Проблемы распределенных систем. Общая классификация и характеристика технологий распределенных информационных систем

02.08.2019

ВВЕДЕНИЕ 4

1.ПОНЯТИЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИС 6

1.1. Предпосылки создания распределенных ИС 6

1.2. Понятие распределенных информационных систем 8

1.3. Средства работы с распределенными данными 11

2. РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ БАЗЫ ДАННЫХ 13

2.1. Основные принципы 13

2.2 Типы распределенных БД 15

2.3. Назначение и принцип работы распределенной БД 16

3. ПРИМЕРЫ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ 21

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25

ЛИТЕРАТУРА 26

ВВЕДЕНИЕ

В мире существует громадное количество готовых к использованию информационно-вычислительных ресурсов. Они создавались в разное время, для их разработки использовались разные подходы. Почти всегда при разработке новой информационной системы можно найти подходящие по своим функциям уже работающие готовые компоненты. Проблема состоит в том, что при их создании не учитывались требования несовместимости. Эти компоненты не понимают один другого, они не могут работать совместно. Желательно иметь механизм или набор механизмов, которые позволят сделать такие независимо разработанные информационно-вычислительные ресурсы совместимыми.

В данной работе рассмотрены основные сведения о распределенной информационной системе: описаны предпосылки ее развития, средства работы с данными, введено понятие распределенной базы данных, а также ее типов и основных принципов. В третьей главе представлены примеры распределенных информационных систем, такие как: - Informix On-Line фирмы Informix Software;- Ingres Intelligent Database фирмы Ingres Corp;- Oracle (version 7) фирмы Oracle Corp;- Sybase System 10 фирмы Sybase Inc.

Целью исследования является изучение теоретических основ о распределенных информационных системах, а также формирование знаний о принципах ее работы.

Такое распределение данных позволяет, например, хранить в узле сети те данные, которые наиболее часто используются в этом узле. Такой подход облегчает и ускоряет работу с этими данными и оставляет возможность работать с остальными данными БД.

1.ПОНЯТИЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИС

1.1. Предпосылки создания распределенных ИС

Второе направление - это использование средств вычислительной техники в автоматических или автоматизированных информационных системах. Обычно объемы информации, с которыми приходится иметь дело таким системам, достаточно велики, а сама информация имеет достаточно сложную структуру. Одними из естественных требований к таким системам являются средняя быстрота выполнения операций и сохранность информации.

Но поскольку информационные системы требуют сложных структур данных, эти индивидуальные дополнительные средства управления данными являлись существенной частью информационных систем и практически повторялись от одной системы к другой. Стремление выделить и обобщить общую часть информационных систем, ответственную за управление сложно структурированными данными, и явилось, судя по всему, первой побудительной причиной создания различных систем управления.

Очень скоро стало понятно, что невозможно обойтись общей библиотекой программ, реализующей над стандартной базовой файловой системой более сложные методы хранения данных, например, хранение информации в нескольких файлах. Таким образом, все это способствовало созданию распределенных информационных систем.

Фактически, если информационная система поддерживает согласованное хранение информации в нескольких файлах, можно говорить о том, что она поддерживает базу данных. Если же некоторая вспомогательная система управления данными позволяет работать с несколькими файлами, обеспечивая их согласованность, можно назвать ее системой управления базами данных. Уже только требование поддержания согласованности данных в нескольких файлах не позволяет обойтись библиотекой функций: такая система должна иметь некоторые собственные данные (метаданные) и даже знания, определяющие целостность данных .

1.2. Понятие распределенных информационных систем

К функциям таких ИС следует отнести, прежде всего, работу с распределенными данными, расположенными на разных физических серверах, различных аппаратно-программных платформах и хранящихся в различных внутренних форматах. В этом случае система должна предоставлять полную информацию о себе и всех своих ресурсах, легко расширяться, быть основана на открытых стандартах и протоколах, обеспечивать возможность интегрировать свои ресурсы с ресурсами других ИС. Для пользователей система должна обеспечивать различные уровни привилегий для пользователей и предоставлять простые интерфейсы доступа к информации.

Данные из разнородных систем обычно объединяются в логические группы, к которой и адресуются запросы. Абстрактная система запросов предполагает, что система оперирует не конкретным синтаксисом запросов, а его логической сутью на основе абстрактных атрибутов.
При построении распределенных ИС, как правило, используются две базовые архитектуры: Клиент/сервер и Internet Intranet.
Корпоративные ИС, построенные по архитектуре Клиент/сервер, предоставляют клиентам широкий спектр приложений и инструментов разработки, которые ориентированы на максимальное использование вычислительных возможностей клиентских рабочих мест. Ресурсы сервера используются в основном для хранения и обмена документами, а также для выхода во внешнюю среду. Данная архитектура позволяет лучше защитить серверную часть приложений, при этом, предоставляя возможность приложениям либо непосредственно адресоваться к другим серверным приложениям, либо маршрутизировать запросы к ним. Однако, частые обращения клиента к серверу снижают производительность работы сети. Приходится решать вопросы безопасной работы в сети, так как приложения и данные распределены между различными клиентами. Распределенный характер построения системы обусловливает сложность ее настройки и сопровождения

В основе ИС на базе Internet Intranet лежит принцип "открытой архитектуры". ПО ИС реализуется в виде аплетов или сервлетов (программ на языке JAVA) или в виде cgi модулей (программ на Perl или С). ИС данной архитектуры включает Web-yinh\, реализованные при помощи технологий CORBA Enterprise JavaBeans, ActiveX 1X"ОМ, многоуровневые приложения на основе Java и XML, .Net-концепция с XML, в которой обмен между различными серверами (хранилищами данных, бизнес-приложениями, серверами для мобильных клиентов и другое) производится при помощи нейтрального к любой архитектуре XML.

Под распределенной информационной базой понимается неограниченное количество баз данных, дистанционно отдаленных друг от друга и имеющих ряд общих характеристик:

Функционирующих по единым правилам, определенным централизованно для всех баз данных, входящих в распределенную информационную базу;

Обмен данными осуществляется по правилам, также определенным централизованно.

Организация распределенной базы необходима для компаний, осуществляющих различные виды деятельности, если в их повседневной работе возникает потребность решения следующих задач:

Необходимость оперативного получения информации из баз данных дистанционно отдаленных подразделений (или филиалов);

Необходимость консолидации в единой базе данных информации из баз данных юридических лиц, входящих в структуру компании, для последующего анализа данных и получения отчетности из одной базы, как по компании в целом, так и по каждому юридическому лицу в отдельности;

Необходимость введения централизованного изменения структуры и правил работы баз данных для работы всех дистанционно отдаленных подразделений (филиалов) и юридических лиц (с невозможностью изменения определенных правил непосредственно в отдаленном подразделении);

Необходимость ограничения и осуществления контроля изменения данных в дистанционно отдаленных подразделениях компании (филиалах) .

1.3. Средства работы с распределенными данными

1) Фрагментация и дублирование

Один из способов распределенного хранения таблиц - это фрагментация. Таблица может быть расщеплена на части, которые будут помещены в разные узлы. Другой способ распределения данных - это дублирование (репликация). Можно создать дубли всей БД или ее частей и разместить эти дубли в узлах. Оба метода позволяют хранить данные именно в том узле, где они наиболее часто используются. Это сводит к минимуму затраты на передачу данных по сети и уменьшает использование процессоров и прочих ресурсов остальных узлов. При такой архитектуре БД приложения передача данных по сети выполняется достаточно редко.

