分布式系統(tǒng)與WEB服務(wù)(4)

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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級(jí),,第三級(jí),,第四級(jí),,第五級(jí),,,,,南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,,,,,,,,分布式系統(tǒng)與,WEB,服務(wù),第七章,,容錯(cuò)與實(shí)時(shí)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(cuò)誤,,,故障,策略：,,,防止故障,,,故障容錯(cuò),,,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(cuò)與實(shí)時(shí)系統(tǒng),是分布式系統(tǒng)的兩大領(lǐng)域,.,,,一般而言，容錯(cuò)服務(wù)是允許系統(tǒng)出錯(cuò)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(cuò)應(yīng)用有兩種形式，

2、,一種叫做基于事務(wù)的容錯(cuò),;,二種叫做進(jìn)程控制的容錯(cuò)，二者的主要區(qū)別在于,恢復(fù)時(shí)間。,,容錯(cuò)具有,兩個(gè)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(gè)模型：機(jī)器在故障時(shí)，將不能做任何事情；而在故障前均能正確地做任何事。,對(duì)于事務(wù)的處理，要考慮磁盤出錯(cuò),,,服務(wù)器故障及通信不暢等出錯(cuò)問題，,這樣便需要一個(gè)故障模型,，,在該模

3、型中，事務(wù)處理算法可以在可預(yù)測(cè)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(cè)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(chǔ)器時(shí)可能出錯(cuò),,,可能未寫人，也可能寫錯(cuò),,,例如在出現(xiàn)災(zāi)難性故障,.,,2.,服務(wù)器隨時(shí)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(cè)消息損壞情,,況。所有出錯(cuò)或未檢測(cè)出的受損消息都會(huì)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(shí)間內(nèi)完成，因?yàn)橥?,信消息的延遲可能無限大；,,,(2),分布式事務(wù)的恢復(fù)時(shí)間可

4、能要比預(yù)料的時(shí)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(cè)故,,障；,,,(4),原子提交協(xié)議認(rèn)為，永久性存儲(chǔ)器上的受損消息和出,,錯(cuò)數(shù)據(jù)是可檢測(cè)的。,,以上故障模型是設(shè)計(jì)穩(wěn)定存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)，,穩(wěn)定存儲(chǔ)器要在寫操作出現(xiàn)故障時(shí)、或在進(jìn)程故障時(shí)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(chǔ)器，爾后更詳盡地討論容錯(cuò)概念與技術(shù)。,7,．,2,穩(wěn)定存儲(chǔ),,,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(cuò)情況：,讀塊時(shí)出錯(cuò)、寫塊時(shí)出錯(cuò)、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)出錯(cuò)及存儲(chǔ)介質(zhì)本身出錯(cuò)。,,,

5、因此，需要一種檢測(cè)錯(cuò)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(shí)，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(cuò)，從而保證寫時(shí)的正確性。,,,(2),讀塊時(shí)，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(cuò)。這樣，保證避免產(chǎn)生讀塊時(shí)的錯(cuò)誤。,,,上述方法叫做精心塊傳輸,(CBT,，,Careful Block Transfer),方法，但是這種方法

6、并不保證其可恢復(fù)性,，因?yàn)槿粼?寫索引時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤,，則所有文件塊均將訪問不到，如果在,寫文件映射表時(shí)出錯(cuò),，則無法再訪問文件。針對(duì)這兩種情況，文件映射表和文件索引一般要備份存儲(chǔ)，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(shí)，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(chǔ)結(jié)構(gòu),，以減少兩備份同時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)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)構(gòu)用一個(gè)柱面映射表完成文件頁到物理塊的映射，柱面映射表的每一行由,<,分配狀態(tài)，,UFID,，索引中的位置，塊指針,>,組成。顯然，柱面映射表的大小決定于磁盤的柱面數(shù)。,,以上措施都假設(shè)在存儲(chǔ)器可能出錯(cuò)的情況下，存儲(chǔ)故障對(duì)于程序

7、是不透明的，至少程序員認(rèn)為存儲(chǔ)器不是十分可靠的。,,下面討論的穩(wěn)定存儲(chǔ),(StableStorage),則是通過一定的手段使程序員感到所使用的存儲(chǔ)器是非常可靠的，從而增加存儲(chǔ)系統(tǒng)的故障透明性。,,穩(wěn)定存儲(chǔ)其實(shí),是,一種在不可靠介質(zhì)上建立可靠信息存儲(chǔ)系統(tǒng)的方法，,它可以保證服務(wù)器系統(tǒng)可以從硬件或軟件故障中得到恢復(fù)。,,,穩(wěn)定存儲(chǔ)一般采用冗余備份的方法。,,,由于穩(wěn)定存儲(chǔ)的空間冗余太大，故,一般僅用于文件的關(guān)鍵信息，,如前述的文件映射表和文件索引等。當(dāng)然，它也用于對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求甚高的應(yīng)用中，如銀行業(yè)務(wù)等。,,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定存儲(chǔ)的主要原則有以下三個(gè)：,,,1),一般用兩個(gè)相距較遠(yuǎn)的磁盤塊形成一個(gè)穩(wěn)定存儲(chǔ)

8、塊，,,盡可能減少發(fā)生兩塊同時(shí)出錯(cuò)的可能性；,,,2),要同時(shí)保持以下不變性：,,①至少有一個(gè)塊是好塊；,,②若兩塊都是好塊，則內(nèi)容應(yīng)當(dāng)一致，若在操作過程,,中，可以有暫時(shí)的不同。,,,3),穩(wěn)定塊指針由兩個(gè)正常的塊指針提供．,7,．,3,容錯(cuò),,,7.3.1,基本概念,,,一、部件故障,,故障通?？煞譃闀簳r(shí)性、間歇性和永久性故障．,,暫時(shí)性故障只發(fā)生一次，如果重復(fù)操作，故障可能不會(huì)再現(xiàn)。,一只鳥在穿過微波波束時(shí)會(huì)引起無線網(wǎng)絡(luò)上的信息丟失，這就是暫時(shí)性故障，如果下一步重傳，它可能正常工作。,,間歇性故障發(fā)生后消失，過一段時(shí)間后又出現(xiàn)。,一個(gè)連接器中若結(jié)合不緊,(,如插座未插牢或虛焊等,),，會(huì)

9、引起間歇性故障。,這種錯(cuò)誤很難診斷，但一旦被找到故障點(diǎn)，系統(tǒng)很容易恢復(fù),。,,永久性故障在故障修復(fù)之前一直存在。,如燒壞的芯片、軟件中的錯(cuò)誤、磁頭故障都會(huì)引起這種故障。,,并不是所有的部件故障都會(huì)引起系統(tǒng)失敗，但計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的確會(huì)因某些部件故障而工作失敗。設(shè)計(jì)和構(gòu)造容錯(cuò)系統(tǒng)的目標(biāo)是保證系統(tǒng)能夠在部件故障出現(xiàn)時(shí)繼續(xù)正常工作。這個(gè)目標(biāo)與要求單個(gè)部件的高度可靠性是不同的。,,,二,.,系統(tǒng)故障,,在分布式系統(tǒng)中，我們最感興趣的是系統(tǒng)在部件出錯(cuò)時(shí)能否繼續(xù)工作。由于分布式系統(tǒng)中有大量部件，出錯(cuò)概率高，因此對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求很高。,,下面我們來看處理機(jī)故障．處理機(jī)故障分為兩類：,,,(1),,悄然停,(Fa

