分布式系統(tǒng)與WEB服務(wù)3

第七章

容錯與實(shí)時系統(tǒng)屬性：

可用性

可靠性

保險(xiǎn)性

可信任性

完整性

可維護(hù)性后果：

失靈

錯誤

故障策略：

防止故障

故障容錯

故障恢復(fù)

故障預(yù)報(bào)什么是“可依賴的系統(tǒng)”？如何區(qū)分各種故障？如何處理故障？

容錯與實(shí)時系統(tǒng)是分布式系統(tǒng)的兩大領(lǐng)域.

一般而言，容錯服務(wù)是允許系統(tǒng)出錯的，但它可以在故障后恢復(fù),而不丟失數(shù)據(jù)。大多數(shù)容錯應(yīng)用有兩種形式，一種叫做基于事務(wù)的容錯;二種叫做進(jìn)程控制的容錯，二者的主要區(qū)別在于恢復(fù)時間。容錯具有兩個方面，一是故障特征的描述,二是故障屏蔽,故障屏蔽的方法有層次式屏蔽和成組屏蔽兩種．本章中將討論相關(guān)設(shè)計(jì)中的主要問題包括協(xié)議、調(diào)度策略和設(shè)計(jì)依據(jù)等。7．1事務(wù)的故障模型利用事務(wù)處理服務(wù)的概念起源于數(shù)據(jù)庫管理，最初的目的是提供原子性協(xié)議，用于處理消息的丟失。原子提交協(xié)議接受這樣一個模型：機(jī)器在故障時，將不能做任何事情；而在故障前均能正確地做任何事。對于事務(wù)的處理，要考慮磁盤出錯,服務(wù)器故障及通信不暢等出錯問題，這樣便需要一個故障模型，在該模型中，事務(wù)處理算法可以在可預(yù)測的故障下正常工作(含利用恢復(fù)技術(shù))，但不保證在出現(xiàn)不可預(yù)測的災(zāi)難性故障下也能恢復(fù)正常工作。

故障模型描述如下:1.寫永久存儲器時可能出錯,可能未寫人，也可能寫錯

例如在出現(xiàn)災(zāi)難性故障.2.服務(wù)器隨時可能出現(xiàn)故障。

3.消息傳遞延遲可能是無限制的。消息可能丟失、重復(fù)或受損。接收消息的服務(wù)器應(yīng)該能夠檢測消息損壞情況。所有出錯或未檢測出的受損消息都會引起嚴(yán)重故障。

以上故障模型的特點(diǎn)有：

(1)原子提交協(xié)議不能保證在有限的時間內(nèi)完成，因?yàn)橥ㄐ畔⒌难舆t可能無限大；

(2)分布式事務(wù)的恢復(fù)時間可能要比預(yù)料的時間長；

(3)原子提交協(xié)議認(rèn)為，服務(wù)器總能正確執(zhí)行并能檢測故障；

(4)原子提交協(xié)議認(rèn)為，永久性存儲器上的受損消息和出錯數(shù)據(jù)是可檢測的。

以上故障模型是設(shè)計(jì)穩(wěn)定存儲器的基礎(chǔ)，穩(wěn)定存儲器要在寫操作出現(xiàn)故障時、或在進(jìn)程故障時提供原子寫操作。通信故障可以通過可靠的RPC協(xié)議緩解。下面先討論穩(wěn)定存儲器，爾后更詳盡地討論容錯概念與技術(shù)。7．2穩(wěn)定存儲

服務(wù)器(特別是文件服務(wù)器)的重要特性就在于其可恢復(fù)性,特別是文件映射表和文件索引的恢復(fù)。文件訪問一般有這樣幾種出錯情況：讀塊時出錯、寫塊時出錯、數(shù)據(jù)傳輸時出錯及存儲介質(zhì)本身出錯。

因此，需要一種檢測錯誤的方法，一般采用計(jì)算并記錄校驗(yàn)和的方法來解決，這一方法步驟如下：(1)寫塊時，計(jì)算數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和并記錄下來；寫塊后，一般要讀出一次，進(jìn)行校驗(yàn)和比較，若不同則再寫；同樣，經(jīng)過一定次數(shù)的重寫后，若讀出的校驗(yàn)和仍與寫入的校驗(yàn)和不同，則記下“壞塊”，并向客戶機(jī)報(bào)錯，從而保證寫時的正確性。

(2)讀塊時，計(jì)算讀出數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和并與原記錄的校驗(yàn)和比較，若不同，則重新讀塊。經(jīng)過一定次數(shù)的重讀后，若校驗(yàn)和仍然不同，則向客戶機(jī)報(bào)錯。這樣，保證避免產(chǎn)生讀塊時的錯誤。

