1.4. Масштабируемость

Масштабируемость системы может измеряться по трем различным показателям:

1. система может быть масштабируемой по отношению к ее размеру, что означает легкость подключения к ней дополнительных пользователей и ресурсов.

2. система может масштабироваться географически, то есть пользователи и ресурсы могут быть разнесены в пространстве.

3. система может быть масштабируемой в административном смысле, то есть быть проста в управлении при работе во множестве административно независимых организаций.

К сожалению, система, обладающая масштабируемостью по одному или нескольким из этих параметров, при масштабировании часто дает потерю производительности.

Масштабирование по размеру. Если возникает необходимость увеличить число пользователей или ресурсов, мы нередко сталкиваемся с ограничениями, связанными с централизацией служб, данных и алгоритмов

Так, например, многие службы централизуются потому, что при их реализации предполагалось наличие в распределенной системе только одного сервера, запущенного на конкретной машине. Проблемы такой схемы очевидны: при увеличении числа пользователей сервер легко может стать узким местом системы. Даже если мы обладаем фактически неограниченным запасом по мощности обработки и хранения данных, ресурсы связи с этим сервером в конце концов будут исчерпаны и не позволят нам расти дальше.

К сожалению, использование единственного сервера в некоторых случаях неизбежно. Например, служба управления особо конфиденциальной информацией репликация которой приведет к снижению безопасности.

Централизация данных приводит к тем же проблемам, что и централизации служб. Кроме того встает проблема хранения большого объема информации.

Центарлизация алгоритма подразумевает выполнения алгоритма управления всей системой на одном сервере. Типичным примером, такой централизации является маршрутизация сообщений между компонентами системы. Теоретически для вычисления оптимального пути необходимо получить полную информацию о загруженности всех машин и линий и по алгоритмам из теории графов вычислить все оптимальные маршруты. Эта информация затем должна быть раздана по системе для улучшения маршрутизации. Проблема состоит в том, что сбор и транспортировка всей информации тудасюда - не слишком хорошая идея, поскольку сообщения, несущие эту информацию, могут перегрузить часть сети. Фактически следует избегать любого алгоритма, который требует передачи информации, собираемой со всей сети, на одну из ее машин для обработки с последующей раздачей результатов. Использовать следует только децентрализованные алгоритмы. Эти алгоритмы обычно обладают следующими свойствами, отличающими их от централизованных алгоритмов:

• ни одна из машин не обладает полной информацией о состоянии системы;

• машины принимают решения на основе локальной информации;

• сбой на одной машине не вызывает нарушения алгоритма;

• не требуется предположения о существовании единого времени.

Географическая масштабируемость. Основными проблемами препятствующих географическому масштабированию является невозможность или большая сложность использования в глобальных сетях подходов хорошо работающих в локальных сетях. К таким подходам относятся:

• использование синхронной связи;

• использование широковешательных запросов;

• использование централизованных серверов.

При синхронной связи (synchronous communication) запрашивающий службу агент, которого принято называть клиентом (client), блокируется до получения ответа. В локальных сетях, когда связь между двумя машинами продолжается максимум сотни микросекунд этот подход работает успешно. Однако в глобальных системах мы должны принять во внимание тот факт, что связь между процессами может продолжаться сотни миллисекунд, то есть на три порядка дольше. Построение интерактивных приложений с использованием синхронной связи в глобальных системах требует большой осторожности (и немалого терпения).

Локальные сети обычно дают высоконадежную связь, основанную на широковещательной рассылке, что делает разработку распределенных систем для них значительно проще. Для примера рассмотрим проблему локализации службы. В локальной сети система просто рассылает сообщение всем машинам, опрашивая их на предмет предоставления нужной службы. Машины, предоставляющие службу, отвечают на это сообщение, указывая в ответном сообщении свои сетевые адреса. Невозможно представить себе подобную схему определения местоположения в глобальной сети. Вместо этого необходимо обеспечить специальные места для расположения служб, которые может потребоваться масштабировать на весь мир и обеспечить их мощностью для обслуживания миллионов пользователей.

Географическая масштабируемость жестко завязана на проблемы централизованных решений, которые мешают масштабированию по размеру. Если у нас имеется система с множеством централизованных компонентов, то понятно, что географическая масштабируемость будет ограничиваться проблемами производительности и надежности, связанными с глобальной связью. Кроме того, централизованные компоненты в настоящее время легко способны вызвать перегрузку сети.

Административная масштабируемость. Основная проблема, которую нужно при этом решить, состоит в конфликтах правил, относящихся к использованию ресурсов (и плате за них), управлению и безопасности. Так, множество компонентов распределенных систем, находящихся в одной области, обычно может быть доверено пользователям, работающим в этой области. В этом случае системный администратор может тестировать и сертифицировать приложения, используя специальные инструменты для проверки того факта, что эти компоненты не могут ничего натворить. Проще говоря, пользователи доверяют своему системному администратору. Однако это доверие не распространяется естественным образом за границы области. Если распределенные системы распространяются на другую область, могут потребоваться два типа проверок безопасности. Во-первых, распределенная система должна противостоять злонамеренным атакам из новой области. Так, например, пользователи новой области могут получить ограниченные права доступа к файловой службе системы в исходной области, скажем, только на чтение. Точно так же может быть закрыт доступ чужих пользователей и к аппаратуре, такой как дорогостоящие полноцветные устройства печати или высокопроизводительные компьютеры. Во-вторых, новая область сама должна быть защищена от злонамеренных атак из распределенной системы. Типичным примером является загрузка по сети программ, таких как апплеты в web-браузерах. Изначально новая область не знает, чего ожидать от чужого кода, и потому строго ограничивает ему права доступа.