全世界是台電腦(3/3)

全世界是台電腦(3/3)
撰文／David P. Anderson & John Kubiatowicz｜譯者／鍾樹人
轉載自《科學人》2004年4月第26期

橫跨在網際網路上的作業系統，讓人親炙全球數百萬台個人電腦連結後的威力。

(續前文)

基本架構

關於ISOS的設計，我們提倡兩個基本原則：最小的作業系統核心，以及由中央伺服器發號司令。只提供核心功能的電腦作業系統稱為微核心。較高階的功能則以使用者程式的型式建立在微核心之上，這樣一來，能讓除錯與置換的工作更容易進行。這個方式首見於學術研究系統，並影響了某些商業系統，像是視窗NT。不過，最有名的作業系統都不是微核心。

ISOS具備的核心功能包括資源分配（主機處理能力與儲存空間的長期安排）、排程（透過系統與個別主機將工作放進序列）、資源使用狀況的統計，以及分發和執行應用程式等基本機制。ISOS應該和主機上執行的個別作業系統，扮演不同的角色。

ISOS提供者所操作的伺服器負責協調系統的所有動作，這些提供者有可能是政府贊助的組織，或是買賣資源的主要公司所組成的協會（雖然可以有多家ISOS提供者進行競爭，不過為了簡化起見，我們假設只有一家提供者）。集中式不利於某些點對點系統中盛行的平等主義，不過我們需要中央伺服器來確保某些敏感資料的私密性，像是會計資料以及其他關於資源主機的資訊。表面上，集中式需要的控制系統，會因為連結ISOS主機的數目增加而變得過於龐大笨拙，而且隨時會面臨因無法聯繫而系統阻塞的瓶頸。不過這樣的憂慮是毫無事實根據的：具備合理數目的伺服器，就能輕易儲存所有連網主機的相關資訊，並定期與這些主機溝通。舉例來說，Napster只用了一台中央伺服器，就能處理高達6000萬個用戶。伺服器叢可隨時擴充，而且即使伺服器短暫失去聯絡，大部份的ISOS線上服務仍能持續運作。

ISOS伺服器叢會維護存有資源描述、使用政策以及任務性質的資料庫。舉例而言，資源描述包括：主機的作業系統、處理器款式與速度、所有與可用的磁碟空間、記憶體容量、網路連線的性能統計，以及開機與連線時間的統計數據。使用政策則詳加說明了所有者指定的資源使用規則。任務性質則包括指派給線上服務的資源，以及資料處理任務的工作順序。
要讓電腦能為網路所用，資源賣方需聯絡伺服器叢（例如，透過網站），下載並安裝ISOS代理人程式，將資源連上ISOS帳戶，並進行相關的後續動作。ISOS代理人負責管理主機資源的使用狀況，並且不定期從ISOS伺服器叢取得要執行的任務清單。

資源買方則送給伺服器任務需求，以及（在主機上執行的）應用程式代理人程式。線上服務提供者可以向ISOS要求一組可執行任務的主機，指定其資源需求（例如，分散式備份服務可使用只偶爾連線的資源主機，像是瑪莉的筆記型電腦，這會比持續連線的主機花費更低）。ISOS則負責提供指定主機的位址與性質，並讓應用程式代理人程式能在執行的主機間直接溝通。當某些主機無法使用時，服務可以要求新的主機。ISOS並不會規定用戶要如何使用線上服務、服務該如何回應，或者服務怎麼向用戶收費（資源使用者付給主機所有者的款項並不是由ISOS所控制）。

應用程式工具套件

原則上，以ISOS的基本功能（像是資源分配、排程與通訊），要建立各式各樣的應用程式已綽綽有餘。然而，大部份的應用程式都有重要的共通次元件。因此，有個軟體工具套件就大有助益，可進一步協助軟體工程師設計新的應用程式。這些套件的程式碼可整合進資源主機上的應用程式裡。以下提供一些工具套件的例子：

獨立位置路由：配合ISOS的應用程式會在幾百萬個資源主機之間散播資訊副本與運算實體，它們必須能再次存取這些資訊。為了達成這個目標，應用程式會在權限之內利用全域唯一識別碼（Globally Unique Identifiers, GUIDs）為物件命名。這些名稱能讓應用程式在不知道物件位置的情況下，向物件提出查詢，也就是所謂的「獨立位置路由」。做到獨立位置路由的簡單方法，就是指定一台機器專門處理GUIDs的資料庫，但系統並無法處理來自數百萬台主機的查詢。所以ISOS工具套件採取相反的作法，將GUIDs的資料庫分散到各個資源主機。目前有研究計畫在開發這樣的分散式系統，像是美國加州大學柏克萊分校的「海量倉庫」永久資料儲存計畫。

永久資料儲存：ISOS所儲存的資訊必須能通過各式各樣的考驗。永久資料儲存工具有資料編碼、重組與修復機制，有助於完成此項任務。為求最大的存活能力，資料會以 “m-of-n” 碼的方式進行編碼。原則上，m-of-n碼類似全像術，只要一小片就足以重建整個影像。編碼的方式是將資訊分成n個片段（放到n個資源主機上），而其中的m個就足以重建資料。例如，永久資料儲存工具可能會將文件編碼成64個片段，其中的16個就足以重建這份文件。連續修復也相當重要。如果有片段失效了，修復工具能再重製。如果設計完善，永久資料儲存工具套件能保存資訊達數百年。

安全更新：當應用程式需要更新本來儲存的資訊時，會產生新的問題。例如，所有的資訊副本都必須更新，而物件的GUID必須指向最新的副本。存取控制機制必須防止未經授權的人更新資訊。安全更新工具仰賴拜占庭通訊協定（Byzantine agreement protocols），這樣一來，即使有1/3的資源主機想要偏離正軌，整群主機仍能作出正確的決定。

其他工具：工具套件的協助還包括提供額外的工具，像是格式轉換（以處理性質各異的主機），以及程式庫同步化（以幫助主機間的協同合作）。

ISOS面臨熟悉的矛盾情況，延緩了許多新技術的採用：在客戶群未達一定規模之前，合理可行的應用程式寥寥無幾。反之，應用程式的數目無法增加，客戶群就將維持小眾。不過，只要說服足夠多的程式開發人員與用戶了解ISOS本身的價值，讓客戶群能達到關鍵規模，系統就會快速發展。

網際網路仍是廣大無垠但尚未開發的資源。全球資訊網的使用人口雖然有爆炸性的成長，但並未改變這項事實，反而只是讓這個資源庫更加龐大。網際網路規模的作業系統能讓程式設計師自由揮灑，設計出在全球電腦上執行的應用程式，但不用擔心基礎的硬體設備。天知道會有什麼樣的結果？瑪莉和她的電腦所要做的事，是我們無法想像的。(完)

(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」取得網路轉載授權)