上述方法叫做精心塊傳輸(CBT，CarefulBlockTransfer)方法，但是這種方法并不保證其可恢復(fù)性，因?yàn)槿粼趯懰饕龝r出現(xiàn)錯誤，則所有文件塊均將訪問不到，如果在寫文件映射表時出錯，則無法再訪問文件。針對這兩種情況，文件映射表和文件索引一般要備份存儲，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，讀操作發(fā)現(xiàn)校驗(yàn)和不一致時，則服務(wù)器可利用備份進(jìn)行恢復(fù)。這種備份一般采用兩種存儲結(jié)構(gòu)，以減少兩備份同時出現(xiàn)錯誤的可能性，一種常用的結(jié)構(gòu)就是文件映射表和文件索引。另一種結(jié)結(jié)構(gòu)用一一個柱面面映射表表完成文文件頁到到物理塊塊的映射射，柱面面映射表表的每一一行由<分配狀態(tài)態(tài)，UFID，索引中中的位置置，塊指指針>組成。顯顯然，柱柱面映射射表的大大小決定定于磁盤盤的柱面面數(shù)。以上措施施都假設(shè)設(shè)在存儲儲器可能能出錯的的情況下下，存儲儲故障對對于程序序是不透透明的，，至少程程序員認(rèn)認(rèn)為存儲儲器不是是十分可可靠的。。下面討論論的穩(wěn)定定存儲(StableStorage)則是通過過一定的的手段使使程序員員感到所所使用的的存儲器器是非常?？煽康牡模瑥亩黾哟娲鎯ο到y(tǒng)統(tǒng)的故障障透明性性。穩(wěn)定存儲儲其實(shí)是一種在不不可靠介介質(zhì)上建建立可靠靠信息存存儲系統(tǒng)統(tǒng)的方法法，它可以保保證服務(wù)務(wù)器系統(tǒng)統(tǒng)可以從從硬件或或軟件故故障中得得到恢復(fù)復(fù)。穩(wěn)定存儲儲一般采采用冗余余備份的的方法。。由于穩(wěn)定定存儲的的空間冗冗余太大大，故一般僅用用于文件件的關(guān)鍵鍵信息，，如前述的的文件映映射表和和文件索索引等。。當(dāng)然，，它也用用于對數(shù)數(shù)據(jù)安全全性要求求甚高的的應(yīng)用中中，如銀銀行業(yè)務(wù)務(wù)等。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定定存儲的的主要原原則有以以下三個個：1)一般用兩兩個相距距較遠(yuǎn)的的磁盤塊塊形成一一個穩(wěn)定定存儲塊塊，盡可能減減少發(fā)生生兩塊同同時出錯錯的可能能性；2)要同時保保持以下下不變性性：①至少有有一個塊塊是好塊塊；②若兩塊塊都是好好塊，則則內(nèi)容應(yīng)應(yīng)當(dāng)一致致，若在在操作過過程中，可以以有暫時時的不同同。3)穩(wěn)定塊指指針由兩兩個正常常的塊指指針提供供．7．3容錯基本概念念一、部件件故障故障通常?？煞譃闉闀簳r性性、間歇歇性和永永久性故故障．暫時性故故障只發(fā)發(fā)生一次次，如果果重復(fù)操操作，故故障可能能不會再再現(xiàn)。一只鳥在在穿過微微波波束束時會引引起無線線網(wǎng)絡(luò)上上的信息息丟失，，這就是是暫時性性故障，，如果下下一步重重傳，它它可能正正常工作作。間歇性故故障發(fā)生生后消失失，過一一段時間間后又出出現(xiàn)。一個連接接器中若若結(jié)合不不緊(如插座未未插牢或或虛焊等等)，會引起起間歇性性故障。。這種錯誤誤很難診診斷，但但一旦被被找到故故障點(diǎn)，，系統(tǒng)很很容易恢恢復(fù)。永久性故故障在故故障修復(fù)復(fù)之前一一直存在在。如燒壞的的芯片、、軟件中中的錯誤誤、磁頭頭故障都都會引起起這種故故障。并不是所所有的部部件故障障都會引引起系統(tǒng)統(tǒng)失敗，，但計(jì)算算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)的確會會因某些些部件故故障而工工作失敗敗。設(shè)計(jì)計(jì)和構(gòu)造造容錯系系統(tǒng)的目目標(biāo)是保保證系統(tǒng)統(tǒng)能夠在在部件故故障出現(xiàn)現(xiàn)時繼續(xù)續(xù)正常工工作。這這個目標(biāo)標(biāo)與要求求單個部部件的高高度可靠靠性是不不同的。。二.系統(tǒng)故障障在分布式式系統(tǒng)中中，我們們最感興興趣的是是系統(tǒng)在在部件出出錯時能能否繼續(xù)續(xù)工作。。由于分分布式系系統(tǒng)中有有大量部部件，出出錯概率率高，因因此對系系統(tǒng)的可可靠性要要求很高高。下面我們們來看處處理機(jī)故故障．處處理機(jī)故故障分為為兩類：：(1)悄然停(Fail-silent，或fai1-stop)故障；(2)拜占庭(Byzantine)故障。在悄然停故故障中，出錯的處處理機(jī)停停止運(yùn)行行，除了了聲明它它停止運(yùn)運(yùn)行外，，不對后后續(xù)輸入入產(chǎn)生反反應(yīng)也不不產(chǎn)生輸輸出.而拜占庭故障則則是，雖出故障，，但仍繼續(xù)運(yùn)運(yùn)行，對于后后續(xù)輸入繼續(xù)續(xù)處理給出錯錯誤結(jié)果，給給人一種仍在在正常工作的的假象。沒有有檢測出的軟軟件錯誤常常常屬于拜占庭庭故障。通常處理拜占占庭故障比處處理悄然停故故障更困難。。三、同步／異異步系統(tǒng)如果一個系統(tǒng)統(tǒng)總能在有限限時間內(nèi)對消消息做出反應(yīng)應(yīng)，那么就稱稱它為同步系系統(tǒng)；反之，，就稱為異步步系統(tǒng)。異步系統(tǒng)比同同步系統(tǒng)更復(fù)復(fù)雜。如果一一個處理機(jī)發(fā)發(fā)出一條消息息，并且知道道在T秒內(nèi)沒有回答答就意味著接接收失敗，它它就可采取相相應(yīng)的正確行行動；如果沒沒有反應(yīng)時間間的限制，就就很難判斷是是否發(fā)生故障障。四、冗余配置置常用的容錯方方法是冗余配配置。它有信息冗余、時時回冗余、物物理冗余三種形式。信息冗余就是是，增加額外外的信息位使使錯誤信息可可以得到糾正正。例如海明碼碼是存儲器設(shè)設(shè)計(jì)中的重要要冗余配置技技術(shù)，它可以以用于檢測和和恢復(fù)傳輸錯錯誤。時間冗余就是是，執(zhí)行一個個操作，如果果需要就再次次執(zhí)行。前面講到的原原子事務(wù)，就就屬于這種冗冗余．如果事事務(wù)取消，它它對系統(tǒng)無影影響，可以再再做。時間冗余對于于解決暫時性性故障和間歇歇性故障非常常有效。物理冗余就是是增加額外的的設(shè)備使系統(tǒng)統(tǒng)可以承受某某個部件的故故障。例如給系統(tǒng)增增加額外處理理機(jī)，如果某某臺處理機(jī)出出錯，系統(tǒng)可可以馬上切換換到正常的處處理機(jī)上繼續(xù)續(xù)執(zhí)行。組織額外處理理機(jī)有兩種方方法，一種是活動備備份(ActiveReplicate)法，一種是主主副(PrimaryandBackup)結(jié)構(gòu)法，比如對一個服服務(wù)器，如果果使用活動備備份法，則所所有的處理機(jī)都象服服務(wù)器那樣同同時并行工作，來達(dá)到屏蔽故故障。主副結(jié)構(gòu)法法則是使用一臺處理機(jī)做做工作，當(dāng)它出現(xiàn)故故障時，再用用備份機(jī)來替替代它．采用哪種辦法法，主要取決決于應(yīng)用對于于以下幾點(diǎn)的的基本需求：：(1)所需的備份(冗余)程度；(2)有故障時的平平均和最壞性性能；(3)無故障時的平平均和最壞性性能?；顒觽浞菁夹g(shù)術(shù)活動備份是一一種典型的技技術(shù)，它的特特點(diǎn)就是使用用物理冗余．．人類生活和工工程中許多都都用到了這種種技術(shù)，如哺哺乳動物有兩兩只眼、兩個個耳朵、兩個個肺等；飛機(jī)機(jī)一般要用多多個發(fā)動機(jī)(波音747則有4臺發(fā)動機(jī))；體育比賽中中要有多個裁裁判等等。在電子線路中中也經(jīng)常采用用活動備份技技術(shù)。典型設(shè)計(jì)稱TMR(三模件冗余)技術(shù)。冗余能夠屏蔽蔽故障．但需需要多少個副副本才合適呢呢?這主要依賴于于應(yīng)用要求的的容錯能力。。如果一個系統(tǒng)被稱稱為K級容錯，那就就意味著它可可以容忍K個同樣部件的的錯誤。如果K個處理機(jī)出現(xiàn)現(xiàn)的是悄然停故障。。那么用K+1個處理機(jī)就可可以實(shí)現(xiàn)K級容錯。這樣，在K個處理機(jī)停止止工作后，還還有一個處理理機(jī)在運(yùn)行。。原始電路模三冗余電路路：三是實(shí)施施“少數(shù)服從多數(shù)數(shù)”原則的最少選選舉人數(shù)。模三冗余TMR如果處理機(jī)出出現(xiàn)拜占庭故障，，那么就必須須使用至少2K+1個相同的處理理機(jī)來處理。。這樣，在最壞壞情況下，即即K個處理機(jī)給出出了錯誤結(jié)果果，但還有K+1個處理機(jī)會給給出正確答案案，仍可屏蔽蔽錯誤。在實(shí)際應(yīng)用中中，由于環(huán)境境的復(fù)雜性，，很難保證只只有K個處理機(jī)出問問題，另外K+1個不出問題。。因此，在容錯系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)中，還還需要依據(jù)統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果果來設(shè)置冗余余備份的數(shù)量量。