согласованно обслуживаются несколькими процессами, образующими распределенную систему.

Отказоустойчивость. В традиционных "нераспределенных" вычислительных системах, построенных на базе единичного компьютера (возможно высокопроизводительного), выход из строя одного из его компонентов обычно приводит к неработоспособности всей системы. Такой сбой в одном или нескольких компонентах системы называют частичным отказом, если он не затрагивает другие компоненты. Характерной чертой распределенных систем, которая отличает их от единичных компьютеров, является устойчивость к частичным отказам, т.е. система продолжает функционировать после частичных отказов, правда, незначительно снижая при этом общую производительность. Подобная возможность достигается за счет избыточности, когда в систему добавляется дополнительное оборудование (аппаратная избыточность) или процессы (программная избыточность), которые делают возможной правильное функционирование системы при неработоспособности или некорректной работе некоторых из ее компонентов. В этом случае распределенная система пытается скрывать факты отказов или ошибок в одних процессах от других процессов. Например, в системах с тройным модульным резервированием (англ. Triple Modular Redundancy, TMR) используются три одинаковых вычислительных модуля, осуществляющих идентичные вычисления, а корректный результат определяется простым голосованием.

1.3. Требования к распределенным системам

Эффективная распределенная система должна обладать следующими свойствами: прозрачность (англ. transparency), открытость (англ. openness), безопасность (англ. security), масштабирование (англ. scalability). Однако стоит отметить, что, несмотря на кажущуюся простоту и очевидность перечисленных свойств, их реализация на практике часто представляет собой непростую задачу.

1.3.1. Прозрачность (Transparency)

Под прозрачностью распределенной системы понимают ее способность скрывать свою распределенную природу, а именно, распределение процессов и ресурсов по множеству компьютеров, и представляться для пользователей и разработчиков приложений в виде единой централизованной компьютерной системы. Стандарты эталонной модели для распределенной обработки в открытых системах Reference Model for Open Distributed Processing (RM-ODP) определяют несколько типов прозрачности. Наиболее важные из них перечислены ниже.

13

Прозрачность доступа (англ. access transparency). Вне зависимости от способов доступа к ресурсам и их внутреннего представления, обращения к локальным и удаленным ресурсам осуществляется одинаковым образом. На базовом уровне скрывается разница архитектур вычислительных платформ, но, что более важно, достигается соглашение о том, как ресурсы разнородных машин, будут представляться пользователям распределенной системы единым образом. В качестве примера можно привести прикладной программный интерфейс (англ. application programming interface, API)

для работы с файлами, хранящимися на множестве компьютеров различных архитектур, который предоставляет одинаковые вызовы операций как с локальными, так и с удаленными файлами.

Прозрачность местоположения (англ. location transparency).

Позволяет обращаться к ресурсам без знания их физического местоположения. В этом случае имя запрашиваемого ресурса не должно давать никакого представления о том, где ресурс расположен. Поэтому важную роль для обеспечения прозрачности местоположения играет именование ресурсов. Например, чтобы отправить электронное сообщение на адрес user@company.com не требуется знать физического местоположения получателя, его почтового ящика или почтового сервера. В свою очередь обращение к файлу \\server\foo подразумевает знание имени сервера, на котором он расположен, а значит, не является полностью прозрачным с точки зрения местоположения.

Прозрачность перемещения (англ. migration transparency).

Перемещение ресурса или процесса в другое физическое местоположение остается незаметным для пользователя распределенной системы. Здесь стоит отметить, что выполнение требования прозрачности местоположения не гарантирует прозрачности перемещения. Другими словами, если распределенная система скрывает местоположение ресурса, это не означает, что его можно сменить незаметно для пользователя. Например, распределенные файловые системы позволяют монтировать файловые системы удаленных компьютеров в локальное пространство имен клиента, предоставляя единое дерево каталогов и тем самым обеспечивая прозрачность местоположения. Однако если файлы на удаленных компьютерах будут перемещены в другое место, в большей части распределенных файловых систем они станут недоступны для пользователя.

Прозрачность смены местоположения (англ. relocation transparency). Более строгое по отношению к предыдущему требование скрыть факт перемещения ресурса во время его использования. Примером могут служить мобильные пользователи,

14

использующие сотовые телефоны. В этом случае, если рассматривать вызывающего абонента в качестве пользователя распределенной системы, а вызываемого – в качестве ее ресурса, то система будет прозрачной с точки зрения смены местоположения. Действительно, перемещение "ресурса" из соты в соту в процессе разговора остается незаметным для звонящего.

Прозрачность репликации (англ. replication transparency). Если для повышения доступности или увеличения производительности используется несколько копий ресурса (реплик), этот факт остается скрытым от пользователя, и он полагает, что в системе присутствует только один экземпляр ресурса. Для обеспечения прозрачности репликации необходимо, чтобы все реплики имели одно и то же имя, очевидно, не зависящее от местоположения копии ресурса. Таким образом, системы, которые обеспечивают прозрачность репликации, также должны поддерживать и прозрачность местоположения.

Прозрачность одновременного доступа (англ. concurrency transparency). Позволяет нескольким пользователям (конкурирующим процессам) одновременно выполнять операции над общим, совместно используемым ресурсом без взаимного влияния друг на друга. Иначе говоря, скрывается факт использования ресурса другими пользователями (процессами). Стоит отметить, что сам ресурс должен оставаться в непротиворечивом состоянии, что может достигаться, например, с помощью механизма блокировок, когда пользователи (процессы) по очереди получают исключительные права на запрашиваемый ресурс.

