云計(jì)算原理-課件 第2章　設(shè)計(jì)原理

《云計(jì)算原理》系統(tǒng)的特性系統(tǒng)的特性可用性持久性可靠性彈性容錯(cuò)性可用性高可用性可以理解為系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間，即存儲系統(tǒng)可用并運(yùn)行的時(shí)間百分比。高可用性取決于多個(gè)IT基礎(chǔ)設(shè)施組件的協(xié)同工作?？捎眯酝ǔＳ枚鄠€(gè)“9”來表示。2個(gè)9表示99%的可用性，3個(gè)9表示99.9%的可用性……如果存儲系統(tǒng)的年度服務(wù)級別協(xié)議(SLA)達(dá)到7個(gè)9的可用性，則每年僅會有3.15秒的停機(jī)時(shí)間。持久性持久性指的是數(shù)據(jù)的持續(xù)保存能力。高持久性可以確保數(shù)據(jù)不會受到位腐蝕、退化或任何形式的損壞或丟失。通過定期備份、復(fù)制和擦除編碼數(shù)據(jù)/對象，以及啟用WORM（寫一次多次讀?。?，可以提高數(shù)據(jù)的持久性?？煽啃钥煽啃灾傅氖谴鎯ο到y(tǒng)按照預(yù)期工作的概率。測量可靠性的指標(biāo)是平均故障間隔時(shí)間(MTBF)。MTBF是指在正常操作過程中，存儲系統(tǒng)內(nèi)在故障之間的預(yù)期經(jīng)過時(shí)間。如果MTBF較高，這通常表明可靠性較低。彈性彈性指的是存儲系統(tǒng)在遭遇故障、停機(jī)、安全事件等情況后，自我修復(fù)、恢復(fù)并繼續(xù)運(yùn)行的能力。彈性的一個(gè)指標(biāo)是平均修復(fù)時(shí)間（MTTR），它衡量在故障發(fā)生后使存儲基礎(chǔ)設(shè)施恢復(fù)正常運(yùn)行所需的時(shí)間。MTTR越低，彈性越好。容錯(cuò)性容錯(cuò)性與可用性的概念相似，但進(jìn)一步保證零停機(jī)時(shí)間。容錯(cuò)系統(tǒng)沒有服務(wù)中斷。容錯(cuò)系統(tǒng)需要始終運(yùn)行數(shù)據(jù)的主動-主動副本，并具備必要的自動化功能，以在存儲系統(tǒng)的任何組件故障并導(dǎo)致停機(jī)時(shí)進(jìn)行故障切換?！对朴?jì)算原理》王

鵬機(jī)制與策略機(jī)制和策略定義策略是選擇執(zhí)行哪些活動的方式。機(jī)制是執(zhí)行這些策略的實(shí)現(xiàn)方法，用于確保這些策略的執(zhí)行。機(jī)制和策略機(jī)制決定如何做，策略決定做什么。機(jī)制和策略的關(guān)系類似于保護(hù)和安全。安全部分主要關(guān)注系統(tǒng)的訪問控制，即哪些人可以成為系統(tǒng)用戶。保護(hù)部分則是文件級別的訪問控制，即哪些用戶可以訪問特定的文件。機(jī)制和策略示例采用先到先得的算法來將資源分配給進(jìn)程，這里先到先得是分配資源的策略這個(gè)策略可以通過一個(gè)隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)，隊(duì)列就是執(zhí)行這個(gè)策略的具體機(jī)制。機(jī)制和策略示例策略：決定“哪個(gè)線程應(yīng)該被賦予運(yùn)行的機(jī)會？”這個(gè)問題的答案就是調(diào)度策略。機(jī)制：實(shí)現(xiàn)這種線程調(diào)度策略的機(jī)制就是上下文切換。上下文切換允許操作系統(tǒng)在不同線程之間切換執(zhí)行。機(jī)制和策略示例在操作系統(tǒng)的Swapping中，策略是通過減少缺頁率來優(yōu)化系統(tǒng)性能，目標(biāo)是將缺頁故障率保持在一定的閾值以下。實(shí)現(xiàn)機(jī)制是利用虛擬內(nèi)存擴(kuò)展系統(tǒng)的內(nèi)存空間，超過物理內(nèi)存的限制。職責(zé)分離職責(zé)分離是內(nèi)部的，需要多人進(jìn)行控制執(zhí)行。職責(zé)分離減少了兩大主要影響：欺詐和錯(cuò)誤《云計(jì)算原理》王

