高级操作系统课件

1、教材：教材： 分布式系统：原理与范型分布式系统：原理与范型Andrew S.Tanenbaum等等 清华大学出版社清华大学出版社 2004年年 参考书：参考书： 分布式操作系统原理与实践分布式操作系统原理与实践 徐良贤等译徐良贤等译 机械工业出版机械工业出版社社 2003 高级操作系统高级操作系统 徐甲同徐甲同 西安电子科技大学出版社西安电子科技大学出版社 2001 课件下载地址：课件下载地址：http:/ 平时成绩：平时成绩：20% （课堂测试）（课堂测试） 期末考试：期末考试：80%分布式系统概述分布式系统概述 分布式系统通信分布式系统通信 分布式进程管理分布式进程管理命名命名同步同步一致

2、性和复制一致性和复制容错性容错性分布式安全分布式安全 分布式文件系统分布式文件系统 什么是操作系统什么是操作系统? 什么是分布式系统什么是分布式系统? 分布式系统的硬件分布式系统的硬件 分布式系统的软件分布式系统的软件 客户客户-服务器模型服务器模型 操作系统是一种管理计算机系统资源，控制系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。统工作流程，方便用户使用计算机的系统软件。OS作为接口的层状示意图作为接口的层状示意图计算机硬件计算机硬件操作系统操作系统系统程序系统程序应用程序应用程序操作系统设计者操作系统设计者程序员程序员一般用户一般用户命令命令系统调用

3、系统调用 手工操作手工操作 批处理系统批处理系统(batch processing) 分时系统分时系统(time-sharing system) 实时系统实时系统(real-time system) 两大发展方向两大发展方向-宏观应用和微观应用宏观应用和微观应用 微型系统：嵌入式操作系统微型系统：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大型系统：分布式操作系统和集群操作系统运算速度：运算速度：5000次次/每秒每秒, 18000个真空管个真空管, 占地占地182平方米，重量平方米，重量130吨，功耗吨，功耗140kW卡片卡片批处理系统批处理系统IBM1401IBM7094IBM1

4、401输入磁带输入磁带磁带机磁带机卡片阅读机卡片阅读机输出磁带输出磁带打印机打印机主机主机终终端端美国加州伯克利大学研制：微型智能传感器，安装美国加州伯克利大学研制：微型智能传感器，安装TinyOS MS OS: MS DOS, Windows 95, Windows NT, Windows 2000,Windows XP, Windows 2003 UNIX: BSD, SRV4, OSF1, SCO UNIX, AIX, Solaris, Linux 嵌入式嵌入式OS:Linux、VxWorks、Windows CE.net 、Smart Phone、Pocket PC、Symbian 分

5、布式操作系统：分布式操作系统：Amoeba、Mach、Chorus和和DCE 技术领域的两项进步技术领域的两项进步 高性能微处理器的开发高性能微处理器的开发 高速计算机网络的发明高速计算机网络的发明 定义：分布式系统定义：分布式系统是若干是若干独立计算机独立计算机的集的集合，它们对于用户来说就像合，它们对于用户来说就像一个系统一个系统。作为中间件存在的分布式系统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。个软件层（中间件）组织起来。 大学或公司的工作站网络大学或公司的工作

6、站网络 处理器池处理器池 单一的文件系统单一的文件系统 命令的分布式处理命令的分布式处理 支持订单自动处理的工作流系统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订单处理流程对用户透明 万维网：分布式文档模型万维网：分布式文档模型优点：优点：与高性能的大型主机与高性能的大型主机(Main Frame)系统相比系统相比经济经济较高的性能价格比较高的性能价格比对固有分布性问题求解的适应性对固有分布性问题求解的适应性可扩充性可扩充性比较松散的构成，使得节点的增减很容易比较松散的构成，使得节点的增减很容易可靠性可靠性自动降级运行保障，故障时不停机自动降级运行保障，故障时不停机宽适应性宽适应性增

7、加了对分散用户要求协同的支持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扩充了系统能力缺点：缺点：控制比较复杂，尤其是在资源管理上控制比较复杂，尤其是在资源管理上要附加许多协调操作要附加许多协调操作资源属于局部工作站资源属于局部工作站性能、可靠性对网络的依赖性强性能、可靠性对网络的依赖性强 让用户连接到资源让用户连接到资源 共享资源：降低经济成本共享资源：降低经济成本 方便协作和信息交换：互联网、群件、电子商务方便协作和信息

