2.3.2　體系結(jié)構(gòu)模式

體系結(jié)構(gòu)模式構(gòu)建在上述討論過的相對原始的體系結(jié)構(gòu)元素之上，提供組合的、重復(fù)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在給定的環(huán)境中能運行良好。它們未必是完整的解決方案，但當(dāng)與其他模式組合時，它們會更好地引導(dǎo)設(shè)計者給出一個給定問題域的解決方案。
這是一個大的主題，已經(jīng)有了許多用于分布式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模式。本節(jié)中，我們給出分布式系統(tǒng)中幾個關(guān)鍵的體系結(jié)構(gòu)模型，包括分層體系結(jié)構(gòu)（layering architecture）、層次化體系結(jié)構(gòu)（tiered architecture）和瘦客戶相關(guān)的概念（包括虛擬網(wǎng)絡(luò)計算的特定機制）。我們也把Web服務(wù)當(dāng)做一個體系結(jié)構(gòu)模式進行了考察，給出了其他可以應(yīng)用在分布式系統(tǒng)中的模式。
分層　分層的概念是一個熟悉的概念，與抽象緊密相關(guān)。在分層方法中，一個復(fù)雜的系統(tǒng)被分成若干層，每層利用下層提供的服務(wù)。因此，一個給定的層提供一個軟件抽象，更高的層不清楚實現(xiàn)細節(jié)，或不清楚在它下面的其他層。
就分布式系統(tǒng)而言，這等同于把服務(wù)垂直組織成服務(wù)層。一個分布式服務(wù)可由一個或多個服務(wù)器進程提供，這些進程相互交互，并與客戶進程交互，維護服務(wù)中的資源在系統(tǒng)范圍內(nèi)的一致視圖。例如，在互聯(lián)網(wǎng)上基于網(wǎng)絡(luò)時間　圖2-7　分布式系統(tǒng)中軟件和硬件服務(wù)層協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）可實現(xiàn)一個網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)，其中，服務(wù)器進程運行在互聯(lián)網(wǎng)的主機上，給任一發(fā)出請求的客戶提供當(dāng)前的時間，51作為與服務(wù)器交互的結(jié)果，客戶調(diào)整它們的當(dāng)前時間。給定分布式系統(tǒng)的復(fù)雜性，這些服務(wù)組織成若干層經(jīng)常是有幫助的。圖2-7給出了一個分層體系結(jié)構(gòu)的常規(guī)視圖，并在第3～6章詳細敘述這個視圖的細節(jié)。

圖2-7引入了重要的術(shù)語——平臺和中間件，具體定義如下：

• 一個服務(wù)于分布式系統(tǒng)和應(yīng)用的平臺由最底層的硬件和軟件層組成。這些底層為其上層提供服務(wù)，它們在每個計算機中都是獨立實現(xiàn)的，提供系統(tǒng)的編程接口，方便進程之間的通信和協(xié)調(diào)。主要的例子有Intel x86/Windows、Intel x86/Solaris、Intel x86/Mac OS X、Intel x86/Linux和ARM/Symbian。
• 1.5.1節(jié)把中間件定義成一個軟件層，其目的是屏蔽異構(gòu)性，給應(yīng)用程序員提供方便的編程模型。中間件表示成一組計算機上的進程或?qū)ο?#xff0c;這些進程或?qū)ο笙嗷ソ换?#xff0c;實現(xiàn)分布式應(yīng)用的通信和資源共享支持。中間件提供有用的構(gòu)造塊，構(gòu)造在分布式系統(tǒng)中一起工作的軟件組件。特別的，它通過對抽象的支持，如遠程方法調(diào)用、進程組之間的通信、事件的通知、共享數(shù)據(jù)對象在多個協(xié)作的計算機上的分布、放置和檢索、共享數(shù)據(jù)對象的復(fù)制以及多媒體數(shù)據(jù)的實時傳送，提升應(yīng)用程序通信活動的層次。我們將在下面的2.3.3節(jié)講述這個重要的話題。
  層次化體系結(jié)構(gòu)　層次化體系結(jié)構(gòu)與分層體系結(jié)構(gòu)是互補的。分層將服務(wù)垂直組織成抽象層，而層次化是一項組織給定層功能的技術(shù)，它把這個功能放在合適的服務(wù)器上，或者作為第二選擇放在物理結(jié)點上。這個技術(shù)與圖2-7中所示的應(yīng)用和服務(wù)的組織最相關(guān)，但它也可以應(yīng)用到一個分布式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的所有層。

