Distributed Systems（分散式系統）

引用

van Steen, M., & Tanenbaum, A. S. (2023). Distributed Systems (4th ed.). distributed-systems.net. 作者網站提供免費的個人化副本：https://www.distributed-systems.net/index.php/books/ds4/

章節概要

全書共九章。據作者的分頁介紹，本版與第三版的結構保持接近：現有分散式系統的例項放在與其相應的一般原理旁邊，初讀時可以跳過的內容放在加框的小節裡，區塊鏈系統及其組成部分貫穿全書討論。所有 Python 程式碼都已更新到 Python 3，完整的示例可從作者網站獲得。

第 1 章：Introduction（引言）

開篇一章從聯網系統講到分散式系統，並區分分散式系統與去中心化系統。它提出設計目標（資源共享、分佈透明性、開放性、可靠性、安全和可擴充性），對分散式系統進行分類（叢集和網格計算等高效能計算、分散式資訊系統與應用整合，以及包括行動計算和感測器網路在內的普適系統，並涉及雲-邊緣連續體），最後討論開發分散式系統時的陷阱。

第 2 章：Architectures（架構）

第 2 章從架構風格（分層、基於物件、RESTful，以及釋出-訂閱或基於協調的風格）和中介軟體的作用講起，然後比較系統架構：分層與多層的集中式設計，對稱分散式設計（結構化與非結構化對等系統、超級節點、BitTorrent），以及混合設計（雲端計算、邊緣伺服器架構和區塊鏈）。

第 3 章：Processes（行程）

本章涵蓋執行緒、虛擬化（包括容器，以及虛擬機器與雲端計算的關係）、使用者端、伺服器（總體組織、狀態、物件伺服器，示例包括 Apache 和內容分發網路），以及程式碼遷移，包括虛擬機器的遷移。

第 4 章：Communication（通訊）

本章從分層協定和通訊型別講起，然後講遠端程式呼叫、面向訊息的通訊（通訊端、請求-應答、釋出-訂閱、管道、MPI，以及基於訊息代理的佇列式訊息傳遞）和多播通訊，包括應用層多播和用於資訊傳播的流行病協定。

第 5 章：Coordination（協調）

第 5 章涵蓋時鐘同步、邏輯時鐘與向量時鐘、互斥與選舉演算法，以 ZooKeeper、Raft 以及工作量證明或權益證明式選舉為例。隨後轉向基於 gossip 的協調、分散式事件匹配，以及 GPS 和 Vivaldi 等定位系統。

第 6 章：Naming（命名）

命名一章區分名字、識別符號和位址，涵蓋平面命名（廣播、轉發指標、基於家鄉的方法、Chord 等分散式雜湊表）、結構化命名（名字空間、解析、DNS、NFS）、基於屬性的命名（目錄服務、LDAP）和命名資料網路。

第 7 章：Consistency and Replication（一致性與複製）

本章先解釋為什麼要複製資料，然後講以資料為中心的一致性模型（順序一致性、因果一致性、最終一致性和連續一致性）、以客戶為中心的一致性模型（單調讀與單調寫、讀己之寫、寫跟隨讀）、副本管理、一致性協定（基於主節點的協定和複製寫協定），以及 Web 中的快取與複製。

第 8 章：Fault Tolerance（容錯）

本章先介紹可靠性與故障模型，然後講行程彈性與共識，涵蓋基於泛洪的共識、Raft、Paxos 和拜占庭容錯（PBFT），並包括 CAP 定理。接著是可靠的使用者端-伺服器通訊與組通訊、分散式提交（兩階段提交），以及透過檢查點和訊息日誌進行的恢復。

第 9 章：Security（安全）

安全一章涵蓋安全威脅、策略和機制（包括隱私與 GDPR）、密碼學、認證（共享金鑰、Needham-Schroeder、公鑰、Kerberos、TLS）、分散式系統中的信任（女巫攻擊與日蝕攻擊、區塊鏈方法）、授權（存取控制、委託、OAuth），以及透過防火牆和入侵檢測進行監控。

核心概念

第 1–4 章：基礎

• 分佈透明性與可擴充性：對使用者和應用隱藏分佈，並在規模和地域上增長。
• 架構風格與中介軟體：元件和聯結器如何組織，包括對等、雲、邊緣和區塊鏈系統。
• 虛擬化與程式碼遷移：在多臺機器之間執行和遷移軟體。
• RPC 與面向訊息的通訊：行程交換資料的主要方式。

