化，分布式存储用于存储分布式图数据，通信框架用于不同计算节点之间的通信。
常见的分布式图计算体系结构有Google的Pregel和PowerGraph、Apache的Giraph等。
2.2 多核图计算体系结构多核图计算体系结构是指利用多核CPU或GPU来并行处理图数据的结构。
它通过将图数据分割成多份，并在不同核心或处理器上并行计算，从而提高图计算的速度和效率。
为了充分利用多核计算资源，多核图计算体系结构需要考虑数据划分、任务调度和数据同步等关键技术。
目前，多核图计算的研究主要集中在GPU上，如NVIDIA的CUDASWEP和GunRock等。
3. 系统软件关键技术3.1 图计算编程模型图计算编程模型是指用于描述和处理图数据的编程模型。
常见的图计算编程模型有Pregel模型和GraphLab模型。
Pregel模型将图计算过程分为多轮迭代的超步，通过消息传递进行通信和计算。
GraphLab模型则采用顶点中心的计算模式，通过定点更新和边的消息传递进行计算。
这些图计算编程模型在不同的应用场景中有不同的优势。
3.2 图计算优化策略图计算优化策略是指为了提高图计算性能，采取的一系列优化手段和技术。
常见的图计算优化策略有数据压缩、负载均衡和任务划分等。
数据压缩通过压缩图数据的表示方式，减少存储和传输开销。
负载均衡策略通过合理分配计算节点的负载，使得整个计算过程更加均衡和高效。
第三章 BS结构和CS结构.
空间分析时，需要繁琐的数据拼接运算，影响 性能。
基于二次开发语言的应用系统
GIS平台软件
图形数据
属性数据
早期的网络GIS系统架构模式
由于早期计算机软件技术的限制，GIS的开发 厂商只能开发一个功能庞大而复杂的平台软件系统， 网络GIS的二次开发商，只能基于这一平台，利用 平台提供的简单的二次开发语言进行专业功能的定 制开发。 随着组件技术的成熟，GIS平台厂商采用标准 的组件技术改善和升级了原有的GIS平台软件，二 次开发商根据其提供的标准组件接口可以进行灵活 的二次开发。
第三章 B/S模式和C/S模式
一、C/S模式
（一）简介 C／S是一种分布式系统结构，它基于简单的请 求／应答协议，在C／S模式下，服务器只集中管 理数据，而计算任务分散在客户机上，客户机和 服务器之间通过网络协议来进行通讯。
客户机向服务器发出数据请求，服务器将数据 传送给客户机进行计算，这种模式的优点充分利用 了客户机的性能，使计算能力大大提高；
数据库服务器一般采用集中式的管理方式。
C／S系统的优点是明显的： （1）通过将应用资源在前端和后端系统间的分 离，降低了网络上的开销。 （2）因为在C／S系统中，网络上传送的一般是请 求(如SQL语句)和结果(如记录)，而不是整个文件。
集中式C／S技术已日趋成熟，几个流行的数据 库厂商，如Sybase、Oracle以及Informix等均提供 解决方案，它们适合于中小型企业以及大型企业的 部门级应用。
SuperMapObjects组件之间既互相联系，也保 持相对独立性。 其中核心组件库(工作空间控件和地图控件)是 基础的、必选的组件，其他组件是可选的，这些组 件对象关系如图3—6所示。
DCS的体系结构
DCS的体系结构DCS（分布式控制系统）是一种广泛应用于工业自动化领域的控制系统。
它通过将控制设备和传感器分布在被控制的过程或系统中来实现控制和监测。
DCS采用了分布式的架构，使得系统具有更高的可靠性、可扩展性和灵活性。
下面将对DCS的体系结构进行详细介绍。
控制层是DCS的最底层，主要负责对被控制对象进行实时的控制和调节。
它由多个控制器组成，每个控制器负责控制一个或多个设备或过程。
这些控制器分布在整个系统中，通过网络连接进行通信。
控制层的主要功能是接收来自传感器的反馈信号，根据预设的控制算法生成控制信号，并将其发送给执行器或驱动器来控制被控制对象。
此外，控制层还需要监测和调节控制过程中的参数，以确保系统的稳定性和安全性。
操作层位于控制层之上，主要负责人机交互和监控。
操作层包括操作站和工程站。
操作站是系统操作员与DCS进行交互的界面，通常采用图形化界面，操作员可以通过它来监测和控制整个系统。
操作站还提供了报警和事件处理功能，能够及时通知操作员系统中的异常情况。
工程站是用于配置和管理DCS系统的工具，它提供了网络配置、设备参数设置、控制策略配置等功能，可以对DCS进行灵活的调整和扩展。
信息层是DCS系统的最高层，主要负责数据存储、传输和分析。
信息层通常由数据库、历史数据服务器和报表服务器组成。
数据库用于存储实时数据、历史数据和配置信息，可以提供数据查询和统计分析功能。
历史数据服务器用于存储历史数据，可以在需要时进行回放和分析，用来进行故障诊断和性能优化。
报表服务器用于生成各种报表，如生产报表、能耗报表等，可以为管理人员提供决策支持。