2) Словари данных и директории

После того, как данные распределены по разным узлам сети, важно найти и использовать эти данные. Для того, чтобы найти данные и преобразовать их в нужный формат, используются глобальные словари данных и директории. В словаре хранится информация о данных, их использовании, правах доступа к данным, а также о приложениях. Директории данных используются для того, чтобы определить, где хранятся данные и как их извлечь. Словари и директории могут быть глобальными и локальными

3) Двухфазная фиксация изменений

Методы распределения данных конечно очень важны, однако сердцем современных распределенных СУБД является протокол двухфазной фиксации изменений. Этот протокол управляет выполнением транзакций, изменяющих данные нескольких узлов. Основная идея двухфазной фиксации заключается в следующем: недопустима ситуация при которой транзакция, изменяющая данные в нескольких узлах, выполняется в одних узлах и не выполняется в других узлах. Транзакция должна быть либо успешно выполнена во всех узлах, либо не выполнена ни в одном узле.

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 4
1.ПОНЯТИЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИС 6
1.1. Предпосылки создания распределенных ИС 6
1.2. Понятие распределенных информационных систем 8
1.3. Средства работы с распределенными данными 11
2. РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ БАЗЫ ДАННЫХ 13
2.1. Основные принципы 13
2.2 Типы распределенных БД 15
2.3. Назначение и принцип работы распределенной БД 16
3. ПРИМЕРЫ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ 21
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25
ЛИТЕРАТУРА 26

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность данной темы реферата состоит в том, что в мировой экономике происходят процесса глобализации и информационной интеграции. Они затронули и нашу страну, которая в силу географического положения и размеров вынуждена применять распределенные информационные системы (ИС). Распределенные ИС обеспечивают работу с данными, расположенными на разных серверах, различных аппаратно-программных платформах и хранящимися в различных форматах. Они легко расширяются, основаны на открытых стандартах и протоколах, обеспечивают интеграцию своих ресурсов с другими ИС, предоставляют пользователям простые интерфейсы.
В мире существует громадное количество готовых к использованию информационно-вычислительных ресурсов. Они создавались в разное время, для их разработки использовались разные подходы. Почти всегда при разработке новой информационной системы можно найти подходящие по своим функциям уже работающие готовые компоненты. Проблема состоит в том, что при их создании не учитывались требования несовместимости. Эти компоненты не понимают один другого, они не могут работать совместно. Желательно иметь механизм или набор механизмов, которые позволят сделать такие независимо разработанные информационно-вычислительные ресурсы совместимыми.
В данной работе рассмотрены основные сведения о распределенной информационной системе: описаны предпосылки ее развития, средства работы с данными, введено понятие распределенной базы данных, а также ее типов и основных принципов. В третьей главе представлены примеры распределенных информационных систем, такие как: - Informix On-Line фирмы Informix Software;- Ingres Intelligent Database фирмы Ingres Corp;- Oracle (version 7) фирмы Oracle Corp;- Sybase System 10 фирмы Sybase Inc.
Целью исследования является изучение теоретических основ о распределенных информационных системах, а также формирование знаний о принципах ее работы.
Такое распределение данных позволяет, например, хранить в узле сети те данные, которые наиболее часто используются в этом узле. Такой подход облегчает и ускоряет работу с этими данными и оставляет возможность работать с остальными данными БД.

1.ПОНЯТИЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИС
1.1. Предпосылки создания распределенных ИС

C самого начала развития вычислительной техники образовались два основных направления ее использования. Первое направление - применение вычислительной техники для выполнения численных расчетов, которые слишком долго или вообще невозможно производить вручную. Становление этого направления способствовало интенсификации методов численного решения сложных математических задач, развитию класса языков программирования, ориентированных на удобную запись численных алгоритмов, становлению обратной связи с разработчиками новых архитектур ЭВМ.
Второе направление - это использование средств вычислительной техники в автоматических или автоматизированных информационных системах. Обычно объемы информации, с которыми приходится иметь дело таким системам, достаточно велики, а сама информация имеет достаточно сложную структуру. Одними из естественных требований к таким системам являются средняя быстрота выполнения операций и сохранность информации.
Но поскольку информационные системы требуют сложных структур данных, эти индивидуальные дополнительные средства управления данными являлись существенной частью информационных систем и практически повторялись от одной системы к другой. Стремление выделить и обобщить общую часть информационных систем, ответственную за управление сложно структурированными данными, и явилось, судя по всему, первой побудительной причиной создания различных систем управления.
Очень скоро стало понятно, что невозможно обойтись общей библиотекой программ, реализующей над стандартной базовой файловой системой более сложные методы хранения данных, например, хранение информации в нескольких файлах. Таким образом, все это способствовало созданию распределенных информационных систем.
Фактически, если информационная система поддерживает согласованное хранение информации в нескольких файлах, можно говорить о том, что она поддерживает базу данных. Если же некоторая вспомогательная система управления данными позволяет работать с несколькими файлами, обеспечивая их согласованность, можно назвать ее системой управления базами данных. Уже только требование поддержания согласованности данных в нескольких файлах не позволяет обойтись библиотекой функций: такая система должна иметь некоторые собственные данные (метаданные) и даже знания, определяющие целостность данных .
В мире существует громадное количество готовых к использованию информационно-вычислительных ресурсов. Они создавались в разное время, для их разработки использовались разные подходы. Почти всегда при разработке новой информационной системы можно найти подходящие по своим функциям уже работающие готовые компоненты.

