计算机网络的计算模式

计算模式指的是网络中计算任务数据处理、存储、运算等在客户端和服务器之间如何分配与协作。随着技术发展主要经历了以下几种模式的演变。一、计算模式的主要类型模式核心特点处理位置典型代表集中式计算模式所有计算在主机完成终端仅负责输入/输出主机大型机哑终端分布式计算模式多台计算机协同完成各自承担部分任务多台计算机集群计算、网格计算客户机/服务器模式C/S客户机发起请求服务器提供服务客户机部分处理 服务器核心处理Web应用、数据库系统浏览器/服务器模式B/S浏览器发起HTTP请求Web服务器响应并返回页面浏览器展示交互 Web服务器业务逻辑 数据库服务器数据存储淘宝、知乎、Gmail、企业OA系统对等计算模式P2P节点既当客户机又当服务器资源直接共享所有对等节点BitTorrent、区块链云计算模式按需获取计算资源弹性伸缩云端数据中心AWS、阿里云、腾讯云需要特别说明分布式计算是一个广义概念C/S、P2P、云计算都可以看作是分布式计算的具体实现形式。这里将它们并列是为了更清晰地展示不同架构的特点。二、各种模式详细讲解1. 集中式计算模式结构描述一台强大的中央主机大型机、中型机负责所有运算和存储多个哑终端只有键盘和显示器没有处理能力连接到主机工作流程用户在终端输入命令 → 发送给主机 → 主机处理 → 结果返回终端显示终端本身不做任何数据处理优点集中管理易于维护和备份安全性高数据不离开主机硬件利用率高缺点单点故障主机故障则所有终端无法工作扩展性差增加性能需更换整台主机成本极高大型主机昂贵应用场景银行核心系统如IBM Z系列大型机、航空公司订票系统仍在使用。2. 分布式计算模式广义概念定义将一个大任务分解成多个子任务由多台计算机节点协同完成对外表现为一台统一的计算机。核心特征多台计算机物理上分散消息传递通过网络通信协调统一呈现用户感觉像在使用一台机器优点高性价比用多台普通计算机代替一台超级计算机高可用性部分节点故障不影响整体可扩展性强增加节点即可提升性能缺点开发复杂度高任务分解、协调、容错网络通信开销调试和运维难度大常见形式集群计算同构计算机紧密耦合如Hadoop集群网格计算异构、跨地域、偏重科研计算如SETIhome术语含义举例同构多台计算机硬件和操作系统相同或高度一致一个机房里50台都是戴尔服务器都装Windows Server异构多台计算机硬件或操作系统不同协同工作同一个集群里有x86服务器Linux、ARM服务器Android、IBM Power服务器AIX跨地域计算机分布在不同地理位置不同城市、国家北京、上海、纽约三地的服务器共同提供服务分布式数据库如TiDB、Google Spanner3. 客户机/服务器模式C/S结构描述服务器提供服务的进程或计算机被动等待请求可服务多个客户端客户机发起请求的进程或计算机主动请求服务通常只服务一个用户工作流程客户机启动向服务器发送请求服务器接收请求处理可能需要访问数据库服务器返回结果给客户机客户机接收并展示优点资源共享集中管理数据在服务器上安全性好可控制访问权限维护方便升级服务器即可缺点服务器可能成为瓶颈服务器单点故障风险并发量高时性能下降变体两层C/S客户机直接访问数据库如早期的PB、Delphi程序三层C/S客户机→应用服务器→数据库服务器如大部分Web应用多层C/S增加更多中间层如缓存层、消息队列层术语结构说明举例两层C/S客户机 → 数据库服务器客户机直接连接数据库客户机里写了SQL语句。问题数据库连接数有限客户机多了会撑爆早期的PowerBuilder、Delphi写的进销存软件三层C/S客户机 → 应用服务器 → 数据库服务器客户机不直连数据库而是访问应用服务器。应用服务器负责业务逻辑统一连接数据库。