鵬性能延遲和吞吐量洗衣是所有人在某些時(shí)候必須面對的任務(wù)，洗衣“系統(tǒng)”的輸入是一定數(shù)量的臟衣服，輸出是相同的負(fù)載，但經(jīng)過清洗、干燥和折疊延遲和吞吐量有兩個(gè)系統(tǒng)組件：一臺洗衣機(jī)，可在30分鐘內(nèi)洗滌一批衣服，以及在60分鐘內(nèi)烘干衣物的烘干機(jī)。我們的洗衣遵循一條簡單的系統(tǒng)路徑：每件衣服在洗衣機(jī)清洗，然后移至烘干機(jī)烘干延遲和吞吐量為了處理單批衣服，我們首先將其放入洗衣機(jī)，這需要30分鐘，然后將其放入烘干機(jī)，這需要60分鐘，所以從系統(tǒng)輸入到系統(tǒng)輸出總時(shí)間是90分鐘。如果這是一個(gè)組合邏輯電路，那么該電路的傳播延遲是90分鐘。延遲和吞吐量上述情況是一次洗衣的延遲，對于N次洗衣的情況，當(dāng)完全按照上述系統(tǒng)的流程進(jìn)行，系統(tǒng)處理N件衣服的總時(shí)間是處理一件衣服的N倍。當(dāng)烘干機(jī)運(yùn)行時(shí)，洗衣機(jī)閑置，效率低下，這種低效在洗衣負(fù)載通過系統(tǒng)的速度上是有成本的。延遲和吞吐量在步驟1中清洗第一批衣服，在步驟2中像以前一樣干燥第一批衣服，但同時(shí)開始清洗第二批衣服。重疊處理一系列輸入的系統(tǒng)稱為流水線系統(tǒng)，每個(gè)處理步驟稱為管道的一個(gè)階段。輸入通過管道移動的速率是由最慢的管道決定的。延遲和吞吐量我們的洗衣系統(tǒng)是一個(gè)2階段管道，每個(gè)階段處理時(shí)間為60分鐘，我們重復(fù)重疊的洗滌/干燥步驟，直到N件衣服都已經(jīng)處理完畢。換句話說，我們重疊洗衣系統(tǒng)的有效處理率是一個(gè)每60分鐘一班的負(fù)載，因此一旦該過程開始，N批衣服需要N*60分鐘。延遲和吞吐量由于Step的時(shí)間安排，第一批衣服的時(shí)間安排略有不同，1可以更短而無需等待烘干機(jī)。但在管道系統(tǒng)的性能分析中，我們感興趣的是穩(wěn)定態(tài)。我們假設(shè)有無限的輸入供應(yīng)，這里會出現(xiàn)兩個(gè)性能指標(biāo)：一個(gè)是系統(tǒng)的延遲，即系統(tǒng)處理一個(gè)數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間。第二個(gè)是吞吐量，即系統(tǒng)產(chǎn)生輸出的速率。延遲和吞吐量在第一個(gè)系統(tǒng)中吞吐量為90分鐘一件衣服，通過Step的系統(tǒng)中吞吐量為60分鐘一件衣服。第一個(gè)系統(tǒng)延遲較低，第二個(gè)系統(tǒng)吞吐量較高《云計(jì)算原理》王

鵬權(quán)衡思想timespacetradeoff(時(shí)空權(quán)衡)“time”概念

所有程序運(yùn)行都需要相應(yīng)時(shí)間例如”二分查找”算法時(shí)間復(fù)雜度是O(nlogn)timespacetradeoff(時(shí)空權(quán)衡)“space”概念

所有程序運(yùn)行都需要空間timespacetradeoff(時(shí)空權(quán)衡)“tradeoff”概念

簡單講，就是要使一個(gè)算法或程序用增加空間使用量來換取時(shí)間減少；或者用時(shí)間增加來換取空間使用量減少。時(shí)空權(quán)衡分類壓縮數(shù)據(jù)與未壓縮數(shù)據(jù)重新渲染與存儲圖像精簡代碼與循環(huán)展開查找表與重新計(jì)算壓縮數(shù)據(jù)與未壓縮數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)存儲的問題上，我們可以應(yīng)用權(quán)衡思想。如果數(shù)據(jù)未壓縮，它占用的空間大，但處理速度快。如果數(shù)據(jù)壓縮存儲，它占用的空間小，但解壓縮需要更多時(shí)間。在某些情況下，直接使用壓縮數(shù)據(jù)可能更高效，比如壓縮位圖索引，使用壓縮格式比不壓縮更快。重新渲染與存儲圖像在這個(gè)例子中，如果只存儲源文件并將其渲染成圖像，會占用更多空間，但處理速度更快。也就是說，將圖像存儲在緩存中比重新渲染更快，但需要更多的內(nèi)存。精簡代碼與循環(huán)展開精簡的代碼占用的內(nèi)存空間小，但需要更多的計(jì)算時(shí)間，因?yàn)槊看窝h(huán)結(jié)束時(shí)都需要跳回到循環(huán)的開始。而循環(huán)展開可以提高執(zhí)行速度，但會增加二進(jìn)制文件的大小，占用更多的內(nèi)存空間，但計(jì)算時(shí)間更短。查找表與重新計(jì)算在查找表中，如果包含了整個(gè)表，可以減少計(jì)算時(shí)間，但會增加內(nèi)存需求?；蛘?，可以選擇按需計(jì)算表項(xiàng)，這樣會增加計(jì)算時(shí)間，但減少內(nèi)存需求?！对朴?jì)算原理》王