1.2. Понятие распределенных информационных систем

Обычно, распределенной считают такую систему, в которой функционирует более одного сервера БД. Это применяется для уменьшения нагрузки на сервер и обеспечения работы территориально удаленных подразделений. Различная сложность создания, модификации, сопровождения, интеграции с другими системами позволяют разделить ИС на классы малых, средних и крупных распределенных систем. Малые ИС имеют небольшой жизненный цикл (ЖЦ), ориентацию на массовое использование, невысокую цену, невозможность модификации без участия разработчиков, использующие в основном настольные системы управления базами данных (СУБД) , однородное аппаратно-программное обеспечение, не имеющие средств обеспечения безопасности. Крупные корпоративные ИС, системы федерального уровня и другие имеют длительный жизненный цикл, миграцию унаследованных систем, разнообразие аппаратно-программного обеспечения, масштабность и сложность решаемых задач, пересечение множества предметных областей, аналитическую обработку данных, территориальную распределенность компонент .
К функциям таких ИС следует отнести, прежде всего, работу с распределенными данными, расположенными на разных физических серверах, различных аппаратно-программных платформах и хранящихся в различных внутренних форматах. В этом случае система должна предоставлять полную информацию о себе и всех своих ресурсах, легко расширяться, быть основана на открытых стандартах и протоколах, обеспечивать возможность интегрировать свои ресурсы с ресурсами других ИС. Для пользователей система должна обеспечивать различные уровни привилегий для пользователей и предоставлять простые интерфейсы доступа к информации.
Данные из разнородных систем обычно объединяются в логические группы, к которой и адресуются запросы. Абстрактная система запросов предполагает, что система оперирует не конкретным синтаксисом запросов, а его логической сутью на основе абстрактных атрибутов.
При построении распределенных ИС, как правило, используются две базовые архитектуры: Клиент/сервер и Internet Intranet.
Корпоративные ИС, построенные по архитектуре Клиент/сервер, предоставляют клиентам широкий спектр приложений и инструментов разработки, которые ориентированы на максимальное использование вычислительных возможностей клиентских рабочих мест. Ресурсы сервера используются в основном для хранения и обмена документами, а также для выхода во внешнюю среду. Данная архитектура позволяет лучше защитить серверную часть приложений, при этом, предоставляя возможность приложениям либо непосредственно адресоваться к другим серверным приложениям, либо маршрутизировать запросы к ним. Однако, частые обращения клиента к серверу снижают производительность работы сети. Приходится решать вопросы безопасной работы в сети, так как приложения и данные распределены между различными клиентами. Распределенный характер построения системы обусловливает сложность ее настройки и сопровождения
В основе ИС на базе Internet Intranet лежит принцип "открытой архитектуры". ПО ИС реализуется в виде аплетов или сервлетов (программ на языке JAVA) или в виде cgi модулей (программ на Perl или С). ИС данной архитектуры включает Web-yinh\, реализованные при помощи технологий CORBA Enterprise JavaBeans, ActiveX 1X"ОМ, многоуровневые приложения на основе Java и XML, .Net-концепция с XML, в которой обмен между различными серверами (хранилищами данных, бизнес-приложениями, серверами для мобильных клиентов и другое) производится при помощи нейтрального к любой архитектуре XML.
Под распределенной информационной базой понимается неограниченное количество баз данных, дистанционно отдаленных друг от друга и имеющих ряд общих характеристик:
- функционирующих по единым правилам, определенным централизованно для всех баз данных, входящих в распределенную информационную базу;
- обмен данными осуществляется по правилам, также определенным централизованно.
Организация распределенной базы необходима для компаний, осуществляющих различные виды деятельности, если в их повседневной работе возникает потребность решения следующих задач:
- необходимость оперативного получения информации из баз данных дистанционно отдаленных подразделений (или филиалов);
-необходимость консолидации в единой базе данных информации из баз данных юридических лиц, входящих в структуру компании, для последующего анализа данных и получения отчетности из одной базы, как по компании в целом, так и по каждому юридическому лицу в отдельности;
- необходимость введения централизованного изменения структуры и правил работы баз данных для работы всех дистанционно отдаленных подразделений (филиалов) и юридических лиц (с невозможностью изменения определенных правил непосредственно в отдаленном подразделении);
- необходимость ограничения и осуществления контроля изменения данных в дистанционно отдаленных подразделениях компании (филиалах) .

1.3. Средства работы с распределенными данными

При выборе распределенной ИС в первую очередь следует обратить внимание на то, какие операционные системы и сетевые протоколы она поддерживает. Однако не менее важным является и то, какие методы распределения данных в ней реализованы.
1) Фрагментация и дублирование
Один из способов распределенного хранения таблиц - это фрагментация. Таблица может быть расщеплена на части, которые будут помещены в разные узлы. Другой способ распределения данных - это дублирование (репликация). Можно создать дубли всей БД или ее частей и разместить эти дубли в узлах. Оба метода позволяют хранить данные именно в том узле, где они наиболее часто используются. Это сводит к минимуму затраты на передачу данных по сети и уменьшает использование процессоров и прочих ресурсов остальных узлов. При такой архитектуре БД приложения передача данных по сети выполняется достаточно редко.
2) Словари данных и директории
После того, как данные распределены по разным узлам сети, важно найти и использовать эти данные. Для того, чтобы найти данные и преобразовать их в нужный формат, используются глобальные словари данных и директории. В словаре хранится информация о данных, их использовании, правах доступа к данным, а также о приложениях. Директории данных используются для того, чтобы определить, где хранятся данные и как их извлечь. Словари и директории могут быть глобальными и локальными
3) Двухфазная фиксация изменений
Методы распределения данных конечно очень важны, однако сердцем современных распределенных СУБД является протокол двухфазной фиксации изменений. Этот протокол управляет выполнением транзакций, изменяющих данные нескольких узлов. Основная идея двухфазной фиксации заключается в следующем: недопустима ситуация при которой транзакция, изменяющая данные в нескольких узлах, выполняется в одних узлах и не выполняется в других узлах. Транзакция должна быть либо успешно выполнена во всех узлах, либо не выполнена ни в одном узле.
4) Обеспечение целостности
Важной характеристикой распределенной ИС является то, как она обеспечивает поддержку ссылочной целостности между данными таблицы-мастера и данными связанных с ней таблиц. Рассмотрим пример ссылочной целостности. Предположим в распределенной БД имеются три таблицы:
- таблица, содержащая информацию о детях сотрудников;
- таблица, содержащая информацию о зарплатах сотрудников за год;
- таблица, содержащая информацию о темах, выполненных сотрудником.
Все эти таблицы содержат столбец "ФИО сотрудника". Правила обеспечения ссылочной целостности требуют, чтобы при изменении значений столбца "ФИО сотрудника" в одной таблице, автоматически выполнялась корректировка значений этого столбца в других таблицах. Для обеспечения ссылочной целостности используются 2 различных метода - триггеры и декларативные ограничения целостности стандарта ANSI .

2. РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ БАЗЫ ДАННЫХ
2.1. Основные принципы

Распределённые базы данных (РБД) - совокупность логически взаимосвязанных баз данных, распределённых в компьютерной сети.
РБД состоит из набора узлов, связанных коммуникационной сетью, в которой:
а)каждый узел - это полноценная СУБД сама по себе;
б)узлы взаимодействуют между собой таким образом, что пользователь любого из них может получить доступ к любым данным в сети так, как будто они находятся на его собственном узле .
Каждый узел сам по себе является системой базы данных. Любой пользователь может выполнить операции над данными на своём локальном узле точно так же, как если бы этот узел вовсе не входил в распределённую систему. Распределённую систему баз данных можно рассматривать как партнёрство между отдельными локальными СУБД на отдельных локальных узлах.
Фундаментальный принцип создания распределённых баз данных («правило 0»): Для пользователя распределённая система должна выглядеть так же, как нераспределённая система.
Фундаментальный принцип имеет следствием определённые дополнительные правила или цели. Таких целей всего двенадцать:
1.Локальная независимость. Узлы в распределённой системе должны быть независимы, или автономны. Локальная независимость означает, что все операции на узле контролируются этим узлом.
2.Отсутствие опоры на центральный узел. Локальная независимость предполагает, что все узлы в распределённой системе должны рассматриваться как равные. Поэтому не должно быть никаких обращений к «центральному» или «главному» узлу с целью получения некоторого централизованного сервиса.
3.Непрерывное функционирование. Распределённые системы должны предоставлять более высокую степень надёжности и доступности.
4.Независимость от расположения. Пользователи не должны знать, где именно данные хранятся физически и должны поступать так, как если бы все данные хранились на их собственном локальном узле.
5.Независимость от фрагментации. Система поддерживает независимость от фрагментации, если данная переменная- отношение может быть разделена на части или фрагменты при организации её физического хранения. В этом случае данные могут храниться в том месте, где они чаще всего используются, что позволяет достичь локализации большинства операций и уменьшения сетевого трафика.
6.Независимость от репликации. Система поддерживает репликацию данных, если данная хранимая переменная-отношение - или в общем случае данный фрагмент данной хранимой переменной-отношения - может быть представлена несколькими отдельными копиями или репликами, которые хранятся на нескольких отдельных узлах.
7.Обработка распределённых запросов. Суть в том, что для запроса может потребоваться обращение к нескольким узлам. В такой системе может быть много возможных способов пересылки данных, позволяющих выполнить рассматриваемый запрос.
8.Управление распределёнными транзакциями. Существует 2 главных аспекта управления транзакциями: управление восстановлением и управление параллельностью обработки. Что касается управления восстановлением, то чтобы обеспечить атомарность транзакции в распределённой среде, система должна гарантировать, что все множество относящихся к данной транзакции агентов (агент - процесс, который выполняется для данной транзакции на отдельном узле) или зафиксировало свои результаты, или выполнило откат. Что касается управления параллельностью, то оно в большинстве распределённых систем базируется на механизме блокирования, точно так, как и в нераспределённых системах.
и т.д.................

