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分布式高可用算法

作者: 江峰

出版社: 电子工业出版社

出版时间: 2022-10

版次: 1

ISBN: 9787121441691

定价: 118.00

装帧: 其他

开本: 16开

纸张: 胶版纸

页数: 332页

分类: 计算机与互联网

6人买过

本书从原理出发，系统性地介绍了分布式系统和算法，而非介绍如何使用某种分布式框架。本书首先介绍了分布式系统是如何被建模的，以及分布式算法是如何被描述的，然后从基础的链路抽象开始逐步增加复杂度，最终将复杂的共识抽象以简单的方式呈现在读者面前。通过阅读本书，读者不仅可以掌握常用的分布式算法，还可以学到分布式算法的证明方法及适用条件，为自行设计分布式系统和算法打下坚实的基础。本书适合分布式领域的初学者及相关从业者阅读参考。江峰，教授级高工，中国电信集团云计算专业首席专家，中国计算机学会信息存储专委会委员。长期在分布式存储领域从事理论研究和工程实践工作。

受内容分发网络(CDN)的启发，在业内首次提出和设计了“为写而生”的内容存储网络(CSN)——CTOOS。CTOOS实现了广域分布式海量数据存储服务的高可用、低时延和强一致，达到了单命名空间跨池数十个、实存容量过EB的规模，并长期稳定运行，为企业创造了可观的收益，技术水平达到了国内领先。