10、il-silent,，或,fai1-stop),故障；,,,(2),拜占庭,(Byzantine),故障。,,在,悄然停故障中,，,出錯(cuò)的處理機(jī)停止運(yùn)行，除了聲明它停止運(yùn)行外，不對(duì)后續(xù)輸入產(chǎn)生反應(yīng)也不產(chǎn)生輸出,.,,,,而,拜占庭故障則是,，雖出故障，但仍繼續(xù)運(yùn)行，對(duì)于后續(xù)輸入繼續(xù)處理給出錯(cuò)誤結(jié)果，給人一種仍在正常工作的假象。沒有檢測(cè)出的軟件錯(cuò)誤常常屬于拜占庭故障。,,,通常處理拜占庭故障比處理悄然停故障更困難。,,三、同步／異步系統(tǒng),,如果一個(gè)系統(tǒng)總能在有限時(shí)間內(nèi)對(duì)消息做出反應(yīng)，那么就稱它為同步系統(tǒng)；反之，就稱為異步系統(tǒng)。,,異步系統(tǒng)比同步系統(tǒng)更復(fù)雜。如果一個(gè)處理機(jī)發(fā)出一條消息，并且知道在,

11、T,秒內(nèi)沒有回答就意味著接收失敗，它就可采取相應(yīng)的正確行動(dòng)；如果沒有反應(yīng)時(shí)間的限制，就很難判斷是否發(fā)生故障,。,,,四、冗余配置,,常用的容錯(cuò)方法是冗余配置。它有,信息冗余、時(shí)回冗余、物理冗余,三種形式。,,信息冗余就是，增加額外的信息位使錯(cuò)誤信息可以得到糾正,。例如海明碼是存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)中的重要冗余配置技術(shù)，它可以用于檢測(cè)和恢復(fù)傳輸錯(cuò)誤。,,時(shí)間冗余就是，執(zhí)行一個(gè)操作，如果需要就再次執(zhí)行。,前面講到的原子事務(wù)，就屬于這種冗余．如果事務(wù)取消，它對(duì)系統(tǒng)無影響，可以再做。,時(shí)間冗余對(duì)于解決暫時(shí)性故障和間歇性故障非常有效,。,,物理冗余就是增加額外的設(shè)備使系統(tǒng)可以承受某個(gè)部件的故障。,例如給系統(tǒng)增加額外

12、處理機(jī)，如果某臺(tái)處理機(jī)出錯(cuò)，系統(tǒng)可以馬上切換到正常的處理機(jī)上繼續(xù)執(zhí)行。,,組織額外處理機(jī)有兩種方法，,一種是活動(dòng)備份,(ActiveReplicate),法，一種是主副,(Primaryand Backup),結(jié)構(gòu)法，,比如對(duì)一個(gè)服務(wù)器，如果使用活動(dòng)備份法，則所有的,處理機(jī)都象服務(wù)器那樣同時(shí),并行工作，,來達(dá)到屏蔽故障,。主副結(jié)構(gòu)法則是使用,一臺(tái)處理機(jī)做工作,，當(dāng)它出現(xiàn)故障時(shí)，再用備份機(jī)來替代它．,,采用哪種辦法，主要取決于應(yīng)用對(duì)于以下幾點(diǎn)的基本需求：,,,(1),所需的備份,(,冗余,),程度；,,,(2),有故障時(shí)的平均和最壞性能；,,,(3),無故障時(shí)的平均和最壞性能。,7.3.2,活動(dòng)

13、備份技術(shù),,活動(dòng)備份是一種典型的技術(shù)，它的特點(diǎn)就是使用物理冗余．,人類生活和工程中許多都用到了這種技術(shù)，如哺乳動(dòng)物有兩只眼、兩個(gè)耳朵、兩個(gè)肺等；飛機(jī)一般要用多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī),(,波音,747,則有,4,臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),),；體育比賽中要有多個(gè)裁判等等。,,在電子線路中也經(jīng)常采用活動(dòng)備份技術(shù)。,,典型設(shè)計(jì)稱,TMR(,三模件冗余,),技術(shù)。,,冗余能夠屏蔽故障．但需要多少個(gè)副本才合適呢,?,這主要依賴于應(yīng)用要求的容錯(cuò)能力。,如果,一個(gè)系統(tǒng)被稱為,K,級(jí)容錯(cuò)，那就意味著它可以容忍,K,個(gè)同樣部件的錯(cuò)誤。,如果,K,個(gè)處理機(jī)出現(xiàn)的是,悄然停故障。那么用,K+1,個(gè)處理機(jī)就可以實(shí)現(xiàn),K,級(jí)容錯(cuò)。,這樣，在,K,個(gè)

14、處理機(jī)停止工作后，還有一個(gè)處理機(jī)在運(yùn)行。,原始電路,,模三冗余電路：三是實(shí)施,“,少數(shù)服從多數(shù),”,,原則的最少選舉人數(shù)。,模三冗余,,TMR,,如果處理機(jī)出現(xiàn),拜占庭故障，那么就必須使用至少,2K+1,個(gè)相同的處理機(jī)來處理。,這樣，在最壞情況下，即,K,個(gè)處理機(jī)給出了錯(cuò)誤結(jié)果，但還有,K+1,個(gè)處理機(jī)會(huì)給出正確答案，仍可屏蔽錯(cuò)誤。,,在實(shí)際應(yīng)用中，由于環(huán)境的復(fù)雜性，很難保證只有,K,個(gè)處理機(jī)出問題，另外,K+1,個(gè)不出問題。因此，,在容錯(cuò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，還需要依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來設(shè)置冗余備份的數(shù)量。,,總之，活動(dòng)備份方法并不是非常困難的問題。,,7.3.3,主副容錯(cuò)技術(shù),,這個(gè)方法的基本思想就是

15、，,在任一時(shí)刻，有一臺(tái)機(jī)器是主服務(wù)器，完成所有的工作,。,一旦這個(gè)主服務(wù)器出現(xiàn)故障，那么副服務(wù)器就接替工作。,理想情況下，切換應(yīng)當(dāng)干脆利落，,并且只能被客戶機(jī)操作系統(tǒng)感知，對(duì)應(yīng)用程序是透明的。,這個(gè)方法同活動(dòng)備份一樣，也是源自日常工作和生活中的常用方法。如國家設(shè)副主席、政府設(shè)副總理、一般單位都設(shè)副職，在汽車上也都配有備用輪胎等。,,主副容錯(cuò)方法比活動(dòng)備份有兩大優(yōu)點(diǎn)。,首先是簡(jiǎn)單，,因?yàn)樵谡２僮髦?，消息僅僅送到主服務(wù)器而不是整個(gè)服務(wù)器組；,第二，實(shí)際用的機(jī)器也較少，任意時(shí)刻只需一臺(tái)副服務(wù)器備份即可。,當(dāng)一個(gè)副服務(wù)器成為主服務(wù)器時(shí)，馬上要加入一臺(tái)新的副服務(wù)器。,它的缺點(diǎn)是一般很難處理拜占庭故障，

16、另外在主服務(wù)器故障后需要很復(fù)雜并且時(shí)間較長的恢復(fù)過程，同時(shí)如何選擇切換時(shí)間也是需解決的問題,,7.3.4,容錯(cuò)系統(tǒng)的協(xié)調(diào),,在許多分布式系統(tǒng)中，經(jīng)常需要讓進(jìn)程就某事件達(dá)成一致的協(xié)議。,前面討論的分布事務(wù)就涉及到許多,這種協(xié)調(diào)活動(dòng)，例如選舉管理員，決定是否提交一個(gè)事務(wù)等等,。當(dāng)通信系統(tǒng)和處理機(jī)郡正常時(shí)；達(dá)成一致協(xié)議是很簡(jiǎn)單的。但若認(rèn)為處理機(jī)和通信設(shè)施都可能出故障，要達(dá)成一致協(xié)議就麻煩多了。,,分布式協(xié)調(diào)算法的總目標(biāo)是讓所有無錯(cuò)處理機(jī)在有限時(shí)間和操作步內(nèi)，就某個(gè)問題達(dá)成一致協(xié)議。,根據(jù)不同的系統(tǒng)情況會(huì)要求不同的處理辦法。,,(1),消息是否可靠傳輸,?,,(2),進(jìn)程是否會(huì)發(fā)生故障,?,如果出現(xiàn)故

