對(duì)典型分布式計(jì)算技術(shù)的分析和比較

1 概述

不同的人對(duì)于分布式計(jì)算的理解是不同的，我們可以用不同的方式定義分布式計(jì)算的具體含義。其中一種較為普遍的定義就是，分布式計(jì)算就是利用網(wǎng)絡(luò)把成千上萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，組成一臺(tái)虛擬的超級(jí)計(jì)算機(jī)，并利用它們的空閑時(shí)間和存儲(chǔ)空間來(lái)完成單臺(tái)計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的超大規(guī)模計(jì)算事務(wù)的求解。分布式計(jì)算的最早形態(tài)出現(xiàn)在80年代末的Intel公司。隨著Internet的迅速發(fā)展和普及，分布式計(jì)算的研究在90年代后達(dá)到了高潮。Internet技術(shù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)硬件的連通,Web則實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)頁(yè)的連通,而分布式計(jì)算技術(shù)的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)Internet上所有資源的全面連通。它要把整個(gè)Internet整合成一臺(tái)巨大的超級(jí)計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識(shí)資源的全面共享,為現(xiàn)代信息技術(shù)開(kāi)創(chuàng)一個(gè)新的紀(jì)元。

分布式計(jì)算研究主要集中在分布式操作系統(tǒng)和分布式計(jì)算環(huán)境研究?jī)蓚€(gè)方面。但隨著Internet技術(shù)的飛速發(fā)展, 分布式計(jì)算的研究熱點(diǎn)也從以分布式操作系統(tǒng)為中心的傳統(tǒng)模式轉(zhuǎn)換到以網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺(tái)為中心的實(shí)用分布式技術(shù), 并取得了較大的成功。此外，在過(guò)去的20 多年間也涌現(xiàn)出了大量的分布式計(jì)算技術(shù)，如中間件技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)、移動(dòng)Agent技術(shù)、P2P技術(shù)以及最近推出的Web Service技術(shù)，它們?cè)谔囟ǖ姆秶鷥?nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的分布式計(jì)算技術(shù)都存在著一些沒(méi)有解決的問(wèn)題，從而也影響了分布式計(jì)算技術(shù)的使用和普及。本文力爭(zhēng)通過(guò)介紹分布式計(jì)算技術(shù)的工作原理，以及對(duì)幾種典型的分布式計(jì)算技術(shù)的分析和比較，來(lái)發(fā)現(xiàn)它們共同面臨的一些問(wèn)題。除此之外，還簡(jiǎn)要介紹了一下存儲(chǔ)整合對(duì)解決分布式計(jì)算中出現(xiàn)的一些問(wèn)題所起到的作用。最后對(duì)分布式計(jì)算技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

下面就讓我們來(lái)看一下分布式計(jì)算技術(shù)的工作原理。

2 分布式計(jì)算技術(shù)的工作原理

要想實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算，首先就要滿(mǎn)足三方面的條件：

第一、計(jì)算機(jī)之間需要能彼此通信；

第二、需要有實(shí)施的“交通”規(guī)則（例如，決定誰(shuí)第一個(gè)通過(guò)，第二個(gè)做什么，如果某事件失敗會(huì)發(fā)生什么情況等）；

第三、計(jì)算機(jī)之間需要能夠彼此尋找。

只有滿(mǎn)足了這三點(diǎn)，分布式計(jì)算才有可能實(shí)現(xiàn)。

目前，一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括了安裝了超輕量軟件代理客戶(hù)端系統(tǒng)，以及一臺(tái)或多臺(tái)專(zhuān)用分布計(jì)算管理服務(wù)器。此外，還會(huì)不斷有新的客戶(hù)端申請(qǐng)加入分布式計(jì)算的行列。當(dāng)代理程序探測(cè)到客戶(hù)端的CPU處于空閑時(shí)，就會(huì)通知管理服務(wù)器此客戶(hù)端可以加入運(yùn)算行列，然后就會(huì)請(qǐng)求發(fā)送應(yīng)用程序包?？蛻?hù)端接收到服務(wù)器發(fā)送的應(yīng)用程序包之后，就會(huì)在機(jī)器的空閑時(shí)間里運(yùn)行該程序，并且將結(jié)果返回給管理服務(wù)器。應(yīng)用程序會(huì)以屏保程序，或者直接在后臺(tái)運(yùn)行的方式執(zhí)行，不會(huì)影響用戶(hù)的正常操作。當(dāng)客戶(hù)端需要運(yùn)行本地應(yīng)用程序的時(shí)候，CPU的控制權(quán)會(huì)立即返回給本地用戶(hù)，而分布式計(jì)算的應(yīng)用程序也會(huì)中止運(yùn)行。

3 幾種分布式計(jì)算技術(shù) 3.1 中間件技術(shù)

