1第一章分布式計算機系統(tǒng)詳解課件

1、高級操作系統(tǒng)北京郵電大學(xué)2022/7/24北京郵電大學(xué)Outline第一章 分布式計算機系統(tǒng)北京郵電大學(xué)第一章 分布式計算機系統(tǒng)1.1 引言與概念1.2 分布式系統(tǒng)的特征1.3 分布式系統(tǒng)的總體評價1.4 分布式系統(tǒng)的資源管理方式 1.5 分布式系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu) 1.6 計算機支持的協(xié)同工作系統(tǒng) 1.7 分布式操作系統(tǒng)北京郵電大學(xué)1.1 引言與概念引言網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使一些操作系統(tǒng)從集中式走向分布式。分布式系統(tǒng)需要與集中式系統(tǒng)完全不同的軟件。 操作系統(tǒng)的新技術(shù)發(fā)展很難準確預(yù)測，我們要在網(wǎng)絡(luò)、分布式環(huán)境下開發(fā)，需要掌握分布式計算機系統(tǒng)的原理，也需要了解他們的實現(xiàn)原理。分布式操作系統(tǒng)是為分布式計算機系

2、統(tǒng)配置的操作系統(tǒng)。北京郵電大學(xué)1.1 引言與概念分布式計算機系統(tǒng)(Distributed Computing Systems)由多個分散的計算機經(jīng)互連網(wǎng)絡(luò)連結(jié)而成的計算機系統(tǒng)。其中各個資源單元(物理或邏輯的)既相互協(xié)同又高度自治。能在全系統(tǒng)范圍內(nèi)實現(xiàn)資源管理，動態(tài)地進行任務(wù)分配或功能分配而且能夠并行地運行分布式程序 。北京郵電大學(xué)1.1 引言與概念分布式計算機系統(tǒng)從硬件角度來講，各個計算機都是自治的；從軟件角度來講，用戶將整個系統(tǒng)看作是一臺計算機。工作方式任務(wù)分布: 把一個任務(wù)分解成多個可并行執(zhí)行的子任務(wù)，分散給各場點協(xié)同完成。功能分布: 把系統(tǒng)的總功能劃分成若干子功能，分配給各場點分別承擔(dān)。

3、 北京郵電大學(xué)1.2 分布式系統(tǒng)的特征資源共享硬件資源、軟件資源開放性可伸縮性可移植性互操作性 并發(fā)性同時工作沒有沖突有沖突，通過相應(yīng)算法解決并發(fā)控制北京郵電大學(xué)1.2 分布式系統(tǒng)的特征容錯性 計算機是會出現(xiàn)錯誤的容錯方法：硬件冗余和軟件恢復(fù)透明性位置透明：用戶不知道資源位于何處 遷移透明：資源可以不改名地隨意移動 復(fù)制透明：用戶不知道有多少個拷貝存在 并發(fā)透明：多個用戶可以自動的共享資源 并行透明：系統(tǒng)活動可以在用戶沒有感覺的情況下并行發(fā)生 北京郵電大學(xué)1.3 分布式系統(tǒng)的總體評價分布式系統(tǒng)的優(yōu)點 性能價格比高 速度 內(nèi)在的分布性 可擴充性 可靠性 適用于多種環(huán)境 北京郵電大學(xué)1.3 分布式

4、系統(tǒng)的總體評價分布式系統(tǒng)的不足管理復(fù)雜性能和可靠性依賴于網(wǎng)絡(luò)保密性差應(yīng)用軟件少 項目描 述軟件目前為分布式系統(tǒng)開發(fā)的軟件還很少網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)可能飽和和引起其它的問題安全容易造成對保密數(shù)據(jù)的訪問北京郵電大學(xué)1.4 分布式系統(tǒng)的資源管理方式 全集中管理方式一個資源由一個管理機制管理 分擔(dān)管理方式一個資源雖由幾個管理機制管理，但各分擔(dān)一種管理職能 輪流管理方式 一個資源可由幾個管理機制管理，但輪流執(zhí)行管理職責(zé) 全分散管理方式 一個資源由多個管理機制在協(xié)商致的原則下共同管理北京郵電大學(xué)1.5 分布式系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu) 常用的連接方式全互連結(jié)構(gòu)、部分互連結(jié)構(gòu)、層次結(jié)構(gòu)、星形結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、總線結(jié)構(gòu)、立方體結(jié)構(gòu) 性