我們先查看兩層和三層體系結(jié)構(gòu)概念。為了說明這些概念，考慮如下對一個給定應(yīng)用的功能分解：

• 表示邏輯，涉及處理用戶交互和修改呈現(xiàn)給用戶的應(yīng)用視圖；
• 應(yīng)用邏輯，涉及與應(yīng)用相關(guān)的（也稱為業(yè)務(wù)邏輯，雖然這個概念不僅僅限于業(yè)務(wù)應(yīng)用）詳細的應(yīng)用特定處理；
• 數(shù)據(jù)邏輯，涉及應(yīng)用的持久存儲，通常在一個數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中。
  現(xiàn)在考慮用客戶-服務(wù)器技術(shù)實現(xiàn)這樣一個應(yīng)用。圖2-8a和圖2-8b分別給出了相關(guān)的兩層和三層體系結(jié)構(gòu)解決方案，以便于比較。

在兩層解決方案中，上面提及的三個方面必須被分到兩個進程（客戶和服務(wù)器）中。通常通過分隔應(yīng)用邏輯來完成這個劃分，把一些應(yīng)用邏輯放在客戶端，剩下的放在服務(wù)器端（雖然其他解決方案也是可以的）。這個模式的好處是具有交互的低延遲，僅有調(diào)用操作的消息交換，不足是將應(yīng)用邏輯分離到不同的進程，帶來的后果是一部分邏輯不能被另一部分直接調(diào)用。
在三層解決方案中，有從邏輯元素到物理服務(wù)器的一對一映射，因此，例如，應(yīng)用邏輯放在一個地方，能提高軟件的可維護性。每一層也都有定義明確的角色，例如，第三層僅僅是一個提供（可能是標(biāo)準(zhǔn)的）關(guān)系服務(wù)接口的數(shù)據(jù)庫。第一層也可以是一個簡單的用戶界面，提供對瘦客戶的內(nèi)在支持（見下面的討論）。缺點是增加了管理三個服務(wù)器的復(fù)雜性，也增加了與每個操作相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)流量和延遲。
注意這個方案可以推廣到n層（或多層）的解決方案，其中一個給定的應(yīng)用領(lǐng)域劃分為n個邏輯元素，每個邏輯元素映射到一個給定的服務(wù)器元素。以維基百科基于Web的可供公眾編輯的百科全書為例，它采用了多層次體系結(jié)構(gòu)來處理大量的Web請求（每秒請求高達60000頁）。
AJAX的作用：在1.6節(jié)中，我們介紹了AJAX（Asynchronous Javascript And XML）是Web所使用的標(biāo)準(zhǔn)客戶-服務(wù)器交互方式的擴展。AJAX滿足了Javascript前端程序（運行在Web瀏覽器中）和基于服務(wù)器的后端程序（擁有描述應(yīng)用狀態(tài)的數(shù)據(jù)）之間的細粒度通信的需要。概括而言，在標(biāo)準(zhǔn)的Web交互方式中，瀏覽器發(fā)送HTTP請求給服務(wù)器，請求給定URL的頁面、圖像或其他資源。服務(wù)器發(fā)送整個頁面作為應(yīng)答，這個頁面或者從服務(wù)器上的一個文件中讀取，或者由一個程序生成，取決于URL中可識別的資源類型。當(dāng)客戶收到內(nèi)容時，瀏覽器根據(jù)其MIME類型（text/html、image/jpg等）相關(guān)的顯示方式呈現(xiàn)它。雖然Web頁面由不同類型的內(nèi)容項組成，但是整個頁面以它在html頁面定義中指定的方式由瀏覽器組合并呈現(xiàn)。
這種標(biāo)準(zhǔn)的交互方式在幾個重要的方面約束了Web應(yīng)用的開發(fā)：

