分布式系统领域有哪些经典论文

Posted 李玉龙

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了分布式系统领域有哪些经典论文相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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谢邀！五一快乐！
分布式系统在互联网时代，尤其是大数据时代到来之后，成为了每个程序员的必备技能之一。分布式系统从上个世纪80年代就开始有了不少出色的研究和论文，我在这里只列举最近15年范围以内我觉得有重大影响意义的15篇论文（15 within 15）。
1. The Google File System: 这是分布式文件系统领域划时代意义的论文，文中的多副本机制、控制流与数据流隔离和追加写模式等概念几乎成为了分布式文件系统领域的标准，其影响之深远通过其5000+的引用就可见一斑了，Apache Hadoop鼎鼎大名的HDFS就是GFS的模仿之作；
2. MapReduce: Simplified Data Processing on Large Clusters：这篇也是Google的大作，通过Map和Reduce两个操作，大大简化了分布式计算的复杂度，使得任何需要的程序员都可以编写分布式计算程序，其中使用到的技术值得我们好好学习：简约而不简单！Hadoop也根据这篇论文做了一个开源的MapReduce；
3. Bigtable: A Distributed Storage System for Structured Data：Google在NoSQL领域的分布式表格系统，LSM树的最好使用范例，广泛使用到了网页索引存储、YouTube数据管理等业务，Hadoop对应的开源系统叫HBase（我在前公司任职时也开发过一个相应的系统叫BladeCube，性能较HBase有数倍提升）；
4. The Chubby lock service for loosely-coupled distributed systems：Google的分布式锁服务，基于Paxos协议，这篇文章相比于前三篇可能知道的人就少了，但是其对应的开源系统zookeeper几乎是每个后端同学都接触过，其影响力其实不亚于前三篇；
5. Finding a Needle in Haystack: Facebook‘s Photo Storage：facebook的在线图片存储系统，目前来看是对小文件存储的最好解决方案之一，facebook目前通过该系统存储了超过300PB的数据，一个师兄就在这个团队工作，听过很多有意思的事情（我在前公司的时候开发过一个类似的系统pallas，不仅支持副本，还支持Reed Solomon-LRC，性能也有较多优化）；
6. Windows Azure Storage: a highly available cloud storage service with strong consistency：windows azure的总体介绍文章，是一篇很好的描述云存储架构的论文，其中通过分层来同时保证可用性和一致性的思路在现实工作中也给了我很多启发；
7. GraphLab: A New Framework for Parallel Machine Learning：CMU基于图计算的分布式机器学习框架，目前已经成立了专门的商业公司，在分布式机器学习上很有两把刷子，其单机版的GraphChi在百万维度的矩阵分解都只需要2~3分钟；
8. Resilient Distributed Datasets: A Fault-Tolerant Abstraction for In-Memory Cluster Computing：其实就是 Spark，目前这两年最流行的内存计算模式，通过RDD和lineage大大简化了分布式计算框架，通常几行scala代码就可以搞定原来上千行MapReduce代码才能搞定的问题，大有取代MapReduce的趋势；
9. Scaling Distributed Machine Learning with the Parameter Server：百度少帅李沐大作，目前大规模分布式学习各家公司主要都是使用ps，ps具备良好的可扩展性，使得大数据时代的大规模分布式学习成为可能，包括Google的深度学习模型也是通过ps训练实现，是目前最流行的分布式学习框架，豆瓣的开源系统paracell也是ps的一个实现；
10. Dremel: Interactive Analysis of Web-Scale Datasets：Google的大规模（近）实时数据分析系统，号称可以在3秒相应1PB数据的分析请求，内部使用到了查询树来优化分析速度，其开源实现为Drill，在工业界对实时数据分析也是比价有影响力；
11. Pregel: a system for large-scale graph processing: Google的大规模图计算系统，相当长一段时间是Google PageRank的主要计算系统，对开源的影响也很大（包括GraphLab和GraphChi）；
12. Spanner: Google‘s Globally-Distributed Database：这是第一个全球意义上的分布式数据库，Google的出品。其中介绍了很多一致性方面的设计考虑，简单起见，还采用了GPS和原子钟确保时间最大误差在20ns以内，保证了事务的时间序，同样在分布式系统方面具有很强的借鉴意义；
13. Dynamo: Amazon’s Highly Available Key-value Store：Amazon的分布式NoSQL数据库，意义相当于BigTable对于Google，于BigTable不同的是，Dynamo保证CAP中的AP，C通过vector clock做弱保证，对应的开源系统为Cassandra；
14. S4: Distributed Stream Computing Platform：Yahoo出品的流式计算系统，目前最流行的两大流式计算系统之一（另一个是storm），Yahoo的主要广告计算平台；
15. Storm @Twitter：这个系统不多说，开启了流式计算的新纪元，几乎是所有公司流式计算的首选，绝对值得关注；
最近一两年时间主要精力放到了机器学习上，分布式系统的研究不太多了，现阶段就列这15篇文章吧，覆盖了分布式系统的主要领域。如果想起来有遗漏再来补充。Good luck！