以第一作者在国际期刊会议上发表论文多篇，以第一发明人申请专利十多件，以第一完成人获得省部级、中国电信集团科技进步奖多次。 1 初识分布式 1

1.1 什么是分布式系统1

1.2 分布式算法的意义 3

1.3 “两将军”问题3

1.4 设计分布式算法的主要挑战8

1.4.1 并发执行 8

1.4.2 进程失败 9

1.4.3 链路失败 10

2 算法模型 12

2.1 I/O 自动机 12

2.1.1 基本模型 13

2.1.2 组合模型15

2.1.3 隐藏操作 16

2.1.4 与业务逻辑的关系18

2.1.5 小结 19

2.2 编程模型 20

2.2.1 调用关系 . 21

2.2.2 事件和事件处理器 . 23

2.2.3 抽象和实现 . 25

3 系统模型 30

3.1 进程 30

3.2 消息 31

3.3 进程启动 32

3.4 进程失败 33

3.4.1 崩溃式失败 . 33

3.4.2 遗漏式失败 . 34

3.4.3 恢复后崩溃失败 . 35

3.4.4 拜占庭失败 . 36

3.4.5 各种失败的关系 . 37

3.5 时钟 37

3.5.1 本地时钟和全局时钟 . 37

3.5.2 因果顺序不变 . 38

3.5.3 逻辑时钟 . 41

3.5.4 时钟偏移 . 42

3.6 时间假设 43

3.6.1 异步系统 . 44

3.6.2 同步系统 . 45

3.6.3 部分同步系统 . 46

3.7 安全性和活性 47

3.8 组合模型 48

3.9 多数派 50

3.10 性能度量 51

4 链路 52

4.1 公平丢包链路 53

4.1.1 定义 . 53

4.1.2 消息系统 . 54

4.2 顽固链路 57

4.2.1 定义 . 57

4.2.2 静音型失败算法 . 57

4.3 可靠链路 60

4.3.1 定义 . 61

4.3.2 静音型失败算法 . 61

4.4 先进先出可靠链路 63

4.4.1 定义 . 63

4.4.2 静音型失败算法 . 63

4.5 日志可靠链路 65

4.5.1 定义 . 65

4.5.2 恢复型失败算法 . 66

4.6 其他说明 69

5 失败检测和选主 70

5.1 失败检测 70

5.2 完美失败检测 71

5.2.1 定义 . 71

5.2.2 停止型失败算法 . 71

5.3 最终完美失败检测 73

5.3.1 定义 . 73

5.3.2 噪音型失败算法 . 74

5.4 选主 76

5.4.1 定义 . 76

5.4.2 停止型失败算法 . 77

5.5 最终选主 78

5.5.1 定义 . 79

5.5.2 噪音型失败算法 . 79

5.5.3 恢复失败型算法 . 81

6 可靠广播 85

6.1 尽力广播 85

6.1.1 定义 . 86

6.1.2 静音型失败算法 . 86

6.2 正则可靠广播 87

6.2.1 定义 . 87

6.2.2 停止型失败算法 . 88

6.2.3 静音型失败算法 . 90

6.3 统一可靠广播 91

6.3.1 定义 . 92

6.3.2 停止型失败算法 . 92

6.3.3 静音型失败算法 . 94

6.4 顽固广播 97

6.4.1 定义 . 97

6.4.2 恢复型失败算法 . 97

6.5 概率广播 98

6.5.1 定义 . 99

6.5.2 随机化算法：尽力推送 . 100

6.5.3 随机化算法：推拉结合 . 106

6.6 先进先出广播 112

6.6.1 定义 . 113

6.6.2 静音型失败算法 . 113

6.7 因果可靠广播 115

6.7.1 定义 . 115

6.7.2 静音型失败算法 . 116

6.7.3 停止型失败算法 . 118

?6.7.4 静音型失败算法：基于向量时间 120

7 共享内存 124

7.1 介绍 124

7.1.1 前提假设 . 125

7.1.2 操作顺序 . 126

7.1.3 操作失败 . 127

7.2 (1-N)正则注册器 . 128

7.2.1 定义 . 128

7.2.2 停止型失败算法 . 130

7.2.3 静音型失败算法 . 132

7.3 (1-N)原子注册器 . 135

7.3.1 定义 . 136

7.3.2 停止型失败算法 . 137

7.3.3 静音型失败算法 . 140

7.4 (N-N)原子注册器 144

7.4.1 定义 . 144

7.4.2 停止型失败算法 . 147

7.4.3 静音型失败算法 . 149

7.5 (1-N)日志正则注册器 . 152