好处客户机再多数据库连接数也固定大部分Web应用浏览器 → Web服务器 → 数据库多层C/S客户机 → 应用服务器 → 中间层 → 数据库服务器在三层基础上增加更多中间层各层职责更细。增加的层缓存层如Redis、消息队列层如RabbitMQ、数据访问层等大型电商系统浏览器 → Web → 缓存 → 消息队列 → 数据库两层客户机直连数据库不安全、连接数爆炸三层中间加应用服务器做“调度员”多层加多个“专业工种”各司其职应用场景Web应用、邮件系统、文件服务器、数据库系统。4.浏览器/服务器模式B/S结构描述浏览器作为统一的客户端只需要安装浏览器软件如Chrome、Edge、Safari负责发起请求、渲染展示服务器返回的页面Web服务器接收浏览器发来的HTTP/HTTPS请求处理业务逻辑访问数据库生成HTML/CSS/JavaScript等页面内容返回给浏览器数据库服务器存储数据为Web服务器提供数据读写服务工作流程用户在浏览器地址栏输入网址或点击链接浏览器根据HTTP协议构造请求报文浏览器通过DNS解析域名得到服务器IP地址建立TCP连接发送HTTP请求Web服务器接收请求解析URL和参数执行相应业务逻辑可能需要查询数据库Web服务器将处理结果通常是HTML页面或JSON数据封装成HTTP响应返回给浏览器浏览器解析HTML渲染页面执行其中的JavaScript展示给用户优点无需安装客户端只要有浏览器和网络即可访问对用户零部署成本跨平台性好一次开发Windows、macOS、Linux、iOS、Android均可使用升级维护方便只需更新服务器端代码所有用户立即使用最新版本数据集中管理所有数据存储在服务器端便于备份和安全管控防火墙友好使用标准的80HTTP和443HTTPS端口通常不会被防火墙阻拦缺点用户体验相对较弱相比原生应用页面切换有延迟复杂交互受限近年来随着Web技术发展差距在缩小严重依赖网络断网或网络质量差时无法使用或体验极差服务器压力大所有计算和渲染准备都在服务器端完成高并发时需要强大的服务器集群浏览器兼容性问题不同浏览器对同一标准可能有不同的实现需要额外测试和适配安全性风险面临XSS跨站脚本攻击、CSRF跨站请求伪造、SQL注入等Web特有攻击应用场景各类管理信息系统OA、ERP、CRM电子商务平台淘宝、京东、亚马逊社交媒体微博、知乎、Facebook企业官网、博客、论坛在线办公套件Google Docs、腾讯文档云管理控制台阿里云、AWS控制台补充说明C/S与B/S的关系很多人会混淆C/S和B/S浏览器/服务器。实际上B/S是C/S的一种特例浏览器是通用客户端Web服务器是服务器端C/S通常指需要安装专用客户端的架构如微信PC版、网游客户端B/S只需浏览器即可访问如淘宝、知乎对比项传统C/SB/S客户端需要安装专用软件只需浏览器升级维护每台客户机需单独升级只需升级服务器跨平台较差好只要有浏览器用户体验可以做得更丰富受浏览器限制典型例子魔兽世界、企业ERP客户端淘宝、知乎、Gmail5. 对等计算模式P2P结构描述所有节点地位平等既是客户机也是服务器没有中心服务器或中心服务器仅用于发现节点工作流程以文件下载为例加入P2P网络向追踪服务器获取其他节点列表从多个节点同时下载文件的不同部分同时将自己已下载的部分上传给其他节点优点可扩展性极好节点越多资源越丰富没有单点故障纯P2P充分利用边缘带宽定义靠近用户侧的接入网络带宽而不是骨干网核心的带宽。理解骨干带宽城市之间的高速公路很宽很通畅边缘带宽从你家到最近高速入口的这段小路每个普通用户的上传带宽通常是边缘带宽往往闲置。P2P让用户把自己下载过的数据上传给别人把这些“边缘小路”也用起来缓解中心服务器的带宽压力。