5、能評價標準基本開銷通信開銷可靠性北京郵電大學(xué)1.5 分布式系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)全互連結(jié)構(gòu) 優(yōu)點:各點間消息傳遞快，可靠性高。 缺點:開銷高。 部分互連結(jié)構(gòu) 其開銷比全互連結(jié)構(gòu)低，但通信速度較全互連結(jié)構(gòu)慢，可靠性相對較低。 層次結(jié)構(gòu) 通常情況下，其中的任何中間節(jié)點故障都可能將這種結(jié)構(gòu)分割成若干不相交的子樹。因此，可靠性較低。 北京郵電大學(xué)1.5 分布式系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)星形結(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)的基本開銷與場點個數(shù)成正比，這種通信速度卻是沒有保障的，因為中央場點可能變成瓶頸。 環(huán)形結(jié)構(gòu) 基本開銷較低，但通信代價可能較高。 總線結(jié)構(gòu) 這類結(jié)構(gòu)的開銷同場點成正比，通信代價也很低 立方體結(jié)構(gòu)北京郵電大學(xué)1.6 計算機支

6、持的協(xié)同工作系統(tǒng) 計算機支持的協(xié)同工作系統(tǒng) CSCW一種分布式系統(tǒng)特點群體性、交互性、分布性、協(xié)同性 具體類型電子郵件系統(tǒng)、電子布告欄系統(tǒng)（BBS）群體決策支持系統(tǒng)、協(xié)同編輯系統(tǒng)計算機會議系統(tǒng)、協(xié)同計算機開發(fā)環(huán)境北京郵電大學(xué)1.7 分布式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的形成和發(fā)展階段手工操作階段：每個程序員都必須親自動手操作計算機：裝入卡片或紙帶，按電鈕，查看存儲單元等。批量處理階段：用戶不用與計算機直接打交道，而是通過專門的操作員來完成作業(yè)的輸入和輸出。操作系統(tǒng)形成階段：多道程序和分時系統(tǒng)的出現(xiàn)，標志著操作系統(tǒng)的正式形成多道程序設(shè)計：所謂多道程序設(shè)計，是指同時把若干個作業(yè)存放在內(nèi)存中，并且同時處于執(zhí)行過程

7、中。但是在某時刻只能有一個程序占用CPU執(zhí)行。北京郵電大學(xué)1.7 分布式操作系統(tǒng)分時系統(tǒng)：所謂分時系統(tǒng)，就是在一臺計算機上，連接若干個終端，用戶通過這些聯(lián)機終端設(shè)備采用交互方式把他的程序和數(shù)據(jù)輸入到計算機中，并同時控制程序的執(zhí)行。多級操作系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)主從式、獨立式、分布式 北京郵電大學(xué)1.7 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng) (Distributed Computing Systems)是由多個分散的計算機經(jīng)互連網(wǎng)絡(luò)連結(jié)而成的計算機系統(tǒng)。其中各個資源單元(物理或邏輯的)既相互協(xié)同又高度自治。能在全系統(tǒng)范圍內(nèi)實現(xiàn)資源管理，動態(tài)地進行任務(wù)分配或功能分配而且能夠并行地運行分布式程序。北京郵電大學(xué)1.7

8、 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng) 為分布式計算機系統(tǒng)配置的操作系統(tǒng)系統(tǒng)任務(wù)可以在系統(tǒng)中任何別的處理機上運行。提供高度的并行性和有效地同步算法和通信機制，自動實行全系統(tǒng)范圍的任務(wù)分配并自動調(diào)節(jié)各處理機的工作負載為用戶提供一個方便、友善的用機環(huán)境。分布式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是有區(qū)別的。從操作系統(tǒng)的角度來看，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是為計算機網(wǎng)絡(luò)配置的操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中的各臺計算機配置各自的操作系統(tǒng)，而網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)把它們有機地聯(lián)系起來。北京郵電大學(xué)分布式操作系統(tǒng)主要特點1 進程通信不能借助于公共存儲器，常采用信息傳遞方式；2系統(tǒng)中的資源分布于多個站點，進程調(diào)度、資源分配、系統(tǒng)管理必須滿足分布式處理要求，采用一致性、強健性

9、 的分布式算法；3適時地協(xié)調(diào)各站點的負載；4故障檢測、恢復(fù)、系統(tǒng)重構(gòu)5分布式系統(tǒng)，首先必須有一個單一的、全局的進程間的通信機制，從而使任何進程都可以和其它進程進行通信。北京郵電大學(xué)分布式操作系統(tǒng)主要特點6不同機器上，進程管理也相同。進程建立、撤消、啟動、停止都相同。7文件系統(tǒng)也必須看起來是相同的。同時，每個文件應(yīng)該是在所有地方都是可見的，當(dāng)然，這必須遵守保護和安全性約束的限制。需要一個全局的文件系統(tǒng)。8在系統(tǒng)的所有地方都使用相同的系統(tǒng)調(diào)用接口。北京郵電大學(xué)基于總線的多處理機在CPU和總線之間增加一個高速緩沖存儲器（cache memory），如圖1-5所示。緩沖存儲器保留著最近剛存取過的字。所