中間件是基礎(chǔ)軟件，是分布式系統(tǒng)中介于應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層的一個(gè)功能層次,它能夠屏蔽操作系統(tǒng)（或網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）的差異，實(shí)現(xiàn)分布式異構(gòu)系統(tǒng)之間的互操作。分布式應(yīng)用軟件借助這種軟件在不同的技術(shù)之間共享資源。中間件位于客戶(hù)機(jī)服務(wù)器的操作系統(tǒng)之上，管理計(jì)算資源和網(wǎng)絡(luò)通信。它擴(kuò)展了C/S結(jié)構(gòu),形成了一個(gè)包括客戶(hù)端、中間件和服務(wù)器的多層結(jié)構(gòu)。基于中間件分布式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于中間件的分布式計(jì)算技術(shù)以中間件為橋梁,通過(guò)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到計(jì)算之處的計(jì)算方式,把網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的所有組件集成為一個(gè)連貫的可操作的異構(gòu)系統(tǒng),從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)“透明”的目的。

早期的中間件比較簡(jiǎn)單，僅具有消息通訊和事務(wù)管理功能。但隨著需求的多樣化，也產(chǎn)生了許多不同類(lèi)別的中間件產(chǎn)品，如：消息中間件(MOM ：Message-Oriented Middleware)、數(shù)據(jù)庫(kù)中間件(Database Middleware)、遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用中間件（RPC ：Remote Process Call）、對(duì)象請(qǐng)求代理中間件(ORB ：Object Request Broker)和事務(wù)處理中間件(TP Monitor：Transaction Process Monitor)。

圖1 中間件技術(shù)

3.2 網(wǎng)格技術(shù)

網(wǎng)格計(jì)算是通過(guò)Internet把分散在各處的硬件、軟件、信息資源連結(jié)成為一個(gè)巨大的整體,從而使得人們能夠利用地理上分散于各處的資源,完成各種大規(guī)模的、復(fù)雜的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。網(wǎng)格計(jì)算建立的是一種新型的Internet基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu),目標(biāo)是將與Internet互聯(lián)的計(jì)算機(jī)設(shè)施社會(huì)化。網(wǎng)格計(jì)算的發(fā)展非常迅速,數(shù)據(jù)網(wǎng)格、服務(wù)網(wǎng)格、計(jì)算網(wǎng)格等各種網(wǎng)格系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)得到廣泛的研究和實(shí)施。網(wǎng)格計(jì)算無(wú)疑是分布式計(jì)算技術(shù)通向計(jì)算時(shí)代的一個(gè)非常重要的里程碑。

網(wǎng)格的體系結(jié)構(gòu)是有效進(jìn)行網(wǎng)格計(jì)算的重要基礎(chǔ),到目前為止比較重要的網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)有兩個(gè): 一個(gè)是以Globus項(xiàng)目為代表的五層沙漏結(jié)構(gòu),它是一個(gè)以協(xié)議為中心的框架；另一個(gè)是與Web服務(wù)相融合的開(kāi)放網(wǎng)格服務(wù)結(jié)構(gòu)OGSA(Open Grid Services Architecture),它與Web 服務(wù)一樣都是以服務(wù)為中心。但是,所有的網(wǎng)格系統(tǒng)都有這樣一個(gè)基本的、公共的體系結(jié)構(gòu):資源層、中間件層和應(yīng)用層。

（1）網(wǎng)格資源層：它是構(gòu)成網(wǎng)格系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。包括Internet各種計(jì)算資源,這些計(jì)算資源通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來(lái)。

（2）網(wǎng)格中間件層:它是一系列工具和協(xié)議軟件。其功能是屏蔽資源層中計(jì)算資源的分布、異構(gòu)特性,向網(wǎng)格應(yīng)用層提供透明、一致的使用接口。

（3）網(wǎng)格應(yīng)用層:它是用戶(hù)需求的具體體現(xiàn)。在網(wǎng)格操作系統(tǒng)的支持下,提供系統(tǒng)能接受的語(yǔ)言、Web 服務(wù)接口、二次開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具,并可配置支持工程應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫(kù)訪(fǎng)問(wèn)的軟件等。

3.3 移動(dòng)Agent技術(shù)

目前還沒(méi)有一個(gè)關(guān)于移動(dòng)Agent的確切定義，我們一般認(rèn)為移動(dòng)Agent是一類(lèi)能在自己控制之下從一臺(tái)計(jì)算機(jī)移動(dòng)到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的自治程序，它們能為分布式應(yīng)用提供方便的、高效的執(zhí)行框架。

移動(dòng)Agent是一類(lèi)特殊的軟件Agent，可以看成是軟件Agent技術(shù)與分布式計(jì)算技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它除了具有軟件Agent的基本特性——自治性、響應(yīng)性、主動(dòng)性和推理性外，還具有移動(dòng)性，即它可以在網(wǎng)絡(luò)上從一臺(tái)主機(jī)自主地移動(dòng)到另一臺(tái)主機(jī)，代表用戶(hù)完成指定的任務(wù)。由于移動(dòng)Agent可以在異構(gòu)的軟、硬件網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中自由移動(dòng)，因此這種新的計(jì)算模式能有效地降低分布式計(jì)算中的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、提高通信效率、動(dòng)態(tài)適應(yīng)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并具有很好的安全性和容錯(cuò)能力。但目前，所有的移動(dòng)Agent系統(tǒng)還都很不成熟，存在著各種各樣的缺陷。所以，我們可以把目前的眾多Agent系統(tǒng)看成是實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，它們離真正實(shí)用的產(chǎn)品還有很大的距離。