高级操作系统课件

高级操作系统教材和参考书目教材：

《分布式系统：原理与范型》AndrewS.Tanenbaum等清华大学出版社2004年参考书：分布式操作系统原理与实践徐良贤等译机械工业出版社2003高级操作系统徐甲同西安电子科技大学出版社2001课件下载地址：/mydownload.jsp课程成绩评定平时成绩：20%（课堂测试）期末考试：80%课程主要内容分布式系统概述分布式系统通信分布式进程管理命名同步一致性和复制容错性分布式安全分布式文件系统第一章分布式系统概述什么是操作系统?什么是分布式系统?分布式系统的硬件分布式系统的软件客户-服务器模型什么是操作系统?操作系统概念：操作系统是一种管理计算机系统资源，控制系统工作流程，方便用户使用计算机的系统软件。操作系统的作用(1)作为用户与计算机硬件系统之间的接口OS作为接口的层状示意图计算机硬件操作系统系统程序应用程序操作系统设计者程序员一般用户命令系统调用操作系统的作用(2)作为计算机系统资源的管理者处理机管理：分配和控制处理机存储器管理：分配及回收内存I/O(Input/Output)设备管理：I/O分配与操作文件管理：文件存取、共享和保护

操作系统的发展历史手工操作批处理系统(batchprocessing)分时系统(time-sharingsystem)实时系统(real-timesystem)两大发展方向-宏观应用和微观应用微型系统：嵌入式操作系统大型系统：分布式操作系统和集群操作系统手工操作的计算机世界上第一台数字式电子计算机

ENIAC，运算速度：5000次/每秒,18000个真空管,占地182平方米，重量130吨，功耗140kW卡片批处理系统IBM1401IBM7094IBM1401输入磁带磁带机卡片阅读机输出磁带打印机主机终端分时系统嵌入式操作系统美国加州伯克利大学研制：微型智能传感器，安装TinyOS常见的操作系统MSOS:MSDOS,Windows95,WindowsNT,Windows2000,WindowsXP,Windows2003UNIX:BSD,SRV4,OSF1,SCOUNIX,AIX,Solaris,Linux嵌入式OS:Linux、VxWorks、WindowsCE.net