17、障，是悄然停故障,?,,,還是拜占庭故障,?,,(3),,系統(tǒng)是同步的還是異步的,?,,,算法證明：,在一個(gè)有,M,個(gè)故障處理機(jī)的系統(tǒng)中，僅能在還有,2M+1,個(gè)正常工作的處理機(jī)時(shí)，才能達(dá)成一致協(xié)議。,,而在一個(gè)異步的無傳輸延遲限制的分布式系統(tǒng)，即使只有一個(gè)處理出現(xiàn)故障也不能達(dá)成協(xié)議,7.4,實(shí)時(shí)分布式系統(tǒng),,,7.4.1,什么是實(shí)時(shí)系統(tǒng),?,,,實(shí)時(shí)系統(tǒng)根據(jù)時(shí)限要求的嚴(yán)格程度及漏掉一次處理所帶來的后果分成軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)和硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。,,所謂,軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)就是指漏掉一個(gè)偶發(fā)事件處理不會(huì)影響系統(tǒng)正常工作。,例如：電話交換機(jī)允許在超載情況下，丟失或接錯(cuò)一個(gè)電話。相反，,硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)不允許漏掉任何一個(gè)事件．

18、,在實(shí)際當(dāng)中，還有些系統(tǒng)處于兩者之間，即如果有一事件沒有在最后期限內(nèi)得到處理，那就必須關(guān)閉當(dāng)前活動(dòng)，但卻不產(chǎn)生致命的結(jié)果。另外，在某些實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，有的子系統(tǒng)是硬實(shí)時(shí)的．有些子系統(tǒng)是軟實(shí)時(shí)的．,,7.4.2,設(shè)計(jì)問題,,實(shí)時(shí)系統(tǒng)有許多特有的問題，下面來講一些重要的。,,一、時(shí)鐘同步,(,參見第三章,),,,二、事件觸發(fā)和時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng),,事件觸發(fā)是,:,如外界發(fā)生某事件,,,被傳感器檢測(cè)到,,,就發(fā)一個(gè),,中斷信號(hào),,,事件觸發(fā)觸發(fā)系統(tǒng)在系統(tǒng)負(fù)裁很重,,的情況下，效果不好。,,,在時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng)中就不存在上述問題，,在時(shí)間觸發(fā)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，每隔△,T,發(fā)生一次時(shí)鐘中斷。在時(shí)間觸發(fā)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，間隔時(shí)間

19、△,T,的選擇很重要。,,三,.,可預(yù)見性,,行為預(yù)見性：,即系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)清楚所要滿足的所有時(shí)間限制,,因而實(shí)時(shí)系統(tǒng)是一個(gè)確定的系統(tǒng)，而不是隨機(jī),,系統(tǒng)。,,四,.,容錯(cuò)，,可采用前面介紹的兩種方法,,五,.,語言支持：,通用的語言，也可用專用的語言,7.4.3,實(shí)時(shí)通信,,實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的通信與其它分布式系統(tǒng)的通信不同。由于,對(duì)性能的要求很高，,因此,可預(yù)測(cè)性和確定性是其關(guān)鍵問題,．,,在分布式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)性就意味著處理機(jī)間的通信是可預(yù)測(cè)的。,與以太網(wǎng)相反，令牌環(huán)網(wǎng)比較適合于實(shí)時(shí)系統(tǒng)。另一個(gè)是,TDMA(,分時(shí)多路復(fù)用,),。通過時(shí)間槽的方法。,,,實(shí)時(shí)分布式系統(tǒng)的通信協(xié)議常是專用的,.,如

20、,TTP,協(xié)議,（時(shí)間觸發(fā)協(xié)議）,,它的特別之處：,接收者能夠發(fā)現(xiàn)信包的丟失、自動(dòng)的成員關(guān)系協(xié)議、信包和全局狀態(tài)的,CRC,效驗(yàn)碼、及時(shí)鐘同步的方法。,7.,4.4,實(shí)時(shí)調(diào)度,,實(shí)時(shí)調(diào)度算法需刻畫的參數(shù)：,,,1,）硬實(shí)時(shí)或軟實(shí)時(shí)，硬實(shí)時(shí)要滿足時(shí)間限制，軟實(shí)時(shí)較松。,,,2,）搶占式或非搶占式，如何讓出,CPU,，,,,3,）動(dòng)態(tài)或靜態(tài)，動(dòng)態(tài)為執(zhí)行中做出調(diào)度決策，靜態(tài)事先計(jì)劃。,,典型動(dòng)態(tài)算法有速度單調(diào)算法，,即任務(wù)的優(yōu)先級(jí)與它的執(zhí),,行頻率有關(guān)。,還有搶占式動(dòng)態(tài)調(diào)度,（最早期限優(yōu)先算法）,,,及,最小松弛度算法,,,靜態(tài)調(diào)度適合時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)調(diào)度適合事件觸發(fā)系統(tǒng),4,）集中式或分散式，集

21、中式一臺(tái)決定，分散式處理機(jī),,自己做出決定,,,7.4.5,實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)和主要措施,,按照實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求，,時(shí)限是基本的設(shè)計(jì)依據(jù),。我們必須從應(yīng)用要求來分析和選擇系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)，特別是前面已經(jīng)說明，由于系統(tǒng)的日趨復(fù)雜化，再利用匯編語言來編寫實(shí)時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)是不可能的。假設(shè)已經(jīng)選擇了一個(gè)硬件平臺(tái)，我們要從,以下幾個(gè)方面分析系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性的支持,。,,,一、實(shí)時(shí)響應(yīng),,,實(shí)時(shí)應(yīng)用需要對(duì)外部事件有可預(yù)測(cè)的響應(yīng)時(shí)間，如設(shè)備中斷等,。典型的實(shí)時(shí)應(yīng)用包括三部分：中斷產(chǎn)生設(shè)備、從設(shè)備上采集數(shù)據(jù)的中斷服務(wù)程序和處理數(shù)據(jù)的用戶級(jí)代碼。,,實(shí)時(shí)響應(yīng)其實(shí)是反映應(yīng)用系統(tǒng)與操作系統(tǒng),如何高速地共同工作來,快

22、速處理外部事件的一個(gè)指標(biāo)。,,在系統(tǒng)中一般有,兩類延遲：,,,(1),中斷服務(wù)程序,(lSR),延遲,,該延遲是指從中斷產(chǎn)生到中斷服務(wù)程序第一條指令執(zhí)行所經(jīng)過的時(shí)間。,,,(2),進(jìn)程調(diào)用延遲,(PDL,,即,ProcessDispatchLatency),,,進(jìn)程調(diào)用延時(shí)是指從中斷產(chǎn)生到等待進(jìn)程開始執(zhí)行的時(shí)間。,包括以下幾個(gè)時(shí)間段：,,①,,中斷服務(wù)程序延遲；,,②,,中斷服務(wù)程序執(zhí)行時(shí)間；,,③,,從中斷服務(wù)程序返回的時(shí)間；,,④,,等待中斷進(jìn)程的語景切換,(ContextSwitch),時(shí)間,,二、主要措施,,,(1),多級(jí)流水,(,信息緩沖,),,,為了滿足系統(tǒng)強(qiáng)實(shí)時(shí)要求，單靠串行程序