СПбГУТ им. проф. -Бруевича

РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ

СИСТЕМЫ

(ЭЛЕКТРОННЫЙ УЧЕБНИК)

Санкт-Петербург, 2008

Предисловие

Раздел 1. Информационные сети и системы

1.1. Основные понятия теории информационных систем и сетей

1.2. Концептуальная модель информационной сети

1.3. Организация процессов взаимосвязи в информационных сетях

1.4. Принципы и функции организации взаимосвязи открытых систем

1.5. Локальные информационно-вычислительные сети (ЛИВС)

1.5.1. Общие сведения

1.5.2. Стандарты локальных сетей

1.5.3. Архитектура локальных сетей типа Ethernet

1.5.4. Пример формата кадра Ethernet

1.6. Технологии и архитектура современных беспроводных сетей

1.6.1. Классификация беспроводных сетей передачи информации

1.6.2. Персональные беспроводные сети (технологии Home RF, Bluetooth, ZigBee)

1.6.3. Беспроводные локальные сети (стандарты IEEE 802.11 и DECT)

1.6.4. Беспроводные городские сети (технология WiMAX)

1.6.5. Беспроводные глобальные сети WWAN (технологии IEEE 802.20, GSM, CDMA, 3G)

1.7. Магистральные сети передачи данных

1.7.1. Сети с коммутацией пакетов Х.25

1.7.2. Сети Frame Relay (Сети с ретрансляцией кадров)

1.7.3. Сети АТМ

1.7.4. Технология TCP/IP

1.7.5. Технология Ethernet в магистральных сетях передачи данных

Раздел 2. Протоколы физического и канального уровней в распределенных информационных системах

2.1. Физический уровень

2.1.1. Стандарты протоколов физического уровня между ООД и АКД

2.1.2. Сопряжение АКД с каналом связи

2.2. Протоколы канального уровня

2.2.1. Байт-ориентированные протоколы

2.2.2. Бит-ориентированные протоколы

2.2.3. Передача с установлением соединения и без установления соединения

2.2.4. Методы повышения достоверности на канальном уровне

2.2.5. Компрессия данных

Раздел 3. Модемы для распределенных информационных систем

3.1. Модемы для ТФОП

3.1.1. Общие сведения

3.1.2. Элементы модема для ТФОП

3.1.3. Методы скремблирования

3.1.4. Способы модуляции

3.1.5. Протоколы модуляции серии V

3.2. Цифровые модемы

3.2.1. Устройство цифрового модема

3.2.2. Проблемы передачи по физическим линиям

3.2.3. Модемы для физических линий

3.3. xDSL-модемы

3.4. Радиомодемы

3.4.1. Общие сведения

3.4.2. Радиомодемы ISM-диапазонов

3.4.3. Пакетные радиомодемы

3.4.4. Формат кадров АХ.25

3.4.5. Физическая реализация радиомодемов

3.5. Модемы для волоконно-оптических сетей (ВОЛС)

3.6. Принципы построения свёрточных кодов

3.6.1. Методы представления сверточных кодов

3.6.2. Алгоритм декодирования Витерби

Раздел 4. Документальная электросвязь

4.1. Общие положения по сетям и службам передачи данных

4.2. Услуги служб передачи данных. Качество предоставляемых услуг ПД

4.2.1. Передача данных по сети ТФОП

4.2.2. Передача данных по некоммутируемым каналам ТЧ

4.2.3. Передача данных по цифровым каналам цифровых сетей с интеграцией служб (N-ISDN, B-ISDN)

4.2.4. Показатели качества обслуживания в службах ПД с коммутацией пакетов по протоколу Х.25

4.2.5. Показатели качества обслуживания в службах ПД с ретрансляцией кадров по протоколу Х.36

4.2.6. Показатели качества обслуживания в службах ПД с коммутацией пакетов по протоколам, относящимся к семейству IP

4.2.7. Показатели качества обслуживания в службах ПД с некоммутируемыми цифровыми каналами

4.2.8. Некоторые показатели качества ПД по неспециализированным сетям данных

4.3. Телематические службы и услуги. Качество предоставляемых телематических услуг и требования к ним

4.3.1. Факсимильные службы

4.3.2. Служба обмена электронными сообщениями

4.3.3. Службы телеконференций

4.3.4. Информационные службы

Раздел 5. Интернет технологии

5.1. Общие сведения об Интернет

5.1.1. Обобщённая структура сети Интернет

5.1.2. Стек протоколов TCP/IP

5.1.3. Организации, отвечающие за развитие Интернет и стандартизацию средств Интернет

5.1.4. Сравнительная оценка и сфера применения сетевых архитектур ISO и TCP/IP

5.2. Прикладной уровень. Примеры служб и протоколов

5.2.1. Служба FTP. Протокол FTP

5.2.2. Служба WWW. Протокол HTTP

5.2.3. Структура и протоколы электронной почты в Интернет

5. 3. Транспортный уровень. Протоколы TCP и UDP

5.4. Адресация в IP-сетях

5.4.1. Типы адресов стека TCP/IP

5.4.2. Классы IP-адресов

5.5. Межсетевой уровень и протокол IP (Internet Protocol)

5.6. Принципы и алгоритмы маршрутизации в Интернет

5.6.1. Проблема маршрутизации в сети Интенет

5.6.2. Внутренние протоколы маршрутизации

5.6.3. Внешние протоколы маршрутизации

Раздел 6. Информационные ресурсы распределенных

информационных систем

6.1. Базы данных

6.1.1. Общие понятия

6.1.3. Уровни представления данных

6.1.4. Модели данных

6.3. Системы распределенных вычислений

6.4. Архитектура центра обработки данных

7.1. Базовая модель и метод «клиент-сервер»

7.2. Модификации модели и метода «клиент-сервер»

7.2.1. Модель и метод доступа к удаленным данным

7.2.2. Модель и метод сервера базы данных

7.2.3. Модель и метод сервера приложений

7.3. Программы-агенты и модель «клиент-агент-сервер»

7.4. Особенности управления в распределенных информационных

системах

Предисловие

Предлагаемый вниманию электронный учебник освещает широкий круг вопросов, связанных с построением, функционированием и использованием распределенных информационных систем.

