Технологии масштабирования

Обсуждение некоторых проблем масштабирования приводит нас к вопросу о том, а как же обычно решаются эти проблемы. Поскольку проблемы масштабируемости в распределенных системах, такие как проблемы производительности, вызываются ограниченной мощностью серверов и сетей, существуют три основные технологии масштабирования: сокрытие времени ожидания связи, распределение и репликация.

Сокрытие времени ожидания связи применяется в случае географического масштабирования. Основная идея проста: постараться по возможности избежать ожидания ответа на запрос от удаленного сервера. Например, если была запрошена служба удаленной машины, альтернативой ожиданию ответа от сервера будет осуществление на запрашивающей стороне других возможных действий. В сущности, это означает разработку запрашивающего приложения в расчете на использование исключительно асинхронной связи (asynchronous communication). Когда будет получен ответ, приложение прервет свою работу и вызовет специальный обработчик для завершения отправленного ранее запроса. Асинхронная связь часто используется в системах пакетной обработки и параллельных приложениях, в которых во время ожидания одной задачей завершения связи предполагается выполнение других более или менее независимых задач. Для осуществления запроса может быть запущен новый управляющий поток выполнения. Хотя он будет блокирован на время ожидания ответа, другие потоки процесса продолжат свое выполнение.

Однако многие приложения не в состоянии эффективно использовать асинхронную связь. Например, когда в интерактивном приложении пользователь посылает запрос, он обычно не в состоянии делать ничего более умного, чем просто ждать ответа. В этих случаях наилучшим решением будет сократить необходимый объем взаимодействия, например, переместив часть вычислений, обычно выполняемых на сервере, на клиента, процесс которого запрашивает службу. Стандартный случай применения этого подхода — доступ к базам данных с использованием форм. Обычно заполнение формы сопровождается посылкой отдельного сообщения на каждое поле и ожиданием подтверждения приема от сервера, как показано на рис. 1.2, а. Сервер, например, может перед приемом введенного значения проверить его на синтаксические ошибки. Более успешное решение состоит в том, чтобы перенести код для заполнения формы и, возможно, проверки введенных данных на клиента, чтобы он мог послать серверу целиком заполненную форму (рис. 1.2, б). Такой подход — перенос кода на клиента — в настоящее время широко поддерживается в Web посредством Java -апплетов.

Следующая важная технология масштабирования — распределение(distribution). Распределение предполагает разбиение компонентов на мелкие части и последующее разнесение этих частей по системе. Хорошим примером распределения является система доменных имен Интернета (DNS). Пространство DNS имен организовано иерархически, в виде дерева доменов(domains), которые разбиты на неперекрывающиеся зоны(zones), как показано на рис. 1.3. Имена каждой зоны обрабатываются одним сервером имен. Не углубляясь чересчур в детали, можно считать, что каждое доменное имя является именем хоста в Интернете и ассоциируется с сетевым адресом этого хоста. В основном интерпретация имени означает получение сетевого адреса соответствующего хоста. Рассмотрим, к примеру, имя nl. vu. cs. flits. Для интерпретации этого имени оно сначала передается на сервер зоны Z 1 (рис. 1.3), который возвращает адрес сервера зоны Z 2, который, вероятно, сможет обработать остаток имени, vu. cs. flits. Сервер зоны Z 2 вернет адрес сервера зоны Z 3, который способен обработать последнюю часть имени и вернуть адрес соответствующего хоста.

Эти примеры демонстрируют, как служба именования, предоставляемая DNS, распределена по нескольким машинам и как это позволяет избежать обработки всех запросов на интерпретацию имен одним сервером.

В качестве другого примера рассмотрим World Wide Web. Для большинства пользователей Web представляется гигантской информационной системой документооборота, в которой каждый документ имеет свое уникальное имя — URL.

Концептуально можно предположить даже, что все документы размещаются на одном сервере. Однако среда Web физически разнесена по множеству серверов, каждый из которых содержит некоторое количество документов. Имя сервера, содержащего конкретный документ, определяется по URL адресу документа. Только благодаря подобному распределению документов Всемирная паутина могла вырасти до ее современных размеров.

При рассмотрении проблем масштабирования, часто проявляющихся в виде падения производительности, нередко хорошей идеей является репликация(replication) компонентов распределенной системы. Репликация не только повышает доступность, но и помогает выровнять загрузку компонентов, что ведет к повышению производительности. Кроме того, в сильно географически рассредоточенных системах наличие близко лежащей копии позволяет снизить остроту большей части ранее обсуждавшихся проблем ожидания завершения связи.

Кэширование (caching) представляет собой особую форму репликации, причем различия между ними нередко малозаметны или вообще искусственны. Как и в случае репликации, результатом кэширования является создание копии ресурса, обычно в непосредственной близости от клиента, использующего этот ресурс. Однако в противоположность репликации кэширование — это действие, предпринимаемое потребителем ресурса, а не его владельцем.

На масштабируемость может плохо повлиять один существенный недостаток кэширования и репликации. Поскольку мы получаем множество копий ресурса, модификация одной копии делает ее отличной от остальных. Соответственно, кэширование и репликация вызывают проблемы непротиворечивости(consistency).

Допустимая степень противоречивости зависит от степени загрузки ресурсов. Так, множество пользователей Web считают допустимым работу с кэшированным документом через несколько минут после его помещения в кэш без дополнительной проверки. Однако существует множество случаев, когда необходимо гарантировать строгую непротиворечивость, например, при игре на электронной бирже. Проблема строгой непротиворечивости состоит в том, что изменение в одной из копий должно немедленно распространяться на все остальные. Кроме того, если два изменения происходят одновременно, часто бывает необходимо, чтобы эти изменения вносились в одном и том же порядке во все копии. Для обработки ситуаций такого типа обычно требуется механизм глобальной синхронизации. К сожалению, реализовать масштабирование подобных механизмов крайне трудно, а может быть и невозможно. Это означает, что масштабирование путем репликации может включать в себя отдельные немасштабируемые решения.

Дата добавления: 2013-12-14