對典型分布式計算技術(shù)的分析和比較

1 概述

不同的人對于分布式計算的理解是不同的，我們可以用不同的方式定義分布式計算的具體含義。其中一種較為普遍的定義就是，分布式計算就是利用網(wǎng)絡(luò)把成千上萬臺計算機連接起來，組成一臺虛擬的超級計算機，并利用它們的空閑時間和存儲空間來完成單臺計算機無法完成的超大規(guī)模計算事務(wù)的求解。分布式計算的最早形態(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，分布式計算的研究在90年代后達(dá)到了高潮。Internet技術(shù)實現(xiàn)了計算機硬件的連通,Web則實現(xiàn)了網(wǎng)頁的連通,而分布式計算技術(shù)的目標(biāo)就是實現(xiàn)Internet上所有資源的全面連通。它要把整個Internet整合成一臺巨大的超級計算機,實現(xiàn)計算資源、通信資源、軟件資源、信息資源、知識資源的全面共享,為現(xiàn)代信息技術(shù)開創(chuàng)一個新的紀(jì)元。

分布式計算研究主要集中在分布式操作系統(tǒng)和分布式計算環(huán)境研究兩個方面。但隨著Internet技術(shù)的飛速發(fā)展, 分布式計算的研究熱點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)計算平臺為中心的實用分布式技術(shù), 并取得了較大的成功。此外，在過去的20 多年間也涌現(xiàn)出了大量的分布式計算技術(shù)，如中間件技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)、移動Agent技術(shù)、P2P技術(shù)以及最近推出的Web Service技術(shù)，它們在特定的范圍內(nèi)都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的分布式計算技術(shù)都存在著一些沒有解決的問題，從而也影響了分布式計算技術(shù)的使用和普及。本文力爭通過介紹分布式計算技術(shù)的工作原理，以及對幾種典型的分布式計算技術(shù)的分析和比較，來發(fā)現(xiàn)它們共同面臨的一些問題。除此之外，還簡要介紹了一下存儲整合對解決分布式計算中出現(xiàn)的一些問題所起到的作用。最后對分布式計算技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

下面就讓我們來看一下分布式計算技術(shù)的工作原理。

2 分布式計算技術(shù)的工作原理

要想實現(xiàn)分布式計算，首先就要滿足三方面的條件：

第一、計算機之間需要能彼此通信；

第二、需要有實施的“交通”規(guī)則（例如，決定誰第一個通過，第二個做什么，如果某事件失敗會發(fā)生什么情況等）；

第三、計算機之間需要能夠彼此尋找。

只有滿足了這三點，分布式計算才有可能實現(xiàn)。

目前，一個分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括了安裝了超輕量軟件代理客戶端系統(tǒng)，以及一臺或多臺專用分布計算管理服務(wù)器。此外，還會不斷有新的客戶端申請加入分布式計算的行列。當(dāng)代理程序探測到客戶端的CPU處于空閑時，就會通知管理服務(wù)器此客戶端可以加入運算行列，然后就會請求發(fā)送應(yīng)用程序包。客戶端接收到服務(wù)器發(fā)送的應(yīng)用程序包之后，就會在機器的空閑時間里運行該程序，并且將結(jié)果返回給管理服務(wù)器。應(yīng)用程序會以屏保程序，或者直接在后臺運行的方式執(zhí)行，不會影響用戶的正常操作。當(dāng)客戶端需要運行本地應(yīng)用程序的時候，CPU的控制權(quán)會立即返回給本地用戶，而分布式計算的應(yīng)用程序也會中止運行。

3 幾種分布式計算技術(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。中間件位于客戶機服務(wù)器的操作系統(tǒng)之上，管理計算資源和網(wǎng)絡(luò)通信。它擴展了C/S結(jié)構(gòu),形成了一個包括客戶端、中間件和服務(wù)器的多層結(jié)構(gòu)?；谥虚g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算技術(shù)以中間件為橋梁,通過把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到計算之處的計算方式,把網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的所有組件集成為一個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)生了許多不同類別的中間件產(chǎn)品，如：消息中間件(MOM ：Message-Oriented Middleware)、數(shù)據(jù)庫中間件(Database Middleware)、遠(yuǎn)程過程調(diào)用中間件（RPC ：Remote Process Call）、對象請求代理中間件(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)格計算是通過Internet把分散在各處的硬件、軟件、信息資源連結(jié)成為一個巨大的整體,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)雜的計算和數(shù)據(jù)處理的任務(wù)。網(wǎng)格計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)的計算機設(shè)施社會化。網(wǎng)格計算的發(fā)展非常迅速,數(shù)據(jù)網(wǎng)格、服務(wù)網(wǎng)格、計算網(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施。網(wǎng)格計算無疑是分布式計算技術(shù)通向計算時代的一個非常重要的里程碑。

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: 一個是以Globus項目為代表的五層沙漏結(jié)構(gòu),它是一個以協(xié)議為中心的框架；另一個是與Web服務(wù)相融合的開放網(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各種計算資源,這些計算資源通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接起來。

（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)能接受的語言、Web 服務(wù)接口、二次開發(fā)環(huán)境和工具,并可配置支持工程應(yīng)用、數(shù)據(jù)庫訪問的軟件等。

3.3 移動Agent技術(shù)

目前還沒有一個關(guān)于移動Agent的確切定義，我們一般認(rèn)為移動Agent是一類能在自己控制之下從一臺計算機移動到另一臺計算機的自治程序，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Agent是一類特殊的軟件Agent，可以看成是軟件Agent技術(shù)與分布式計算技術(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、主動性和推理性外，還具有移動性，即它可以在網(wǎng)絡(luò)上從一臺主機自主地移動到另一臺主機，代表用戶完成指定的任務(wù)。由于移動Agent可以在異構(gòu)的軟、硬件網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中自由移動，因此這種新的計算模式能有效地降低分布式計算中的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、提高通信效率、動態(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能力。但目前，所有的移動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)看成是實驗室系統(tǒng)，它們離真正實用的產(chǎn)品還有很大的距離。