總之，活動備備份方法并不不是非常困難難的問題。主副容錯技術(shù)術(shù)這個方法的基基本思想就是是，在任一時刻，，有一臺機(jī)器器是主服務(wù)器器，完成所有有的工作。一旦這個主服服務(wù)器出現(xiàn)故故障，那么副副服務(wù)器就接接替工作。理想情況下，，切換應(yīng)當(dāng)干干脆利落，并且只能被客客戶機(jī)操作系系統(tǒng)感知，對對應(yīng)用程序是是透明的。這個方法同活活動備份一樣樣，也是源自自日常工作和和生活中的常常用方法。如如國家設(shè)副主主席、政府設(shè)設(shè)副總理、一一般單位都設(shè)設(shè)副職，在汽汽車上也都配配有備用輪胎胎等。主副容錯方法法比活動備份份有兩大優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)。首先是簡單，，因?yàn)樵谡２俨僮髦?，消息息僅僅送到主主服務(wù)器而不不是整個服務(wù)務(wù)器組；第二，實(shí)際用用的機(jī)器也較較少，任意時時刻只需一臺臺副服務(wù)器備備份即可。當(dāng)一個副服務(wù)務(wù)器成為主服服務(wù)器時，馬馬上要加入一一臺新的副服服務(wù)器。它的缺點(diǎn)是一一般很難處理理拜占庭故障障，另外在主主服務(wù)器故障障后需要很復(fù)復(fù)雜并且時間間較長的恢復(fù)復(fù)過程，同時時如何選擇切切換時間也是是需解決的問問題容錯系統(tǒng)的協(xié)協(xié)調(diào)在許多分布式式系統(tǒng)中，經(jīng)經(jīng)常需要讓進(jìn)進(jìn)程就某事件件達(dá)成一致的的協(xié)議。前面討論的分分布事務(wù)就涉涉及到許多這種協(xié)調(diào)活動動，例如選舉舉管理員，決決定是否提交交一個事務(wù)等等等。當(dāng)通信系統(tǒng)統(tǒng)和處理機(jī)郡郡正常時；達(dá)達(dá)成一致協(xié)議議是很簡單的的。但若認(rèn)為為處理機(jī)和通通信設(shè)施都可可能出故障，，要達(dá)成一致致協(xié)議就麻煩煩多了。分布式協(xié)調(diào)算算法的總目標(biāo)標(biāo)是讓所有無無錯處理機(jī)在在有限時間和和操作步內(nèi)，，就某個問題題達(dá)成一致協(xié)協(xié)議。根據(jù)不同的系系統(tǒng)情況會要要求不同的處處理辦法。(1)消息是否可靠靠傳輸?(2)進(jìn)程是否會發(fā)發(fā)生故障?如果出現(xiàn)故障障，是悄然停停故障?還是拜占庭故故障?(3)系統(tǒng)是同步的的還是異步的的?算法證明：在一個有M個故障處理機(jī)機(jī)的系統(tǒng)中，，僅能在還有有2M+1個正常工作的的處理機(jī)時，，才能達(dá)成一一致協(xié)議。而在一個異步步的無傳輸延延遲限制的分分布式系統(tǒng)，，即使只有一一個處理出現(xiàn)現(xiàn)故障也不能能達(dá)成協(xié)議7.4實(shí)時分布式系系統(tǒng)什么是實(shí)時系系統(tǒng)?實(shí)時系統(tǒng)根據(jù)據(jù)時限要求的的嚴(yán)格程度及及漏掉一次處處理所帶來的的后果分成軟軟實(shí)時系統(tǒng)和和硬實(shí)時系統(tǒng)統(tǒng)。所謂軟實(shí)時系統(tǒng)就就是指漏掉一一個偶發(fā)事件件處理不會影影響系統(tǒng)正常常工作。例如：電話交交換機(jī)允許在在超載情況下下，丟失或接接錯一個電話話。相反，硬實(shí)時系統(tǒng)不不允許漏掉任任何一個事件件．在實(shí)際當(dāng)中，，還有些系統(tǒng)統(tǒng)處于兩者之之間，即如果果有一事件沒沒有在最后期期限內(nèi)得到處處理，那就必必須關(guān)閉當(dāng)前前活動，但卻卻不產(chǎn)生致命命的結(jié)果。另另外，在某些些實(shí)時系統(tǒng)中中，有的子系系統(tǒng)是硬實(shí)時時的．有些子子系統(tǒng)是軟實(shí)實(shí)時的．設(shè)計(jì)問題實(shí)時系統(tǒng)有許許多特有的問問題，下面來來講一些重要要的。一、時鐘同步步(參見第三章)二、事件觸發(fā)發(fā)和時間觸發(fā)發(fā)系統(tǒng)事件觸發(fā)是:如外界發(fā)生某某事件,被傳感器檢測測到,就發(fā)一個中斷信號,事件觸發(fā)觸發(fā)發(fā)系統(tǒng)在系統(tǒng)統(tǒng)負(fù)裁很重的情況下，效效果不好。在時間觸發(fā)系系統(tǒng)中就不存存在上述問題題，在時間觸發(fā)的的實(shí)時系統(tǒng)中中，每隔△T發(fā)生一次時鐘鐘中斷。在時時間觸發(fā)實(shí)時時系統(tǒng)中，間間隔時間△T的選擇很重要要。三.可預(yù)見性行為預(yù)見性：：即系統(tǒng)設(shè)計(jì)時時應(yīng)清楚所要要滿足的所有有時間限制因而實(shí)時系統(tǒng)統(tǒng)是一個確定定的系統(tǒng)，而而不是隨機(jī)系統(tǒng)。四.容錯，可采用前面介介紹的兩種方方法五.語言支持：通用的語言，，也可用專用用的語言實(shí)時通信實(shí)時系統(tǒng)中的的通信與其它它分布式系統(tǒng)統(tǒng)的通信不同同。由于對性能的要求求很高，因此可預(yù)測性和確確定性是其關(guān)關(guān)鍵問題．在分布式系統(tǒng)統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可預(yù)預(yù)測性就意味味著處理機(jī)間間的通信是可可預(yù)測的。與以太網(wǎng)相反反，令牌環(huán)網(wǎng)網(wǎng)比較適合于于實(shí)時系統(tǒng)。。另一個是TDMA(分時多路復(fù)用用)。通過時間槽槽的方法。實(shí)時分布式系系統(tǒng)的通信協(xié)協(xié)議常是專用用的.如TTP協(xié)議（時間觸發(fā)協(xié)協(xié)議）它的特別之處處：接收者能夠發(fā)發(fā)現(xiàn)信包的丟丟失、自動的的成員關(guān)系協(xié)協(xié)議、信包和和全局狀態(tài)的的CRC效驗(yàn)碼、及時時鐘同步的方方法。7.4.4實(shí)時調(diào)度實(shí)時調(diào)度算法法需刻畫的參參數(shù)：1）硬實(shí)時或軟軟實(shí)時，硬實(shí)實(shí)時要滿足時時間限制，軟軟實(shí)時較松。。2）搶占式或非非搶占式，如如何讓出CPU，3）動態(tài)或靜態(tài)態(tài)，動態(tài)為執(zhí)執(zhí)行中做出調(diào)調(diào)度決策，靜靜態(tài)事先計(jì)劃劃。典型動態(tài)算法法有速度單調(diào)調(diào)算法，即任務(wù)的優(yōu)先先級與它的執(zhí)執(zhí)行頻率有關(guān)。。還有搶占式動動態(tài)調(diào)度（最早期限優(yōu)優(yōu)先算法）及最小松弛度算算法靜態(tài)調(diào)度適合合時間觸發(fā)系系統(tǒng)；動態(tài)調(diào)調(diào)度適合事件件觸發(fā)系統(tǒng)4）集中式或分分散式，集中中式一臺決定定，分散式處處理機(jī)自己做出決定定實(shí)時系統(tǒng)的設(shè)設(shè)計(jì)依據(jù)和主主要措施按照實(shí)時系統(tǒng)統(tǒng)的要求，時限是基本的的設(shè)計(jì)依據(jù)。我們必須從從應(yīng)用要求來來分析和選擇擇系統(tǒng)的硬件件平臺和軟件件平臺，特別別是前面已經(jīng)經(jīng)說明，由于于系統(tǒng)的日趨趨復(fù)雜化，再再利用匯編語語言來編寫實(shí)實(shí)時系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)是不可能的的。假設(shè)已經(jīng)經(jīng)選擇了一個個硬件平臺，，我們要從以下幾個方面面分析系統(tǒng)對對于實(shí)時性的的支持。一、實(shí)時響應(yīng)應(yīng)實(shí)時應(yīng)用需要要對外部事件件有可預(yù)測的的響應(yīng)時間，，如設(shè)備中斷斷等。典型的實(shí)時時應(yīng)用包括三三部分：中斷斷產(chǎn)生設(shè)備、、從設(shè)備上采采集數(shù)據(jù)的中中斷服務(wù)程序序和處理數(shù)據(jù)據(jù)的用戶級代代碼。實(shí)時響應(yīng)其實(shí)實(shí)是反映應(yīng)用用系統(tǒng)與操作作系統(tǒng)如何高速地共共同工作來快速處理外部部事件的一個個指標(biāo)。在系統(tǒng)中一般般有兩類延遲：(1)中斷服務(wù)程序序(lSR)延遲該延遲是指從從中斷產(chǎn)生到到中斷服務(wù)程程序第一條指指令執(zhí)行所經(jīng)經(jīng)過的時間。。(2)進(jìn)程調(diào)用延遲遲(PDL,即ProcessDispatchLatency)進(jìn)程調(diào)用延時時是指從中斷斷產(chǎn)生到等待待進(jìn)程開始執(zhí)執(zhí)行的時間。。