• 一旦瀏覽器發(fā)送了一個請求新Web頁面的http請求，用戶不能與該頁面交互，直到新的html內(nèi)容被瀏覽器收到并呈現(xiàn)。這個時間間隔是不確定的，因為它受限于網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器延遲。
• 為了用來自服務(wù)器的額外數(shù)據(jù)修改當(dāng)前頁面的一小部分，也要請求和顯示整個新的頁面。這導(dǎo)致了對用戶應(yīng)答的延遲、客戶和服務(wù)器兩端的額外處理以及冗余的網(wǎng)絡(luò)流量。
• 客戶顯示的頁面內(nèi)容不能被更新，從而不能響應(yīng)服務(wù)器端擁有的應(yīng)用數(shù)據(jù)的變化。

Javascript是一個跨平臺、跨瀏覽器的編程語言，它能下載到瀏覽器中并執(zhí)行，它的引入是去除這些約束的第一步。Javascript是一個通用的語言，它使得用戶接口和應(yīng)用邏輯能在瀏覽器窗口中被編程和執(zhí)行。
AJAX是使得開發(fā)和部署交互型Web應(yīng)用成為可能的第二步，它使得Javascript前端程序能直接從服務(wù)器程序中獲得新的數(shù)據(jù)。任何數(shù)據(jù)項都能被請求，當(dāng)前頁有選擇地更新來顯示新的值。甚至，前端能以對應(yīng)用有用的任何方式響應(yīng)新的數(shù)據(jù)。
許多Web應(yīng)用允許用戶訪問和更新大量共享的數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)可能會改變以響應(yīng)其他客戶的輸入或服務(wù)器收到的數(shù)據(jù)輸入。它們要求一個及時的前端組件（運行在每個客戶瀏覽器中）來完成用戶接口動作（如菜單選擇），也請求訪問一個必須放在服務(wù)器上供共享的數(shù)據(jù)集。這樣的數(shù)據(jù)集通常太大并且是動態(tài)的，所以不允許使用基于在用戶會話（用于客戶操縱）開始時下載整個應(yīng)用狀態(tài)副本給客戶并供其操作的體系結(jié)構(gòu)。