10、有的內(nèi)存訪問請求都要經(jīng)過它。如果請求的字在緩沖存儲器中，緩沖存儲器就會直接響應(yīng)CPU，而不產(chǎn)生總線請求。如果緩沖存儲器足夠大的話，那么成功的可能性，稱為命中率，將是很高的。而且每個CPU的總線通信量也會急劇下降，系統(tǒng)中也就能夠容納更多的CPU。通常，緩沖存儲器的大小從64K到1M，命中率經(jīng)?？梢赃_到90%或更高。Cache 的一致性問題；北京郵電大學(xué)1.7 分布式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)分類1單用戶操作系統(tǒng)：在這種操作系統(tǒng)控制下，計算機系統(tǒng)串行地執(zhí)行用戶程序，即在執(zhí)行完一個用戶程序后才接受另一個用戶程序。一些微機上配置的操作系統(tǒng)大多數(shù)就屬這種類型。2批處理操作系統(tǒng)：在這種操作系統(tǒng)的控制下，計算機系統(tǒng)可

11、以同時接受多個多用戶程序，一批批地進行處理。批處理操作系統(tǒng)一般都提供多道程序設(shè)計功能，允許多個程序同時裝入內(nèi)存執(zhí)行。3分時操作系統(tǒng)：分時操作系統(tǒng)又稱多用戶操作系統(tǒng)，在這種操作系統(tǒng)的控制下，多個用戶可以通過各自的終端同時使用一臺計算機。分時操作系統(tǒng)有三個明顯的特點：多路性，交互性和獨占性。北京郵電大學(xué)1.7 分布式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)分類4實時操體系統(tǒng)：實時操作系統(tǒng)是為實時計算機系統(tǒng)配置的一種操作系統(tǒng)，在這種操作系統(tǒng)的控制下，計算機系統(tǒng)能及時地響應(yīng)外部事件的請求，在規(guī)定的時間內(nèi)盡快地完成對該事件的處理，并有效地控制所有實時設(shè)備和實時任務(wù)協(xié)調(diào)地進行。在設(shè)計這類操作系統(tǒng)時，首先要考慮系統(tǒng)的實時性和可靠性

12、，其次才是效率。5網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是為計算機網(wǎng)絡(luò)配置的操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)中的各臺計算機配置有各自的操作系統(tǒng)，而網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)把它們有機地聯(lián)系起來，因此，它除了具有常規(guī)操作系統(tǒng)所應(yīng)具備的存貯管理、處理機管理、設(shè)備管理、信息管理和作業(yè)管理等功能外，還具有以下網(wǎng)絡(luò)管理功能：高效可靠地網(wǎng)絡(luò)通信能力以及多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能。北京郵電大學(xué)1.7 分布式操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)分類6分布式操作系統(tǒng)：分布式操作系統(tǒng)是為分布式計算機系統(tǒng)配置的操作系統(tǒng)。系統(tǒng)任務(wù)可以在系統(tǒng)中任何別的處理機上運行。并提供高度的并行性和有效地同步算法和通信機制，自動實行全系統(tǒng)范圍的任務(wù)分配并自動調(diào)節(jié)各處理機的工作負載為用戶提供一個方便、友善的用機環(huán)境。7多處理機操作系統(tǒng)（并行操作系統(tǒng) ）：多處理機系統(tǒng)可分成兩大類：基于共享存儲的多處理機系統(tǒng)和基于分布存儲的多處理機系統(tǒng)。前者稱為緊耦合多處理機系統(tǒng)，而后者稱為松耦合多處理機系統(tǒng)。 多處理機系統(tǒng)也稱為并行計算機系統(tǒng)。并行機上使用的操作系統(tǒng)稱為并行操作系統(tǒng)。 北京郵電大學(xué)1.7 分布式操作系統(tǒng)構(gòu)造分布式操作系統(tǒng)的三種途徑從頭開始修改、擴充式層次式分布式操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型內(nèi)核集成式客戶機/服務(wù)器模型中央式分散式北京郵電大學(xué)1.7 分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)的層次劃分執(zhí)行層進程通信層服務(wù)支持層用戶接口層分布