分布式与云计算系统第4章

1、1 分布式体系结构分布式体系结构 2 分布式软件体系结构分布式软件体系结构产生背景 n在集中式计算技术时代广泛使用的是大型机在集中式计算技术时代广泛使用的是大型机/小型小型 机计算模型。它是通过一台物理上与宿主机相连机计算模型。它是通过一台物理上与宿主机相连 接的非智能终端来实现宿主机上的应用程序。接的非智能终端来实现宿主机上的应用程序。 n20世纪世纪80年代以后，集中式结构逐渐被以年代以后，集中式结构逐渐被以PC机机 为主的微机网络所取代。个人计算机和工作站的为主的微机网络所取代。个人计算机和工作站的 采用，永远改变了协作计算模型，从而导致了分采用，永远改变了协作计算模型，从而导致了分 散

2、的个人计算模型的产生。散的个人计算模型的产生。 3 分布式软件体系结构分布式软件体系结构产生背景 n它们构建在大的或小的网络环境及某种组它们构建在大的或小的网络环境及某种组 合上，形成了分布式系统。合上，形成了分布式系统。 n在分布式系统中，数据、过程、接口等构在分布式系统中，数据、过程、接口等构 件被分布到网络的多个端点，支持这些构件被分布到网络的多个端点，支持这些构 件所需的计算也部署到分布环境的计算机件所需的计算也部署到分布环境的计算机 上。上。 4 分布式系统是软件开发的重要方向分布式系统是软件开发的重要方向 n分布式软件系统直接反映了现实世界中 的分别性，例如当前许多业务处理流程 通

3、常呈现一种分布式运作方式。 n改进某些应用程序的运行性能，使它们 比单进程的集中式更具有效率。软件的 分别性能充分利用额外的计算资源 n分布式系统增强了信息的互联互通和各 主体之间的协作关系，增强了整个系统 的计算能力 5 分布式系统是软件开发的重要方向分布式系统是软件开发的重要方向 n增强了系统的可伸缩性和容错能力 n分布式系统，尤其是基于网络的体 系结构，可共享异地昂贵的外部设 备，把一些应用构件和服务委托在 具有处理属性的主机上运行 6 分布式系统的分类分布式系统的分类 n局域网文件服务器结构 n客户/服务器体系结构 n浏览器/服务器体系结构 n基于SOA的分布式体系结构 7 局域网文件

4、服务器体系结构局域网文件服务器体系结构 n服务器仅装载了数据层，系统应用 的其他层都在客户端实现 n例如，Access数据库存储在服务器 上，但每台使用数据库的计算机必 须安装Access应用程序，并从那里 执行。 8 局域网文件服务器体系结构局域网文件服务器体系结构 n当用户发送一个请求给文件服务器时，文 件服务器会从数据库中找到相应的表，传 送给客户端，同时对所选表加锁，直到客 户端返回表为止。 n客户端采用本地程序对表进行修改、读取 或其他处理，然后再把表返回文件服务器。 9 文件服务器体系结构的适用领域文件服务器体系结构的适用领域 n文件服务器体系结构仅对较少的 小型数据库应用是可行的

5、。 10 文件服务器体系结构缺点文件服务器体系结构缺点 n客户端和服务器之间需要移动大量不必要的数据， 降低了应用性能 n客户端必须相当健壮。客户端做了几乎所有的工 作，而且必须有足够的磁盘空间来存储下载的表 n容易破坏数据的完整性 n对环境的变化及用户需求变革的适应性差，一旦 发生变化，客户端和服务器端的应用程序都必须 修改，增加了维护的工作量 11 客户机客户机/服务器体系结构服务器体系结构 n客户机/服务器（Client/Server）是一种 广泛流行的分布计算软件体系结构，经 历了三种结构的演化，两层分布式表现 结构、两层分布式数据结构和N层分布式 数据和应用结构 12 分布式表现结构