Первый раздел учебника посвящена вопросам построения информационных сетей и систем. Рассмотрены вопросы организации локальных информационно-вычислительных сетей, приведены стандарты. Большое внимание уделено вопросам реализации беспроводных сетей передачи информации, рассмотрены стандарты для беспроводных сетей, которые в настоящее время оказались наиболее перспектитвными при реалиции беспроводных сетей.

Во втором разделе дается характеристика протоколов физического и канального уровня семиуровневой эталонной модели взаимодействия открытых систем. Рассмотрены примеры наиболее широко используемых терминальных интерфейсов. Также рассмотрены протоколы передачи данных на канальном уровне. Особое внимание обращено на методы повышения достоверности и компрессию данных.

В третьем разделе учебника рассмотрены наиболее часто используемые в настоящее время классы модемов для распределенных информационных систем. Достаточно внимания уделено вопросам достижения современными модемами высоких скоростей передачи данных при требуемой помехоустойчивости.

В четвертом разделе раскрыты требования руководящих документов «Сети и службы передачи данных» и «Телематические службы». Рассмотрены услуги служб передачи данных и телематических служб, а также качество предоставляемых ими услуг.

В пятом разделе рассмотрены принципы построения глобальной распределенной инфокоммуникационной системы, которая реализована на базе сети Интернет. Описаны некоторые службы и протоколы прикладного уровня. Раскрыта организация функционирования протоколов транспортного и сетьвого уровней. Нашли отражение вопросы маршрутизации в сети Интернет.

В шестом разделе проанализированы способы хранения, организации и представления информации в базах данных, рассмотрены системы распределенных вычислений, раскрыта архитектура центра обработки данных.

Седьмой раздел посвящена моделям и методам управления в информационных системах.

Учебник адресован студентам, имеющим целью получить знания о том, как организованы и функционируют современные информационные сети и системы, какие информационные ресурсы составляют основу распределенных информационных систем, на каких коммуникационных средах базируются информационные системы.

Книга может быть полезна исследователям и научным работникам , специализирующимся в области инфокоммуникационных технологий, а также тем, кто только осваивает эту область.

Источник: Журнал «Перспективы науки и образования» Выпуск №6(12)/2014 http://cyberleninka.ru/article/n/problemy-raspredelennyh-sistem

Аннотация

Статья описывает особенности распределенных систем. Раскрывается понятие распределенной системы и распределенной информационной системы.

Дается классификация распределенных систем. В частности, по типу предоставляемых ресурсов: распределенные вычислительные системы, распределенные информационные системы, семантический Трид. По количеству элементов в системе: кластер, распределенная система корпоративного уровня, глобальная система.

Описаны требования, предъявляемые к распределенным системам: прозрачность распределенной системы, прозрачность местоположения, прозрачность доступа, прозрачность параллелизма доступа, прозрачность масштабируемости распределенной системы, прозрачность репликации, открытость системы, безопасность, надежность РС.

Статья описывает проблемы при создании и эксплуатации распределенных систем, такие как: проблемы администрирования системы, проблемы балансирования нагрузки, проблемы восстановления данных в случае возникновения ошибок, проблемы ограниченности масштабируемости (проблема увеличения количество узлов системы, проблема ограниченности возможностей сервера, проблема ограниченности сетей передачи данных, проблема ограниченности алгоритмов обработки данных), проблема переносимости ПО.

Ключевые слова: вычисления,распределенные системы,распределенные вычислительные системы,распределенные информационные системы

Введение

В современном обществе существует необходимость в повышении качества и скорости обработки в первую очередь «больших данных» и во вторую очередь данных в распределенных системах . В связи с этим возрастает значение распределенных систем хранения и обработки данных , как средства решения этой проблемы. Одной из основных задач любой распределенной системы является анализ свойств полученных данных, которые, в силу ряда причин, не могут быть оценены на одном узле. Для достижения поставленной цели и ускорения времени обработки необходимо на первом этапе разослать данные на распределенные узлы системы, а на втором собрать данные из распределенных узлов и агрегировать эти данные в общее глобальное представление. Это является сложной задачей из-за часто встречающего в таких типах задач динамики, что накладывает очень частые изменения в локальные значения, которые влияют на общие глобальные свойства всей задачи. Создание эффективных и адаптивных распределенных систем позволяет значительно ускорить скорость обработки данных. С целью рассмотрения данного вопроса проведем анализ проблем возникающих в ходе проектирования и эксплуатации распределенных систем.

Понятие распределенной системы

На сегодняшний момент в литературе существует большое количество определений понятия «распределенная система». Наиболее полное определение предложил AS Tanenbaum : «Распределенная система (РС) – это набор независимых компьютеров, который воспринимается его пользователям как единственная последовательная система.» Другое определение предложено в работе : Распределенными системами называются программно-аппаратные системы, в которых исполнение операций (действий, вычислений), необходимых для обеспечения целевой функциональности системы, распределено(физически или логически) между разными исполнителями. В вычислительной сфере под РС в нашем исследовании будем понимать программно–аппаратную систему, созданную для конкретного практического применения, функционал которой распределен на различных узлах.

Классифицировать распределенные системы можно по различным признакам: по количеству элементов в системе, по уровню организации распределенных систем, по типу предоставляемых ресурсов, а также ряду других признаков. По типу предоставляемых ресурсов различают:

распределенные вычислительные системы (Computational Grid)
распределенные информационные системы (Data Grid)
семантический Грид (Semantic Grid)

Основная характеристика вычислительных систем (Computational Grid) заключается в том, что в качестве основного ресурса предоставляется вычислительная мощность всей системы. Основное направление развития систем подобного типа заключается в наращивании вычислительных мощностей системы, посредством увеличения числа вычислительных узлов. Примером распределенных вычислительных систем являются кластеры.

Распределенные информационные системы (Data Grid) предоставляют вычислительные ресурсы для обработки больших объемов данных, для задач не требующих больших вычислительных ресурсов. Семантический Грид предоставляет не только отдельные вычислительные мощности (базы данных, сервисы), но и совокупность вычислительных систем и информационных систем, для каждой конкретной предметной области .

По количеству элементов в системе различают распределенные системы: кластер, распределенная система корпоративного уровня, глобальная система. Распределенная система является кластером, если общее количество элементов не превышает несколько десятков. Распределенная система корпоративного уровня содержит в своем составе уже сотни, а в некоторых случаях, и тысячи элементов. Глобальной системой называется распределенная система с количеством элементов, входящим в ее состав, более 1000. При этом, зачастую, элементы таких систем глобально распределены. Примером глобальной распределенной сети является Интернет, где в качестве предоставляемого ресурса является информационное поле.

Основные требования, предъявляемые к распределенным системам

Основными требованиями, предъявляемыми к распределенным системам, являются: прозрачность, открытость системы, безопасность, масштабируемость РС, надежность. Рассмотрим каждую характеристику подробнее.

Прозрачность распределенной системы. Прозрачность, в общем случае, заключается в том, что распределенные системы должны быть восприняты пользователями системы как однородный объект, а не как набор автономных объектов, которые взаимодействуют между собой между собой. Проектирование распределенной системы является сложной задачей, и соблюдение необходимой прозрачности, является необходимым условием функционирования системы. Существуют различные виды прозрачности .

Прозрачность местоположения. В распределенных системах прозрачность местоположения заключается в том, что пользователь не должен знать, где расположены необходимые ему ресурсы. Файлы могут перемещаться на различные узлы распределенной системы, например, если на узле РС произошел сбой, и данные были восстановлены на другом узле РС, но при этом, пользователь не должен замечать эти перемещения. Например, в распределенных информационных файловых системах, пользователь должен видеть лишь единое файловое пространство, притом, что данные могут располагаться физически на разных серверах.

