分布式系統(tǒng)中的辯證對立統(tǒng)一概念與方法

彭立志　孫麗娟　喬善平

摘要：從分布式系統(tǒng)課程中歸納、總結(jié)出一些對立統(tǒng)一的概念和方法，指出這些概念和方法是分布式系統(tǒng)課程的精髓所在，它們對于學(xué)生理解、掌握分布式系統(tǒng)至關(guān)重要。闡明學(xué)習(xí)分布式系統(tǒng)中辨證概念與方法的方法，通過有意識地學(xué)習(xí)這些知識點和方法，能有效地鍛煉學(xué)生的辨證思維能力。

關(guān)鍵詞：分布式系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)工程；對立統(tǒng)一

0.引言

分布式系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的一門專業(yè)課，有著深厚的歷史背景。從計算機網(wǎng)絡(luò)誕生以來，分布式系統(tǒng)作為計算機網(wǎng)絡(luò)資源共享的軟件手段，一直伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一起成長。從最初的文件共享，到現(xiàn)代的大規(guī)模分布式計算、高性能并行計算，以及近年的云計算，無一不架構(gòu)在分布式系統(tǒng)理論基石之上。近年來，國內(nèi)各高校網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)紛紛開設(shè)這一原理性很強的課程。原理性強意味著枯燥、不好學(xué)，因此探索學(xué)習(xí)該課程的有效方法，已成為分布式系統(tǒng)課程教學(xué)研究的一個重要課題。不少學(xué)者就這一課程的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方法進(jìn)行了深入的研究。

縱觀分布式系統(tǒng)課程的知識體系，對立統(tǒng)一的概念貫穿始終，幾乎每一項大的知識點均包含對立統(tǒng)一概念，這說明分布式系統(tǒng)本身就是客觀綜合事物。這些成對出現(xiàn)的對立統(tǒng)一概念構(gòu)成了分布式系統(tǒng)課程的概念體系，有些概念對甚至在多個知識點中出現(xiàn)，并支撐這些知識點的邏輯推理方法。例如“分布式”與“集中式”這一對概念，貫穿整個課程知識體系，在時鐘同步、互斥、進(jìn)程組織、故障處理、安全等各個方面中都有所涉及。理解這一具有鮮明特點的概念體系是學(xué)習(xí)分布式系統(tǒng)的關(guān)鍵。本文就課程中重要的對立統(tǒng)一概念和方法進(jìn)行詳細(xì)討論。

1.分布式與集中式

分布式與集中式是兩種對立統(tǒng)一的思維方式，是分布式系統(tǒng)課程中最重要的對立統(tǒng)一概念。分布式方法是在組織分布式系統(tǒng)的對象時，以“民主”的方式進(jìn)行決策管理；而集中式方法正好相反，以“集權(quán)”的方式對分布式系統(tǒng)進(jìn)行決策管理。以下結(jié)合幾個重要的示例闡述這一對立統(tǒng)一概念。

1.1集中式物理時鐘同步算法與分布式物理時鐘同步算法

集中式物理時鐘同步算法主要有Cristian算法和Berkeley算法，這兩種算法有個共同的特點，就是系統(tǒng)中都有一臺時鐘服務(wù)器與標(biāo)準(zhǔn)UTC時間對時，所有工作站的時鐘都以該服務(wù)器為準(zhǔn)。換言之，時鐘服務(wù)器在系統(tǒng)中充當(dāng)集中式的決策者。例如Cristian算法同步過程如下：