包括以下幾個個時間段：①中斷服務(wù)程序序延遲；②中斷服務(wù)程序序執(zhí)行時間；；③從中斷服務(wù)程程序返回的時時間；④等待中斷進(jìn)程程的語景切換換(ContextSwitch)時間二、主要措施施(1)多級流水(信息緩沖)為了滿足系統(tǒng)統(tǒng)強(qiáng)實(shí)時要求求，單靠串行行程序的一次次處理是很難難完成任務(wù)的的，可以采用多進(jìn)進(jìn)程調(diào)度，進(jìn)進(jìn)程之間采用用信息緩沖的的技術(shù)，使一次服務(wù)在在總時間較長長的情況下，，能夠滿足及及時處理高速速實(shí)時輸人信信息的處理。。(2)內(nèi)存鎖定，提提供高速的數(shù)數(shù)據(jù)訪問為了滿足實(shí)時時性要求，實(shí)實(shí)時處理所需需的數(shù)據(jù)一般般不能訪問磁磁盤，因此，，可將常用數(shù)據(jù)據(jù)全部鎖定在在內(nèi)存中，這這樣保證所需需要的數(shù)據(jù)訪訪問均能在確確定的時間(內(nèi)存訪問時間間)內(nèi)完成，進(jìn)而而保證系統(tǒng)的的實(shí)時性。(3)優(yōu)先級動態(tài)可可調(diào)、搶占式式調(diào)度策略在實(shí)時系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)中，應(yīng)應(yīng)當(dāng)將系統(tǒng)中中的進(jìn)程根據(jù)據(jù)實(shí)時性要求求，確定其靜靜態(tài)優(yōu)先級，，保證具有高優(yōu)優(yōu)先級的進(jìn)程程具有可搶占占特性。同時，為保保證優(yōu)先級較較低的進(jìn)程能能夠運(yùn)行，當(dāng)當(dāng)其請求達(dá)到到一定時限時時，可以動態(tài)提提高其優(yōu)先級級，以便及時完完成這類服務(wù)務(wù)。(4)CPU的特定調(diào)度為了保證實(shí)時時性要求，特特別是強(qiáng)實(shí)時的請求求，可以在分分布式系統(tǒng)中中利用操作系系統(tǒng)提供的支支持，將某個個確定進(jìn)程分分配在特定處處理機(jī)上運(yùn)行行，從而保證證在時限內(nèi)完完成相應(yīng)服務(wù)務(wù)。7.5分布式多媒體體系統(tǒng)簡介現(xiàn)代計(jì)算機(jī)可可以處理像數(shù)數(shù)字音頻和數(shù)數(shù)字視頻數(shù)據(jù)據(jù)這樣連續(xù)的的、基于時間間的數(shù)據(jù)流。。其處理能力導(dǎo)導(dǎo)致了分布式式多媒體應(yīng)用用程序的發(fā)展展，如網(wǎng)絡(luò)視頻庫庫、因特網(wǎng)電電話和視頻會會議；這些應(yīng)應(yīng)用程序能在在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和和系統(tǒng)上運(yùn)行行，但它們的的音頻和視頻頻質(zhì)量常難以以令人滿足。。許多像大范圍的視頻頻會議、數(shù)字字電視產(chǎn)品、、交耳式的電電視以及視頻頻監(jiān)視系統(tǒng)，這樣對實(shí)時時數(shù)據(jù)要求很很高的應(yīng)用程程序需要分布布式系統(tǒng)技術(shù)術(shù)所實(shí)現(xiàn)。多媒體應(yīng)用程程序需要在有有限時間內(nèi)將將多媒體數(shù)據(jù)據(jù)流傳輸?shù)娇涂蛻舳恕Ｒ纛l頻和視頻數(shù)據(jù)據(jù)流被實(shí)時地地生成和消耗耗，同時應(yīng)用用程序完整性性的實(shí)質(zhì)是實(shí)實(shí)時地傳輸數(shù)數(shù)據(jù)元素(音頻采樣，視視頻幀)，簡單說，多媒體系統(tǒng)是是實(shí)時系統(tǒng)分布式多媒體體系統(tǒng)它必須按照外外部決定的調(diào)調(diào)度方案執(zhí)行行任務(wù)和傳輸輸結(jié)果。底層層系統(tǒng)達(dá)到這這些要求的程程度便是應(yīng)用用程序擁有的的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。實(shí)時系統(tǒng)所執(zhí)執(zhí)行任務(wù)的特特征和多媒體體應(yīng)用程序的的特征不同。。前者通常處處理相對小的的數(shù)據(jù)量相對對少的硬時間間限制，但是是如果超過了了時間限制，，就會導(dǎo)致嚴(yán)嚴(yán)重的甚至是是災(zāi)難性的結(jié)結(jié)果。這種種情況下，解解決辦法是充充分估計(jì)所需需要的資源并并為其指定固固定的調(diào)度計(jì)計(jì)劃，這樣可可以保證在最最壞的情況下下滿足其要。。為了滿足多媒媒體和其他應(yīng)應(yīng)用程序的需需要而進(jìn)行的的有計(jì)劃的資資源分配和資資源調(diào)度，這這被稱為服務(wù)質(zhì)量管理理。大多數(shù)當(dāng)前的的操作系統(tǒng)和和網(wǎng)絡(luò)并沒有有包含支持多多媒體應(yīng)用程程序所需要的的QoS管理設(shè)施。。服務(wù)質(zhì)量管管理當(dāng)多媒體應(yīng)應(yīng)用程序運(yùn)運(yùn)行在個人人計(jì)算機(jī)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上時，，它與運(yùn)行行著應(yīng)用程程序的工作作站(處理器周期期、主線周周期、緩沖沖區(qū)容量)和網(wǎng)絡(luò)(物理傳輸連連接、開關(guān)關(guān)、網(wǎng)關(guān))競爭資源。。工作站和網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可能必必須同時支支持多個多多媒體程序序和傳統(tǒng)應(yīng)應(yīng)用程序。在多媒體和和傳統(tǒng)應(yīng)用用程序間就就有競爭，，在不同的的多媒體應(yīng)應(yīng)用程序之之間甚至在在單個應(yīng)用用程序的數(shù)數(shù)據(jù)流之間間都可能有有競爭。在多任務(wù)操操作系統(tǒng)和和共享網(wǎng)絡(luò)絡(luò)中，物理理資源都是是可以被并并發(fā)使用的的。在多任任務(wù)的操作作系統(tǒng)中，，中央處理理器在每一一時刻只處處理一個任任務(wù)(或進(jìn)程)，一個輪轉(zhuǎn)或或其他調(diào)度度方法的調(diào)調(diào)度程序負(fù)負(fù)責(zé)在當(dāng)前前競爭處理理器資源的的任務(wù)中選選出一個，，并調(diào)度它它到處理器器上運(yùn)行。。網(wǎng)絡(luò)是被設(shè)設(shè)計(jì)用來使使不同來源源的信息進(jìn)進(jìn)行交流的的，它允許許多個虛擬擬通道存在在于同一個個物理通道道上。以太網(wǎng)這一一主要的局局域網(wǎng)技術(shù)術(shù)以最優(yōu)的的方式來管管理共享的的傳輸介質(zhì)質(zhì)。當(dāng)通道道上是平靜靜時，任何何結(jié)點(diǎn)都可可以使用這這一通道。。但是這樣樣可能會發(fā)發(fā)生信息包包沖突，當(dāng)當(dāng)發(fā)生沖突突時，結(jié)點(diǎn)點(diǎn)會等待隨隨機(jī)的一段段時間，然然而重發(fā)包包，這樣可可以防止沖沖突。當(dāng)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很很重時，很很容易發(fā)生生包沖突，，但是這一一發(fā)送方案案在這種情情況發(fā)生時時，不能提提供關(guān)于帶帶寬和延遲遲的任何保保證。其資源分配配方案特點(diǎn)點(diǎn)：當(dāng)對資源的的需求增加加時，它們們將資源更更稀疏地分分配給每個個競爭資源源的任務(wù)。共享處理理器周期和和網(wǎng)絡(luò)帶寬寬的輪轉(zhuǎn)和和其他方法法都不能滿滿足多媒體體應(yīng)用程序序的需要。。顯而易見，，它們不能能實(shí)時地處處理和傳輸輸多媒體數(shù)數(shù)據(jù)流。遲遲到的傳輸輸數(shù)據(jù)是沒沒有價(jià)值的的。為了實(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時傳傳輸，應(yīng)用程序需需要保證在在需要的時時候能得到到必要的資資源，為了提供這這一保障而而進(jìn)行的資資源管理和和分配被稱為服務(wù)務(wù)質(zhì)量管理理。1）服務(wù)質(zhì)量量協(xié)商為了在應(yīng)用用程序和它它底層的系系統(tǒng)之間進(jìn)進(jìn)行QoS協(xié)商，應(yīng)用用程序必須須向QoS管理指定自自己的QoS需求，它是是通過傳遞遞一個參數(shù)數(shù)集實(shí)現(xiàn)的的。當(dāng)處理理和傳輸多多媒體數(shù)據(jù)據(jù)時，有3個參數(shù)非常常重要，它它們是：帶寬、延遲遲和丟失率率為數(shù)據(jù)流設(shè)設(shè)定QoS：如攝像輸出出流需要帶帶寬50Mbps,延時150ms,丟失率在幀幀10中少于1幀流量調(diào)整:流量調(diào)整是是用來描述述使用輸出出緩沖來使使數(shù)據(jù)元素素流平滑這這一方法的的術(shù)語。