Прозрачность доступа. В распределенных системах наиболее важную роль играет принцип прозрачности доступа. Прозрачность в данном случае заключается в обеспечении сокрытия различий доступа и предоставлении данных.

Прозрачность параллелизма доступа. Различные пользователи распределенных систем должны иметь возможность параллельного доступа к общим данным. При этом необходимо обеспечить параллельное совместное использование ресурсами системы, а соответственно, обеспечить сокрытие факта совместного использования ресурсов.

Прозрачность репликации. В целях обеспечения сохранности данных, особенно на распределенных файловых системах, необходимо обеспечить репликацию данных. Пользователю не должно быть известно, что репликация данных существует. Для сокрытия данного фактора, необходимо, чтобы у предоставляемых данных или ресурсов, были одинаковые имена.

Открытость системы. В отличие от ранних распределенных систем, которые по своей сути были ограниченными и закрытыми, так как они создавались в основном в пределах отдельных организаций и для решения конкретных задач, современные распределенные системы создаются все более открытыми. Применение принципа открытости к распределенным системам стало возможным благодаря развитию линий передачи данных, увеличение производительности процессоров, а также общего развития информационных технологий. Под открытостью распределенных систем понимается возможность взаимодействия с другими открытыми системами. Открытые системы должны иметь следующие характеристики:

РС должны соответствовать четко определенными интерфейсами
Системы, входящие в состав РС должны легко взаимодействовать между собой
Системы должны обеспечивать переносимость приложений.

Открытость системы может быть достигнута с помощью: языков программирования, аппаратных платформ, программного обеспечения.

Безопасность. Особое место в современных распределенных системах занимает их безопасность. Безопасность РС является, в общем случае, совокупностью 3 факторов :

Обеспечение конфиденциальности данных и ресурсов;
Обеспечение конфиденциальности доступа к ресурсам для множества пользователей;
Обеспечение целостности ресурсов и данных.

Необходимость создания распределенных систем, которые обеспечивают необходимую безопасность данных и всей структуры РС, возникает повсеместно. Многие вопросы безопасности могут быть решены на уровне отдельных узлов РС, например, путем установки фаерволов и антивирусного ПО на отдельные узлы системы, введением политики аутентификации пользователей и другими методами. Но в силу особенности архитектуры большинства РС, данный подход не всегда является эффективным. Программное обеспечение не всегда может обеспечить необходимую конфиденциальность данных в распределенной системе. Например, программное обеспечение не всегда может полноценную защиту от MIMT и DDOS атак на распределенную сеть. Зачастую методы защиты от подобных атак не всегда являются приемлемыми для узлов вычислительной сети. Важным показателем, при организации защиты РС, является уровень доступности системы. Уровень доступности распределенной системы определяется не только доступностью ресурса в момент времени t, но и принципами организации защиты РС, так как большинство программных средств, обеспечивающие защиту от атак, направлены на отказ в обслуживании. Большое внимание данному вопросу уделяется многими производителями антивирусного ПО.

Надежность РС. В связи с появлением новых методов и алгоритмов, требовательных к вычислительным ресурсам и, самое главное, к ресурсам времени, необходимость в доступности распределенных систем в момент времени t становится крайне актуальным. Основным показателем, определяющим надежность всей РС, является отказоустойчивость. Отказоустойчивость это важнейшее свойство вычислительной системы, которое заключается в возможности продолжения действий, заданных программой, после возникновения неисправностей.

Проблемы эксплуатации распределенных систем

Несмотря на все достоинства распределенных систем по сравнению с традиционными централизованными системами (РС обеспечивают значительно меньшую стоимость развертывания и простоту реализации), РС имеют и ряд существенных недостатков. Основными проблемами распределенных систем по сравнению с традиционными системами являются:

проблемы администрирования системы;
проблемы ограниченности масштабируемости РС;
проблемы переносимости программного обеспечения.

Проблемы администрирования системы включают проблемы: проблемы балансирования нагрузки на узлы системы; проблемы восстановления данных в случае возникновения ошибок. Фрагментация ресурсов в распределенных системах предписывает необходимость создания гибких настраиваемых средств администрирования. Так как в глобально распределенных системах администрирование должно происходить в автоматическом режиме, то в связи с этим возникают следующие основные проблемы администрирования распределенных систем:

балансировка нагрузки на узлы системы;
восстановление данных в случае возникновения ошибки;
сбор статистики с узлов системы;
обновление программного обеспечения на узлах системы в автоматическом режиме.

Стоит понимать, что данный список является обобщенным, т.е. для каждой конкретной РС возможно возникновение проблем, которые не описаны в данной работе. Но данные проблемы являются наиболее часто встречающимися на практике и заслуживают особого внимания при проектировании РС. Последние две проблемы хорошо изучены, и на рынке программного обеспечения распределенных систем существует множество разработанных программных средств, которые обеспечивают как сбор статистики, так и обновление программного обеспечения. Научный же интерес представляют методы балансирования нагрузки на узлы системы и методы восстановления данных в случае возникновения ошибок. В силу специфики РС, а также гетерогенности оборудования и архитектуры РС, не существует единого метода проектирования, который обеспечивал бы решение этих проблем.

Проблемы балансирования нагрузки. Важной проблемой при проектировании РС является обеспечение эффективной балансировки нагрузки на узлы системы. Правильно выбранная стратегия балансировки нагрузки оказывает решающее влияние на общую эффективность и скорость работы распределенной системы. На сегодняшний момент существует множество подходов к решению данной проблемы.

В общем случае можно выделить обобщенную классификацию методов балансировки загрузки вычислительных узлов. По характеру распределения нагрузки на вычислительные узлы различают: динамическую балансировку (перераспределение); статическую балансировку.

Статическая балансировка, зачастую, выполняется в результате априорного анализа. При распределении ресурсов по вычислительным узлам анализируется модель распределенной системы, с целью выявления наилучшей стратегии балансировки. При этом необходимо учитывать структуру РС, а также конфигурацию вычислительных узлов. Основной недостаток данного метода балансирования нагрузки заключается в необходимости ассоциации узлов с различной конфигурацией оборудования с вычислительной сложностью задачи, что не всегда представляется возможным.

Динамическая балансировка распределенной системы заключается в адаптации нагрузки на узлы распределенной системы в ходе работы, что в свою очередь позволяет эффективнее использовать ресурсы сети. Необходимость динамической балансировки возникает в том случае, когда не возможно изначально априорно предположить общую загрузку сети. Такие ситуации наиболее часто возникают, например, в задачах математического моделирования, когда в ходе вычислений на каждой итерации, сложность вычисления повышается и, соответственно, общее время вычислений также увеличивается. Также динамическая балансировка позволяет использовать программное обеспечение, которое будет инвариантно к архитектуре распределенной системы.