7.5.1 操作顺序 . 153

7.5.2 定义 . 153

7.5.3 恢复型失败算法 . 155

7.6 (N-N)顺序注册器 158

7.6.1 定义 . 159

7.6.2 正则、顺序与原子注册器的比较 160

7.6.3 叠加性 . 163

7.6.4 静音型失败算法 . 164

7.7 因果注册器和先进先出注册器 169

7.8 CAP 理论 . 170

8 共识 173

8.1 正则共识 174

8.1.1 定义 . 174

8.1.2 停止型失败算法：泛洪共识 175

8.1.3 停止型失败算法：等级共识 178

8.2 统一共识 180

8.2.1 定义 . 180

8.2.2 停止型失败算法：泛洪统一共识 181

8.2.3 停止型失败算法：等级统一共识 184

8.3 适用于噪音型失败模型的统一共识 188

8.3.1 概述 . 188

8.3.2 代次变更 . 189

8.3.3 代次共识 . 195

8.3.4 噪音型失败算法 . 200

8.3.5 Paxos 协议 . 204

8.4 日志统一共识 206

8.4.1 定义 . 206

8.4.2 日志代次变更 . 207

8.4.3 日志代次共识 . 209

8.4.4 恢复型失败算法 . 213

8.5 随机共识 215

8.5.1 定义 . 216

8.5.2 共币 . 217

8.5.3 静音型失败算法：随机二值正则共识 222

8.5.4 静音型失败算法：随机多值正则共识 229

8.6 统一快速共识 231

8.6.1 定义 . 231

8.6.2 静音型失败算法 . 232

8.7 统一序列共识 236

8.7.1 概述 . 236

8.7.2 定义 . 237

8.7.3 基于单值共识的算法 . 239

8.8 适用于噪音型失败模型的统一序列共识 240

8.8.1 概述 . 241

8.8.2 代次序列共识 . 241

8.8.3 噪音型失败算法 . 252

8.8.4 Multi-Paxos 和Raft 协议 254

9 共识的应用 256

9.1 全序广播 256

9.1.1 定义 . 258

9.1.2 算法：基于共识的全序广播 259

9.2 复制状态机 263

9.2.1 定义 . 263

9.2.2 算法：基于全序广播的状态复制 264

9.3 信号量 265

9.3.1 定义 . 265

9.3.2 算法：基于全序广播的信号量 267

9.4 原子提交 270

9.4.1 介绍 . 271

9.4.2 定义 . 272

9.4.3 停止型失败算法：基于共识的非阻塞式原子提交 273

9.5 组成员关系 276

9.5.1 定义 . 277

9.5.2 停止型失败算法：基于共识的组成员关系 278

9.6 可停止全序广播 280

9.6.1 定义 . 281

9.6.2 停止型失败算法：基于共识的可停止全序广播 283

9.7 可重配复制状态机 287

9.7.1 进程的加入和离开 . 288

9.7.2 定义 . 289

9.7.3 停止型失败算法：基于可停止全序广播 291

10 基于时钟的算法 295

10.1 包含时钟的时间假设 295

10.2 基于时钟同步的失败检测 297

10.2.1 完美失败检测 . 297

10.2.2 最终完美失败检测 . 299

10.3 基于网络同步的虚拟时钟 301

10.3.1 定义 . 302

10.3.2 停止型失败算法 . 302

10.4 时钟同步与网络同步的等价性 303

10.5 实时操作系统的意义 305

11 结束语 306

参考文献 307
内容简介:
本书从原理出发，系统性地介绍了分布式系统和算法，而非介绍如何使用某种分布式框架。本书首先介绍了分布式系统是如何被建模的，以及分布式算法是如何被描述的，然后从基础的链路抽象开始逐步增加复杂度，最终将复杂的共识抽象以简单的方式呈现在读者面前。通过阅读本书，读者不仅可以掌握常用的分布式算法，还可以学到分布式算法的证明方法及适用条件，为自行设计分布式系统和算法打下坚实的基础。本书适合分布式领域的初学者及相关从业者阅读参考。
作者简介:
江峰，教授级高工，中国电信集团云计算专业首席专家，中国计算机学会信息存储专委会委员。长期在分布式存储领域从事理论研究和工程实践工作。

受内容分发网络(CDN)的启发，在业内首次提出和设计了“为写而生”的内容存储网络(CSN)——CTOOS。CTOOS实现了广域分布式海量数据存储服务的高可用、低时延和强一致，达到了单命名空间跨池数十个、实存容量过EB的规模，并长期稳定运行，为企业创造了可观的收益，技术水平达到了国内领先。