多媒體數(shù)據(jù)據(jù)流的帶寬寬參數(shù)通常常給出發(fā)生生在數(shù)據(jù)流流傳輸時對對實(shí)際傳輸輸模式的理理想化近似似。實(shí)際的的傳輸模式式越接近這這一描述，，系統(tǒng)就能能越好地處處理傳輸流流量，特別別是在系統(tǒng)統(tǒng)使用為周周期性請求求設(shè)計(jì)的調(diào)調(diào)度方法時時，這一特特點(diǎn)就會越越顯著.協(xié)商過程:對分布式多多媒體應(yīng)用用程序，一一個數(shù)據(jù)流流的組件可可能位于多多個結(jié)點(diǎn)上上。在每個個結(jié)點(diǎn)上有有一個QoS管理器。直直接的QoS協(xié)商辦法是是從源端到到目的端一一直跟隨著著數(shù)據(jù)流。。源端組件件通過向本本地QoS管理器發(fā)送送一個流規(guī)范來啟啟動協(xié)議過過程。這個QoS管理器可以以檢查數(shù)據(jù)據(jù)庫中記錄錄的可用資資源并決定定所請求的的QoS是否能滿足足。如果應(yīng)應(yīng)用程序涉涉及到其他他系統(tǒng)，流流規(guī)范被傳傳送到下一一需要資源源的結(jié)點(diǎn)。。這一流規(guī)規(guī)范傳輸過過所有的結(jié)結(jié)點(diǎn)，直到到它最終到到達(dá)目的端端，然后系系統(tǒng)可得出出此QoS請求是否能能滿足的結(jié)結(jié)論，并將將該信息傳傳輸回源端端。這種簡簡單的協(xié)商商方法可滿滿足多種目目的，但它它沒有考慮慮到在不同同結(jié)點(diǎn)上的的并發(fā)QoS協(xié)商之間可可能會發(fā)生生沖突。為了徹底解解決問題，，需要一個個分布事務(wù)務(wù)式的QoS協(xié)商過程。。2）許可控制制許可控制管理對資源源的訪問，，以避免資資源過載，，并防止資資源接收不不可能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的請求。。它涉及關(guān)關(guān)掉那些與與當(dāng)前的QoS保證沖突的的資源清求求。一個許可控控制方案是是基于整個系系統(tǒng)容量和和每個應(yīng)用用程序產(chǎn)生生的負(fù)載這這兩方面的的知識的。。一個應(yīng)用程程序的帶寬寬需求規(guī)范范可能是應(yīng)應(yīng)用程序需需要的最大大帶寬、保保證其運(yùn)行行的最小帶帶寬，或者者是它們之之間的平均均值。相應(yīng)應(yīng)地，許可可控制方案案可以基于于這些值之之一進(jìn)行資資源分配。。如果所有的的資源只由由一個分配配器控制，，那么許可可控制是直直接的。如果資源源分布在各各個結(jié)點(diǎn)上上，例如許許多局域網(wǎng)網(wǎng)環(huán)境，其其可以使用用一個集中中式的訪問問控制，也也可以使用用一個分布布式的許可可控制算法法，由它避避免并發(fā)許許可控制的的沖突。工作站的總總線仲裁算算法屬于這這一類；然而執(zhí)行行帶寬分配配的多媒體體系統(tǒng)并不不控制總線線許可，因因?yàn)榭偩€帶帶寬并不在在內(nèi)。帶寬寬預(yù)預(yù)留留保證證多多媒媒體體數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流某某QoS級別別的的普普通通方方法法是是預(yù)預(yù)留留一一部部分分的的資資源源帶帶寬寬以以便便由由它它獨(dú)獨(dú)占占使使用用。。為為了了在在任任一一時時刻刻實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流的的需需求求，，需需要要為為它它預(yù)預(yù)留留最最大大帶帶寬寬。。這這是是提提供供給給應(yīng)應(yīng)用用程程序序有有保保障障QoS惟一一可可能能的的方方法法。統(tǒng)計(jì)計(jì)的的多多路路技技術(shù)術(shù)因?yàn)闉橄迪到y(tǒng)統(tǒng)中中可可能能存存在在潛潛在在的的未未被被利利用用的的資資源源，，這這在在超超額額預(yù)預(yù)留留資資源源的的情情況況下下常常發(fā)發(fā)生生。。而而一一些些保保證證技技術(shù)術(shù)可可提提供供使使用用這這些些資資源源的的一一些些可可能能性性，，這些些保保證證通通常常被被稱稱為為統(tǒng)統(tǒng)計(jì)計(jì)保保證證或或軟軟保保證證，它它與與前前面面介介紹紹的的硬硬保保證證技技術(shù)術(shù)不不同同。。因?yàn)闉椴徊豢伎紤]慮最最壞壞的的情情況況，，統(tǒng)統(tǒng)計(jì)計(jì)性性保保證證技技術(shù)術(shù)可可以以提提供供更更高高的的資資源源利利用用率率。。但是是如如果果僅僅僅僅只只依依據(jù)據(jù)最最小小或或平平均均需需求求來來分分配配資資源源，，那那么么短短期期的的負(fù)負(fù)載載高高峰峰可可能能會會導(dǎo)導(dǎo)致致服服務(wù)務(wù)質(zhì)質(zhì)量量的的下下降降；；應(yīng)應(yīng)用用程程序序必必須須能能應(yīng)應(yīng)付付這這樣樣的的服服務(wù)務(wù)質(zhì)質(zhì)量量降降低低。。統(tǒng)計(jì)計(jì)的的多多路路技技術(shù)術(shù)是是基基于于這這樣樣一一個個假假設(shè)設(shè)：：對大大量量數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流來來說說，，雖雖然然單單個個的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流可可能能會會發(fā)發(fā)生生變變化化，，但但這這些些數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流需需要要的的總總帶帶寬寬相相對對穩(wěn)穩(wěn)定定。。它它假假設(shè)設(shè)當(dāng)當(dāng)一一個個數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流發(fā)發(fā)送送大大量量的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)時時，，就就有有可可能能有有另另一一個個數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流發(fā)發(fā)送送的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)量量較較小小，，這這樣樣總總帶帶寬寬需需求求保保存存平平衡衡。。當(dāng)然然這這些些數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流之之間間應(yīng)應(yīng)該該是是沒沒有有聯(lián)聯(lián)系系的的。。7.5.3資源源管管理理為了了向向應(yīng)應(yīng)用用程程序序提提供供一一定定等等級級的的QoS服務(wù)務(wù)，，系系統(tǒng)統(tǒng)不不僅僅需需要要充充分分的的資資源源(執(zhí)行行)，還還需需要要在在應(yīng)應(yīng)用用程程序序需需要要時時有有能能力力將將這這些些資資源源提提供供給給程程序序使使用用(調(diào)度度)。資源源調(diào)調(diào)度度系統(tǒng)統(tǒng)需需要要根根據(jù)據(jù)進(jìn)進(jìn)程程的的優(yōu)優(yōu)先先級級來來為為其其分分配配資資源源。。資源源調(diào)調(diào)度度器器根根據(jù)據(jù)特特定定的的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)來來決決定定進(jìn)進(jìn)程程的的優(yōu)優(yōu)先先級級。。在傳傳統(tǒng)統(tǒng)的的分分時時系系統(tǒng)統(tǒng)中中，，CPU調(diào)度度進(jìn)進(jìn)程程基基于于程程序序的的響響應(yīng)應(yīng)時時間間以以及及公公平平原原則則來來指指定定優(yōu)優(yōu)先先級級：：I／O量大大的的進(jìn)進(jìn)程程會會獲獲得得高高優(yōu)優(yōu)先先級級，，這這樣樣可可以以保保證證對對用用戶戶做做出出快快速速響響應(yīng)應(yīng)，，與與CPU聯(lián)系系緊緊密密的的任任務(wù)務(wù)獲獲得得低低優(yōu)優(yōu)先先級級，，并并且且系系統(tǒng)統(tǒng)平平等等對對待待同同一一優(yōu)優(yōu)先先級級的的進(jìn)進(jìn)程程。。多媒媒體體系系統(tǒng)統(tǒng)也也可可以以使使用用這這一一標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，但但是是傳傳輸輸單單個個多多媒媒體體數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)元元素素的的時時間間限限制制改改變變了了調(diào)調(diào)度度問問題題的的特特性性。。為為解解決決這這一一問問題題，，系系統(tǒng)統(tǒng)可可以以使使用用實(shí)時時調(diào)調(diào)度度算算法法。