6、分布式表现结构 n为了克服文件服务器结构中的客户端的超 量负载和网络间大数据量传输，同时改进 结构的动态适应性，把应用逻辑层和数据 处理层从客户端剥离出来，配置在服务器 端，构成了分布式表现的C/S体系结构。 n应用逻辑或数据发生变化时，应修改服务 器端的应用程序 13 分布式表现结构分布式表现结构 n利于基于文件服务器体系结构的 现存系统的改造利用 n易于使这些系统的有效生命期得 到延长 14 两层分布式数据结构两层分布式数据结构 n数据和数据处理放在服务器上，应 用逻辑、表现逻辑和表现层放在客 户端。 n是经典的两层C/S体系结构。 n充分挖掘使用了客户端的计算能力， 并使得数据库维护方便

7、。 15 C/S的基本概念 nC/S软件体系结构是基于资源不对等，且 为实现共享而提出来的，是20世纪90年 代成熟起来的技术，C/S体系结构定义了 工作站如何与服务器相连，以实现数据 和应用分布到多个处理机上。 nC/S体系结构有三个主要组成部分：数据 库服务器、客户应用程序和网络。 16 C/S的体系结构 用户1 用户2 用户3用户4用户5 Print Server Link/RxLPT1LPT2COMPower/TX PWR OK WIC0 ACT/CH0 ACT/CH1 WIC0 ACT/CH0 ACT/CH1 ETH ACT COL 其他公用设备 打印机 调制解调器 Internet

8、 Intranet 数据库服务器 17 服务器的任务分配 n数据库安全性的要求；数据库安全性的要求； n数据库访问并发性的控制；数据库访问并发性的控制； n数据库前端的客户应用程序的全局数数据库前端的客户应用程序的全局数 据完整性规则；据完整性规则； n数据库的备份与恢复。数据库的备份与恢复。 18 客户端的任务分配 n提供用户与数据库交互的界面；提供用户与数据库交互的界面； n向数据库服务器提交用户请求并接向数据库服务器提交用户请求并接 收来自数据库服务器的信息；收来自数据库服务器的信息； n利用客户应用程序对存在于客户端利用客户应用程序对存在于客户端 的数据执行应用逻辑要求。的数据执行应用

9、逻辑要求。 19 C/S的处理流程 输入数据 输出数据 请求按钮 表示层 业务处理开始 SQL 请求结束 SQL 请求开始 业务处理结束 数据存取请求 业务处理程序 业务处理请求和业务处 理所需的全部输入数据 全部处理结束 DBMS 执行SQL 数据层 业务处理开始 数据存取请求 业务处理结束 数据存取程序 数据登录/更新/读取的 请求 数据登录/更新/读取的 结果 20 C/S体系结构的优点 nC/S 体系结构具有强大的数据操作和事务体系结构具有强大的数据操作和事务 处理能力，模型思想简单，易于人们理解处理能力，模型思想简单，易于人们理解 和接受。和接受。 n系统的客户应用程序和服务器构件分

10、别运系统的客户应用程序和服务器构件分别运 行在不同的计算机上，系统中每台服务器行在不同的计算机上，系统中每台服务器 都可以适合各构件的要求，这对于硬件和都可以适合各构件的要求，这对于硬件和 软件的变化显示出极大的适应性和灵活性，软件的变化显示出极大的适应性和灵活性， 而且易于对系统进行扩充和缩小。而且易于对系统进行扩充和缩小。 21 C/S体系结构的优点 n系统中的功能构件充分隔离系统中的功能构件充分隔离 客户应用程序的开发集中于数据的显示和分析客户应用程序的开发集中于数据的显示和分析 数据库服务器的开发则集中于数据的管理数据库服务器的开发则集中于数据的管理 n不必在每一个新的应用程序中都要对

11、一个不必在每一个新的应用程序中都要对一个DBMS 进行编码。进行编码。 n将大的应用处理任务分布到许多通过网络连接的将大的应用处理任务分布到许多通过网络连接的 低成本计算机上，以节约大量费用。低成本计算机上，以节约大量费用。 22 C/S体系结构的缺点 n开发成本较高开发成本较高 n客户端程序设计复杂客户端程序设计复杂 n信息内容和形式单一信息内容和形式单一 n用户界面风格不一，使用繁杂，不利于推广使用用户界面风格不一，使用繁杂，不利于推广使用 n软件移植困难软件移植困难 n软件维护和升级困难软件维护和升级困难 n新技术不能轻易应用新技术不能轻易应用 23 C/S N层体系结构层体系结构 n在