　圖2-9　AJAX舉例：更新足球比分AJAX是支持構(gòu)建這樣的應(yīng)用的“膠水”，它提供一套通信機制，使得運行在一個瀏覽器中的前端組件能發(fā)送請求，并從運行在服務(wù)器上的后端組件接收結(jié)果?？蛻敉ㄟ^Javascript XmlHttpRequest對象發(fā)送請求，該對象管理與一個服務(wù)器進程的HTTP交互（見1.6節(jié)）。因為XmlHttpRequest有一個復(fù)雜的API，且該API有些依賴瀏覽器，所以，通常通過眾多可用于支持Web應(yīng)用開發(fā)的Javascript庫中的一個庫訪問它。圖2-9展示了ATAX在Prototype.js Javascript庫中的使用［www.prototypejs.org］。
這個例子是一個Web應(yīng)用的片段，該應(yīng)用顯示足球比賽最新積分的頁面。用戶單擊頁面的相關(guān)行，55可以請求獲得單個比賽的分?jǐn)?shù)更新，其對應(yīng)著執(zhí)行示例程序的第一行。Ajax.Request對象發(fā)送一個HTTP請求給scores.php程序，該程序與Web頁面位于相同的服務(wù)器上。Ajax.Request對象接著返回控制，允許瀏覽器繼續(xù)應(yīng)答相同窗口或其他窗口中其他用戶的動作。當(dāng)scores.php程序已經(jīng)獲得了最新的比分時，它在一個HTTP應(yīng)答中返回該比分，因為它是一個onSuccess動作，所以，它分析結(jié)果并把比分插入到當(dāng)前頁面的相關(guān)位置。頁面的其余部分不受影響，不被重載入。
這說明了在第一層組件和第二層組件之間使用的通信類型。雖然Ajax.Request（和下層的XmlHttpRequest對象）提供同步和異步通信，但總是使用異步版本，因為用戶界面對延遲的服務(wù)器應(yīng)答是不可接受的。
這個簡單的例子說明了在兩層應(yīng)用中AJAX的使用。在三層應(yīng)用中，服務(wù)器組件（在我們的例子中是scores.php）將發(fā)送一個請求給數(shù)據(jù)管理器組件（通常是發(fā)給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的一個SQL查詢）用于請求數(shù)據(jù)。這個請求是異步的，因為沒有理由直到請求被滿足后才返回控制給服務(wù)器。
AJAX機制組成了一項有效的技術(shù)，用于在具有不確定延遲的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下構(gòu)造及時的Web應(yīng)用，它已經(jīng)得到了非常廣泛的使用。Google地圖應(yīng)用［www.google.com Ⅱ］是一個突出的例子。地圖作為一個連續(xù)的256×256像素圖像（稱為圖片（tile））數(shù)組顯示。當(dāng)?shù)貓D被移動時，瀏覽器中的Javascript代碼重定位可見的圖片，需要填入可見區(qū)域的額外的圖片，可以通過AJAX調(diào)用到Google服務(wù)器去獲取。圖片一經(jīng)收到就會顯示出來，但瀏覽器在等待的時候可以繼續(xù)應(yīng)答用戶的交互。
瘦客戶　分布式計算的趨勢是將復(fù)雜性從最終用戶設(shè)備移向互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。這點在向云計算（見第1章）發(fā)展的趨勢中最明顯，在上面討論的層次化體系結(jié)構(gòu)中也能看到。這個趨勢導(dǎo)致了對瘦客戶概念的興趣，它使得能以很少的對客戶設(shè)備的假設(shè)或需求，獲得對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)的訪問，這些服務(wù)可以通過云解決方案提供。更具體來說，　圖2-10　瘦客戶和計算機服務(wù)器術(shù)語瘦客戶指的是一個軟件層，在執(zhí)行一個應(yīng)用程序或訪問遠程計算機上的服務(wù)時，由該軟件層提供一個基于窗口的本地用戶界面。例如，圖2-10給出了一個瘦客戶，它在訪問互聯(lián)網(wǎng)上的一臺計算服務(wù)器。這種方法的好處是有可能通過大量的網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)和潛在能力極大地增加簡單的本地設(shè)備（例如，智能電話和其他資源有限的設(shè)備）。56瘦客戶體系結(jié)構(gòu)的主要缺點是：在交互頻繁的圖形活動（如CAD和圖像處理）中，因為網(wǎng)絡(luò)和操作系統(tǒng)的延遲，用戶感受到的延遲會因為在瘦客戶和應(yīng)用進程之間傳輸圖像和向量信息而增大到不可接受的程度。