Проблемы восстановления данных в случае возникновения ошибок. В ходе эксплуатации распределенных систем наиболее часто возникает проблема отслеживания сбоев и последующее восстановление данных. Данная ситуация может возникнуть, например, в ходе сбоя питания одного из узлов РС. Автоматическое восстановление данных является сложной задачей, которая включает в себя множество проблем. В ходе восстановления необходимо выяснить характер возникшей ошибки, классифицировать ее и в автоматическом режиме произвести восстановление всех данных. При этом должна быть сохранена не только вся целостность связанных данных, но и доступность остальных данных, так как восстановление должно происходить без блокирования основных ресурсов на чтение-запись, т.е. распределенная система должна функционировать без остановки. На сегодняшний момент существует множество подходов к решению данной проблемы. Например, одним из методов восстановления в информационных распределенных системах (распределенных СУБД) является использование так называемого журнала транзакций, в котором хранится вся информация обо всех изменениях, произошедших в базе данных. Сложность в данном случае заключается в правильной классификации ошибок и правильности применения методов восстановления данных в автоматическом режиме.

Проблемы ограниченности масштабируемости. Масштабируемость распределенных систем одна из первоочередных задач при проектировании РС. Распределенные системы позволили избежать главного недостатка централизированных систем – ограниченности наращивания вычислительных мощностей системы. Существуют три основных показателя масштабируемости системы:

масштабируемость РС по отношению к ее размеру. Система считается масштабируемой по отношению к ее размеру, если она обеспечивает простоту подключения к ней новых узлов.
Географическая масштабируемость. Система считается географически масштабируемой, если к ее сети возможно подключение новых узлов, без привязки к конкретной географической зоне (страна, город, дата – центр и т.д.), то есть глобально распределенных узлов.
Масштабируемость управления. Система считается масштабируемой в плане управления ресурсами, если при росте общего количества узлов системы, администрирование системы не усложняется.

При решении задачи масштабируемости системы необходимо решить множество проблем. Выделим основные проблемы масштабируемости распределенных систем.

Проблема увеличения количество узлов системы, что не всегда предоставляется возможным, в связи с ограниченностью служб, алгоритмов, так как зачастую многие службы настроены на использование на конкретное количество оборудования, например, на использование только одного конкретного сервера, конкретной архитектуры. То есть мы сталкиваемся с проблемой централизации, как ресурсов, так и служб.

Проблема ограниченности возможностей сервера, который осуществляет агрегирование данных, собранных с узлов системы в общее глобальное представление.

Проблема ограниченности сетей передачи данных. Так как при географической масштабируемости узлы распределенной системы могут находиться в географически отдаленных точках Мира, то при проектировании и эксплуатации РС мы сталкиваемся с проблемами надежности сетей передачи данных. При низких скоростях передачи данных возможно снижение общей надежности и производительности РС.

Проблема ограниченности алгоритмов обработки данных. Необходимо использовать методы и алгоритмы сбора данных с узлов системы, которые минимально перегружают коммуникационную сеть.

Проблема переносимости ПО. Проблема переносимости программного обеспечения является одним из ключевых сдерживающих факторов развития и дальнейшего масштабирования распределенных систем. Проблема переносимости заключается в невозможности запуска созданного приложения на различных архитектурах. Стремительное развитие программных архитектур, языков программирования, а также общее развитие всей IT-индустрии в целом — все это привело к необходимости создания методологий переносимости программного кода.

Особенно остро вопрос переносимости ПО встает в глобально распределенных системах, где в качестве узлов, зачастую, используют различное гетерогенное оборудование с различными операционными системами. Например, для объединения вычислительных машин в одну глобальную вычислительную GRID – сеть требуется написать клиентское приложение для каждого вычислительного узла, с учетом специфики его архитектуры и установленной ОС, что является сложной задачей. Постоянно растущие требования к увеличению мобильности программных продуктов, приводит к необходимости проведения исследований в данном направлении. Проблемам обеспечения кроссплатформенности программного обеспечения посвящено множество опубликованных научных работ, в которых показаны основные подходы и методы, позволяющие создавать переносимые приложения .

Заключение

С одной стороны распределенные системы являются инструментарием позволяющим решать большое количество сложных задач, большинство из которых другими методами не решается. Распределенные системы позволяют устранить главный недостаток централизированных систем – ограниченности наращивания вычислительных мощностей. В то же время анализ выявил ряд проблем, требующих решения.

Ограниченность использования распределенных систем осложняется использованием в их составе оборудования различных производителей с различными типами архитектур. В связи с большим разнообразием аспектов построения вычислительных систем, а также разнообразие существующих операционных систем, возникает необходимость в создании методов адаптивного планирования распределения потоков в распределенной системе, что позволит значительно ускорить скорость обработки поступающих заявок на обслуживание и увеличению общей производительности системы. Однако в целом существует положительная тенденция к решению проблем и следует считать, что в ближайшие годы в этом направлении произойдет качественный технологический скачек.

ЛИТЕРАТУРА

Tsvetkov V. Yа., Lobanov A. A. Big Data as Information Barrier // European Researcher. 2014. Vol.(78). № 7-1. p. 1237-1242.
Мартин Д. Вычислительные сети и распределенная обработка данных: Программное обеспечение, методы и архитектура: [В 2-х вып.]: Пер. с англ. Вып. 1. Финансы и статистика, 1985.
Цветков В.Я. Базы данных. Эксплуатация информационных систем с распределенными базами данных. М.: МИИГАиК, 2009. 88 с.
Шокин Ю.И. и др. Распределенная информационно-аналитическая система для поиска, обработки и анализа пространственных данных // Вычислительные технологии. 2007. Т. 12. №. 3. С. 108-115.
Tanenbaum A., Van Steen M. Distributed systems. Pearson Prentice Hall, 2007.
И.Б. Бурдонов, А.С. Косачев, В.Н. Пономаренко, В.З. Шнитман. Обзор подходов к верификации распределенных систем. М.: Российская Академия Наук. Институт системного программирования (ИСП РАН) 2003. 51 с.
Вовченко А.Е., Калиниченко Л.А., Ступников С.А. Семантический грид, основанный на концепции предметных посредников. Институт проблем информатики РАН. URL: http://83.149.245.107/synthesis/publications/10semgrid/10semgr id.pdf (дата обращения 20.09.2014).
Родин А.В., Бурцев В.Л. Параллельные или распределенные вычислительные системы? // Труды Научной сессии МИФИ- 2006. Т. 12 Информатика и процессы управления. Компьютерные системы и технологии. с. 149-151.
George Coulouris, Jean Dollimore, Tim Kindberg, “Distributed Systems Concepts and Design” 3 rd edition, Addison-Wesley.
Blaze M. et al. The role of trust management in distributed systems security // Secure Internet Programming. Springer Berlin Heidelberg, 1999. С. 185-210.
Бабич А.В., Берсенев Г.Б. Алгоритмы динамической балансировки нагрузки в распределенной системе активного мониторинга // Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. №. 3. С. 251-261.
Daryapurkar A., Deshmukh M. V. M. Efficient Load Balancing Algorithm in Cloud Environment // International Journal Of Computer Science And Applications. 2013. Т. 6. №. 2. p. 308-312.
Распределенные системы. Принципы и парадигмы Э. Таненбаум, М. Bан Стеен. СПб.: Питер, 2003.
Tanenbaum A. S., Klint P., Bohm W. Guidelines for software portability // Software: Practice and Experience. 1978. Т. 8. №. 6. С. 681-698.
James D. Mooney. "Bringing Portability to the Software Process". Technical Report TR 97-1, Dept. of Statistics and Computer Science, West Virginia University, Morgantown WV, 1997.