12、客户端和服务器之间加入 一层或多层服务器。 24 三层C/S风格的体系结构 用户1 用户2 . 用户n Internet Intranet 数据库服务器1数据库服务器2 应用服务器 . 25 三层C/S的处理流程 处理流程处理流程 26 三层C/S的物理结构 数据层 表示层 功能层 服务器2 客户机 服务器1 数据层 数据层功能层 表示层 表示层 功能层 （1）将数据层 和功能层放在同 一台服务器上 （2）将数据层 和功能层放在不 同的服务器上 （3）将功能 层放在客户机 上 27 三层C/S的优点 n应用的各层可以并行开发，可以选择各应用的各层可以并行开发，可以选择各 自最适合的开发语言。自

13、最适合的开发语言。 n利用功能层有效地隔离开表示层与数据利用功能层有效地隔离开表示层与数据 层，未授权的用户难以绕过功能层而利层，未授权的用户难以绕过功能层而利 用数据库工具或黑客手段去非法地访问用数据库工具或黑客手段去非法地访问 数据层，为严格的安全管理奠定了坚实数据层，为严格的安全管理奠定了坚实 的基础。的基础。 28 三层C/S的优点 n允许合理地划分三层结构的功能，使之允许合理地划分三层结构的功能，使之 在逻辑上保持相对独立性，能提高系统在逻辑上保持相对独立性，能提高系统 和软件的可维护性和可扩展性。和软件的可维护性和可扩展性。 n允许更灵活有效地选用相应的平台和硬允许更灵活有效地选用

14、相应的平台和硬 件系统，使之在处理负荷能力上与处理件系统，使之在处理负荷能力上与处理 特性上分别适应于结构清晰的三层；并特性上分别适应于结构清晰的三层；并 且这些平台和各个组成部分可以具有良且这些平台和各个组成部分可以具有良 好的可升级性和开放性。好的可升级性和开放性。 29 三层C/S的优点 n把应用的业务逻辑与用户界面分开，将商 业逻辑放在经过合理任务划分与物理部署 后的中间层应用服务器上，从而客户程序 通过中间层简介访问数据库，客户端修改 不影响服务器 n客户数可以充分扩展，如果需要修改应用 程序代码，只需对中间层应用服务器进行 修改，而不用修改成千上万的客户端应用 程序。 30 三层C

15、/S要注意的问题 n三层三层C/S结构各层间的通信效率若不高，即结构各层间的通信效率若不高，即 使分配给各层的硬件能力很强，其作为整使分配给各层的硬件能力很强，其作为整 体来说也达不到所要求的性能。体来说也达不到所要求的性能。 n设计时必须慎重考虑三层间的通信方法、设计时必须慎重考虑三层间的通信方法、 通信频度及数据量。这和提高各层的独立通信频度及数据量。这和提高各层的独立 性一样是三层性一样是三层C/S结构的关键问题。结构的关键问题。 31 浏览器/服务器结构 nB/S结构（结构（Browser/Server，浏览器，浏览器/服服 务器模式），是务器模式），是WEB兴起后的一种网络兴起后的一

16、种网络 结构模式，结构模式，WEB浏览器是客户端最主要浏览器是客户端最主要 的应用软件。这种模式统一了客户端，的应用软件。这种模式统一了客户端， 将系统功能实现的核心部分集中到服务将系统功能实现的核心部分集中到服务 器上，简化了系统的开发、维护和使用。器上，简化了系统的开发、维护和使用。 32 浏览器/服务器风格 nB/S体系结构主要是利用不断成熟的体系结构主要是利用不断成熟的 WWW浏览器技术，结合浏览器的多种浏览器技术，结合浏览器的多种 脚本语言，用通用浏览器就实现了原来脚本语言，用通用浏览器就实现了原来 需要复杂的专用软件才能实现的强大功需要复杂的专用软件才能实现的强大功 能，并节约了开