這個概念導(dǎo)致虛擬網(wǎng)絡(luò)計算（Virtual Network Computing，VNC）的出現(xiàn)。該項技術(shù)首先由Olivetti和Oracle研究實驗室的研究者引入［Richardson et al.1998］。初始的概念已經(jīng)演化成實現(xiàn)，例如，RealVNC［www.realvnc.com］提供了一個軟件解決方案，Adventiq［www.adventiq.com］提供了一個基于硬件的解決方案，該方案支持在IP上傳送鍵盤、視頻和鼠標(biāo)事件（KVM-over-IP）。其他VNC實現(xiàn)包括Apple Remote Desktop、TightVNC和Aqua Connect。
VNC在概念上是簡單的，即為遠程訪問提供圖形用戶界面。在這個解決方案中，VNC客戶（觀眾）通過VNC協(xié)議與VNC服務(wù)器交互。從圖形支持角度看，協(xié)議在原語層次上操作，基于幀緩沖區(qū)，以以下操作為特色：在屏幕上的給定位置放置矩形像素數(shù)據(jù)（一些解決方案如Citrix的XenApp從窗口操作方面來看在較高層次操作［www.citrix.com］）。這種低層方法確保協(xié)議能工作在任何操作系統(tǒng)或應(yīng)用中。雖然這很直接，但它隱含著用戶能用不同設(shè)備從任何地方訪問他們的計算機設(shè)施，這代表了在移動計算方面邁出的重要的一步。
虛擬網(wǎng)絡(luò)計算已經(jīng)取代了網(wǎng)絡(luò)計算機，后者是以前的瘦客戶解決方案的實現(xiàn)方法，它通過簡單、廉價、完全依賴網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)的硬件設(shè)備，從遠程文件服務(wù)器下載它們的操作系統(tǒng)和用戶所需的應(yīng)用軟件。因為所有的應(yīng)用數(shù)據(jù)和代碼由一個文件服務(wù)器存儲，所以，用戶可以從一個網(wǎng)絡(luò)計算機遷移到另一個。事實上，虛擬網(wǎng)絡(luò)計算被證明是一個更靈活的解決方案，現(xiàn)在主宰著市場。
其他經(jīng)常出現(xiàn)的模式　如上所述，現(xiàn)在已有大量的體系結(jié)構(gòu)模式，且它們已被文檔化。這里給出一些關(guān)鍵的例子。

• 代理（proxy）模式是分布式系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的模式，其主要用于支持遠程過程調(diào)用或遠程方法調(diào)用的位置透明性。用這種方法，一個代理在本地地址空間中被創(chuàng)建，用于代表遠程對象。這個代理提供與遠程對象一樣的接口，程序員調(diào)用這個代理對象，因此無須了解交互的分布式特性。在RPC和RMI中，代理支持位置透明性的作用將在第5章做進一步的討論。注意代理也被用于封裝其他的功能（諸如復(fù)制或緩存的放置策略等）。
• Web服務(wù)中的業(yè)務(wù)代理（brokerage）的使用能被看成是一個在可能很復(fù)雜的分布式基礎(chǔ)設(shè)施中支持互操作性的體系結(jié)構(gòu)模式。特別地，57這個模式是由服務(wù)提供商、服務(wù)請求者和服務(wù)代理（提供與請求的服務(wù)一致的服務(wù)）三部分組成，如圖2-11所示。這個業(yè)務(wù)代理模式在分布式系統(tǒng)的多個領(lǐng)域被多次應(yīng)用，例如Java RMI中的注冊服務(wù)、CORBA中的名字服務(wù)（分別參見第5章和第8章的討論）。　圖2-11　Web服務(wù)體系結(jié)構(gòu)模式
• 反射（reflection）模式在分布式系統(tǒng)中作為支持內(nèi)省（系統(tǒng)的動態(tài)發(fā)現(xiàn)的特性）和從中調(diào)停（動態(tài)修改結(jié)構(gòu)或行為的能力）的手段而被持續(xù)地使用。例如，Java的內(nèi)省能力被用于RMI的實現(xiàn)中，提供通用的分發(fā)（參見5.4.2節(jié)的討論）。在一個反射系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)接口在基礎(chǔ)層可供使用，但元層接口也可以提供對涉及服務(wù)實現(xiàn)的組件及組件參數(shù)的訪問。許多技術(shù)在元層可用，包括截獲到達的消息或調(diào)用、動態(tài)發(fā)現(xiàn)由給定對象提供的接口、發(fā)現(xiàn)和適應(yīng)系統(tǒng)底層體系結(jié)構(gòu)的能力。反射被應(yīng)用于分布式系統(tǒng)中的多個領(lǐng)域，特別是反射中間件領(lǐng)域，例如，可以用于支持更多的可配置及重配置中間件體系結(jié)構(gòu)［Kon et al.2001］。
  與分布式系統(tǒng)相關(guān)的體系結(jié)構(gòu)模式更多的例子可以在Bushmann等人［2007］的著作中找到。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的《分布式系统：概念与设计》一2.3.2　体系结构模式的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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