分散式作业系统架构ppt课件

.,1,作業系統,第十七章分散式系統,2,第十七章分散式系統,分散處理的概念分散式作業系統架構分散式系統的通訊通訊的設計考量分散式系統的訊息傳遞時間同步,3,集中式系統,CentralizedSystem最早期的電腦是由電腦主體及簡單的輸出輸入裝置所構成集中式系統多台終端機共用一部主電腦分時系統可執行批次作業現今單一之個人電腦，均可視為集中式系統,4,分散式系統,DistributedSystem兩個以上的電腦利用網路互相連接在一起，彼此可以互相協調合作處理應用程式建構網路的優點提供各種資源的遠程存取與資料庫存取功能資源共享提供資源受損時的備份功能提供高可靠度的通信方法，來進行資源的遠程存取和分散式處理,5,分散處理的概念,在資料產生的地方進行處理系統內的資料分散在各地，所以資料的處理式個別處理處理完後再進行通信，可減少通訊量冗餘性(redundancy)資料處理並不侷限在一個地方處理電腦之間具有互相調換的特性一台裝置故障時並不會使整個系統都故障系統具有彈性專用系統的架構分散式系統為了執行各種工作，必須由組成系統的裝置群分擔每一像工作，而不是通用系統裝置的設計越簡單越好，可以降低維護與出錯的機會功能單一,6,分散式系統定義與特性,分散式系統，定義上是將多部獨立的電腦系統以網路匯集起來，讓使用者感覺就像是在使用一部獨立的電腦系統分散式系統具備以下幾個特性提供方便的使用者介面，讓使用者感覺就像是在使用一部高效能的電腦各個獨立的電腦系統間必須要有穩固可靠的溝通網路有效率地分配工作與系統資源提供保護機制，避免系統資源被非法使用者存取,7,分散式系統示意圖,8,分散式系統的基本架構,9,客戶端與伺服器彼此溝通,10,系統優點,分散式系統建置所需要的成本較大型電腦低分散式系統具有分散式處理的能力，可以加快系統整體的運算速度分散式系統的可靠度較佳，系統中若有電腦損壞或無法執行，系統不致於因此而癱瘓分散式系統的擴展能力佳，分散式系統不敷使用時，可以加入電腦來達到擴充系統功能的目的,11,系統缺點,專為分散式系統設計的軟體並不多見，因此軟體的支援較少不穩定或是無法負擔訊息的傳遞量的網路是分散式系統的致命傷分散式系統中的安全問題較為重要，也較難維護,12,分散式系統的通透性,通透性(transparency)：讓分散式系統的使用者感覺像是在使用單處理器系統位址通透性不標示網路上的任何一個資源位置不知道物件存放的位置，但仍然可以存取物件存取通透性可以用同一種方法存取以相同的操作可以存取本地和遠端的檔案，以及其他物件,13,分散式系統的通透性,規模透通性與系統規模無關不變更系統架構或應用程式的演算法，可以制定系統或應用程式的規模並行透通性可以同時處理許多程序使用者或應用程式沒有互相干擾，但仍然可以同時操作共有資料備份透通性具有備份，可以提高可靠度和性能使用者或應用程式不知道複製，但為了提高可靠度和性能，可以使用檔案或其他資料的備份,14,分散式系統的通透性,故障透通性可以承受故障將故障隱藏起來，不管硬體和軟體的故障，使用者或應用程式都可以完成工作搬移透通性可視需要搬移位置不會對使用者會應用程式產生影響，仍然可以在系統內搬移物件性能透通性可重新架構，以提升性能隨著負荷的變化，重新架構系統，以提升性能,15,分散系統的組合程度,16,分散式系統的技術,系統管理、安全保護,應用軟體,應用服務,通信服務,作業系統,硬體,開發支援工具,17,主從架構,透過網路來委託處理並接收處理結果處理內容依靠主從模式(client/servermodel)來解決早期概念以LAN或RPC（RemoteProcedureCall，遠程程序呼叫）應用在工作站方面近期則是客戶端的個人電腦能夠利用伺服器端的主電腦或專用伺服器,18,主從架構示意圖,19,分散式作業系統架構,分散式系統上的作業系統大致上可分為兩大類網路式作業系統分散式作業系統,20,網路式作業系統,網路式作業系統通常是架構在區域網路或廣域網路網路作業系統最主要目的有兩個將多部電腦連接起來，以增進整體的效能可以互相分享資源網路式作業系統可以將擁有不同作業系統的多個電腦系統環境彼此用網路連接起來，同時加入一些功能來增進整體效能並分享彼此資源,21,網路式作業系統,網路式作業系統包含以下與分散式作業系統不同的特點每部電腦擁有自己的作業系統，不是整個分散式作業系統的一部分每個使用者在自己的電腦工作，當要使用遠端資源時，