Прозрачность отказов (англ. failure transparency). Подразумевается,

что система должна пытаться скрывать частичные отказы, позволяя пользователям и приложениям выполнить свою работу вне зависимости от сбоев в аппаратных или программных компонентах распределенной системы, а также скрывать факт их последующего восстановления. В связи с тем, что любой процесс, компьютер или сетевое соединение могут отказывать независимо от других в произвольные моменты времени, каждый компонент распределенной системы должен быть готов к сбоям в других компонентах и обрабатывать подобные ситуации соответствующим образом.

Степень прозрачности. Важно отметить, что степень, до которой каждое из перечисленных выше свойств должно быть выполнено, может сильно варьироваться в зависимости от задач построения распределенной системы. Действительно, полностью скрыть распределение процессов и ресурсов вряд ли удастся. Из-за ограничения в скорости передачи сигнала, задержка на обращение к ресурсам, территориально удаленным от клиента, всегда будет больше, чем к ресурсам, расположенным поблизости.

15

Поэтому не каждая система в состоянии или даже должна пытаться скрывать все свои особенности от пользователя. Обычно, это утверждение выражается в поиске компромисса между прозрачностью распределенной системы и ее производительностью.

Например, если для повышения отказоустойчивости в системе присутствуют географически распределенные копии ресурса, то поддержка их идентичного состояния для обеспечения прозрачности репликации потребует гораздо большего времени выполнения каждой операции обновления. Другими словами, каждая операция обновления должна будет распространиться на все реплики до того, как будет разрешена следующая операция с данным ресурсом. Или, например, многие приложения предпринимают несколько последовательных попыток связаться с сервером, пытаясь скрыть его временную недоступность, тем самым замедляя работу системы. Однако, в некоторых случаях, например, если на самом деле сервер вышел из строя, было бы разумнее сразу уведомить пользователя о недоступности ресурса.

1.3.2. Открытость (Openness)

Согласно определению, принятому комитетом IEEE POSIX 1003.0, открытая система – это система, реализующая открытые спецификации (стандарты) на интерфейсы, службы и поддерживаемые форматы данных, достаточные для того, чтобы обеспечить:

возможность переноса разработанного прикладного программного обеспечения на широкий диапазон систем с минимальными изменениями (мобильность приложений, переносимость);

совместную работу (взаимодействие) с другими прикладными приложениями на локальных и удаленных платформах

(интероперабельность, способность к взаимодействию);

взаимодействие с пользователями в стиле, облегчающим последним переход от системы к системе (мобильность пользователя). Ключевой момент в этом определении – использование понятия

открытая спецификация, которое, в свою очередь, определяется как общедоступная спецификация, которая поддерживается открытым, гласным согласительным процессом, направленным на постоянную адаптацию к новым технологиям, и соответствует стандартам.

Согласно этому определению открытая спецификация не зависит от конкретной технологии, т.е. не зависит от конкретных технических и программных средств или продуктов отдельных производителей. Открытая спецификация одинаково доступна любой заинтересованной стороне. Более того, открытая спецификация находится под контролем общественного мнения, поэтому заинтересованные стороны могут принимать участие в ее развитии.

16

В контексте распределенных систем приведенное выше определение означает, что свойство открытости не может быть достигнуто, если спецификация и описание ключевых интерфейсов программных компонентов системы не доступны для разработчиков. Одним словом, ключевые интерфейсы должны быть описаны и опубликованы. Важно отметить, что здесь в первую очередь подразумеваются интерфейсы внутренних компонентов системы, а не только интерфейсы верхнего уровня, с которыми работают пользователи и приложения. При этом синтаксис интерфейсов, т.е. имена доступных функций, типы передаваемых параметров, возвращаемых значений и т.п., обычно описывается посредством языка определения интерфейсов (англ. Interface Definition Language, IDL). В свою очередь семантика интерфейсов, т.е. то, что на самом деле делают службы, предоставляющие эти интерфейсы, обычно задается неформально, с помощью естественного языка.

Подобное описание позволяет произвольному процессу, нуждающемуся в определенной службе, обратиться к другому процессу, реализующему эту службу, через соответствующий интерфейс. Кроме того, такой подход позволяет создавать несколько различных реализаций одной и той же службы, которые с точки зрения внешних процессов будут работать абсолютно одинаково. Как следствие, несколько реализаций программных компонентов (возможно, от различных производителей) могут взаимодействовать и работать совместно, образуя единую распределенную систему. Таким образом, достигается свойство интероперабельности или, другими словами, способности к взаимодействию. Более того, в этом случае прикладное приложение, разработанное для распределенной системы A, может без изменений выполняться в распределенной системе B, реализующей те же интерфейсы, что и А. То есть достигается свойство переносимости.

Еще одно важное преимущество заключается в том, что открытая распределенная система потенциально может быть образована из разнородного аппаратного и программного обеспечения (опять-таки, возможно, от разных производителей). При этом добавление новых компонентов или замена существующих может осуществляться относительно легко, не затрагивая других компонентов. На аппаратном уровне это выражается в способности простого подключения к системе дополнительных компьютеров или замены существующих на более мощные. На программном – в возможности простого внедрения новых служб или новых реализаций уже существующих. Другими словами, важным свойством открытой распределенной системы является

расширяемость.

17