因因?yàn)闉槎喽嗝矫襟w體系系統(tǒng)統(tǒng)必必須須處處理理離離散散的的和和連連續(xù)續(xù)的的媒媒體體，，因因此此在在不不引引起起離離散散媒媒體體訪訪問問和和其其他他交交互互應(yīng)應(yīng)用用程程序序饑饑餓餓的的情情況況下下，，可可以以為為實(shí)實(shí)時時性性的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流提提供供充充分分的的服服務(wù)務(wù)。。調(diào)度度算算法法必必須須管管理理(或協(xié)協(xié)同同)影響響多多媒媒體體應(yīng)應(yīng)用用程程序序的的所所有有資資源源。。在通通常常的的情情況況下下，，系系統(tǒng)統(tǒng)從從磁磁盤盤上上讀讀取取多多媒媒體體數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流，，并并將將其其通通過過網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)傳傳輸輸?shù)降侥磕康牡臋C(jī)機(jī)器器，，在在目目的的機(jī)機(jī)器器上上，，該該數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流和和其其他他來來源源的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流同同步步合合成成起起來來，，并并最最終終顯顯示示。。在在這這個個例例子子中中，，系系統(tǒng)統(tǒng)需需要要的的資資源源包包括括磁磁盤盤、、網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)、、CPU以及及內(nèi)內(nèi)存存和和總總線線。。1）公公平平調(diào)調(diào)度度如果果有有多多個個數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流競競爭爭同同一一資資源源，，系系統(tǒng)統(tǒng)必必須須考考慮慮到到公公平平性性，，防防止止不不正正常常的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流占占用用過過多多的的帶帶寬寬。。保保證證公公平平性性的的一一個個簡簡單單方方法法是是對對同同一一優(yōu)優(yōu)先先級級的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流使使用用輪輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)調(diào)調(diào)度度方方法法，，稱稱為為公公平平排排隊(duì)隊(duì)。。2）實(shí)實(shí)時時調(diào)調(diào)度度人們們已已經(jīng)經(jīng)開開發(fā)發(fā)出出來來一一些些實(shí)實(shí)時時調(diào)調(diào)度度算算法法來來滿滿足足應(yīng)應(yīng)用用程程序序如如：：航航空空工工業(yè)業(yè)過過程程控控制制的的CPU調(diào)度度需需要要。。假假設(shè)設(shè)CPU資源源并并沒沒有有被被過過度度分分配配(這是是QoS管理理器器的的任任務(wù)務(wù))，調(diào)調(diào)度度算算法法將將CPU時間間片片以以某某種種方方式式分分配配給給多多個個進(jìn)進(jìn)程程，，而而這這種種方方式式必必須須使使進(jìn)進(jìn)程程能能及及時時地地完完成成任任務(wù)務(wù)。。傳統(tǒng)統(tǒng)的的實(shí)實(shí)時時調(diào)調(diào)度度算算法法十十分分適適合合規(guī)規(guī)則則的的連連續(xù)續(xù)多多媒媒體體數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流模模型型。。最最早早時時間間限限制制優(yōu)優(yōu)先先(EDF)調(diào)度算算法幾幾乎是是這些些方法法的同同義詞詞。一一個EDF調(diào)度器器根據(jù)據(jù)每個個工作作項(xiàng)的的時間間限制制來決決定下下一個個要處處理的的工作作項(xiàng)：：具有有最早早時間間限制制的工工作項(xiàng)項(xiàng)優(yōu)先先處理理。在在多媒媒體應(yīng)應(yīng)用程程序中中，EDF調(diào)度策策略被被證明明在基基于時時序標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)分分配單單個資資源方方面是是最優(yōu)優(yōu)的。。實(shí)例研研究：：Tiger視頻文文件服服務(wù)器器提供多多個并并發(fā)實(shí)實(shí)時視視頻數(shù)數(shù)據(jù)流流的視視頻存存儲系系統(tǒng)被被看作作為支支持面面向消消費(fèi)者者的多多媒體體應(yīng)用用程序序的一一個重重要的的系統(tǒng)統(tǒng)組件件。人人們已已經(jīng)開開發(fā)了了多個個這種種類型型的程程序原原型，，并且且其中中的一一些已已經(jīng)形形成了了產(chǎn)品品，Tiger視頻文文件服服務(wù)器器（微微軟研研究院院）系統(tǒng)的的主要要設(shè)計(jì)計(jì)目標(biāo)標(biāo)如下下：1.適用于于大量量用戶戶的視視頻點(diǎn)點(diǎn)播應(yīng)用程程序是是向點(diǎn)點(diǎn)播的的用戶戶提供供電影影的服服務(wù)器器。系系統(tǒng)從從大容容量的的數(shù)據(jù)據(jù)電影影庫中中選擇擇電影影。客客戶應(yīng)應(yīng)在發(fā)發(fā)送點(diǎn)點(diǎn)播請請求的的數(shù)秒秒鐘內(nèi)內(nèi)就能能獲得得電影影圖像像的第第一個個幀，，并且且他還還應(yīng)該該能隨隨心所所欲地地執(zhí)行行暫停停、回回退和和快進(jìn)進(jìn)操作作。盡盡管庫庫中電電影的的數(shù)目目很大大，但但是可可能有有一些些電影影是很很受歡歡迎的的，它它們可可能同同時被被多個個客戶戶不同同步的的訪問問，這這就導(dǎo)導(dǎo)致可可能同同時播播放它它們，，但是是播放放的時時間進(jìn)進(jìn)度不不同。。2.服務(wù)質(zhì)質(zhì)量視頻數(shù)數(shù)據(jù)流流的傳傳輸輸速率率應(yīng)保保持穩(wěn)穩(wěn)定，，其中中客戶戶端可可用的的緩沖沖區(qū)大大小決決定了了系統(tǒng)統(tǒng)能處處理的的最大大的抖抖動，，并且且視頻頻數(shù)據(jù)據(jù)流還還應(yīng)保保持低低丟失失率3.可伸縮縮性和和分布布性目的是是以一一種可可伸縮縮的體體系結(jié)結(jié)構(gòu)來來設(shè)計(jì)計(jì)系統(tǒng)統(tǒng)，使使它(通過增增加計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)可以以同時時支持持10000個客戶戶。4低成本本硬件系系統(tǒng)統(tǒng)是由由低價(jià)價(jià)的硬硬件構(gòu)構(gòu)5.容錯性在單個服務(wù)務(wù)器計(jì)算機(jī)機(jī)或者是磁磁盤驅(qū)動器器發(fā)送故障障時，系統(tǒng)統(tǒng)可以繼續(xù)續(xù)運(yùn)行并且且執(zhí)行Tiger視頻文件服服務(wù)器設(shè)計(jì)計(jì)核心是分分布式調(diào)度度計(jì)算機(jī)的的工作負(fù)載載。第八章計(jì)算機(jī)支支持的協(xié)協(xié)同工作作CSCW技術(shù)的應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域域非常廣廣泛。例例如，遠(yuǎn)遠(yuǎn)程專家家會診，，可以利利用CSCW技術(shù)，求求得遠(yuǎn)方方專家的的幫助；；合作設(shè)設(shè)計(jì)，可可以利用用CSCW技術(shù)在異異地進(jìn)行行合作工工程設(shè)計(jì)計(jì)，而不不必真正正坐在一一起，CIMS中的并發(fā)發(fā)工程便便屬于這這類應(yīng)用用；合作作編著，，多個作作者可以以在不同同地點(diǎn)、、不同時時間共同同編輯和和編著同同一著作作，文件件、圖書書和報(bào)刊刊等。遠(yuǎn)遠(yuǎn)程會議議更是目目前最易易接受的的CSCW技術(shù)，節(jié)節(jié)省時間間。CSCW技術(shù)在軍軍事應(yīng)用用中，包包括戰(zhàn)時時的協(xié)指指揮和平平時的協(xié)協(xié)同訓(xùn)練練等。8.1概述簡介CSCW(ComputerSupportedCooperativeWork)一詞最初初是在1984年提出,于1986年在美國國召開的的第一次次國際CSCW會議上正正式使用用，它的的含義是是計(jì)算機(jī)機(jī)支持的的協(xié)同(合作)工作。從從此，CSCW的研究發(fā)發(fā)展非常常之快，，CSCW國際會議議每兩年年舉行一一次，歐歐洲每兩兩年也召召開一次次歐洲CSCW會議.1989年，歐共共體設(shè)立立了COST工程計(jì)劃劃．其中中一項(xiàng)重重要工程程，專門門用于支支持合作作系統(tǒng)的的研究．．