17、发成本。能，并节约了开发成本。 n从某种程度上来说，从某种程度上来说，B/S结构是一种全新结构是一种全新 的软件体系结构。的软件体系结构。 33 浏览器/服务器的体系结构 数 据 库 服 务 器 数据库 客户端 浏览器 客户端 浏览器 Web服务器 34 浏览器/服务器的优点 n基于基于B/S体系结构的软件，系统安装、体系结构的软件，系统安装、 修改和维护全在服务器端解决。修改和维护全在服务器端解决。 n用户在使用系统时，仅仅需要一个用户在使用系统时，仅仅需要一个 浏览器就可运行全部的模块，真正浏览器就可运行全部的模块，真正 达到了达到了“零客户端零客户端”的功能，很容的功能，很容 易在运行时

18、自动升级。易在运行时自动升级。 35 浏览器/服务器的优点 nB/S体系结构还提供了异种机、异种体系结构还提供了异种机、异种 网、异种应用服务的联机、联网、网、异种应用服务的联机、联网、 统一服务的最现实的开放性基础。统一服务的最现实的开放性基础。 36 浏览器/服务器的缺点 nB/S体系结构缺乏对动态页面的支持体系结构缺乏对动态页面的支持 能力，没有集成有效的数据库处理能力，没有集成有效的数据库处理 功能。功能。 nB/S体系结构的系统扩展能力差，安体系结构的系统扩展能力差，安 全性难以控制。全性难以控制。 37 浏览器/服务器的缺点 n采用采用B/S体系结构的应用系统，在数据查体系结构的应

19、用系统，在数据查 询等响应速度上，要远远地低于询等响应速度上，要远远地低于C/S体系体系 结构。结构。 nB/S体系结构的数据提交一般以页面为单体系结构的数据提交一般以页面为单 位，数据的动态交互性不强，不利于在位，数据的动态交互性不强，不利于在 线事务处理线事务处理(OLTP)应用。应用。 OLTP就是数据库数据一直在变动、更新的就是数据库数据一直在变动、更新的 38 B/S应用程序模型应用程序模型 传统的应用程序模型 39 B/S应用程序模型应用程序模型 N层计算模式的引入 采用N层计算结构，从逻辑角度看，系统分 成客户端、Web服务器、应用服务器、数据库服 务器四层；从物理角度看，应用服

20、务器可以视用 户并发数从1到N台进行扩充，以保证客户端用户 的响应要求。 40 B/S应用程序模型应用程序模型 n应用程序各部分之间松耦合，从而应用程序 各部分的更新相互独立 n业务逻辑集中放在服务器上由所有用户共享， 使得系统的维护和更新变得简单，也更安全 n数据库不再和每一个活动的用户保持一个连 接，而是由应用程序组件负责与数据库打交 道，降低数据库服务器的负担，提高了性能 多层应用程序的真正优点 41 J2EE开源框架开源框架 42 nClient/Server是建立在局域网的基础上的， Browser/Server是建立在广域网的基础上 的。 （1）硬件环境不同： （2）对安全要求不同

21、 （3）对程序架构不同 （4）软件重用不同 （5）系统维护不同 （6）处理问题不同 （7）用户接口不同 42 C/S 与与 B/S 区别区别 43 nC/S 一般建立在专用的网络上， 小范围 里的网络环境， 局域网之间再通过专门 服务器提供连接和数据交换服务。 nB/S 建立在广域网之上的， 不必是专门 的网络硬件环境，例如电话上网， 租用 设备， 信息自己管理， 有比C/S更强的 适应范围， 一般只要有操作系统和浏览 器就行。 43 （1）硬件环境不同：）硬件环境不同： 44 nC/S 一般面向相对固定的用户群， 对信 息安全的控制能力很强。 一般高度机密 的信息系统采用C/S 结构适宜，可