整个DCS系统的各个层次通过网络连接起来，形成一个完整的系统。
因为采用了分布式的架构，DCS具有很高的可靠性和可扩展性。
如果一些控制器或传感器发生故障，系统可以自动切换到备用设备，保证系统的正常运行。
此外，DCS还支持远程访问和管理，可以通过网络连接远程监控和控制系统，方便维护人员对系统进行远程配置和故障排查。
分布式数据库的系统结构
首先应注意，分布式数据库中数据的分 布 是 DBA（Data Base Administrator） 决定的；但目录的分布是由系统决定 的。数据目录的分布是DBMS设计问题， 不是分布式数据库设计所处理的问题。
因DDBMS结构不同，数据目录有如
下五种分布策略：
16
1、Centralized 集中式
4
❖2、全局事务一般用某种数据库操作语 言（DML，如SQL）表示。DDBMS首先对 其进行词法，语法分析，可解释（无 错误），将事务由DML形式转为内部表 示形式，如相应关系代数表达式或查 询语法树。
❖这时的语法树所表示的查询，还没有 考虑数据分布问题，即它是面向全局 数据库和全局关系的，故称全局查询 （global query）和全局查询语法树5 。
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2、 Extended—centralized
扩展的集中式
❖开始与集中式目录一样，数据目录集中 存放在一个结点上。
❖其他结点从集中数据目录提取的数据目 录，用完后不丢弃，而是留做本结点的 局部目录，这样随数据库应用展开，各 结点逐步建立起自己的局部目录。
❖注意：集中目录所在结点管理目录，各 结点局部目录只是集中目录的部分复本。
7
6、这时实际上就把一个查询构成 的事务分解为一组相关联的子查 询构成的子事务。并将它们通过 网络发送相应结点，由各结点 LDBMS（Local database management system 局部数据库 管理系统）再对子查询语法树进 行优化，并完成查询。
8
❖ 一个事务，分解为一组相关子事 务，分别在相应结点上并行执行。但 DDBMS的分布式事务管理软件，必须 对它们进行全程管理和监控。
❖因为一个事务虽然被分解成一组子事 务，由各自相应结点执行，但仍须保 证全局事务在并发和故障情况下，遵 守ACID准则。
体系结构模式
体系结构模式介绍在软件开发中，体系结构模式是指为了实现某一特定系统或项目而构建的整体架构。
它包含了系统的组织结构、模块之间的关系、数据流和控制流等关键要素。
体系结构模式与设计模式不同，它强调的是系统整体的架构，而设计模式更关注单个模块或组件的设计。
体系结构模式是一种高级的设计模式，它提供了一种对系统进行划分、组织和管理的方法。
通过使用体系结构模式，可以使系统具有良好的可维护性、可扩展性、可重用性和可测试性，并且能够满足系统的性能、可靠性和安全性要求。
体系结构模式的分类体系结构模式可以分为三大类：结构型体系结构模式、行为型体系结构模式和并发型体系结构模式。
结构型体系结构模式结构型体系结构模式关注系统中不同模块或组件的结构以及它们之间的关系。
常见的结构型体系结构模式包括：1. 分层体系结构模式分层体系结构模式将系统分为不同的层次，每一层都负责处理特定的功能。
通常，每一层只与相邻的一层进行通信，使得系统更易于维护和扩展。
2. 客户端-服务器模式客户端-服务器模式将系统分为客户端和服务器两部分，客户端负责发送请求，服务器负责处理请求并返回响应。
这种模式常用于分布式系统和互联网应用中。
MVC模式是一种常用的软件架构模式，它将系统分为模型(Model)、视图(View)和控制器(Controller)三部分。
模型负责处理数据，视图负责展示数据，控制器负责接收用户的输入并进行相应的处理。
行为型体系结构模式行为型体系结构模式关注系统中不同模块或组件的行为以及它们之间的协作方式。
常见的行为型体系结构模式包括：1. 发布-订阅模式发布-订阅模式是一种消息通信模式，它包括发布者(Publisher)和订阅者(Subscriber)两个角色。
发布者负责发送消息，订阅者负责接收消息，并且发布者和订阅者之间并没有直接的依赖关系。
2. 中介者模式中介者模式是一种协调多个对象之间交互的模式。
它包括中介者(Mediator)和各个对象之间的同事对象(Colleague)。
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Client1
Server1
Server2
客户端－服务器体系结构
客户端与服务器之间的通信模式
① 带回复的同步消息通信 ② 异步消息通信 ③ 带回调的异步消息通信 ④ 不带回复的同步通信 ⑤ 代理者模式 ⑥ 群组通信模式
分布式系统的设计目标
开放性 开放式系统