Структура курса. Лекции Распределенные системы: задачи, терминология принципы функционирования. Архитектура клиент-сервер. Типовые задачи. Области применения. Пример информационной системы (типичное приложение в архитектуре клиент- сервер). Многозвенная архитектура. Области применения. Краткий обзор современных технологий. XML, CGI/JSP, Servlets, DCOM, CORBA, RMI (.NET). Выделение слоев в многозвенной архитектуре (типичная архитектура). «Тонкие» и «Толстые» клиенты. Сервер приложения (Application server). Сервер базы данных (Database Server). Миграция объектов (вопросы распределения вычислительной нагрузки). Развертывание системы. Основы CORBA. CORBA и ООП. Язык определения интерфейсов IDL. Отображение IDL на C++. Отображение IDL на Java. ОRB. Динамическое взаимодействие клиентов и серверов. Сервисы именования CORBA. Пример информационной системы, выполненной в многозвенной архитектуре.

Структура курса. Практика Лабораторная работа 1 Система обслуживания дисконтных карт Необходимый инструментарий: сервер - Oracle (MSSQL Server 2000 sp3), клиент – Java (jdk, VisualCafe, MS J++,...) Лабораторная работа 2 WMS (Warehouse Management System) Тонкий клиент (Web, HandHeld, сотовый телефон, …). Сервер приложения. Взаимодействие клиент – сервер приложений. Сервер бизнес- логики. Вопросы распределения вычислительной нагрузки. Обеспечение отказоустойчивости. Необходимый инструментарий: сервер - Oracle (MSSQL Server 2000 sp3), Приложение/бизнес-логика – Java (jdk, VisualCafe, MS J++,...)

Распределенные системы:определения распределенная система это набор независимых узлов (компьютеров), которые представляются пользователю как один компьютер. распределенная система это собрание независимых компьютеров соединенных сетью с программным обеспечением, обеспечивающим их совместное функционирование.

Последствия... Нет глобального времени –Асинхронная передача сообщений - –Ограниченная точность синхронизации часов Нет состояния системы –Нет ни одного процесса в распределенной системе, который бы знал текущее глобальное состояние системы Следствие параллелизма и механизма передачи данных

Последствия... Сбои –Процессы выполняют автономно, изолированно –Неудачи отдельных процессов могут остаться необнаруженными –Отдельные процессы могут не подозревать о общесистемном сбое –Сбои происходят чаще чем в централизованной системе –Новые причины сбоев (которых не было в монолитных системах) –Сетевые сбои изолируют процессы и фрагментируют систему

Принципы разделения Функциональное разделение: узлы выполняют различные задачи –Клиент / сервер –Хост / Терминал –Сборка данных/ обработка данных Решение - создание разделяемых сервисов Естественное разделение (определяемое задачей) –Система обслуживания сети супермаркетов –Сеть для поддержки коллективной работы

Принципы разделения Распределение нагрузки/балансировка: назначение задачи на процессора так, чтобы оптимизировать общую загрузку системы. Усиление мощности: различные узлы работают над одной задачей –Распределенные системы содержащие набор микропроцессоров, по мощности могут приближаться к суперкомпьютеру –10000 CPU, каждый 50 MIPS, вместе MIPS - > команда выполняется за nsec -> свет проходит 0.6 mm -> любой существующий чип - больше! команда выполняется за 0.002 nsec -> свет проходит 0.6 mm -> любой существующий чип - больше!">

Принципы разделения Физическое разделение: система строится в предположении, что узлы физически разделены (требования к надежности, устойчивости к сбоям). Экономические: набор дешевых чипов может обеспечить лучшие показатели отношения цена/производительность, чем мэйнфрэйм –Мэйнфрэйм: 10 раз быстрее, 1000 раз дороже

Разделение ресурсов Разделение ресурсов часто является одной из причин разработки распределенной системы –Уменьшается стоимость, (file и print сервера) –Разделение данных между пользователями (совместная работа над проектом) Сервисы –Управляют набором ресурсов –Представляют услуги пользователям

Разделение ресурсов Сервер используется для предоставления сервисов –Принимает запросы на обслуживание от клиентов вызов операции –Прием сообщения/ответ на сообщение полная реализация - удаленный вызов –Роли клиента и сервера меняются от вызова к вызову один и тот же процесс может быть как клиентом, так и сервером –Терминология Клиент/Сервер применяется к процессам, а не к узлам!!!

Распространение приложения Фрагментация –разделение приложения на модули для распространения Конфигурация –Связь модулей друг с другом (зависимости) Размещение –выгрузка модулей на целевую систему –Распределение вычислительных модулей между узлами (статическое или динамическое)

Гетерогенность Middleware: промежуточный программный слой –позволяет гетерогенным узлам взаимодействовать –Определяет однородную вычислительную модель –Поддерживает один или несколько языков программирования –Обеспечивает поддержку распределенных приложений Вызов удаленных объектов Удаленный вызов SQL Распределенная обработка транзакций Примеры: CORBA, Java RMI, Microsoft DCOM

Гетерогенность Мобильный код: код разработан для миграции между узлами –Необходимо преодолевать аппаратные различия (разные наборы инструкций) Виртуальные машины –Компилятор «изготавливает» байт-код для VM –VM реализована для всех аппаратных платформ (Java) Методы грубой силы –Портируем код под каждую платформу...

Безопасность Сценарий 1: Доступ к результатам тестирования по NFS –Откуда мы знаем, что пользователь - преподаватель, имеющий доступ к данным? –Авторизация Сценарий 2: Посылка номера кредитной карты в интернет-магазин –Никто кроме получателя не должен прочитать данные –Криптография

Масштабируемость Стоимость физических ресурсов –Растет,при увеличении числа пользователей –Не должна расти быстрее, чем O (n), где n = количеству пользователей Потери производительности –Увеличиваются с ростом размера данных (и количества пользователей) –Время поиска не должно расти быстрее, чем O (log n), где n = размер данных

Параллелизм Контроль параллелизма –Обращение нескольких потоков к ресурсу Правильное планирование доступа в параллельных потоках (устранение взаимоисключений, транзакции) –Синхронизация (семафоры) Безопасно, но уменьшают производительность –Разделяемые объекты(ресурсы) должны работать корректно в многопоточной среде

Прозрачность Прозрачность доступа: доступ к локальным и удаленным ресурсам посредством одинаковых вызовов Прозрачность расположения: доступ к ресурсам вне зависимости от их физического расположения Прозрачность параллелизма: возможность нескольким процессам параллельно работать с ресурсами, не оказывая влияния друг на друга Прозрачность репликации: возможность нескольким экземплярам одного ресурса использоваться без знания физических особенностей репликации. Прозрачность обработки ошибок: Защита программных компонентов от сбоев, произошедших в других программных компонентах. Восстановление после сбоев Прозрачность мобильности:Возможность переноса приложения между платформами, без его переделки Прозрачность производительности: возможность конфигурации системы с целью увеличения производительности при изменении состава платформы выполнения Прозрачность масштабируемости: возможность увеличения производительности без изменения структуры программной системы и используемых алгоритмов

Итоги Распределенная система: –Автономные (но соединенные средой передачи данных) узлы –Взаимодействие посредством передачи сообщений Много примеров того, что распределенные системы нужны и их нужно уметь строить Распределенные системы существуют и их нужно уметь развивать и поддерживать