23、的一次處理是很難完成任務(wù)的，,可以采用多進(jìn)程調(diào)度，進(jìn)程之間采用信息緩沖的技術(shù)，,使一次服務(wù)在總時(shí)間較長的情況下，能夠滿足及時(shí)處理高速實(shí)時(shí)輸人信息的處理。,,,(2),內(nèi)存鎖定，提供高速的數(shù)據(jù)訪問,,為了滿足實(shí)時(shí)性要求，實(shí)時(shí)處理所需的數(shù)據(jù)一般不能訪問磁盤，因此，,可將常用數(shù)據(jù)全部鎖定在內(nèi)存中，這樣保證所需要的數(shù)據(jù)訪問均能在確定的時(shí)間,(,內(nèi)存訪問時(shí)間,),內(nèi)完成，進(jìn)而保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,。,,(3),優(yōu)先級(jí)動(dòng)態(tài)可調(diào)、搶占式調(diào)度策略,,在實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)將系統(tǒng)中的進(jìn)程根據(jù)實(shí)時(shí)性要求，確定其靜態(tài)優(yōu)先級(jí)，,保證具有高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程具有可搶占特性,。同時(shí)，為保證優(yōu)先級(jí)較低的進(jìn)程能夠運(yùn)行，當(dāng)其請(qǐng)求達(dá)到一

24、定時(shí)限時(shí),，可以動(dòng)態(tài)提高其優(yōu)先級(jí),，以便及時(shí)完成這類服務(wù)。,,,(4),CPU,的特定調(diào)度,,為了保證實(shí)時(shí)性要求，特別是,強(qiáng)實(shí)時(shí)的請(qǐng)求，可以在分布式系統(tǒng)中利用操作系統(tǒng)提供的支持，將某個(gè)確定進(jìn)程分配在特定處理機(jī)上運(yùn)行，從而保證在時(shí)限內(nèi)完成相應(yīng)服務(wù)。,,,,7.5,分布式多媒體系統(tǒng),,,7.5.1,簡(jiǎn)介,,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)可以處理像數(shù)字音頻和數(shù)字視頻數(shù)據(jù)這樣連續(xù)的、基于時(shí)間的數(shù)據(jù)流。,其處理能力導(dǎo)致了分布式多媒體應(yīng)用程序的發(fā)展，,如網(wǎng)絡(luò)視頻庫、因特網(wǎng)電話和視頻會(huì)議；這些應(yīng)用程序能在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)上運(yùn)行，但它們的音頻和視頻質(zhì)量常難以令人滿足。許多像,大范圍的視頻會(huì)議、數(shù)字電視產(chǎn)品、交耳式的電視以及視頻監(jiān)視

25、系統(tǒng),，這樣對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)要求很高的應(yīng)用程序需要分布式系統(tǒng)技術(shù)所實(shí)現(xiàn)。,,多媒體應(yīng)用程序需要在有限時(shí)間內(nèi)將多媒體數(shù)據(jù)流傳輸?shù)娇蛻舳恕Ｒ纛l和視頻數(shù)據(jù)流被實(shí)時(shí)地生成和消耗，同時(shí)應(yīng)用程序完整性的實(shí)質(zhì)是實(shí)時(shí)地傳輸數(shù)據(jù)元素,(,音頻采樣，視頻幀,),，簡(jiǎn)單說，,多媒體系統(tǒng)是實(shí)時(shí)系統(tǒng),,,分布式多媒體系統(tǒng),它必須按照外部決定的調(diào)度方案執(zhí)行任務(wù)和傳輸結(jié)果。底層系統(tǒng)達(dá)到這些要求的程度便是應(yīng)用程序擁有的,服務(wù)質(zhì)量,(QoS),。,,實(shí)時(shí)系統(tǒng)所執(zhí)行任務(wù)的特征和多媒體應(yīng)用程序的特征不同。前者通常處理相對(duì)小的數(shù)據(jù)量相對(duì)少的硬時(shí)間限制，但是如果超過了時(shí)間限制，就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的甚至是災(zāi)難性的結(jié)果。 這種情況下，解決辦法是充分估

26、計(jì)所需要的資源并為其指定固定的調(diào)度計(jì)劃，這樣可以保證在最壞的情況下滿足其要。,,為了滿足多媒體和其他應(yīng)用程序的需要而進(jìn)行的有計(jì)劃的資源分配和資源調(diào)度，這被稱為,服務(wù)質(zhì)量管理,。,,大多數(shù)當(dāng)前的操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)并沒有包含支持多媒體應(yīng)用程序所需要的,QoS,管理設(shè)施。,7.5.2,服務(wù)質(zhì)量管理,,當(dāng)多媒體應(yīng)用程序運(yùn)行在個(gè)人計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上時(shí)，它與運(yùn)行著應(yīng)用程序的工作站,(,處理器周期、主線周期、緩沖區(qū)容量,),和網(wǎng)絡(luò),(,物理傳輸連接、開關(guān)、網(wǎng)關(guān),),競(jìng)爭(zhēng)資源。,工作站和網(wǎng)絡(luò)可能必須同時(shí)支持多個(gè)多媒體程序和傳統(tǒng)應(yīng)用程序,。,,,在多媒體和傳統(tǒng)應(yīng)用程序間就有競(jìng)爭(zhēng)，在不同的多媒體應(yīng)用程序之間甚至在單個(gè)應(yīng)用程

27、序的數(shù)據(jù)流之間都可能有競(jìng)爭(zhēng)。,,在多任務(wù)操作系統(tǒng)和共享網(wǎng)絡(luò)中，物理資源都是可以被并發(fā)使用的。在多任務(wù)的操作系統(tǒng)中，中央處理器在每一時(shí)刻只處理一個(gè)任務(wù),(,或進(jìn)程,),，,一個(gè)輪轉(zhuǎn)或其他調(diào)度方法的調(diào)度程序負(fù)責(zé)在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)處理器資源的任務(wù)中選出一個(gè)，并調(diào)度它到處理器上運(yùn)行。,,,網(wǎng)絡(luò)是被設(shè)計(jì)用來使不同來源的信息進(jìn)行交流的，它允許多個(gè)虛擬通道存在于同一個(gè)物理通道上。,以太網(wǎng)這一主要的局域網(wǎng)技術(shù)以最優(yōu)的方式來管理共享的傳輸介質(zhì)。當(dāng)通道上是平靜時(shí)，任何結(jié)點(diǎn)都可以使用這一通道。但是這樣可能會(huì)發(fā)生信息包沖突，當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)，結(jié)點(diǎn)會(huì)等待隨機(jī)的一段時(shí)間，然而重發(fā)包，這樣可以防止沖突。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重時(shí)，很容易發(fā)生包沖

28、突，但是這一發(fā)送方案在這種情況發(fā)生時(shí)，不能提供關(guān)于帶寬和延遲的任何保證。,,其資源分配方案特點(diǎn)：,當(dāng)對(duì)資源的需求增加時(shí)，它們將資源更稀疏地分配給每個(gè)競(jìng)爭(zhēng)資源的任務(wù),。共享處理器周期和網(wǎng)絡(luò)帶寬的輪轉(zhuǎn)和其他方法都不能滿足多媒體應(yīng)用程序的需要。,,顯而易見，它們不能實(shí)時(shí)地處理和傳輸多媒體數(shù)據(jù)流。遲到的傳輸數(shù)據(jù)是沒有價(jià)值的。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸，,應(yīng)用程序需要保證在需要的時(shí)候能得到必要的資源，,為了提供這一保障而進(jìn)行的資源管理和分配,被稱為服務(wù)質(zhì)量管理。,,,1,）服務(wù)質(zhì)量協(xié)商,,為了在應(yīng)用程序和它底層的系統(tǒng)之間進(jìn)行,QoS,協(xié)商，應(yīng)用程序必須向,QoS,管理指定自己的,QoS,需求，它是通過傳遞一個(gè)參數(shù)