鵬平衡與不平衡帕累托效率帕累托效率是經(jīng)濟(jì)學(xué)和博弈論中的一個(gè)重要概念，用于描述資源配置的效率當(dāng)無法通過重新分配資源使得至少一個(gè)人變得更好而不使其他人變得更差時(shí)的一個(gè)狀態(tài)被稱為帕累托有效(帕累托效率)。在一個(gè)帕累托有效的狀態(tài)下，任何試圖改善某個(gè)個(gè)體的福利都會導(dǎo)致至少一個(gè)其他個(gè)體的福利下降帕累托效率并不意味著資源的公平分配，它只關(guān)注資源配置的效率帕累托最優(yōu)帕累托最優(yōu)可以發(fā)生在生產(chǎn)可能性邊界上的任何一點(diǎn)帕累托最優(yōu)狀態(tài)意味著，沒有一方能夠在不使另一方變得更糟的情況下變得更好。A、B、C三點(diǎn)都是帕累托最優(yōu)，在B點(diǎn)消費(fèi)品產(chǎn)量為100單位，資本貨物總產(chǎn)量為75單位，為了生產(chǎn)更多的消費(fèi)品，如133單位，必須犧牲一些資本貨物到達(dá)A點(diǎn)。帕累托最優(yōu)在這種情況下，D點(diǎn)不是帕累托最優(yōu)，因?yàn)橄M(fèi)品的產(chǎn)量可以從50單位增加到133單位而無需犧牲任何資本貨物的生產(chǎn)，40單位的資本貨物中有83單位的收益，沒有任何損失，這可以被認(rèn)為是帕累托改進(jìn)。帕累托最優(yōu)帕累托效率是一個(gè)關(guān)于效率的概念，而不是公平或正義的概念。在實(shí)際應(yīng)用中，追求帕累托效率可以幫助理解資源分配的有效性，但在政策制定和社會福利分析中，還需要考慮公平性等其他因素。帕累托效率《云計(jì)算原理》王

鵬瓶頸什么是瓶頸瓶頸發(fā)生在當(dāng)一個(gè)應(yīng)用程序或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的容量被某個(gè)單一組件限制時(shí)，就像瓶頸處減慢了整體水流速度一樣。瓶頸導(dǎo)致了什么收入損失等待時(shí)間增加產(chǎn)品質(zhì)量差客戶流失兩種瓶頸類型——長期瓶頸（主要瓶頸）特點(diǎn)：瓶頸長時(shí)間存在，不受負(fù)載變化影響。對整體吞吐量、效率和穩(wěn)定性有持續(xù)負(fù)面影響。通常由硬件、處理能力或軟件設(shè)計(jì)的限制引起。解決方法：提高瓶頸部分的處理能力或容量（如增加機(jī)器、擴(kuò)展帶寬、優(yōu)化數(shù)據(jù)庫等）。改進(jìn)瓶頸部分的流程、算法或架構(gòu)。增加冗余和彈性，減少單一組件的影響。兩種瓶頸類型——短期瓶頸特點(diǎn)：瓶頸不會持續(xù)長時(shí)間，負(fù)載恢復(fù)后消失。由外部變化或臨時(shí)問題引起。影響局部，通常只在特定時(shí)段存在。解決方法：增加臨時(shí)資源或優(yōu)化流程。分散負(fù)載，避免過載。監(jiān)控并修復(fù)突發(fā)問題。瓶頸分析瓶頸分析是一個(gè)識別瓶頸的過程，目的是找出實(shí)際問題發(fā)生的位置。因此，與其僅僅尋找癥狀，不如嘗試找出根本原因，并理解瓶頸發(fā)生的實(shí)際位置。完成這些步驟后，一旦識別出瓶頸，我們就可以尋找一些潛在的解決方案?？梢允褂敏~骨圖，約束理論（TOC）進(jìn)行瓶頸分析。瓶頸分析例子在這個(gè)例子中，機(jī)器A的處理