第 5–6 章：協調與命名

• 邏輯時鐘與向量時鐘：在沒有全域性時鐘的情況下給事件排序。
• 互斥與選舉：協調存取並選出領導者。
• 平面、結構化與基於屬性的命名：定位實體，以 Chord 和 DNS 為例。

第 7–9 章：一致性、容錯與安全

• 一致性模型：針對複製資料的以資料為中心和以客戶為中心的保證。
• 共識與分散式提交：Paxos、Raft、PBFT 和兩階段提交。
• 認證、授權與信任：密碼協定與存取控制。

評析

優點

• 原理優先，系統相伴。 作者說明現有系統的例項被放在討論一般原理的地方，各章圍繞反覆出現的問題（命名、協調、一致性、容錯）展開，而不是羅列產品。
• 可執行的程式碼。 所有 Python 程式碼已更新到 Python 3，作者稱幾乎所有示例都可以透過一個簡單指令碼執行；完整的示例和插圖放在可下載的壓縮包中。
• 主題新。 區塊鏈系統貫穿全書，目錄中包括雲與邊緣架構、容器、Raft 與 Paxos、拜占庭容錯、GDPR 和 OAuth。
• 開放獲取。 個人化的電子版是免費的，另有 PDF 和 PPTX 格式的整套幻燈片，並提供幻燈片的 LaTeX 源檔案。
• 標出可選內容。 加框的小節初讀時可以跳過，新手可以順著主線讀下去。

侷限

• 關於資料系統的章節較少。 事務、分散式檔案系統和多媒體都沒有獨立成章：NFS 示例出現在架構和命名之下，巢狀事務出現在第 1 章應用整合的討論中。想多瞭解儲存和事務的讀者需要另一本書。
• 實踐中的摩擦。 作者指出，有些示例需要安裝 Redis 等特殊軟體包，而且免費副本的申請可能需要一段時間才能處理。
• 自行出版。 本書由作者自己發行，紙質版透過 Amazon 出售，後來的版本（4.01 到 4.03）帶有小的更正，所以讀者應確認自己和課程使用的是哪個版本。
• 程式碼經過簡化。 正如作者所說，程式碼示例為了易讀省略了許多細節，所以它們用於說明思想，而不是生產級實作。

在課程中的定位

van Steen 和 Tanenbaum 的這本書是本課程書目中原理優先的分散式系統教材。Coulouris、Dollimore、Kindberg 和 Blair 的 Distributed Systems: Concepts and Design 更長（21 章）、更早（2011 年），給中介軟體、安全、事務和詳細的案例研究更多篇幅，所以兩書可以互相替代或互補。Vitillo 的 Understanding Distributed Systems 是面向開發者的簡明入門，可以先讀；Kleppmann 和 Riccomini 的 Designing Data-Intensive Applications 是對資料系統的實用研究，涵蓋複製、分割槽和流處理，填補了上面提到的儲存和事務方面的空白。

Cachin、Guerraoui 和 Rodrigues 的 Introduction to Reliable and Secure Distributed Programming 是研究生教材，精確規定廣播、共享記憶體和共識抽象，是讀完本書第 5 章和第 8 章之後自然的下一步。Pacheco 的 An Introduction to Parallel Programming 則是另一條路線，教人在多核機器和叢集上編寫並行程式。

如何使用本書

本書適合高年級本科生和研究生一年級學生的分散式系統課程，也適合構建聯網服務的軟體工程師。作者的分頁沒有列出先修要求；一些程式設計經驗有助於理解 Python 示例，作業系統和網路方面的一些背景則有助於理解行程和通訊兩章。

實用的安排：

• 核心： 第 1、2 章，然後是第 4 章（通訊）、第 5 章（時鐘、互斥、選舉）、第 7 章（一致性與複製）和第 8 章（容錯與共識）。
• 選讀： 作業系統背景薄弱的讀第 3 章；第 6 章講命名；第 9 章講安全，可以獨立閱讀。
• 練習： 下載程式碼和插圖壓縮包，執行 Python 示例（安裝所需軟體包），並用幻燈片複習。初讀時跳過加框的小節。
• 核對版本： 使用免費副本的當前版本（4.03 或更高），因為作者在做小的更正時保持頁碼不變。