29、集實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)處理和傳輸多媒體數(shù)據(jù)時(shí)，有,3,個(gè)參數(shù)非常重要，它們是：,,,帶寬、延遲和丟失率,,,為數(shù)據(jù)流設(shè)定,QoS,：,,如攝像輸出流需要帶寬,50Mbps,,延時(shí),150ms,,丟失率在幀,10,中少于,1,幀,,,流量調(diào)整,,:,,流量調(diào)整是用來描述使用輸出緩沖來使數(shù)據(jù)元素流平滑這一方法的術(shù)語。,,多媒體數(shù)據(jù)流的帶寬參數(shù)通常給出發(fā)生在數(shù)據(jù)流傳輸時(shí)對(duì)實(shí)際傳輸模式的理想化近似。實(shí)際的傳輸模式越接近這一描述，系統(tǒng)就能越好地處理傳輸流量，特別是在系統(tǒng)使用為周期性請(qǐng)求設(shè)計(jì)的調(diào)度方法時(shí)，這一特點(diǎn)就會(huì)越顯著,.,,,,協(xié)商過程,:,對(duì)分布式多媒體應(yīng)用程序，一個(gè)數(shù)據(jù)流的組件可能位于多個(gè)結(jié)點(diǎn)上。在每個(gè)結(jié)

30、點(diǎn)上有一個(gè),QoS,管理器。直接的,QoS,協(xié)商辦法是從源端到目的端一直跟隨著數(shù)據(jù)流。源端組件通過向本地,QoS,管理器發(fā)送一個(gè),流規(guī)范來啟動(dòng)協(xié)議過程,。,,這個(gè),QoS,管理器可以檢查數(shù)據(jù)庫中記錄的可用資源并決定所請(qǐng)求的,QoS,是否能滿足。如果應(yīng)用程序涉及到其他系統(tǒng)，流規(guī)范被傳送到下一需要資源的結(jié)點(diǎn)。這一流規(guī)范傳輸過所有的結(jié)點(diǎn)，直到它最終到達(dá)目的端，然后系統(tǒng)可得出此,QoS,請(qǐng)求是否能滿足的結(jié)論，并將該信息傳輸回源端。這種簡(jiǎn)單的協(xié)商方法可滿足多種目的，但它沒有考慮到在不同結(jié)點(diǎn)上的并發(fā),QoS,協(xié)商之間可能會(huì)發(fā)生沖突。,為了徹底解決問題，需要一個(gè)分布事務(wù)式的,QoS,協(xié)商過程。,,,,2,）

31、許可控制,,許可控制,管理對(duì)資源的訪問，以避免資源過載，并防止資源接收不可能實(shí)現(xiàn)的請(qǐng)求。它涉及關(guān)掉那些與當(dāng)前的,QoS,保證沖突的資源清求。,,,一個(gè)許可控制方案是,基于整個(gè)系統(tǒng)容量和每個(gè)應(yīng)用程序產(chǎn)生的負(fù)載這兩方面的知識(shí)的。,一個(gè)應(yīng)用程序的帶寬需求規(guī)范可能是應(yīng)用程序需要的最大帶寬、保證其運(yùn)行的最小帶寬，或者是它們之間的平均值。相應(yīng)地，許可控制方案可以基于這些值之一進(jìn)行資源分配。,,,如果所有的資源只由一個(gè)分配器控制，那么許可控制是直接的,。如果資源分布在各個(gè)結(jié)點(diǎn)上，例如許多局域網(wǎng)環(huán)境，其可以使用一個(gè)集中式的訪問控制，也可以使用一個(gè)分布式的許可控制算法，由它避免并發(fā)許可控制的沖突。,工作站的總線

32、仲裁算法屬于這一類,；然而執(zhí)行帶寬分配的多媒體系統(tǒng)并不控制總線許可，因?yàn)榭偩€帶寬并不在內(nèi)。,,,帶寬預(yù)留,保證多媒體數(shù)據(jù)流某,QoS,級(jí)別的普通方法是預(yù)留一部分的資源帶寬以便由它獨(dú)占使用。為了在任一時(shí)刻實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的需求，需要為它預(yù)留最大帶寬。這是提供給應(yīng)用程序有保障,QoS,惟一可能的方法,。,,,,統(tǒng)計(jì)的多路技術(shù),因?yàn)橄到y(tǒng)中可能存在潛在的未被利用的資源，這在超額預(yù)留資源的情況下常發(fā)生。而一些保證技術(shù)可提供使用這些資源的一些可能性，,這些保證通常被稱為統(tǒng)計(jì)保證或軟保證,，它與前面介紹的硬保證技術(shù)不同。,,,因?yàn)椴豢紤]最壞的情況，統(tǒng)計(jì)性保證技術(shù)可以提供更高的資源利用率。,但是如果僅僅只依據(jù)最小或

33、平均需求來分配資源，那么短期的負(fù)載高峰可能會(huì)導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量的下降；應(yīng)用程序必須能應(yīng)付這樣的服務(wù)質(zhì)量降低。,,統(tǒng)計(jì)的多路技術(shù)是基于這樣一個(gè)假設(shè)：,對(duì)大量數(shù)據(jù)流來說，雖然單個(gè)的數(shù)據(jù)流可能會(huì)發(fā)生變化，但這些數(shù)據(jù)流需要的總帶寬相對(duì)穩(wěn)定。它假設(shè)當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)流發(fā)送大量的數(shù)據(jù)時(shí)，就有可能有另一個(gè)數(shù)據(jù)流發(fā)送的數(shù)據(jù)量較小，這樣總帶寬需求保存平衡。,當(dāng)然這些數(shù)據(jù)流之間應(yīng)該是沒有聯(lián)系的。,,,7.,5.3,資源管理,,為了向應(yīng)用程序提供一定等級(jí)的,QoS,服務(wù)，系統(tǒng)不僅需要充分的資源,(,執(zhí)行,),，還需要在應(yīng)用程序需要時(shí)有能力將這些資源提供給程序使用,(,調(diào)度,),。,,資源調(diào)度,,系統(tǒng)需要根據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)來為其分配

34、資源。,資源調(diào)度器根據(jù)特定的標(biāo)準(zhǔn)來決定進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。,在傳統(tǒng)的分時(shí)系統(tǒng)中，,CPU,調(diào)度進(jìn)程基于程序的響應(yīng)時(shí)間以及公平原則來指定優(yōu)先級(jí)：,I,／,O,量大的進(jìn)程會(huì)獲得高優(yōu)先級(jí)，這樣可以保證對(duì)用戶做出快速響應(yīng)，與,CPU,聯(lián)系緊密的任務(wù)獲得低優(yōu)先級(jí)，并且系統(tǒng)平等對(duì)待同一優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程。,,,多媒體系統(tǒng)也可以使用這一標(biāo)準(zhǔn),，但是傳輸單個(gè)多媒體數(shù)據(jù)元素的時(shí)間限制改變了調(diào)度問題的特性。為解決這一問題，系統(tǒng)可以使用,實(shí)時(shí)調(diào)度算法,。因?yàn)槎嗝襟w系統(tǒng)必須處理離散的和連續(xù)的媒體，因此在不引起離散媒體訪問和其他交互應(yīng)用程序饑餓的情況下，可以為實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)流提供充分的服務(wù)。,,,調(diào)度算法必須管理,(,或協(xié)同,),影

