分布式系统在网络工程专业课程体系中的地位(2)
从课程设置制定的角度讲,如果教师不是非常熟悉分布式系统的课程目标、内容和教学方式,则很容易错误定位,而决策者在制定课程体系的时候不会也不可能面面俱到。
从授课教师的角度讲,如果不具备对分布式系统的深刻理解和实际经验,会受制于教科书。目前国内外分布式系统课程的教科书少之又少,少数的几本经典教科书都是从国外翻译过来的,显然这些教科书的大纲和内容与我们网络工程专业对分布式系统的要求相去甚远。
从学生的角度讲,如果对分布式系统课程的重要性认识不足,必然导致对这一门课的忽视,上课过程中若遇到困难则直接产生畏难情绪,在这种情况下,显然无法达到理想的教学效果。
3分布式系统的准确定位
在第2部分中我们谈到,包括授课教师在内的很多人对分布式系统课程的目标、作用和地位实际上不甚了解。那么,分布式系统到底是一门什么样的课程呢?国内比较权威的分布式系统教材是AndrewSTanenbaum和MaartenvanSteen所著的《分布式系统——原理与范型》,下面我们就以该书的主要内容为范例,分析分布式系统课程的目标及其重要性。
1)绪论。
讲述什么是分布式系统,分布式系统的目标与特性,以及分布式系统的软硬件体系架构。这里有个非常基本的问题——什么是分布式系统?大部分人对分布式系统课程的误解源自该问题,或者说以该问题为起点。很多人认为分布式系统是一种存在于特定企业部门的,与我们毫不相干的计算机系统,这是一种彻底的误解。分布式系统其实是泛指用计算机网络互联的,进行各种资源透明共享的多计算机系统。我们熟知的WWW网络、办公自动化系统等都属于分布式系统。狭义上讲,分布式操作系统、高性能并行计算机系统也是分布式系统。更进一步,时下火爆的云计算系统也可以归入到分布式系统范畴,可以说分布式系统与我们息息相关,我们一定要把广义的分布式系统与分布式操作系统以及专用于科学计算的分布式系统区分开来,否则就容易引起上述问题。
2)分布式系统的通信。
重点讲述远程过程调用(RPC)通信模型、远程对象调用、面向消息的通信和面向流的通信问题。可以看出,这些通信模型实际上是网络软件系统中广泛使用的通用通信模型,分布式系统课程就是要从各种不同的具体系统中提炼出其通信方式的共同特点,进而描述其通用的通信模型。例如RPC模型,它是现代操作系统(包括Windows各个版本和Unix及其变形)必须支持的基础模型。大部分现代分布式系统为屏蔽其底层通信的细节(为用户提供更高的透明性),都采用RPC进行其业务逻辑会话,因此分布式系统课程讲授这样一些通用通信模型的主要目标就是让学生在网络协议通信基础上,认识更高层面的网络软件系统的应用通信手段,增强学生的分析和设计能力。
3)进程组织。
讲述分布式系统的客户端与服务器端的进程与线程架构方式,也讲述分布式系统中的代码迁移问题。这一部分内容中,重点讲述服务器端的进程组织方式,通过什么样的方式架设服务器,可以获得更高的性能和更可靠的稳定性。许多大型IT服务公司的Internet服务器由于要面向数目庞大的用户群体(如大型门户网站新浪、网易,大型的电子商务平台如淘宝、京东等),为了提高其服务器的性能和稳定性,会采用服务器集群、进程池、性能动态监测、进程优化调度等技术,这些技术对网络工程专业的学生来说,是以后工作中可能要大量涉及的,而在其他的课程中,包括操作系统,都不可能讲述。分布式系统课程进程组织部分的目标就是使学生了解并熟悉大型服务器集群进程的组织与优化技术,其现实意义不言而喻。
4)命名机制。
多数人在使用诸如Web和移动IP网络的时候,会使用分布式系统的命名服务,但是他们一般都没有意识到其中的复杂机制。分布式系统课程中这一部分内容就是给学生讲解分布式系统中资源的命名机制,以及移动实体定位问题。这样一些主题有助于学生加深对网络协议、网络体系结构的深入理解,并为将来设计复杂的计算机软硬件系统打下良好的基础。
5)同步机制。
讲述分布式系统中物理与逻辑时钟同步、分布式选举与互斥问题、分布式系统的事务与并发控制。这一部分内容看似简单,其中多数主题都在其他课程中涉及,而且比较基础。例如,互斥与并发在操作系统中是要重点讲述的内容,而事务则是数据库系统原理中的重点内容。这些问题如时钟同步问题都是在单机系统中必然面临的问题,然而将视角放到一个分布式系统中,这些问题将会变得更加复杂,处理起来需要更加复杂的机制。例如,一个简单的互斥问题,即多个使用者同时有意向进入临界区使用临界资源,无论在传统单机系统中还是分布式系统中,必然引起临界资源的互斥访问。在单机系统中,操作系统是天然的管理者与调度者,并不存在无序访问问题。然而,在分布式系统中,这些使用者进程分布在网络的不同主机上,他们之间没有天然的协调者,所以首先面临着由谁来协调调度的问题;更进一步,这些不同的主机都是以自己的时钟为依据,没有统一时钟,在对同一事件的时间认定上完全不一样,所以还面临着时钟同步的问题,因此,这样一个互斥问题,我们需要分3步解决。
(1)要同步各主机时钟,可以采用诸如Berkeley时钟同步算法(见图1)之类的机制。
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