缺点安全性难以保证节点不可信管理困难没有中心控制版权和监管问题常见类型纯P2P无中心服务器如早期Gnutella混合P2P有中心索引服务器如BitTorrentTracker、Napster含义P2P网络中有一种中心服务器但它不存储文件内容只存储“哪个节点有什么文件”的索引信息。工作流程你想下载某文件 → 问中心索引服务器中心服务器告诉你用户A、B、C有这个文件你直接去A、B、C那里下载不经过中心服务器结构化P2P基于DHT分布式哈希表如Kademlia电驴种没有中心服务器的文件定位方法。把文件索引分散存储在所有P2P节点上每个节点只存一小部分。简单理解有中心索引相当于图书馆有一个总目录卡你去查总卡DHT没有总目录卡每个书架旁边放一个小目录。你问A书架A告诉你“去B书架找”B告诉你“去C书架找”直到找到应用场景文件分享BitTorrent、区块链比特币、以太坊、即时通信早期Skype。6. 云计算模式定义通过网络按需提供可配置计算资源网络、服务器、存储、应用服务等用户只需少量管理即可快速获取和释放资源。核心特征NIST定义5大特征按需自助服务用户自己开通资源无需人工交互广泛网络接入通过标准网络协议访问资源池化多租户共享物理资源快速弹性资源可快速扩容或释放一句话云服务器可以几分钟内从配置低变成配置高或者从配置高变回配置低。打个比方传统方式你想换更大的房子。要先买房、装修、搬家花几个月。卖房子也得好几个月。云计算你在酒店住房。今天想住总统套房打个电话5分钟换好。明天想省钱换标准间再打个电话5分钟换好。核心不需要自己买硬件直接在云平台上调整。可计量服务按使用量计费服务模式模式提供内容用户管理范围示例IaaS基础设施即服务计算、存储、网络操作系统、中间件、应用、数据AWS EC2、阿里云ECSPaaS平台即服务运行环境操作系统中间件应用、数据Google App Engine、HerokuSaaS软件即服务完整的应用软件只使用软件Gmail、钉钉、Salesforce部署模式公有云对公众开放如AWS、Azure、阿里云私有云组织内部专用混合云公有云私有云组合社区云特定群体共享优点降低IT成本按需付费无需提前采购弹性伸缩应对业务峰值系统根据流量大小自动增加或减少服务器数量不用人守着操作。高可用性云厂商保证SLA术语含义高可用性系统全年几乎不 downtime停机故障时能自动切换到备用设备用户无感知SLA服务等级协议云厂商和你签的“承诺书”写明可用性指标达不到就赔钱SLA常见数字可用性俗称允许的停机时间/年99%两个93.65天99.9%三个98.76小时99.99%四个952.6分钟99.999%五个95.26分钟举例AWS的SLA说“99.99%可用”如果今年停了2小时赔你代金券。“云厂商保证SLA”的意思你花钱买的是“对方承诺不掉线掉线赔钱”而不是“绝对不掉线”。缺点数据安全担忧数据在云端网络依赖断网则无法使用长期成本可能高于自建高负载场景计算模式演变对比表维度集中式C/SB/SP2P云计算控制中心单一主机服务器Web服务器 数据库服务器无中心云服务商节点关系主从主从主从浏览器请求服务器响应对等用户与云客户端形式哑终端专用客户端软件通用浏览器专用P2P软件浏览器/API/客户端客户端职责仅输入/输出承担部分业务逻辑主要负责展示与交互既下载又上传弱客户端thin client扩展方式升级主机升级服务器 增加客户机扩展服务器端客户端无需变化增加节点弹性伸缩单点故障有主机有服务器有Web服务器/数据库无有依赖云厂商跨平台性差较差好浏览器屏蔽差异一般好升级维护升级主机每台客户端单独升级只需升级服务器升级自愿云厂商升级网络依赖低本地连接中部分可离线高断网即不可用高高典型成本极高中低开发维护成本低于C/S低按需付费代表性时期1960s-1980s1980s-至今2000s-至今2000s-至今2010s-至今