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评论里边
和
提到的两篇论文也挺不错的，一并补充在这里。
1. Large-scale cluster management at Google with Borg；
2. F1 - The Fault-Tolerant Distributed RDBMS Supporting Google‘s Ad Business；
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1. 背景知识
体系结构

系统和网络
通信：RPC、RMI、MOM。。

进程和线程：
用户态、内核态；轻量级进程；协程；Actor。。

分布式相关问题
同步和互斥：保证相互冲突的并发进程可以共享资源
Double checked Locking、Immutable Value、Future 。。

事件分离和分发：Reactor、Proactor。。。

选举：从进程集中选出一个进程执行特别的任务

2. 分布式理论
数据结构
B树
log merge tree
merkle tree
一致性hash
DHT
vector clock
lock-free data structure
....

CAP、BASE
CAP: Brewer’s Conjecture and the Feasibility of Consistent, Available, Partition-Tolerant Web
BASE an Acid Alternative

状态、时序

Time Clocks and the Ordering of Events in a Distributed System

Virtual Time and Global States of Distributed Systems

Distributed Snapshots: Determining Global States of a Distributed System


2PC、3PC 、Paxos ...
A brief history of Consensus- 2PC and Transaction Commit
Paxos Made Simple.
Paxos Made Practical
Paxos made live . An engineering perspective.

一致性、事务
Life beyond Distributed Transactions: an Apostate’s Opinion
Impossibility of distributed consensus with one faulty process.
Consensus on Transaction Commit.
Uniform consensus is harder than consensus

3. 分布式系统
分布式基础设施
消息队列
RabbitMQ 、ZeroMQ...

分布式锁服务、协调
The Chubby lock service for loosely-coupled distributed systems
Zookeeper

集群Monitoring

The ganglia distributed monitoring system:design, implementation, and

experience

Chukwa: A large-scale monitoring system


分布式存储系统
分布式文件系统
The Google file system.
Lustre
Cepth
Panasas

分布式块存储
Sheepdob
Parallax
Petal

分布式k-v存储系统
Dynamo: Amazon’s highly available key-value store

分布式表格系统
Amazon DynamoDB
Bigtable: A Distributed Storage System for Structured Data.

分布式数据库
Spanner: Google‘s Globally-Distributed Database

分布式计算
Map-Reduce
MapReduce: Simplified Data Processing on Large Clusters

内存计算
Resilient Distributed Datasets: A Fault-Tolerant Abstraction for In-Memory Cluster Computing

流式计算
S4: Distributed Stream Computing Platform
Twitter Storm

图计算
GraphLab: A New Framework for Parallel Machine Learning
Pregel: a system for large-scale graph processing


4. 分布式应用
图片、视频等
Finding a Needle in Haystack: Facebook‘s Photo Storage

搜索
Web search for a planet: The Google cluster architecture

IM
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分布式系统是一个很大的领域，里面包含很多方向。
既然你都要读paper了，应该也有一定基础了。

伊利诺伊大学的Advanced Distributed Systems 里把各个方向重要papers（updated Spring 2015）列举出来，可以参考一下（我只列举main papers，optional自己可以去看）



Before, There Were Clouds •Larry Ellison‘s Rant on Cloud Computing (Youtube video)

You can join the Googlegroups on Cloud Computing



Cloud Computing Continued

P2P Systems

P2P Systems (contd.)


Key-value Stores and NoSQL

Others: MongoDB



Basic Distributed Algorithms Fundamentals and Sensor Networks

Paxos and CommitingPlease don‘t review the first paper

Cloud Programming
Stream Processing
Somewhat Consistent


Litmus Tests
Adaptivity
Blowing Hot and Cold: Storage
Reliability
A Touch of Sensor Nets
Graph Processing
Latency is King
There‘s a P2P App for That

Process it In-network
How does it Really Behave?
Low Fees Required - Probabilistic Membership
Cluster Scheduling
Distributed Machine Learning
Now Emerging
So Much Data!

Spreading the Rumor


How do Networks Look?
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半吊子，打酱油，不靠谱

经典的意思是经过时间验证的。
排名第一的

的回答列举了他自己选择的最近15年经典，而且其中很多都是10年以后的文章。不可否认，这些是目前分布式比较热门的话题，但我觉得其中能称得上经典的只有一小部分（1，2，3，12，13）。其他文章不能说写的不好，但个人认为离经典还差一些。

 

读经典是为了掌握这个领域最基本的思想，知其然，更要知其所以然。比如chubby，读实现之前，难道不更应该看看paxos算法本身是什么？

其实美国比较好的大学的研究生分布式系统课应该都会有reading list，这些差不多就是经典了。
比如cmu的：15-712 Syllabus。如果你要选30篇，70年代至今分布式最经典的文章，大概就是这些了。你会看到上面好多文章是很老的。为什么还要看？因为想法被继承了，这些文章可以帮你了解所以然。当然上面有些文章其他同学也提到了（比如leslie lamport的paxos等）。