35、響多媒體應(yīng)用程序的所有資源。,在通常的情況下，系統(tǒng)從磁盤上讀取多媒體數(shù)據(jù)流，并將其通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥康臋C(jī)器，在目的機(jī)器上，該數(shù)據(jù)流和其他來源的數(shù)據(jù)流同步合成起來，并最終顯示。在這個(gè)例子中，系統(tǒng)需要的資源包括磁盤、網(wǎng)絡(luò)、,CPU,以及內(nèi)存和總線。,,,,1,）公平調(diào)度,如果有多個(gè)數(shù)據(jù)流競(jìng)爭(zhēng)同一資源，系統(tǒng)必須考慮到公平性，防止不正常的數(shù)據(jù)流占用過多的帶寬。保證公平性的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是對(duì)同一優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流使用輪轉(zhuǎn)調(diào)度方法，稱為公平排隊(duì)。,,,2,）實(shí)時(shí)調(diào)度,人們已經(jīng)開發(fā)出來一些實(shí)時(shí)調(diào)度算法來滿足應(yīng)用程序如：航空工業(yè)過程控制的,CPU,調(diào)度需要。假設(shè),CPU,資源并沒有被過度分配,(,這是,QoS,管理器

36、的任務(wù),),，調(diào)度算法將,CPU,時(shí)間片以某種方式分配給多個(gè)進(jìn)程，而這種方式必須使進(jìn)程能及時(shí)地完成任務(wù)。,,,傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度算法十分適合規(guī)則的連續(xù)多媒體數(shù)據(jù)流模型。最早時(shí)間限制優(yōu)先,(EDF),調(diào)度算法幾乎是這些方法的同義詞。一個(gè),EDF,調(diào)度器根據(jù)每個(gè)工作項(xiàng)的時(shí)間限制來決定下一個(gè)要處理的工作項(xiàng)：具有最早時(shí)間限制的工作項(xiàng)優(yōu)先處理。在多媒體應(yīng)用程序中，,EDF,調(diào)度策略被證明在基于時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)分配單個(gè)資源方面是最優(yōu)的。,,7. 5 . 4,實(shí)例研究：,Tiger,視頻文件服務(wù)器,,提供多個(gè)并發(fā)實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)流的視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)被看作為支持面向消費(fèi)者的多媒體應(yīng)用程序的一個(gè)重要的系統(tǒng)組件。人們已經(jīng)開發(fā)了多個(gè)這

37、種類型的程序原型，并且其中的一些已經(jīng)形成了產(chǎn)品，,Tiger,視頻文件服務(wù)器（微軟研究院）,,,系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：,,,1.,適用于大量用戶的視頻點(diǎn)播,應(yīng)用程序是向點(diǎn)播的用戶提供電影的服務(wù)器。系統(tǒng)從大容量的數(shù)據(jù)電影庫中選擇電影?？蛻魬?yīng)在發(fā)送點(diǎn)播請(qǐng)求的數(shù)秒鐘內(nèi)就能獲得電影圖像的第一個(gè)幀，并且他還應(yīng)該能隨心所欲地執(zhí)行暫停、回退和快進(jìn)操作。盡管庫中電影的數(shù)目很大，但是可能有一些電影是很受歡迎的，它們可能同時(shí)被多個(gè)客戶不同步的訪問，這就導(dǎo)致可能同時(shí)播放它們，但是播放的時(shí)間進(jìn)度不同。,,,2.,服務(wù)質(zhì)量,視頻數(shù)據(jù)流的 傳輸速率應(yīng)保持穩(wěn)定，其中客戶端可用的緩沖區(qū)大小決定了系統(tǒng)能處理的最大的抖動(dòng)，并且

38、視頻數(shù)據(jù)流還應(yīng)保持低丟失率,,,3.,可伸縮性和分布性,目的是以一種可伸縮的體系結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使它,(,通過增加計(jì)算機(jī)可以同時(shí)支持,10000,個(gè)客戶。,,,4,低成本,硬件 系統(tǒng)是由低價(jià)的硬件構(gòu),,,5.,容錯(cuò)性,在單個(gè)服務(wù)器計(jì)算機(jī)或者是磁盤驅(qū)動(dòng)器發(fā)送故障時(shí)，系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行并且執(zhí)行,,,,,Tiger,視頻文件服務(wù)器設(shè)計(jì)核心是分布式調(diào)度計(jì)算機(jī)的工作負(fù)載。,,第八章,,計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作,,CSCW,技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。例如，遠(yuǎn)程專家會(huì)診，可以利用,CSCW,技術(shù)，求得遠(yuǎn)方專家的幫助；合作設(shè)計(jì)，可以利用,CSCW,技術(shù)在異地進(jìn)行合作工程設(shè)計(jì)，而不必真正坐在一起，,CIMS,中的并發(fā)工

39、程便屬于這類應(yīng)用；合作編著，多個(gè)作者可以在不同地點(diǎn)、不同時(shí)間共同編輯和編著同一著作，文件、圖書和報(bào)刊等。遠(yuǎn)程會(huì)議更是目前最易接受的,CSCW,技術(shù)，節(jié)省時(shí)間。,,,CSCW,技術(shù)在軍事應(yīng)用中，包括戰(zhàn)時(shí)的協(xié)指揮和平時(shí)的協(xié)同訓(xùn)練等。,8.1,概述,,,8.1.1 CSCW,簡(jiǎn)介,,,CSCW(Computer Supported Cooperative Work),一詞最初是在,1984,年提出,,,于,1986,年在美國召開的第一次國際,CSCW,會(huì)議上正式使用，它的含義是計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同,(,合作,),工作。從此，,CSCW,的研究發(fā)展非常之快，,CSCW,國際會(huì)議每?jī)赡昱e行一次，歐洲每?jī)赡暌?/p>

40、召開一次歐洲,CSCW,會(huì)議,.,1989,年，歐共體設(shè)立了,COST,工程計(jì)劃．其中一項(xiàng)重要工程，專門用于支持合作系統(tǒng)的研究．該工程的目標(biāo)分為三類：,,,整體科學(xué)目標(biāo),;,特定目標(biāo)和政治目標(biāo),,其科學(xué)目標(biāo)為：,,①為,CT(,合作技術(shù)，,CooperationTechnology),的強(qiáng)化訓(xùn),,練創(chuàng)建理論基礎(chǔ),,②為科學(xué)團(tuán)體參加,CT,的研究建立公共框架,,其特定目標(biāo)為：,,①改進(jìn)入機(jī)界面，改進(jìn)總體工作條件，支持,CT,系統(tǒng)的終,,端用戶；,②,為決策人員和計(jì)劃人員提供對(duì)于合作技術(shù)的基本理解；,,③通過研究成果影響合作技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化組織；,,④通過適當(dāng)?shù)拿襟w，介紹科學(xué)和技術(shù)成果，使,COST,

41、的努,,力為國際所注目。,,,其政治目標(biāo)是使歐洲成為合作技術(shù)研究的領(lǐng)袖。,,在美國，雖然沒有相應(yīng)的計(jì)劃，但其研究和資助強(qiáng)度一點(diǎn)也不遜色，主要由各大商家和著名大學(xué)立項(xiàng)研究．由此，也可以看出美國和歐洲研究方式的不同，,在美國是直接利益驅(qū)動(dòng)，在歐洲則是技術(shù)驅(qū)動(dòng)。,,,在我國，關(guān)于,CSCW,的研究是從多媒體領(lǐng)域展開的，最初大家討論的熱點(diǎn)是分布式多媒體技術(shù)，關(guān)注這一領(lǐng)域研究的文章最初發(fā)表在我國第一屆多媒體技術(shù)研討會(huì),(1992,年，北京,),上，到了第二,(1993,，杭州,),，三,(1994,，上海,),、四,(1995,，廣州,),屆多媒體研討會(huì)，文章便不斷增多，表現(xiàn)出我國研究人員對(duì)于該領(lǐng)域研究