22、以通 过B/S发布部分可公开信息。 nB/S 建立在广域网之上， 对安全的控制 能力相对弱， 面向是不可知的用户群。 44 （2）对安全要求不同）对安全要求不同 45 nC/S 程序可以更加注重流程，可以对权限多层次 校验，对系统运行速度可以较少考虑。 nB/S 对安全以及访问速度的多重的考虑， 建立在 需要更加优化的基础之上。 比C/S有更高的要求， B/S结构的程序架构是发展的趋势，从MS的.Net 系列的BizTalk 2000 Exchange 2000等，全面支 持网络的构件搭建的系统。SUN和IBM推的 JavaBean构件技术等，使B/S更加成熟。 45 （3）、对程序架构不同）

23、、对程序架构不同 46 nC/S 程序可以不可避免的整体性考虑， 构件的重用性不如在B/S要求下的构件的 重用性好。 nB/S 对的多重结构，要求构件相对独立 的功能。 能够相对较好的重用。就如买 来的餐桌可以再利用，而不是做在墙上 的石头桌子。 46 （4）软件重用不同）软件重用不同 47 n系统维护是软件生存周期中，开销大，相当重要 nC/S 程序由于整体性，必须整体考察，处理出现 的问题以及系统升级难， 可能是再做一个全新的 系统。 nB/S 构件组成方面构件个别的更换，实现系统的 无缝升级。 系统维护开销减到最小，用户从网上 自己下载安装就可以实现升级。 47 （5）系统维护不同）系统

24、维护不同 48 nC/S 程序可以处理用户面固定，并且在 相同区域， 安全要求高的需求，与操作 系统相关， 应该都是相同的系统。 nB/S 建立在广域网上， 面向不同的用户 群，分散地域， 这是C/S无法作到的， 与操作系统平台关系最小。 48 （6）处理问题不同）处理问题不同 49 nC/S 多是建立在Window平台上，表现方 法有限，对程序员普遍要求较高。 nB/S 建立在浏览器上， 有更加丰富和生 动的表现方式与用户交流， 并且大部分 难度减低，降低开发成本。 49 （7）用户接口不同）用户接口不同 50 基于SOA的分布式体系结构 SOA（Service-Oriented Archi

25、tecture），是面 向服务的一种分布式软件架构。它是一种设计 模式和设计方法，并不是一种具体的技术。 SOA可以根据需求，通过网络对松散耦合的 粗粒度，应用组件进行分布式部署、组合和使 用。服务层是SOA的基础，可以直接被调用， 从而有效控制系统中与软件代理交互的人为依 赖性。这个定义看起来比较抽象，却很好地说 明了SOA是应用架构中的一层，这个层可以被 直接调用，也可以被不同的程序调用。 51 传统的三层结构图 传统的三层结构图传统的三层结构图 52 SOA结构图 SOA架构模式架构模式 53 为什么要使用为什么要使用SOASOA 传统的架构，软件包是被编写为独立的（self-conta

26、ined） 软件，即在一个完整的软件包中将许多应用程序功能整合在 一起。实现整合应用程序功能的代码通常与功能本身的代码 混合在一起。我们将这种方式称作软件设计“单一应用程序 “。与此密切相关的是，更改一部分代码将对使用该代码的代 码具有重大影响，这会造成系统的复杂性，并增加维护系统 的成本。而且还使重新使用应用程序功能变得较困难，因为 这些功能不是为了重新使用而打的包。 缺点：代码冗余 不能重用 紧耦合 成本高 54 SOASOA旨在将单个应用程序功能彼此分旨在将单个应用程序功能彼此分 开，以便这些功能可以单独用作单个的应开，以便这些功能可以单独用作单个的应 用程序功能或用程序功能或“组件组件

27、”。这些组件可以用。这些组件可以用 于在企业内部创建各种其他的应用程序，于在企业内部创建各种其他的应用程序， 或者如有需要，对外向合作伙伴公开，以或者如有需要，对外向合作伙伴公开，以 便用于合作伙伴的应用程序。便用于合作伙伴的应用程序。 SOA SOA优点：代码重用优点：代码重用 松耦合松耦合 平台独立平台独立 语语 言无关言无关 为什么要使用为什么要使用SOASOA 55 商品消费商品消费软件服务软件服务 56 SOASOA工作流程工作流程 57 SOASOA架构中有三种角色：架构中有三种角色： n服务提供者：发布自己的服务，并且对服务请服务提供者：发布自己的服务，并且对服务请 求进行响应。