、SmartPhone、PocketPC、Symbian分布式操作系统：Amoeba、Mach、Chorus和DCE

分布式系统的定义(1)技术领域的两项进步高性能微处理器的开发高速计算机网络的发明定义：分布式系统是若干独立计算机的集合，它们对于用户来说就像一个系统。分布式系统的定义(2)作为中间件存在的分布式系统1.1分布式系统屏蔽系统中种类各异的计算机和网络，常常通过一个软件层（中间件）组织起来。分布式系统实例大学或公司的工作站网络处理器池单一的文件系统命令的分布式处理支持订单自动处理的工作流系统订单处理流程对用户透明万维网：分布式文档模型分布式系统的优缺点优点：与高性能的大型主机(MainFrame)系统相比经济——较高的性能价格比对固有分布性问题求解的适应性可扩充性——比较松散的构成，使得节点的增减很容易可靠性——自动降级运行保障，故障时不停机宽适应性——增加了对分散用户要求协同的支持与分散系统（每人一台微机或者工作站）相比共享资源、加强通信、通过负载平衡提高系统的效率扩充了系统能力缺点：控制比较复杂，尤其是在资源管理上要附加许多协调操作——资源属于局部工作站性能、可靠性对网络的依赖性强分布式系统的关键目标让用户连接到资源共享资源：降低经济成本方便协作和信息交换：互联网、群件、电子商务透明性开放性可扩展性分布式系统的透明性分布式系统的重要目标之一是透明性，即将它的进程和资源实际上分布在多台计算机上这一事实隐藏起来。透明性 描述访问 隐藏数据表示形式以及访问方式的不同位置 隐藏数据所在位置迁移 隐藏资源是否已移动到另一个位置重定位隐藏资源是否在使用中已移动到另一个位置复制 隐藏资源是否已被复制并发 隐藏资源是否由若干相互竞争的用户共享故障 隐藏资源的故障和恢复持久性隐藏资源（软件）位于内存里或在磁盘上透明度透明性受到限制位置透明性必须将透明性与其他因素（如性能）结合起来考虑。复制透明性分布式系统的开放性开放性定义：根据一系列准则来提供服务，这些准则描述了所提供服务的语法和语义分布式系统中，服务通常通过接口指定，接口定义了可用函数的名称、参数类型、返回值以及可能出现的异常，良好的接口规范说明应具有：完整性中立性互操作性：不同厂商组件的共存和协同工作程度可移植性灵活性：方便的组合不同组件，添加、替换组件灵活性的关键：策略与机制分离分布式系统的可扩展性规模上的扩展：更多的用户和资源地域上的扩展：用户和资源相隔更远管理上的扩展：跨越多个管理机构规模上扩展的限制可扩展性限制的实例概念实例集中式服务供所有用户访问的单服务器集中式数据单个在线电话簿集中式算法根据完整信息安排路由地域上扩展的限制难以扩充为局域网设计的分布式系统的原因：局域网的分布式系统是基于同步通信的，难以适用于广域系统局域网提供高度可靠的基于广播的通信方式，而广域网的通信本质上是不可靠的，而且是点对点的；服务定位问题存在集中式组件产生的性能和可靠性问题管理上扩展的限制在资源使用（以及付费）、管理和安全问题上各域存在相互冲突的策略如单域中的分布式组件得到同域用户的信任，而无法自动拓展到域外分布式系统必须保护自己免受新域的恶意攻击新域必须保护自己免受分布式系统的恶意攻击扩展技术隐藏通信等待时间异步通信减少通信量分布技术：分割组件，分散到系统中，如DNS和WWW复制技术:多拷贝扩展技术--减少通信量1.4由服务器检查表单由客户端检查表单扩展技术--分布技术1.5将DNS名字空间划分为区的例子扩展技术--复制技术复制：增加可用性，有助于负载均衡缓存：在访问资源的客户周围制作资源备份一致性问题分布式系统的硬件多CPU计算机系统：根据是否共享存储器多处理器（multiprocessors）系统：共享存储器多计算机系统（multicomputers）：不共享存储器同构的：相同计算机，单一互联网络异构的：不同计算机，通过不同网络互连根据网络互连体系结构总线型（bus）：使用一根主干线连接交换型（switched）：各机器之间用独立线路相连分布式系统的硬件1.6分布式系统中处理器和存储器的不同组织方式多处理器系统(1)共享内存基于总线的多处理器系统多处理器系统(2)交叉点开关omega交换网络同构多计算机系统需要解决CPU之间的通信问题，信息量较少基于总线基于交换网状拓扑超立方体拓扑MPP（massivelyparallelprocessors）,COW(clustersofworkstations):互联网络与容错性异构多计算机系统计算机差异：处理器类型、存储器大小以及I/O带宽等系统中的互联网络也可以是高度异构的实例：校园网没有整体的系统视图：应用程序不能假定在系统各处都提供相同的性能和服务分布式系统的用武之地分布式系统的软件分布式操作系统：DOS(DistributedOperatingSystems)网络操作系统：NOS(NetworkOperatingSystems)Middleware（中间件）：对NOS的改进，提高分布透明性系统描述主要目标DOS紧耦合的操作系统，用于多处理器系统和同构式多计算机系统，以一种简单的全局视图管理资源隐藏及管理硬件资源NOS松耦合的操作系统，用于异构式多计算机系统(LAN和WAN)，一组运行各自操作系统的计算机协同为远程客户提供本地服务中间件NOS通用服务实现层之上的附加层提供分布式透明性单处理器操作系统管理单CPU的计算机内核模式与用户模式通过微内核分隔应用程序与操作系统代码1.11多处理器操作系统(1)目标是通过多CPU支持高性能数据由多个处理器访问，必须确保数据的一致性信号量（semaphore）和管程（monitor）monitorCounter{private:intcount=0;public:intvalue(){returncount;}voidincr(){count=count+1;}voiddecr(){count=count–1;}}多处理器操作系统(2)用于保护整数免受并发操作的管程，它将阻塞某个进程monitorCounter{private:intcount=0;intblocked_procs=0;conditionunblocked;public:intvalue(){returncount;}voidincr(){if(blocked_procs==0)count=count+1;elsesignal(unblocked);}voiddecr(){if(count==0){blocked_procs=blocked_procs+1;wait(unblocked);blocked_procs=blocked_procs–1;}elsecount=count–1;}}多计算机操作系统具有更高的复杂性：不存在共享的存储器，使用消息通信多计算机操作系统的常见结构1.14分布式共享内存系统（DSM）(1)分布到四台机器的地址空间中的页CPU1引用页10后的情况假定页10是只读的并且进行复制后的情况人们试图在多计算机系统上模拟共享存储器提高性能的方法：复制页的大小分布式共享内存系统(2)两个独立进程间页面的伪共享：页面太大导致的问题1.18网络操作系统(1)不假定底层硬件是同构的网络操作系统的常见结构网络操作系统(2)rloginmachinercpmachine:file1machine2:file2全局文件系统：网络操作系统中的两个客户和一个服务器网络操作系统(3)不同的客户可以导入服务器上的文件系统，并把它安装到不同的位置1.21网络操作系统(4)缺乏透明性：不方便使用、存在安全缺陷扩展性好，添加或删除机器方便中间件以中间件形式组织的分布式系统的一般结构对应用程序隐藏底层平台的异构性中间件模型：将所有东西都看作文件分布式文件系统基于RPC分布式对象分布式文档中间件服务：访问透明性命名服务分布式事务安全功能中间件和开放性在一个基于中间件的开放分布式系统中，各中间件层所使用的协议及向应用程序提供的接口必须相同1.23各种系统的比较项目分布式操作系统网络操作系统基于中间件的分布式系统多处理器系统多计算机系统透明度很高高低高所有的节点使用的操作系统是否相同是是否否操作系统拷贝数目1NNN通信基于的实体共享内存消息文件特定模型资源管理全局，集中管理全局，分布管理各节点自行管理各节点自行管理可扩展性否部分是各系统不同开放性封闭的封闭的开放的开放的客户端-服务器模型服务器（server）：实现某个特定服务的进程客户（client）：向服务器请求服务的进程客户端-服务器之间的一般交互客户端-服务器示例(1)客户端-服务器使用的header.h客户端-服务器示例(2)一个简单的服务器客户端-服务器示例(3)使用服务器拷贝文件的客户1-27b应用程序的分层客户服务器应用程序通常组织为三个层次：用户界面层：用户交互处理层：应用程序核心功能数据层：操作数据或文件系统1-28多层体系结构(1)客户端-服务器模型可能的组织结构(a)–(e).1-29多层体系结