以第一作者在国际期刊会议上发表论文多篇，以第一发明人申请专利十多件，以第一完成人获得省部级、中国电信集团科技进步奖多次。
目录:
1 初识分布式 1

1.1 什么是分布式系统1

1.2 分布式算法的意义 3

1.3 “两将军”问题3

1.4 设计分布式算法的主要挑战8

1.4.1 并发执行 8

1.4.2 进程失败 9

1.4.3 链路失败 10

2 算法模型 12

2.1 I/O 自动机 12

2.1.1 基本模型 13

2.1.2 组合模型15

2.1.3 隐藏操作 16

2.1.4 与业务逻辑的关系18

2.1.5 小结 19

2.2 编程模型 20

2.2.1 调用关系 . 21

2.2.2 事件和事件处理器 . 23

2.2.3 抽象和实现 . 25

3 系统模型 30

3.1 进程 30

3.2 消息 31

3.3 进程启动 32

3.4 进程失败 33

3.4.1 崩溃式失败 . 33

3.4.2 遗漏式失败 . 34

3.4.3 恢复后崩溃失败 . 35

3.4.4 拜占庭失败 . 36

3.4.5 各种失败的关系 . 37

3.5 时钟 37

3.5.1 本地时钟和全局时钟 . 37

3.5.2 因果顺序不变 . 38

3.5.3 逻辑时钟 . 41

3.5.4 时钟偏移 . 42

3.6 时间假设 43

3.6.1 异步系统 . 44

3.6.2 同步系统 . 45

3.6.3 部分同步系统 . 46

3.7 安全性和活性 47

3.8 组合模型 48

3.9 多数派 50

3.10 性能度量 51

4 链路 52

4.1 公平丢包链路 53

4.1.1 定义 . 53

4.1.2 消息系统 . 54

4.2 顽固链路 57

4.2.1 定义 . 57

4.2.2 静音型失败算法 . 57

4.3 可靠链路 60

4.3.1 定义 . 61

4.3.2 静音型失败算法 . 61

4.4 先进先出可靠链路 63

4.4.1 定义 . 63

4.4.2 静音型失败算法 . 63

4.5 日志可靠链路 65

4.5.1 定义 . 65

4.5.2 恢复型失败算法 . 66

4.6 其他说明 69

5 失败检测和选主 70

5.1 失败检测 70

5.2 完美失败检测 71

5.2.1 定义 . 71

5.2.2 停止型失败算法 . 71

5.3 最终完美失败检测 73

5.3.1 定义 . 73

5.3.2 噪音型失败算法 . 74

5.4 选主 76

5.4.1 定义 . 76

5.4.2 停止型失败算法 . 77

5.5 最终选主 78

5.5.1 定义 . 79

5.5.2 噪音型失败算法 . 79

5.5.3 恢复失败型算法 . 81

6 可靠广播 85

6.1 尽力广播 85

6.1.1 定义 . 86

6.1.2 静音型失败算法 . 86

6.2 正则可靠广播 87

6.2.1 定义 . 87

6.2.2 停止型失败算法 . 88

6.2.3 静音型失败算法 . 90

6.3 统一可靠广播 91

6.3.1 定义 . 92

6.3.2 停止型失败算法 . 92

6.3.3 静音型失败算法 . 94

6.4 顽固广播 97

6.4.1 定义 . 97

6.4.2 恢复型失败算法 . 97

6.5 概率广播 98

6.5.1 定义 . 99

6.5.2 随机化算法：尽力推送 . 100

6.5.3 随机化算法：推拉结合 . 106

6.6 先进先出广播 112

6.6.1 定义 . 113

6.6.2 静音型失败算法 . 113

6.7 因果可靠广播 115

6.7.1 定义 . 115

6.7.2 静音型失败算法 . 116

6.7.3 停止型失败算法 . 118

?6.7.4 静音型失败算法：基于向量时间 120

7 共享内存 124

7.1 介绍 124

7.1.1 前提假设 . 125

7.1.2 操作顺序 . 126

7.1.3 操作失败 . 127

7.2 (1-N)正则注册器 . 128

7.2.1 定义 . 128

7.2.2 停止型失败算法 . 130

7.2.3 静音型失败算法 . 132

7.3 (1-N)原子注册器 . 135

7.3.1 定义 . 136

7.3.2 停止型失败算法 . 137

7.3.3 静音型失败算法 . 140

7.4 (N-N)原子注册器 144

7.4.1 定义 . 144

7.4.2 停止型失败算法 . 147

7.4.3 静音型失败算法 . 149

7.5 (1-N)日志正则注册器 . 152

7.5.1 操作顺序 . 153

7.5.2 定义 . 153

7.5.3 恢复型失败算法 . 155

7.6 (N-N)顺序注册器 158

7.6.1 定义 . 159

7.6.2 正则、顺序与原子注册器的比较 160

7.6.3 叠加性 . 163

7.6.4 静音型失败算法 . 164

7.7 因果注册器和先进先出注册器 169

7.8 CAP 理论 . 170

8 共识 173

8.1 正则共识 174

8.1.1 定义 . 174

8.1.2 停止型失败算法：泛洪共识 175

8.1.3 停止型失败算法：等级共识 178

8.2 统一共识 180

8.2.1 定义 . 180

8.2.2 停止型失败算法：泛洪统一共识 181

8.2.3 停止型失败算法：等级统一共识 184

8.3 适用于噪音型失败模型的统一共识 188

8.3.1 概述 . 188

8.3.2 代次变更 . 189

8.3.3 代次共识 . 195

8.3.4 噪音型失败算法 . 200

8.3.5 Paxos 协议 . 204

8.4 日志统一共识 206

8.4.1 定义 . 206

8.4.2 日志代次变更 . 207

8.4.3 日志代次共识 . 209

8.4.4 恢复型失败算法 . 213

8.5 随机共识 215

8.5.1 定义 . 216

8.5.2 共币 . 217

8.5.3 静音型失败算法：随机二值正则共识 222

8.5.4 静音型失败算法：随机多值正则共识 229

8.6 统一快速共识 231

8.6.1 定义 . 231

8.6.2 静音型失败算法 . 232

8.7 统一序列共识 236

8.7.1 概述 . 236

8.7.2 定义 . 237

8.7.3 基于单值共识的算法 . 239

8.8 适用于噪音型失败模型的统一序列共识 240

8.8.1 概述 . 241

8.8.2 代次序列共识 . 241

8.8.3 噪音型失败算法 . 252

8.8.4 Multi-Paxos 和Raft 协议 254

9 共识的应用 256

9.1 全序广播 256

9.1.1 定义 . 258

9.1.2 算法：基于共识的全序广播 259

9.2 复制状态机 263

9.2.1 定义 . 263

9.2.2 算法：基于全序广播的状态复制 264

9.3 信号量 265

9.3.1 定义 . 265

9.3.2 算法：基于全序广播的信号量 267

9.4 原子提交 270

9.4.1 介绍 . 271

9.4.2 定义 . 272

9.4.3 停止型失败算法：基于共识的非阻塞式原子提交 273

9.5 组成员关系 276

9.5.1 定义 . 277

9.5.2 停止型失败算法：基于共识的组成员关系 278

9.6 可停止全序广播 280

9.6.1 定义 . 281

9.6.2 停止型失败算法：基于共识的可停止全序广播 283

9.7 可重配复制状态机 287

9.7.1 进程的加入和离开 . 288

9.7.2 定义 . 289

9.7.3 停止型失败算法：基于可停止全序广播 291

10 基于时钟的算法 295

10.1 包含时钟的时间假设 295

10.2 基于时钟同步的失败检测 297

10.2.1 完美失败检测 . 297

10.2.2 最终完美失败检测 . 299

10.3 基于网络同步的虚拟时钟 301

10.3.1 定义 . 302

10.3.2 停止型失败算法 . 302

10.4 时钟同步与网络同步的等价性 303

10.5 实时操作系统的意义 305

11 结束语 306

参考文献 307

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