28、求进行响应。 n服务注册中心：注册已经发布的服务注册中心：注册已经发布的web serviceweb service，对，对 其进行分类，并提供搜索服务。其进行分类，并提供搜索服务。 n服务请求者：利用服务中心查找所需要的服务，服务请求者：利用服务中心查找所需要的服务， 然后使用该服务。然后使用该服务。 SOASOA角色角色 58 SOASOA操作操作 SOASOA的三种操作：的三种操作： 发布操作：为了使服务可访问，需要发布服务发布操作：为了使服务可访问，需要发布服务 描述以使服务使用者可以发现它。描述以使服务使用者可以发现它。 查找操作：服务请求者定位服务，方法是查询查找操作：服务请求者定

29、位服务，方法是查询 服务注册中心来找到满足其标准的服务。服务注册中心来找到满足其标准的服务。 绑定操作：在检索到服务描述之后，服务使用绑定操作：在检索到服务描述之后，服务使用 者继续根据服务描述中的信息来调用服务。者继续根据服务描述中的信息来调用服务。 59 SOAP: SOAP: 简单对象访问协议简单对象访问协议 (Simple Object Access Protocol)(Simple Object Access Protocol) WSDL: WebWSDL: Web服务描述语言服务描述语言 WSDL (Web Services Description WSDL (Web Servic

30、es Description Language) Language) UUDI: UUDI: 统一描述、发现和集成统一描述、发现和集成 (Universal Description, (Universal Description, Discovery and Integration) Discovery and Integration) WSDL WSDL用来描述服务；用来描述服务；UDDIUDDI用来注册和查找服务；而用来注册和查找服务；而 SOAPSOAP，作为传输层，用来在消费者和服务提供者之间传送，作为传输层，用来在消费者和服务提供者之间传送 消息。一个消费者可以在消息。一个消费者可以

31、在UDDIUDDI注册表（注册表（registryregistry）查找服）查找服 务，取得服务的务，取得服务的WSDLWSDL描述，然后通过描述，然后通过SOAPSOAP来调用服务。来调用服务。 SOASOA的相关标准的相关标准WSDLWSDL、UUDIUUDI、SOAPSOAP 60 一个一个SOASOA系统要具有以下六大关键要素系统要具有以下六大关键要素基础设基础设 施、已有资源、企业服务、流程模型、服务展现和系统施、已有资源、企业服务、流程模型、服务展现和系统 工具（包括开发、测试和管理工具等）。因此，在基础工具（包括开发、测试和管理工具等）。因此，在基础 设施和已有资源都已具备的基础

32、上，开发和构建一个设施和已有资源都已具备的基础上，开发和构建一个 SOASOA系统要包括以下几方面的工作：系统要包括以下几方面的工作： n首先需要设计开发出符合标准的服务，这是整个首先需要设计开发出符合标准的服务，这是整个SOASOA系系 统最核心的要素。统最核心的要素。 n基于标准服务，借助流程编排工具和建模工具，组织基于标准服务，借助流程编排工具和建模工具，组织 构造流程，生成流程模型，更好地满足业务需求。构造流程，生成流程模型，更好地满足业务需求。 n实际构建和开发实际构建和开发SOASOA系统，具体包括服务和应用程序的系统，具体包括服务和应用程序的 开发，数据的访问、处理和管理，及对服务各种形式开发，数据的访问、处理和管理，及对服务各种形式 的展现等。的展现等。 如何构建如何构建SOASOA 61 假设股票行业存在以下假设股票行业存在以下6个服务：个服务： nCountry（）（） 输入参数：国家编码。输出项：国家名称和其他信息。输入参数：国家编码。输出项：国家名称和其他信息。 nYellowPages（）（）