–符合标准协议（语法和语义规则） –例：IDL(接口定义语言)
特点：
–互操作性：不同系统可共同工作 –可移植性：应用程序可在不同系统上运行 –灵活性：可配置不同开发者的组件 –可扩展性：可增减组件
分布式系统的设计目标
可伸缩性（scalability） •指标：
Display process
Traffic light control processor
Light control process
Traffic flow sensors and cameras
Operator consoles
Traffic lights
层次型体系结构
•系统由自上而下的不同层次 的组件组成；
✓典型服务器包括文件服务器、数据库服务器、Web服务器
客户端
请求 1
服务器
OS内核
2
OS内核
响应
6.3 客户端－服务器体系结构
➢ 服务器与服务的区别
✓服务器是一个为多个客户端提供一个或多个服务的硬件/软件系统 ✓服务在客户端/服务器系统中是指一个满足多个客户端需要的应用
软件组件
6.3 客户端－服务器体系结构
瘦客户/胖服务器：用户接口简单，但后端负载重 胖客户/瘦服务器：能提高性能，但管理困难
客户端
服务器
47
客户端－服务器体系结构
瘦客户与胖客户模式
瘦客户（Thin-client model ） • 所有的应用处理和数据管理都在 服务器上执行。客户端只负责表 示部分（包括简单的交互逻辑）; • 遗留系统可以发展成这种客户端 /服务器体系结构; • 主要缺点是它把繁重的处理负荷 都放在了服务器和网络上。
Client3
客户端－服务器体系结构
多客户端 / 多服务器体系结构模式
Server1
Server2
《local area network》
Client1
Client2
Client3
客户端－服务器体系结构
多层客户端 / 服务器体系结构模式
➢ 存在既扮演客户端又扮演服务器的中间层 ➢ Server1既是Client1的服务器，又是Server2的客户端
统）实现 • 例如，基于Web的分布式系统，组件使用共享的基于Web的数据服务
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以事件为中心的体系结构
• 组件间的通信，通过事件（可带有数据）的传播实现；
• 例如，发布/订阅(publish/subscribe)系统
• RabbitMQ（MQ:消息队列） • Apache Kafka
组件
组件
组件
第6章 分布式体系结构
软件工程系
软件复用与组件开发
本章内容
分布式系统概述 分布式系统体系结构 客户端－服务器体系结构
➢ 瘦客户与胖客户模式 分层架构 Memcached Redis
6.1 分布式系统概述
“一个分布式系统是若干个独立的计算机的集合，但是对该系统的用 户来说，感觉该系统就像一台计算机一样。”
➢ 通用即插即用 （UPnP）标准
➢ 个人数据空间 （data space ）管理
27
分布式普适系统
电子保健系统
➢ 人体局域网 ➢ 可穿戴设备
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物联网
人体局域网
➢ 网络内数据处理
29
物联网
无线传感器网络
➢ 计算能力有限 ➢ 通信能力有限
电能有限
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本章内容
分布式系统概述 分布式系统体系结构 客户端－服务器体系结构
客户端－服务器体系结构
➢ 提供服务的服务器和使用服务的客户端被区别对待——非对称 ➢ 一个应用程序建模成一组服务（含义及形式？），由服务器提供，
并由客户端来使用 ➢ 客户端要知道服务器的存在,但不需要知道其他客户端的存在 ➢ 客户端和服务器是逻辑过程 ➢ 进程和处理器之间没有
必要非得1：1映射
客户端－服务器体系结构
➢ 资源：服务器、存储 、数据库等
应用层
汇集层
连接层
资源层
光纤层
资源
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分布式计算系统
计算机网格系统
➢ 光纤层：资源的接口 ➢ 连接层：通信协议 ➢ 资源层：管理单个资源 ➢ 汇集层：对多个资源的访问 ➢ 应用层：虚拟组织的应用程
序 ➢ 面向服务的体系结构（SOA） ➢ 开放式网格服务体系结构（
OGSA）
分布式系统的类型
根据分布式系统的应用类型，可划分出3种分布式系统
➢ 分布式计算系统：高性能科学计算 ➢ 分布式信息系统：信息管理和事务处理 ➢ 分布式普式系统：嵌入式应用
分布式计算系统
计算机集群系统
➢ 主节点：管理节点
➢ 从节点：计算节点
主节点
子节点
管理 程序
并行组件库
并行应用 程序
...