時間服務(wù)器接收UTC時間，其他機器必須與時間服務(wù)器同步；

每臺機器以不大于δ（2ρ）秒的頻率向時間服務(wù)器發(fā)送消息詢問當(dāng)前時間，其中p為時鐘機器的時鐘精度，δ是最小時鐘誤差；

時間服務(wù)器收到消息后返回當(dāng)前時間CUTC；

發(fā)送者收到服務(wù)器消息后將時鐘調(diào)整為CUTC。

相反，分布式物理時鐘同步算法中沒有決策者，所有機器對時以一種大家共同做決策的方式進(jìn)行，典型算法是平均值算法，其同步過程如下：

將時間劃分為固定長度的再同步間隔R；

第i次同步開始于TO+iR，結(jié)束于TO（i+l）R；

每次同步間隔開始，每臺機器廣播自己的時間；

對于某一具體的機器，當(dāng)所有的同步廣播都到達(dá)后，它根據(jù)所有的時間執(zhí)行某一平均算法得到新值，再根據(jù)新值調(diào)整時鐘。

1.2集中式互斥算法和分布式互斥算法

集中式互斥算法中，所有進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)前都要向決策進(jìn)程申請，由決策進(jìn)程決定其是否進(jìn)入臨界區(qū)。其過程如下：

選舉一個協(xié)調(diào)者；

任何一個進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)前，向協(xié)調(diào)者發(fā)送申請消息；

協(xié)調(diào)者根據(jù)臨界區(qū)的使用情況同意或拒絕申請者的請求；

協(xié)調(diào)者拒絕申請者的方式可以發(fā)送拒絕消息或者不應(yīng)答，但都將請求放人隊列中。

而分布式互斥算法中，沒有決策進(jìn)程，臨界區(qū)的每次使用都要通過所有進(jìn)程共同決策，其互斥過程如下：

一個進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)前，先構(gòu)造一個含有目標(biāo)臨界區(qū)名字、本進(jìn)程號和當(dāng)前時間的消息，發(fā)給所有進(jìn)程；

一個進(jìn)程收到另一個進(jìn)程的請求消息時，根據(jù)自己與目標(biāo)臨界區(qū)的狀態(tài)關(guān)系反應(yīng)：若接受者不在也不想進(jìn)入臨界區(qū)，發(fā)送OK消息；接受者已經(jīng)在臨界區(qū)則不應(yīng)答，只是把請求放人隊列；接受者亦欲進(jìn)入臨界區(qū)，則將收到的請求時間戳與它發(fā)送的請求時間戳比較，時間靠前的獲勝進(jìn)入；

發(fā)送者一直等待其他所有進(jìn)程返回OK消息，之后進(jìn)入臨界區(qū)，使用完畢向隊列中的進(jìn)程發(fā)送OK消息，刪除自己的任務(wù)。

從這兩個例子中我們不難看到，集中式方法的共同特點是系統(tǒng)中有一個決策管理者，它決定所有系統(tǒng)的行為，而分布式方法的特點是系統(tǒng)中沒有決策管理者，系統(tǒng)的所有決策由大家共同做出。實際上分布式與集中式概念不僅僅體現(xiàn)在這兩個知識點中，在整個課程的知識點中，有很多知識點體現(xiàn)了這一對立統(tǒng)一概念，表1簡單列出了這些知識點，以及它們包含的集中式與分布式方法。

2.平等結(jié)構(gòu)與等級結(jié)構(gòu)

平等結(jié)構(gòu)與等級結(jié)構(gòu)是分布式系統(tǒng)中對象組織的兩種對立統(tǒng)一方式。平等結(jié)構(gòu)中所有成員的地位是平等的，系統(tǒng)的決策由大家共同確定，方法上對應(yīng)分布式方法。而等級結(jié)構(gòu)中成員存在隸屬關(guān)系或者上下級關(guān)系，形成某種層級結(jié)構(gòu)，方法上對應(yīng)集中式方法，或者分層方法，特別是分層方法，在復(fù)雜的、大規(guī)模的分布式系統(tǒng)中被廣泛使用。下面以進(jìn)程組為例說明這一對概念。

平等組對應(yīng)分布式概念，平等組中所有成員地位是相同的，所有決定由所有成員共同作出，即當(dāng)有進(jìn)程需要加入或退出進(jìn)程組時，由組中成員投票表決。而等級組對應(yīng)集中式概念，組內(nèi)有一個協(xié)調(diào)者進(jìn)程，其他則是工作者，組內(nèi)關(guān)系和動作由協(xié)調(diào)者決定。圖1顯示了平等組與等級組的區(qū)別。表2列出了課程中蘊含等級思想的知識點。