必須先遠端登錄，才能使用遠端資源使用者在不同電腦間進行檔案搬移時，必須特別下指令來進行網路式作業系統是透過網路將各個電腦連接起來，因此如果其中有某部電腦壞掉，也許會導致一些使用者無法繼續工作,22,網路作業系統的一般架構,23,分散式作業系統,分散式作業系統與網路式作業系統的硬體架構類似，一般也是架構在LAN或WAN上分散式作業系統的設計理念與網路式作業系統有以下幾點不同每部電腦各執行一個分散式作業系統或整個分散式作業系統的一部分每個使用者使用系統上的遠端資源就像是使用自己的內部資源一般整個系統的檔案管理由作業系統統一處理，使用者不必知道檔案的實體存放在哪裡、搬移時要下哪些指令分散式作業系統中某部電腦不能工作時，不會因此有任何一位使用者必須終止工作,24,分散式作業系統,分散式作業系統還有三種不同的設計特性資料遷移將目前工作上所需要的部分資料傳送到電腦，以後如需要另一部分資料時，再把該部分資料傳輸過來將要用到的資料一次全部傳到電腦處理運算遷移系統傳送運算內容，而不傳送完整的原始資料行程遷移將行程遷移到別部電腦執行，可增進系統的整體效能,25,分散式系統的通訊,基本代價將不同電腦連接在一起的代價是多少？通信代價將訊息在不同電腦間傳遞的時候，所要花費的時間是多少？可靠度當某個電腦出現錯誤，其餘電腦是否可以相互連繫？,26,系統通訊,在分散式系統中，不同電腦行程間也必須有相互溝通的機制主從架構模式是最常見的溝通方式分散式系統上實作系統通訊，有以下問題必須注意定址阻隔緩衝可靠性,27,定址,基本上有三種方法可以達成定址的目的第一種是利用電腦編號，行程編號，也就是電腦編號加行程編號的機制來達到定址的功能,28,定址,基本上有三種方法可以達成定址的目的第二種是讓行程從一個很大的範圍中挑選一個號碼，然後廣播通知彼此的位址,29,定址,基本上有三種方法可以達成定址的目的第三種是利用一部名稱伺服器記錄各個行程在系統中的位址，當需要溝通時，再向名稱伺服器詢問對方的位址,4,3,客戶端,伺服端,1.向名稱伺服器詢問伺服端位址,2.名稱伺服器回應,3.送要求訊息給伺服端,4.回應給客戶端,名稱伺服器,1,2,30,阻隔,所謂阻隔就是在送訊息時，行程會被暫停，等到訊息被核心送出去後，行程才會繼續執行非阻隔則是行程在送訊息時，只要在訊息被拷貝到核心的緩衝區後，送訊息的行程就可以繼續執行非阻隔的做法有一個缺點，就是可能會有緩衝區中的訊息還沒傳送出去就被覆蓋掉了,31,阻隔與非阻隔的示意圖,2.將行程暫停並將控制權交給核心,3,4,5,2,1,6,1.行程執行,(a),2.將行程暫停並將控制權交給核心,3.訊息複製到核心,4.核心將訊息傳送出去,5.喚醒行程,6.行程繼續執行,3,4,1,5,1.行程執行,(b),3.訊息複製到核心,4.喚醒行程,5.行程繼續執行,時間,32,緩衝,緩衝是行程間傳送訊息的重要機制，設置緩衝區可大幅減少訊息傳送的複雜度與出錯機率擁有緩衝區的系統，系統核心會有一個緩衝區儲存傳送到的訊息。當接收者要接收訊息時，再呼叫接收訊息函式從緩衝區拿出所需要的訊息對於一個沒有緩衝區的系統，接收者會被阻隔，當傳送者的訊息到達後，核心馬上將訊息複製給接收者，並解除接收者的阻隔狀態,33,緩衝區與非緩衝區機制示意圖,34,可靠性,主從架構的另一個問題是訊息可能在傳送的過程中遺失，基本上有三種解決的方式第一種方式是假設訊息一定會傳送到，而且就算訊息遺失也沒關係第二種方式是加入確認機制，確認機制是指伺服端收到客戶端訊息後會回送一個確認訊息，表示伺服端確定收到訊息第三種方法則是阻隔傳送訊息的行程，直到伺服端收到訊息並做完處理再回應給客戶端，被阻隔的行程於收到訊息後才能繼續執行,35,較具可靠性的兩種機制示意圖,1.客戶端送要求訊息到伺服端,36,拓樸架構,拓樸架構描述著分散式系統中，各節點在網路之間的相連關係有各式各樣的網路拓樸架構，例如完全連接部分連接階層星狀環狀多重存取匯流排混和,37,完全連接網路,38,部分連接網路,39,階層網路,40,星狀網路,41,環狀網路,TokenRing的主要架構方式,42,多重存取匯流排,Ethernet的主要架構方式,43,封包傳送,客戶端與伺服端相互傳遞的訊息長度大小不一，為了簡化系統設計，通常是設計為傳送固定大小的訊息，這個固定大小的訊息就稱為封包封包的傳送可能發生封包碰撞的問題發，所以電腦間必須要有機制來解決封包碰撞的問題CSMA