該工程程的目標(biāo)標(biāo)分為三三類：整體科學(xué)學(xué)目標(biāo);特定目標(biāo)標(biāo)和政治治目標(biāo)其科學(xué)目目標(biāo)為：：①為CT(合作技術(shù)術(shù)，CooperationTechnology)的強(qiáng)化訓(xùn)訓(xùn)練創(chuàng)建理理論基礎(chǔ)礎(chǔ)②為科學(xué)學(xué)團(tuán)體參參加CT的研究建建立公共共框架其特定目目標(biāo)為：：①改進(jìn)入入機(jī)界面面，改進(jìn)進(jìn)總體工工作條件件，支持持CT系統(tǒng)的終終端用戶；；②為決策人人員和計(jì)計(jì)劃人員員提供對對于合作作技術(shù)的的基本理理解；③通過研研究成果果影響合合作技術(shù)術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)化組織織；④通過適適當(dāng)?shù)拿矫襟w，介介紹科學(xué)學(xué)和技術(shù)術(shù)成果，，使COST的努力為國際所注注目。其政治目標(biāo)是是使歐洲成為為合作技術(shù)研研究的領(lǐng)袖。。在美國，雖然然沒有相應(yīng)的的計(jì)劃，但其其研究和資助助強(qiáng)度一點(diǎn)也也不遜色，主主要由各大商商家和著名大大學(xué)立項(xiàng)研究究．由此，也也可以看出美美國和歐洲研研究方式的不不同，在美國是直接接利益驅(qū)動，，在歐洲則是是技術(shù)驅(qū)動。。在我國，關(guān)于于CSCW的研究是從多多媒體領(lǐng)域展展開的，最初初大家討論的的熱點(diǎn)是分布布式多媒體技技術(shù)，關(guān)注這這一領(lǐng)域研究究的文章最初初發(fā)表在我國國第一屆多媒媒體技術(shù)研討討會(1992年，北京)上，到了第二二(1993，杭州)，三(1994，上海)、四(1995，廣州)屆多媒體研討討會，文章便便不斷增多，，表現(xiàn)出我國國研究人員對對于該領(lǐng)域研研究的熱情。。主要研究單單位有清華大大學(xué)、國防科科技大學(xué)、華華中理工大學(xué)學(xué)，南京大學(xué)學(xué)等。其中，，清華大學(xué)推推出了會議系系統(tǒng)和合著系系統(tǒng)的原型，，在會議和合合著系統(tǒng)的研研究中重點(diǎn)突突出了合作機(jī)機(jī)制的研究。。綜合世界各國國的相關(guān)研究究情況，CSCW的主要需求有有群體工作需需求的分析、、多用戶界面面、分布式結(jié)結(jié)構(gòu)、合作規(guī)規(guī)則組織織模型、群體體協(xié)調(diào)理論租租模型等方面面。CSCW中的研究問題題主要包括：：合作認(rèn)知模模型的研究；；合作控制機(jī)機(jī)制的研究；；合作通訊；；合作軟件支支持工具和環(huán)環(huán)境的研究。。自CSCW提出以來，人人們在以下幾幾個主要領(lǐng)域域進(jìn)行了廣泛泛研究，并取取得了成績。。(1)消息系統(tǒng)(Messagesystem)，是電子郵件的的后代，可以以讓用戶通過過中心機(jī)發(fā)送送文字消息給給其它用戶。。廣域網(wǎng)的存存在使電子郵郵件所完成的的功能更為廣廣泛。電子郵件的發(fā)發(fā)展導(dǎo)致了消消息處理系統(tǒng)統(tǒng)(MessageHandlingSystem)模型的出現(xiàn)，，這一模型已已經(jīng)為CCITT的X．400系列標(biāo)準(zhǔn)所采采用。每個消消息系統(tǒng)都使使用特定的消消息格式來傳傳輸信息，結(jié)結(jié)構(gòu)化消息系系統(tǒng)的主要原原理是通過擴(kuò)擴(kuò)充現(xiàn)有消息息格式來擴(kuò)充充計(jì)算機(jī)可處處理的信息。。(2)計(jì)算機(jī)會議(ComputerConferencing)，本身也是由由電子郵件：：發(fā)展而來，，但它主要關(guān)關(guān)心的問題是是如何組織消消息，而不是是如何傳輸消消息。一個典典型的計(jì)算機(jī)機(jī)會議系統(tǒng)包包括一組叫做做會議的群體體，每一個群群體擁有——組成員和一組組消息。會議議的安排主要要由成員各自自選定一個論論題展開討論論。申請參加加會議的用戶戶應(yīng)當(dāng)對會議議中的論題感感興趣。通常常情況下，系系統(tǒng)存儲的信信息均為會議議成員所共事事和訪問。這這些信息通常常存儲在中心心數(shù)據(jù)庫的會會議消息中，，而不是在個個人的郵箱中中?，F(xiàn)有的原原型系統(tǒng)有Notepad、COM、潘多多拉系系統(tǒng)等等。高速可可靠的的通訊訊技術(shù)術(shù)的發(fā)發(fā)展使使實(shí)時時的計(jì)計(jì)算機(jī)機(jī)會議議得以以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)，如如RCAL，可以以允許許與會會人員員之間間實(shí)時時通訊訊。另另外，，先進(jìn)進(jìn)的工工作站站已經(jīng)經(jīng)可以以支持持桌面面會議議系統(tǒng)統(tǒng)，這這類系系統(tǒng)充充分利利用了了工作作站環(huán)環(huán)境中中的共共享窗窗口來來處理理實(shí)時時的會會議需需求。?，F(xiàn)已已推出出了一一些多多媒體體會議議系統(tǒng)統(tǒng)，它它們都都集成成了包包括音音頻、、趾頻頻和文文本等等媒體體信息息的支支持。。(3)合著系統(tǒng)統(tǒng)，此類系系統(tǒng)用于于支持和和表達(dá)參參于群體體工作成成員之間間的協(xié)商商和討論論。合著著系統(tǒng)便便是具有有明確合合作成果果的系統(tǒng)統(tǒng)，即成成果是反反映所有有參與人人員意見見的一個個文檔。。其中，合合著系統(tǒng)統(tǒng)在歐美美都有專專門的立立項(xiàng)研究究。在美美國，由由卡內(nèi)基基梅隆大大學(xué)承擔(dān)擔(dān)的合著著系統(tǒng)研研究項(xiàng)目目PREP，三年期期限，總總投資達(dá)達(dá)95萬美元；；在歐洲洲，則有有專門的的研究隊(duì)隊(duì)伍，從從社會學(xué)學(xué)、心理理學(xué)和計(jì)計(jì)算機(jī)科科學(xué)幾個個方面著著手研究究．總的來來看，，CSCW系統(tǒng)及及應(yīng)用用的研研究目目前正正在努努力解解決下下列問問題：：第一，，適合合于人人類自自然合合作方方式的的計(jì)算算機(jī)支支持；；第二，，對實(shí)實(shí)時性性群體體交互互的支支持；；第三，，多媒媒體合合作的的支持持；第四，，對于于多媒媒體信信息的的高效效傳輸輸提供供支持持。系統(tǒng)的的功能能和特特點(diǎn)CSCW系統(tǒng)的的主要要功能能有如如下五五點(diǎn)：：(1)通訊：：是指信信息的的共享享與傳傳送；；至少少涉及及兩種種不同同的進(jìn)進(jìn)程一一千逍逍息發(fā)發(fā)送進(jìn)進(jìn)程和和信息息共享享進(jìn)程程。(2)任務(wù)調(diào)調(diào)度:是指任任務(wù)執(zhí)執(zhí)行臨臨時序序列的的確定定。這這取決決于許許多因因素，，如時時限、、任務(wù)務(wù)的預(yù)預(yù)計(jì)時時間、、對其其它任任務(wù)提提出的的要求求、人人員及及資源源的可可用性性等等等．(3)合作角角色及及責(zé)任任的分分配：包括括指定定合適適的人人員，，確定定他們們所起起的作作用。。通過過定義義人員員，確確定人人員對對于這這一角角色的的適應(yīng)應(yīng)性，，保持持責(zé)任任的可可跟蹤蹤性是是支持持這一一功能能的基基本方方法；；(4)資源分分配：：在任務(wù)務(wù)執(zhí)行行過程程中，，使合合適的的資源源可用用。(5)進(jìn)展跟蹤：：包括監(jiān)控任任務(wù)的執(zhí)存存狀態(tài)，以以確認(rèn)一項(xiàng)項(xiàng)活動是否否正在按計(jì)計(jì)劃進(jìn)行；；CSCW系統(tǒng)具有如如下特點(diǎn)：：(1)開放性：合作中沒有有獲得希望望結(jié)果的固固定方法，，不同人、、不同組處處理任務(wù)的的方式是不不同的。(2)邊界開放性性：合作中沒有有確定的結(jié)結(jié)束標(biāo)記或或結(jié)束點(diǎn)。。(3)異步性：合作中不同同人具有自自己不同的的操作序列列，即使同同一工作組組的不同個個人也具有有自己獨(dú)立立的行為。。’’(4)信息共享性性：這是合作的的基礎(chǔ)、合合作的結(jié)果果。(5)自動化支持持：這是CSCW系統(tǒng)不斷追追求的目標(biāo)標(biāo)。8.1.3CSCW系統(tǒng)的基本本需求需解決的四四個問題：：(1)群體合作策策略和規(guī)范范；(2)計(jì)算機(jī)通信信(3)多用戶界面面；(4)共享的多媒媒體信息服服務(wù)。其中每個問問題都有許許多尚待解解決的技術(shù)術(shù)問題如：：1)存儲與處理理：多媒體信息息由不同類類型的復(fù)合合對象構(gòu)成成，如文字字、圖形／／圖像、聲聲音、音頻頻和視頻等等。每類信信息都需要要單獨(dú)的獲獲取、處理理、傳輸和和存儲的工工具和技術(shù)術(shù)。