42、的熱情。主要研究單位有清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、華中理工大學(xué)，南京大學(xué)等。其中，清華大學(xué)推出了會(huì)議系統(tǒng)和合著系統(tǒng)的原型，在會(huì)議和合著系統(tǒng)的研究中重點(diǎn)突出了合作機(jī)制的研究。,,綜合世界各國的相關(guān)研究情況，,CSCW,的主要需求有群體工作需求的分析、多用戶界面、分布式結(jié)構(gòu)、合作規(guī)則 組織模型、群體協(xié)調(diào)理論租模型等方面。,CSCW,中的研究問題主要包括：合作認(rèn)知模型的研究；合作控制機(jī)制的研究；合作通訊；合作軟件支持工具和環(huán)境的研究。,,自,CSCW,提出以來，人們?cè)谝韵聨讉€(gè)主要領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛研究，并取得了成績(jī)。,(1),消息系統(tǒng),(Messagesystem),，,是電子郵件的后代，可以讓用戶通過中

43、心機(jī)發(fā)送文字消息給其它用戶。廣域網(wǎng)的存在使電子郵件所完成的功能更為廣泛。,,電子郵件的發(fā)展導(dǎo)致了消息處理系統(tǒng),(MessageHandlingSystem),模型的出現(xiàn)，這一模型已經(jīng)為,CCITT,的,X,．,400,系列標(biāo)準(zhǔn)所采用。每個(gè)消息系統(tǒng)都使用特定的消息格式來傳輸信息，結(jié)構(gòu)化消息系統(tǒng)的主要原理是通過擴(kuò)充現(xiàn)有消息格式來擴(kuò)充計(jì)算機(jī)可處理的信息。,,(2),計(jì)算機(jī)會(huì)議,(ComputerConferencing,),，本身也是由電子郵件：發(fā)展而來，但它主要關(guān)心的問題是如何組織消息，而不是如何傳輸消息。一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)會(huì)議系統(tǒng)包括一組叫做會(huì)議的群體，每一個(gè)群體擁有,——,組成員和一組消息。會(huì)議

44、的安排主要由成員各自選定一個(gè)論題展開討論。申請(qǐng)參加會(huì)議的用戶應(yīng)當(dāng)對(duì)會(huì)議中的論題感興趣。通常情況下，系統(tǒng)存儲(chǔ)的信息均為會(huì)議成員所共事和訪問。這些信息通常存儲(chǔ)在中心數(shù)據(jù)庫的會(huì)議消息中，而不是在個(gè)人的郵箱中?，F(xiàn)有的原型系統(tǒng)有,Notepad,、,COM,、潘多拉系統(tǒng)等。,,高速可靠的通訊技術(shù)的發(fā)展使實(shí)時(shí)的計(jì)算機(jī)會(huì)議得以實(shí)現(xiàn)，如,RCAL,，可以允許與會(huì)人員之間實(shí)時(shí)通訊。另外，先進(jìn)的工作站已經(jīng)可以支持桌面會(huì)議系統(tǒng)，這類系統(tǒng)充分利用了工作站環(huán)境中的共享窗口來處理實(shí)時(shí)的會(huì)議需求?，F(xiàn)已推出了一些多媒體會(huì)議系統(tǒng)，它們都集成了包括音頻、趾頻和文本等媒體信息的支持。,(3),合著系統(tǒng),，此類系統(tǒng)用于支持和表達(dá)參于

45、群體工作成員之間的協(xié)商和討論。合著系統(tǒng)便是具有明確合作成果的系統(tǒng)，即成果是反映所有參與人員意見的一個(gè)文檔。,,其中，合著系統(tǒng)在歐美都有專門的立項(xiàng)研究。在美國，由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)承擔(dān)的合著系統(tǒng)研究項(xiàng)目,PREP,，三年期限，總投資達(dá),95,萬美元；在歐洲，則有專門的研究隊(duì)伍，從社會(huì)學(xué)、心理學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)幾個(gè)方面著手研究．,,,總的來看，,CSCW,系統(tǒng)及應(yīng)用的研究目前正在努力解決下列問題：,,第一，適合于人類自然合作方式的計(jì)算機(jī)支持；,,第二，對(duì)實(shí)時(shí)性群體交互的支持；,,第三，多媒體合作的支持；,,第四，對(duì)于多媒體信息的高效傳輸提供支持。,,8.1.2 CSCW,系統(tǒng)的功能和特點(diǎn),,,CSCW,系

46、統(tǒng)的主要功能有如下五點(diǎn)：,,,(1),通訊：,是指信息的共享與傳送；至少涉及兩種不同的進(jìn)程一千逍息發(fā)送進(jìn)程和信息共享進(jìn)程。,,,(2),任務(wù)調(diào)度,:,是指任務(wù)執(zhí)行臨時(shí)序列的確定。這取決于許多因素，如時(shí)限、任務(wù)的預(yù)計(jì)時(shí)間、對(duì)其它任務(wù)提出的要求、人員及資源的可用性等等．,,,(3),合作角色及責(zé)任的分配,：包括指定合適的人員，確定他們所起的作用。通過定義人員，確定人員對(duì)于這一角色的適應(yīng)性，保持責(zé)任的可跟蹤性是支持這一功能的基本方法；,(4),資源分配：,在任務(wù)執(zhí)行過程中，使合適的資源可用。,,,(5),進(jìn)展跟蹤：,包括監(jiān)控任務(wù)的執(zhí)存狀態(tài)，以確認(rèn)一項(xiàng)活動(dòng)是否正在按計(jì)劃進(jìn)行；,,CSCW,系統(tǒng)具有如下

47、特點(diǎn)：,,,,(1),開放性：,合作中沒有獲得希望結(jié)果的固定方法，不同人、不同組處理任務(wù)的方式是不同的。,,,(2),邊界開放性：,合作中沒有確定的結(jié)束標(biāo)記或結(jié)束點(diǎn)。,,,(3),異步性：,合作中不同人具有自己不同的操作序列，即使同一工作組的不同個(gè)人也具有自己獨(dú)立的行為。 ’,,,(4),信息共享性：,這是合作的基礎(chǔ)、合作的結(jié)果。,,,(5),自動(dòng)化支持：,這是,CSCW,系統(tǒng)不斷追求的目標(biāo)。,8.1.3 CSCW,系統(tǒng)的基本需求,,,需解決的四個(gè)問題：,,,(1),,群體合作策略和規(guī)范；,,,(2),,計(jì)算機(jī)通信,,,(3),,多用戶界面；,,,(4),,共享的多媒體信息服務(wù)。,,其

48、中每個(gè)問題都有許多尚待解決的技術(shù)問題如：,,,1),存儲(chǔ)與處理：,多媒體信息由不同類型的復(fù)合對(duì)象構(gòu)成，如文字、圖形／圖像、聲音、音頻和視頻等。每類信息都需要單獨(dú)的獲取、處理、傳輸和存儲(chǔ)的工具和技術(shù)。再進(jìn)一步，這些信息應(yīng)當(dāng)形成一定的語義和時(shí)態(tài)聯(lián)系，并按照統(tǒng)一的表示方式進(jìn)行管理,(,包括存儲(chǔ)和檢索,),，即多媒體文檔。因此，對(duì)于多媒體文檔的有效支持是多媒體合作環(huán)境中的第一需求。,,,2),功能表現(xiàn)：,不同的應(yīng)用可能根據(jù)自己的需求有自己的功能要求，但在合作環(huán)境中我們可以發(fā)現(xiàn)，有許多功能屬于任何系統(tǒng)都應(yīng)具有的，這些功能是任何合作環(huán)境都應(yīng)支持的,,,3),合作工作的需求：,合作意味著用戶間通訊和協(xié)調(diào)。因

