Реферат: Распределенные алгоритмы

(2)  Разделение ресурсов. Хотя с приходом более дешевых компьютеров стало возможно снабжать каждого сотрудника организации личным компьютером, это же нельзя сделать для периферии (принтеры, резервные хранилища, блоки дисков). В этом меньшем масштабе каждый компьютер может положиться на специальные серверы, которые снабжают его компиляторами и другими прикладными программами. Также, памяти любого компьютера обычно недостаточно, чтобы хранить большой набор прикладных программ, требуемых для каждого пользователя. Кроме того, компьютеры могут использовать специальные узлы для служб печати и хранения данных. Сеть, соединяющая компьютеры в масштабе предприятия называется локальной вычислительной сетью(LAN).
      Причины, по которым организация устанавливает сеть небольших компьютеров, а не майнфреймы – снижение стоимости и расширяемость. Во-первых, меньшие компьютеры имеют лучше соотношение цена-производительность, чем большие компьютеры. Типичный майнфрейм может совершать операции в 50 раз быстрее, чем персональный компьютер, но иметь стоимость в 500 раз большую. Во-вторых, если  мощности системы больше не достаточно, то сеть может быть расширена добавлением других машин (файловых серверов, принтеров и рабочих станций). Если мощность монолитной системы больше неудовлетворительна, остается только полная замена.

(3)  Большая надежность благодаря репликации. Распределенные системы имеют потенциал надежности больший, чем монолитные системы благодаря свойству их частичного выхода из строя. Это значит, что некоторые узлы системы могут выйти из строя, в то время как другие по прежнему функционируют и могут взять на себя задачи испорченных компонентов. Выход из строя монолитного компьютера действует на всю систему целиком и нет возможности продолжать вычисления в этом случае. По этой причине распределенные архитектуры представляют интерес при разработке высоко надежных компьютерных систем.
        Высоко надежная система обычно состоит из двух, трех или четырех репликационных унипроцессоров, которые исполняют прикладную программу и поддерживаются механизмом голосования, чтобы отфильтровывать результаты машин. Правильное функционирование  распределенной системы при наличии поврежденных компонент требует довольно сложной алгоритмической поддержки.

(4)  Большая производительность благодаря распараллеливанию. Наличие многих процессоров в распределенной системе открывает возможность снижения дополнительного времени для интенсивной работы с помощью разделения работы среди нескольких процессоров.
            Параллельные компьютеры разработаны специально для этой цели, но пользователи локальных сетей также могут получить пользу от параллелизма, перекладывая задачи на другие рабочие станции.

(5)  Упрощение разработки благодаря специализации. Разработка компьютерной системы может быть сложной, особенно если требуется значительная функциональность. Разработка может быть зачастую упрощена разбитием системы на модули, каждый из которых отвечает за часть функциональности и коммутируется с другими модулями.
         На уровне одной программы модульность достигается определением абстрактных типов данных и процедур для различных задач. Большая система может быть определена как набор кооперирующих процессов. В обоих случаях, модули могут быть исполнены в рамках одного компьютера. Но также возможно иметь локальную сеть с различными типами компьютеров: один снабжен специальным оборудованием для вычислений, другой – графическим оборудованием, третий – дисками и т.д.

1.1.2 Компьютерные сети

Под компьютерной сетью мы понимаем набор компьютеров, соединенных коммуникационными средствами, с помощью которых компьютеры могут обмениваться информацией. Этот обмен имеет место при посылке и получении сообщений. Компьютерные сети удовлетворяют нашему определению распределенных систем. В зависимости от расстояния между компьютерами и их принадлежностью, компьютерные сети называются либо глобальными, либо локальными.

Глобальная сеть обычно соединяет компьютеры, принадлежащие различным организациям (предприятия, университеты и т.д.). Физическое расстояние между узлами обычно составляет 10 километров и более. Каждый узел такой сети – это законченная компьютерная система, включающая всю периферию и значительное количество прикладного программного обеспечения. Главная задача глобальной сети – это обмен информацией между пользователями различными узлов.

Локальная сеть обычно соединяет компьютеры, принадлежащие одной организации. Физическое расстояние между узлами обычно 10 километров и менее. Узел такой сети – это обычно рабочая станция, файловый сервер или сервер печати, т.е. относительно маленькая станция, специализирующаяся на особых функциях внутри организации. Главная задача локальной сети – это обычный обмен информацией и разделение ресурсов.