3.同步與異步

同步與異步是分布式系統(tǒng)中另一對重要的對立統(tǒng)一概念。同步概念是指調(diào)用者在執(zhí)行調(diào)用之后，進(jìn)人等待狀態(tài)，一直等到被調(diào)用者返回結(jié)果。而異步概念是指調(diào)用者調(diào)用之后不進(jìn)行等待，繼續(xù)執(zhí)行其他工作，當(dāng)被調(diào)用者返回結(jié)果時，調(diào)用者產(chǎn)生中斷，處理結(jié)果。同步和異步模式在計算機系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，分布式系統(tǒng)中也有大量應(yīng)用。下面以同步RPC和異步RPC為例闡明這一對概念。

如圖2所示，（a）為同步RPC，（b）為異步RPC。同步RPC調(diào)用者（客戶端）給遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)程發(fā)送遠(yuǎn)程過程調(diào)用請求后，進(jìn)入阻塞狀態(tài)，等待服務(wù)器返回的結(jié)果，直到服務(wù)器結(jié)果發(fā)送回來，客戶端才解除阻塞。而異步RPC中，客戶端不需要等到結(jié)果返回，只需要服務(wù)器返回接收請求消息的確認(rèn)即可。

從上面例子可以看出，同步就是客戶端需要“等待”，而異步則是客戶端不需要“等待”或等待時間短。表3列出了分布式系統(tǒng)課程中涉及同步與異步概念的知識點。

4.時間與空間性能

分布式系統(tǒng)課程中，大量的知識點涉及算法的分析。往往一個問題有多種算法解決方案，而不同的算法有不同的特點和不同的性能表現(xiàn)，課程要求學(xué)生不僅掌握算法的基本原理，還需要對算法進(jìn)行性能分析，通過這種算法的性能分析，鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的能力。在分布式系統(tǒng)各個問題的算法解決方案中，充滿了辯證的邏輯，往往一種算法具有某一方面性能的優(yōu)勢，卻喪失另一方面的優(yōu)勢。這一辯證觀點及基于該觀點的分析方法，是課程的一個重要特點。

時間和空間是計算機科學(xué)中一對永恒的矛盾。分布式系統(tǒng)中同樣充斥著效率（時間性能）與存儲（空間性能）的矛盾。一般來說，一種算法如果有較好的時間性能，往往以犧牲部分空間性能為代價；相反，如果算法具有較好的空間性能，則要犧牲一定的時間性能。因此，在進(jìn)行算法分析的時候，首先要對算法的時間與空間性能進(jìn)行辯證分析，分析算法的時空優(yōu)缺點，再針對具體問題進(jìn)行合理的算法選擇。

5.教學(xué)中的應(yīng)用

分布式系統(tǒng)課程中上述辯證概念和方法貫徹課程始終，在教學(xué)中強調(diào)與利用這樣的概念方法，將起到事半功倍的教學(xué)效果。在課堂教學(xué)中強調(diào)辯證概念和方法，學(xué)生容易理解和掌握課程的知識點，例如分布式和集中式概念，在多個知識點的教學(xué)中強調(diào)后，學(xué)生就有意識地利用這一對辯證概念去分析未知的分布式系統(tǒng)知識點，并在實踐中應(yīng)用這一對概念分析和解決問題。另外，在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行辯證概念方法的分析，能有效訓(xùn)練他們的辯證思維，增強其分析問題的能力。

6.結(jié)語

分布式系統(tǒng)課程的基本算法和原理淋漓盡致地體現(xiàn)了辯證法的思維：首先，事物總是存在兩面性；其次，一個問題的任何解決方案都不是完美的，對其分析時需要從正反兩方面分析其優(yōu)缺點。以這樣一種辯證的思維方式學(xué)習(xí)、認(rèn)識這門課程，才能真正做到舉一反三。