/CD令牌傳遞訊息槽位,44,封包傳送,封包傳送路徑也是一個重要問題，路由表的建立與維護有以下三種常用的方法固定路由虛擬路由動態路由兩個行程經網路建立起連線後，兩個行程間持續相互傳送訊息的這段期間內，一般會有以下三種訊息交換模式線路交換訊息交換封包交換,45,通訊的設計考量,命名與名稱決定路徑策略封包策略連接策略爭執,46,命名都採用DNS的階層架構,47,路徑策略,每一台電腦都會有路徑表（routingtable）來記錄可以傳遞資料的路徑，常見的有三種方式固定路由（fixedrouting）為固定的路由設定，一般為管理者已知或預設的路由，除非手動更改不會自動調整虛擬路由（virtualrouting）在實體的路由器上建構虛擬的路由設定，可以依使用者特定需求修改動態路由（dynamicrouting）為路由器彼此交換路由資訊所產生的路由，會隨者網路架構的調整變化而更新,48,連接策略,線路切換（circuitswitching）訊息切換（messageswitching）封包切換（packetswitching）,49,線路切換,每一個call都會在兩端點沿途保留網路資源(頻寬)獨占的資源，不和其他的call共享就像是替兩端建立了一條獨占的circuit必須先做callsetup的動作,50,訊息切換,訊息交換將發送方要傳輸的訊息視為一個整體的資料塊，而對於資料塊的大小不加限制這種方式在進行大訊息的傳輸時，交換設備必須利用磁碟來進行緩衝儲存，單一訊息可能會佔用一條交換線路長達幾分鍾之久，因此不太適合進行交談式通信,51,訊息切換,52,封包切換,所有人的packets共享網路資源(頻寬)每個packet傳送的時候利用全部的頻寬所有頻寬需求加總的大小可以大於實際上網路的頻寬大小會發生壅塞的原因packet被queue起來等待傳送,53,封包切換,B,C,10MbpsEthernet,1.5Mbps,45Mbps,statisticalmultiplexing,Packets在排隊等待傳送,54,爭執,CSMA/CD載波偵測多重存取及碰撞偵測任何Device發送資料之前，必須先傾聽傳輸媒體上是否有載波存在Tokenpassing主要概念是在LAN中存在一個邏輯上的權杖TokenToken可以在網路中持續繞行，僅有獲得Token的設備可以傳送資料CSMA/CA由競爭來取得傳輸媒體的使用權，只有爭取到使用權的才能夠傳輸訊號,55,分散式系統的訊息傳遞,主從式架構暫停式/非暫停式緩衝式/非緩衝式可靠式/不可靠式遠端程序呼叫當A電腦的行程呼叫B電腦的行程時，首先A電腦的呼叫行程會被暫停執行，改在B電腦上執行被呼叫的行程，所運算所需要的資訊將會以參數的方式由A電腦送往B電腦，運算得知的結果也會送回,56,主從架構的訊息溝通與等待,57,遠端服務,遠端服務的模式是本地端的行程呼叫使用遠端電腦所提供的服務，遠端電腦收到這些訊息後，就開始執行所提供的服務，並將結果回傳執行遠端服務也可以像呼叫函式一樣，也就是有一套機制幫忙處理底層的訊息傳遞，就可以簡化遠端服務系統的開發，這樣的機制稱為遠端程序呼叫,58,遠端程序呼叫模型,RPC的設計理念基本上是想要讓執行遠端服務也像呼叫內部函式一樣簡單stub分成客戶端stub與伺服端stub，是用來處理RPC模式中參數傳遞、訊息交換、與錯誤處理等工作的函式stub將參數包裝成適合傳送的封包型態，稱為整碼(marshal)stub從接收的封包中將回傳值解開，稱為反整碼(unmarshal)Skeleton負責將訊息解開，還負責將回傳的資料也包裝成封包並傳回客戶端,59,RPC機制示意圖,60,透過RPC傳遞參數,61,RPC所遭遇到的問題,最困難的地方在於參數傳遞的問題不同電腦因硬體設計的理念南轅北轍，有時連最基本的位元組排列方式都不一樣記憶體0 x010 x02bigendianPowerPC0 x010 x02littleendianx86CPU0 x020 x01指標也無法傳遞,62,如何找到對方電腦-動態連結,當客戶端要使用某個伺服端中的服務時，必須要先知道伺服端的位址才能與伺服端溝通，這個過程稱為連結透過註冊的手法，讓伺服器提供的行程清單動態連結讓客戶端不必事先知道伺服端的位置，在要使用RPC前，再詢問伺服端目前的位址優點客戶端不用事先知道伺服端的位址缺點客戶端向連結器詢問與向連結器註冊的額外負擔,63,動態連結,當客戶端要使