49、此，合作規(guī)則是合作中的第一要求，任何合作者都要遵守這一規(guī)則，否則合作將無法進(jìn)行；第二，合作設(shè)施和合作協(xié)議也是必須的，否則合作者之間無法通訊和交流；第三，必須給所有合作者提供一個(gè)共同的視圖；最后，合作者必須有一個(gè)共享的數(shù)據(jù)空間。,,,4),通訊：,合作者之間的通訊實(shí)際上就是克服地理上的距離限制。因此，在合作系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)通訊是必須的。要支持多媒體信息的全面且實(shí)時(shí)的通訊，必須支持高速傳輸，傳輸速率一般不應(yīng)低于,100Mbps,。,,,8.1.4,CSCW,研究中的幾個(gè)問題,,,1,）工作與利益的差異問題。,,,2,）必需人數(shù)與,“,囚徒困境,”,問題。,,,3,）破壞社會(huì)的正常秩序。,,,4,）異常

50、處理問題。,,,5,）隱含訪問問題。,,,6,）評(píng)價(jià)的困難．,,,7,）直覺的失敗,,,8,）適應(yīng)性回題,,8.1.5 CSCW,與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展,,就計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的研究與發(fā)展來看，合作已經(jīng)不是新名詞。合作的概念早就已經(jīng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)下了不解之緣。,,,(1),多個(gè)部件的合作．,這是傳統(tǒng)流水線計(jì)算機(jī)的一般結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，采用多個(gè)部件的時(shí)間重疊,(,合作,),，可以獲得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高性能已經(jīng)得到了很好的驗(yàn)證。,,,(2),多個(gè)處理器的合作,——,多處理器,(MP,、,MPP),結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步獲得計(jì)算機(jī)的高性能，除了開發(fā)細(xì)粒度的部件級(jí)并發(fā),(,合作,),以外，人們開始尋求更大粒度

51、的合作，即處理機(jī)之間的合作。這種結(jié)構(gòu)一般稱為并行處理機(jī)或超并行處理機(jī)結(jié)構(gòu)。,,(3),多個(gè)計(jì)算機(jī)的合作,——,分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。更大粒度的合作則表現(xiàn)為多種計(jì)算機(jī)之間的合作，這就是基于局域網(wǎng)的分布式系統(tǒng)，在這種體系結(jié)構(gòu)中，分布、異構(gòu)和合作是其主要特點(diǎn)。目前，市場(chǎng)上流行的客戶／服務(wù)器計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)就是一種特殊的分布式計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)，它是將異構(gòu)型計(jì)算機(jī)的功能、性能及責(zé)任進(jìn)行必須的預(yù)劃分，然后形成特定的分布計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。,,(4),人的合作,——CSCW,系統(tǒng)。,當(dāng)技術(shù)發(fā)展到一定程度，在較低一級(jí)粒度下的合作與并因此，,CSCW,的誕生和發(fā)展是與計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展分不開的，同時(shí)，,CSCW,也是人類社會(huì)對(duì)于計(jì)

52、算機(jī)提出更高要求所驅(qū)動(dòng)形成的一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。,8.1.6 CSCW,是一種環(huán)境仿真技術(shù),,,人的合作就是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的人協(xié)商、通訊，以完成同一種工作。合作本身就是一個(gè)復(fù)雜問題。,,人與人的合作必須靠環(huán)境支持，而環(huán)境的主要部分是信息媒體的載體,.,,,由此可見，人們的目標(biāo)就是在逐步擴(kuò)充的范圍內(nèi)，充分使人們利用人造的媒體載體，通過自然媒體進(jìn)行通訊和交流，克服自然距離帶來的不便。,,為了不斷支持人們跨越更大距離的合作與交流，從計(jì)算機(jī)領(lǐng)域來看，人們開發(fā)的先進(jìn)技術(shù)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。,,,第一，網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)以及聯(lián)網(wǎng)的工作站形成了新的信息處理和存儲(chǔ)能力，,提供了設(shè)計(jì)更廣泛模擬人類合作環(huán)境的可能,.,

53、,,第二，分布式系統(tǒng)中的資源共享技術(shù)，,特別是局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展使地理上分散的用戶直接交互的可能性進(jìn)一步增強(qiáng)；,,,第三，多媒體信息處理和管理技術(shù)的進(jìn)一步成熟，,更容易模擬人類的自然合作環(huán)境：,,第四，高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步克服當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的限制，,進(jìn)一步提供各類媒體信息的實(shí)時(shí)傳輸，這是模擬人類自然合作環(huán)境必備的技術(shù)。,,,因此，,CSCW,技術(shù)便是為了追求更高層次、不受距離限制的、全方位利用各種信息媒體的合作而研究的技術(shù)。,也就是說，,CSCW,研制的就是這樣一個(gè)環(huán)境，無論人們的距離有多遠(yuǎn)，都能利用該種環(huán)境進(jìn)行類似于自然環(huán)境支持的合作，它是一種模擬人類自然合作環(huán)境的虛擬環(huán)

54、境。,CSCW,的研究意義在于，,使世界變大,(,一個(gè)用戶通過這些系統(tǒng)的支持可以涉獵到更加廣泛的信息和知識(shí),),，,又使世界變小,(,多個(gè)異地作者可以在同一虛擬桌面上討論、合作處理同一信息等,),。,8.1.7 CSCW,與分布式系統(tǒng)的關(guān)系及異同,,分布式系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)來支持多個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)合作完成同一項(xiàng)工作。但這里的合作是指不同計(jì)算機(jī)之間的合作，而非人之間的合作，,CSCW,要支持的是人之間的合作，,這兩種合作主之間存在著天然的聯(lián)系,,第一，完全自治的分布式系統(tǒng)：支持電子郵件，從而支持入之間異步的信息傳輸工作，能夠部分完成對(duì)于犬之間合作的支持；,,第二，資源共享系統(tǒng)：允許不同計(jì)算機(jī)的用戶共享

55、同樣的系統(tǒng)資源。這也是,CSCW,系統(tǒng)中的必備技術(shù)；,,第三，分布式操作系統(tǒng)：該種操作系統(tǒng)將分布的系統(tǒng)資源作為整個(gè)環(huán)境的資源來管理，提供用戶透明的計(jì)算機(jī)資源管理，對(duì)于,CSCW,系統(tǒng)的支持更為直接。,,,總之，分布處理是,CSCW,系統(tǒng)的基礎(chǔ)支持技術(shù)。,,可以這樣說，,CSCW,的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是分布處理技術(shù)，,CSCW,的研究也將進(jìn)一步促進(jìn)分布處理技術(shù)的發(fā)展。,,在分布處理技術(shù)還未提供足夠的支持時(shí)，,CSCW,系統(tǒng)的研究人員還必須自行研制具有特殊要求的相關(guān)分布處理技術(shù)。,,,CSCW,與分布式系統(tǒng)的主要區(qū)別：,,,,第一，,分布式系統(tǒng)追求透明性，即讓用戶在使用分布式系統(tǒng)時(shí)，感覺好像獨(dú)占該系統(tǒng)的所有資源：而,CSCW,系統(tǒng)則追求非透明性，即系統(tǒng)盡可能地讓所有用戶相互察覺到大家所有的操作。,,,第二，,分布式系統(tǒng)主要研究如何讓系統(tǒng)中各個(gè)計(jì)算機(jī)充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，從而獲得整個(gè)分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高性能；而,CSCW,系統(tǒng)除了要求獲得整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的高性能外，更重要地是更好地支持計(jì)算機(jī)用戶間的高效合作，從而獲得人,—,機(jī)系統(tǒng)整體的高性能，所以，其研究分支中就有,GDSS(,群決策支持系統(tǒng),),，該項(xiàng)研究期望通過合作支持系統(tǒng)使人們通過計(jì)算機(jī)的合作效益超過自然方式下的合作效益。,