Граница между двумя типами сетей не может быть всегда четко очерчена, и обычно различие не столь важно с алгоритмической точки зрения, потому что во всех компьютерных сетях встречаются схожие проблемы. Релевантные отличия, относящиеся к развитию алгоритмов, следующие:

(1)  Параметры надежности. В глобальных сетях вероятность, что что-то пойдет не так в течение предачи сообщения никода не может быть игнорирована. Распределенные алгоритмы для глобальных сетей обычно разрабатываются так, чтобы справляться с возможными неполадками. Локальные сети более надежные, и алгоритмы для них могут быть разработаны в предположении абсолютной надежности коммуникаций. В этом случае, однако,  невероятное событие, что что-то произойдет не так может быть пропущено, что обусловит неправильную работу системы.

(2)  Время коммуникации. Времена передачи сообщений в глобальных сетях на порядки больше, чем времена передачи в локальных сетях. В глобальных сетях время необходимое для обработки сообщения почти всегда может быть игнорировано по стравнению со временем передачи сообщения.

(3)  Гомогенность. Даже хотя в локальных сетях не все узлы обязательно равны, обычно возможно принять единое программное обеспечение и протоколы для использования в рамках одной организации. В глобальных сетях используется множество различных протоколов, которые поднимают проблему преобразования между различными протоколами и разработки программного обеспечения, которое совместимо с различными стандартами.

(4)  Взаимное доверие. Внутри одной организации можно доверять всем пользователям, но в глобальной сети это определенно не так. Глобальная сеть требует развития безопасных алгоритмов, защищающих узлы от аггресивных пользователей.

Раздел 1.1.3 посвящен краткому обсуждлению глобальных сетей, локальные сети обсуждаются в разделе 1.1.4.

1.1.3 Глобальные сети

Историческое развитие. Большая часть первооткрывательской работы в развитии глобальных компьютерных сетей было проделано в проектах агентства ARPA министерства обороны США. Сеть ARPANET начала работать в 1969, и соединяла в то время 4 узла. Эта сеть выросла до нескольких сотен узлов, и другие сети были установлены с использованием подобной технологии (MILNET, CYRPRESS). ARPANET содержит специальные узлы (называемые процессорами интерфейса сообщений (IMP)), которые предназначены только для обработки потока сообщений.

Когда UNIX системы стали широко использоваться, было признана необходимость информационного обмена между различными UNIX машинами, для чего была написана программа uucp (Unix-to-Unix CoPy). С помощью этой программы можно обмениваться файлами по телефонным каналам и сетям с пользователями UNIX – эта программа дала название быстрорастущим UUCP сетям. Также другая большая сеть, BITNET, была разработана в восьмидесятые, так как ARPANET принадлежала министерству обороны и только несколько организаций могли к ней подключаться.

Сегодня все эти сети соединены между собой с помощью узлов, которые принадлежат двум сетям (называемые шлюзами) и позволяющих обмениваться информацией узлам различных сетей. Введение унифицированного адресного пространства превратило все сети в одну виртуальную сеть, известную как Internet. Электронный адрес автора (gerard@cs.ruu.nl) обеспечивает информацию о сети, к которой подключен его департамент.

Алгоритмические проблемы и проблемы организации. Глобальные сети всегда организованы как сети типа точка-точка. Это означает, что коммуникация между парой узлов осуществляется при помощи механизма особенного по отношению к этим двум узлам. Такой механизм может быть телефонной линией, оптоволокном или спутниковой связью и т.д. Структура соединений в сетях точка-точка может быть хорошо изображена, если нарисовать каждый узел как окружность и связи между ними как линии, если линия коммуникация существует между этими двумя узлами, см. рис. 1.1. Говоря техническим языком, структура представляется графом, грани которого представляют собой линии коммуникации в сети. Сводка по терминологии теории графов приведена в Дополнении Б.

Рис. 1.1 Пример сети точка-точка

Основное назначение глобальных сетей – это обмен информацией, например, в форме электронной почты, досок объявлений, и удаленных файлов. Разработка приемлемой системы коммнуникаций для этих целей требует решения следующих алгоритмических проблем, некоторые из которых обсуждаются в Части 1 этой книги.

(1)  Надежность обмена данными по типу точка-точка (глава 3). Два узла соединенные линией, обмениваются данными по этой линии, но они должны как-то справляться с потенциальной ненадежностью линии. Из-за атмосферных явлений, падения напряжения и других физических обстоятельств, сообщение, посланное через линию может быть получено с частично искаженным или даже утерянным. Эти нарушения при передаче должен быть распознаны и исправлены.
                Эта проблема встречается не только для двух напрямую соединенных узлов, но также для узлов, не соединенных напрямую, а связанных посредством промежуточных узлов. В этом случае проблема даже более сложна, потому что ко всему прочему сообщения могут доставляться в порядке, отличном от того, в котором они были посланы, а также сообщения могут прибывать с большим опозданием или продублированные.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105