并行组件库
集中式系统
集中式系统
IBM BlueGene/L (207 TFLOPS = 2.07x1014 FLOPS)
7
网格计算
Internet
P2P计算
• 对等的、自主的实 体构成的自组织系 统，以共享分布资 源的使用
• CPU 共享: SETI@Home
• 存储空间（文件） 共享: Napster, Gnutella, Freenet等
层次型体系结构
用户接口层、处理层、数据层 例：搜索引擎
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三层体系结构举例
用户 接口
应用 服务器
数据库 服务器
时间
42
本章内容
分布式系统概述 分布式系统体系结构 客户端－服务器体系结构
➢ 瘦客户与胖客户模式 分层架构
6.3 客户端－服务器体系结构
➢ 客户端(Client)：服务的请求者 ➢ 服务器(Server)：服务的提供者
客户端－服务器体系结构
客户端－服务器体系结构的种类：
➢ 多客户端 / 单服务器体系结构模式 ➢ 多客户端 /多服务器体系结构模式 ➢ 多层客户端 /服务器体系结构模式
客户端－服务器体系结构
多客户端 / 单服务器体系结构模式
Server
《local area network》
Client1
Client2
企业应用集成(EAI)
➢ 应用程序之间的互操作 ➢ 通信中间件：RPC、RMI、MOM（Message Oriented Middleware）
等
客户
通
服务器端
应用程序
DB
应用程序
信
客户 应用程序
中 间 件
服务器端
应用程序
DB
服务器端
应用程序
DB
26
物联网
智能家庭系统
➢ 家庭网络，连 接所有家用电 器等设备
硬件 松耦合
紧耦合
分布式OS 多机OS
中间件系统 网络OS
多处理机OS
紧耦合
松耦合
软件
分布式系统的设计目标
透明性（Transparency）
① 访问透明性：用户不必知道数据表示和访问方法 ② 位置透明性：用户不必知道资源位于何处 ③ 迁移透明性：资源可以不改名，而随意移动 ④ 重定位透明性：资源可在使用中移动 ⑤ 复制透明性：用户不必知道有多少个备份存在 ⑥ 并发透明性：多个用户可以自动地共享资源 ⑦ 故障透明性：用户不必了解故障恢复处理
本地 操作系统
本地 操作系统
子节点
并行应用 程序
并行组件库
本地 操作系统
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分布式计算系统
计算机集群系统
➢ 管理程序：系统管理和配置、作业管理 ➢ 并行组件库：基于消息的通信工具 ➢ 本地操作系统：标准的通用OS ➢ 并行应用程序：并行执行的应用程序
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分布式计算系统
计算机网格系统
➢ 虚拟组织：逻辑上统 一的一组人或机构
➢ 嵌入式系统：运行于单处理器或一组处理器上; ➢ 分布式系统：系统软件运行在通过网络相连的一组松散的集成在一
起的处理器上。
分布式体系结构简介
分布式体系结构特征
① 资源共享 (Resource sharing) ② 开放性 (Openness) ③ 并发性 (Concurrency) ④ 可伸缩性 ( Scalability) ⑤ 容错性 (Fault tolerance ) ⑥ 透明性 (Transparency) ⑦ 复杂性 (Complexity ) ⑧ 保密性 (Security) ⑨ 不易管理 (Unmanageability) ⑩ 不可预见性 (Unpredictability )
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多处理器体系结构
最简单的分布式系统模型 系统有多个进程组成，这些进程可以但不是必须在不同的处理器上运行 用于许多大型实时系统中 对进程在处理器上的分布可以预先排序也可以由分配器动态分配
Sensor processor
Sensor control process
Traffic flow processor
• 硬件方面：每台计算机都是独立、自主的计算机 • 软件方面：用户感觉在独占系统
分布式系统概念
从集中式系统到分布式系统
– 高性能微型计算机(PC)的普及 – 高速计算机网络（LAN、WAN）的普及
分布式系统概念
应用举例 ➢ 银行网银系统 ➢ 连锁店“供应链”系统 ➢ 传感器网络（Sensor Network）系统 ➢ 企业“工作流”系统 ➢ WWW系统 ➢…