再進(jìn)一一步，這些些信息應(yīng)當(dāng)當(dāng)形成一定定的語義和和時態(tài)聯(lián)系系，并按照照統(tǒng)一的表表示方式進(jìn)進(jìn)行管理(包括存儲和和檢索)，即多媒體體文檔。因因此，對于于多媒體文文檔的有效效支持是多多媒體合作作環(huán)境中的的第一需求求。2)功能表現(xiàn)：：不同的應(yīng)用用可能根據(jù)據(jù)自己的需需求有自己己的功能要要求，但在在合作環(huán)境境中我們可可以發(fā)現(xiàn)，，有許多功功能屬于任任何系統(tǒng)都都應(yīng)具有的的，這些功功能是任何何合作環(huán)境境都應(yīng)支持持的3)合作工作的的需求：合作意味著著用戶間通通訊和協(xié)調(diào)調(diào)。因此，，合作規(guī)則則是合作中中的第一要要求，任何何合作者都都要遵守這這一規(guī)則，，否則合作作將無法進(jìn)進(jìn)行；第二二，合作設(shè)設(shè)施和合作作協(xié)議也是是必須的，，否則合作作者之間無無法通訊和和交流；第第三，必須須給所有合合作者提供供一個共同同的視圖；；最后，合合作者必須須有一個共共享的數(shù)據(jù)據(jù)空間。4)通訊：合作者之間間的通訊實(shí)實(shí)際上就是是克服地理理上的距離離限制。因因此，在合合作系統(tǒng)中中，網(wǎng)絡(luò)通通訊是必須須的。要支支持多媒體體信息的全全面且實(shí)時時的通訊，，必須支持持高速傳輸輸，傳輸速速率一般不不應(yīng)低于100Mbps。CSCW研究中的幾幾個問題1）工作與利利益的差異異問題。2）必需人數(shù)數(shù)與“囚徒困境”問題。3）破壞社會會的正常秩秩序。4）異常處理理問題。5）隱含訪問問問題。6）評價(jià)的困困難．7）直覺的失失敗8）適應(yīng)性回回題與計(jì)算機(jī)體體系結(jié)構(gòu)的的發(fā)展就計(jì)算機(jī)領(lǐng)領(lǐng)域的研究究與發(fā)展來來看，合作作已經(jīng)不是是新名詞。。合作的概概念早就已已經(jīng)與計(jì)算算機(jī)系統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)結(jié)下了了不解之緣緣。(1)多個部件的的合作．這是傳統(tǒng)流流水線計(jì)算算機(jī)的一般般結(jié)構(gòu)，在在這種結(jié)構(gòu)構(gòu)中，采用用多個部件件的時間重重疊(合作)，可以獲得得計(jì)算機(jī)系系統(tǒng)的高性性能已經(jīng)得得到了很好好的驗(yàn)證。。(2)多個處理器器的合作——多處理器(MP、MPP)結(jié)構(gòu)。為了了進(jìn)一步獲獲得計(jì)算機(jī)機(jī)的高性能能，除了開開發(fā)細(xì)粒度度的部件級級并發(fā)(合作)以外，人們們開始尋求求更大粒度度的合作，，即處理機(jī)機(jī)之間的合合作。這種種結(jié)構(gòu)一般般稱為并行行處理機(jī)或或超并行處處理機(jī)結(jié)構(gòu)構(gòu)。(3)多個個計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)的的合合作作———分布布式式系系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)。。更更大大粒粒度度的的合合作作則則表表現(xiàn)現(xiàn)為為多多種種計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)之之間間的的合合作作，，這這就就是是基基于于局局域域網(wǎng)網(wǎng)的的分分布布式式系系統(tǒng)統(tǒng)，，在在這這種種體體系系結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)中中，，分分布布、、異異構(gòu)構(gòu)和和合合作作是是其其主主要要特特點(diǎn)點(diǎn)。。目目前前，，市市場場上上流流行行的的客客戶戶／／服服務(wù)務(wù)器器計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)就就是是一一種種特特殊殊的的分分布布式式計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)體體系系結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，它它是是將將異異構(gòu)構(gòu)型型計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)的的功功能能、、性性能能及及責(zé)責(zé)任任進(jìn)進(jìn)行行必必須須的的預(yù)預(yù)劃劃分分，，然然后后形形成成特特定定的的分分布布計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)。。(4)人的的合合作作———CSCW系統(tǒng)統(tǒng)。。當(dāng)技技術(shù)術(shù)發(fā)發(fā)展展到到一一定定程程度度，，在在較較低低一一級級粒粒度度下下的的合合作作與與并并因因此此，，CSCW的誕誕生生和和發(fā)發(fā)展展是是與與計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)體體系系結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的發(fā)發(fā)展展分分不不開開的的，，同同時時，，CSCW也是是人人類類社社會會對對于于計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)提提出出更更高高要要求求所所驅(qū)驅(qū)動動形形成成的的一一個個技技術(shù)術(shù)領(lǐng)領(lǐng)域域。。是一一種種環(huán)環(huán)境境仿仿真真技技術(shù)術(shù)人的的合合作作就就是是指指兩兩個個或或兩兩個個以以上上的的人人協(xié)協(xié)商商、、通通訊訊，，以以完完成成同同一一種種工工作作。。合合作作本本身身就就是是一一個個復(fù)復(fù)雜雜問問題題。。人與與人人的的合合作作必必須須靠靠環(huán)環(huán)境境支支持持，，而而環(huán)環(huán)境境的的主主要要部部分分是是信信息息媒媒體體的的載載體體.由此可見，人人們的目標(biāo)就就是在逐步擴(kuò)擴(kuò)充的范圍內(nèi)內(nèi)，充分使人人們利用人造造的媒體載體體，通過自然然媒體進(jìn)行通通訊和交流，，克服自然距距離帶來的不不便。為了不斷支持持人們跨越更更大距離的合合作與交流，，從計(jì)算機(jī)領(lǐng)領(lǐng)域來看，人人們開發(fā)的先先進(jìn)技術(shù)主要要表現(xiàn)在以下下幾個方面。。第一，網(wǎng)絡(luò)的的出現(xiàn)以及聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的工作站站形成了新的的信息處理和和存儲能力，，提供了設(shè)計(jì)更更廣泛模擬人人類合作環(huán)境境的可能.第二，分布式式系統(tǒng)中的資資源共享技術(shù)術(shù)，特別是局域網(wǎng)網(wǎng)和廣域網(wǎng)技技術(shù)的進(jìn)一步步發(fā)展使地理理上分散的用用戶直接交互互的可能性進(jìn)進(jìn)一步增強(qiáng)；；第三，多媒體體信息處理和和管理技術(shù)的的進(jìn)一步成熟熟，更容易模擬人人類的自然合合作環(huán)境：第四，高速網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)發(fā)展將進(jìn)一步步克服當(dāng)前網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率率的限制，進(jìn)一步提供各各類媒體信息息的實(shí)時傳輸輸，這是模擬擬人類自然合合作環(huán)境必備備的技術(shù)。因此，CSCW技術(shù)便是為了了追求更高層層次、不受距距離限制的、、全方位利用用各種信息媒媒體的合作而而研究的技術(shù)術(shù)。也就是說，CSCW研制的就是這這樣一個環(huán)境境，無論人們們的距離有多多遠(yuǎn)，都能利利用該種環(huán)境境進(jìn)行類似于于自然環(huán)境支支持的合作，，它是一種模模擬人類自然然合作環(huán)境的的虛擬環(huán)境。。CSCW的研究意義在在于，使世界變大(一個用戶通過過這些系統(tǒng)的的支持可以涉涉獵到更加廣廣泛的信息和和知識)，又使世界變小小(多個異地作者者可以在同一一虛擬桌面上上討論、合作作處理同一信信息等)。與分布式系統(tǒng)統(tǒng)的關(guān)系及異異同分布式系統(tǒng)通通過網(wǎng)絡(luò)來支支持多個計(jì)算算機(jī)系統(tǒng)合作作完成同一項(xiàng)項(xiàng)工作。但這這里的合作是是指不同計(jì)算算機(jī)之間的合合作，而非人人之間的合作作，CSCW要支持的是人人之間的合作作，這兩種合作主主之間存在著著天然的聯(lián)系系第一，完全自自治的分布式式