对db感兴趣的，可以看看这个：Reading List // 15-799 :: Advanced Topics in Database Systems (Fall 2013) reynold xin 维护了这个rxin/db-readings · GitHub
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计算机学徒
我觉得分布式系统这一块其实没有一个非常清晰的知识图谱，更多的是人们遇到了不同的问题，给出了不同的解决方案。所以要说非常经典和基础的文章很难。凑巧的是这学期上了一门我们系陈康老师分布式系统导论的课，每节课讲一两篇论文，很有意思，收获很大。所以在这里分享一下课程中涉及到的论文，未必切合题主要求，仅供参考。
1. GFS。google三驾马车之一，分布式文件系统。毋庸置疑，这应该是分布式系统领域最经典的文章，几乎所有分布式、存储和大数据相关的topic都要提到它。
2. BigTable。google三驾马车之一，经典的分布式key/value store。我的理解这类应用为一个简化版的数据库。在实现上类似于操作系统的多级页表。
3. Dynamo。Dynamo是Amazon开发的一套分布式key/value store，但是从设计到属性都和Bigtable相差很远。里面首次提出著名的DHT（分布式哈希表），可以在系统增减节点时迁移代价更低。
3. MapReduce。分布式计算框架。也是google三驾马车之一。把所有的分布式操作抽象成Map和Reduce两类，使得编程非常简单。只需要实现这两个接口就行了。这应该是最早地最有影响力的提出了分布式计算框架，把程序员从裸写mpi程序中解放出来。
4. Spark。分布式计算框架。现在也是大数据时代的宠儿，应该和MapReduce是应用的最广的两个计算框架了。MapReduce每一轮迭代都是在硬盘上，Spark是在内存中，所以速度可能快上两个数量级。
5. Dryad。是微软出的一个分布式计算框架，提出的时间很早，可惜影响力不如前两者。它提供的接口是把分布式计算流程抽象成一个有向无环图，程序员实现每个节点的计算和边的数据传输即可。比MapReduce复杂，但是也更灵活。
6. Raft。Raft是14年提出的一个一致性协议。用来取代Paxos，因为后者实在太复杂，太难以理解。（lamport表示你们都是渣渣）。分布式系统一个经典的模型就是副本状态机，Raft就是用来维护这个副本状态机的一致性的。
MIT 6.824的课程实验：6.824 Home Page: Spring 2016，基本就是以raft为基础进行展开的。
7. Time Vector Clock。 分布式系统里面很难找到一个全局的时间，因为各个机器的时间是不一致的。所以lamport他们就提出了一个向量时钟的概念，来表示分布式系统里面各个事件的相对顺序。
8. Distributed Snapshot。分布式系统快照。这也是非常经典的一个分布式问题，因为分布式系统做快照的时候，各个机器不同步，加上有些信息在网络上飞，所以如何得到一个正确的快照是一个很难的问题。这篇文章提出一个可以理论证明是正确的解。
9. Concurrency Control & Transaction。严格来说这不是论文，是微软出的一本书，concurrency control and recovery in database systems。但是引用已经破了5000。从理论上介绍了什么是事务（transaction），以及如何保证事务的可顺序化和可恢复性。
10. 2 phase lock。这也是上面那本书中的内容，2pl是一个协议，遵循该协议可以确保事务的可顺序化，不会出现多个事务同时操作导致结果不正确的现象。
11. OCC，乐观控制协议。如何不上锁，又能实现多个事务同时处理的正确性。也是数据库领域的经典文章。
12. 2 phase commit，两阶段提交协议。这是分布式事务环境下，如何确保多个机器上事务同时提交或者失败的一个协议。
13. Byzantine容错。Raft和Paxso的环境是所有的机器都是按照正确的逻辑运行，只是有可能失效；Byzantine算法的环境是有些机器可能被劫持，故意扰乱正常的操作。Byzantine算法是解决这种环境下的一致性协议问题。
14. Memory Coherence in Shared Virtual Memory Systems。这个应该归到分布式一致性领域的问题。只不过应用场景在于分布式共享内存。提供一个统一的接口，使得所有的机器看到的是同一个内存空间，而实际上有一个虚拟内存到物理内存的映射。需要重点考虑的是各个机器一致性的问题。这里用到的是顺序一致性
15. Lazy release consistency for software distributed shared memory。和上面的问题一样，都是分布式共享内存，只不过使用了释放一致性。
16. Bayou，是一个手机订会议室的系统。但是以这个系统为例，实现了分布式系统里非常重要的一个概念，最终一致性。我们现在生活中碰到的一些现象，比如微信不同的人看到的聊天记录顺序不一样，很有可能就是因为最终一致性。

以上是关于分布式系统领域有哪些经典论文的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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