8、交换：互联网、群件、电子商务 透明性透明性 开放性开放性 可扩展性可扩展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。际上分布在多台计算机上这一事实隐藏起来。透明性透明性描述描述访问访问 隐藏数据表示形式以及访问方式的不同隐藏数据表示形式以及访问方式的不同位置位置 隐藏数据所在位置隐藏数据所在位置迁移迁移 隐藏资源是否已移动到另一个位置隐藏资源是否已移动到另一个位置重定位重定位 隐藏资源是否在使用中已移动到另一个位置隐藏资源是否在使用中已移动到另一个位置复制复制 隐藏资源是否已被复制隐藏资源

9、是否已被复制并发并发 隐藏资源是否由若干相互竞争的用户共享隐藏资源是否由若干相互竞争的用户共享故障故障 隐藏资源的故障和恢复隐藏资源的故障和恢复持久性持久性 隐藏资源（软件）位于内存里或在磁盘上隐藏资源（软件）位于内存里或在磁盘上 透明性受到限制透明性受到限制 位置透明性位置透明性 必须将透明性与其他因素（如性能）结合必须将透明性与其他因素（如性能）结合起来考虑。起来考虑。 复制透明性复制透明性 开放性定义：根据一系列准则来提供服务，这些开放性定义：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，接口定分布式系

10、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：能出现的异常，良好的接口规范说明应具有： 完整性完整性 中立性中立性 互操作性：不同厂商组件的共存和协同工作程度互操作性：不同厂商组件的共存和协同工作程度 可移植性可移植性 灵活性：方便的组合不同组件，添加、替换组件灵活性：方便的组合不同组件，添加、替换组件 灵活性的关键：策略与机制分离灵活性的关键：策略与机制分离 规模上的扩展：更多的用户和资源规模上的扩展：更多的用户和资源 地域上的扩展：用户和资源相隔更远地域上的扩展：用户和资源相隔更

11、远 管理上的扩展：跨越多个管理机构管理上的扩展：跨越多个管理机构可扩展性限制的实例可扩展性限制的实例概念概念实例实例集中式服务集中式服务供所有用户访问的单服务器供所有用户访问的单服务器集中式数据集中式数据单个在线电话簿单个在线电话簿集中式算法集中式算法根据完整信息安排路由根据完整信息安排路由难以扩充为局域网设计的分布式系统的原因：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

12、且是点对点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存在集中式组件产生的性能和可靠性问题 在资源使用（以及付费）、管理和安全问在资源使用（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，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新域必须保护自己免受分布式系统的恶意攻击 隐藏通信等待时间隐藏通信等待

13、时间 异步通信异步通信 减少通信量减少通信量 分布技术：分割组件，分散到系统中，如分布技术：分割组件，分散到系统中，如DNS和和WWW 复制技术复制技术: 多拷贝多拷贝1.4a) 由服务器检查表单由服务器检查表单b) 由客户端检查表单由客户端检查表单1.5将将DNS名字空间划分为区的例子名字空间划分为区的例子 复制：增加可用性，有助于负载均衡复制：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缓存：在访问资源的客户周围制作资源备份 一致性问题一致性问题多多CPU计算机系统：计算机系统： 根据是否共享存储器根据是否共享存储器 多处理器（多处理器（multiprocessors

14、）系统：共享存储器）系统：共享存储器 多计算机系统（多计算机系统（multicomputers） ：不共享存储器：不共享存储器 同构的：相同计算机，单一互联网络同构的：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根据网络互连体系结构 总线型（总线型（bus）：使用一根主干线连接）：使用一根主干线连接 交换型（交换型（switched）：各机器之间用独立线路相连）：各机器之间用独立线路相连1.6分布式系统中处理器和存储器的不同组织方式分布式系统中处理器和存储器的不同组织方式 共享内存共享内存基于总线的多处理器系统基于总线

15、的多处理器系统a)交叉点开关交叉点开关b)omega 交换网络交换网络需要解决需要解决CPU之间的通信问题，信息量较少之间的通信问题，信息量较少基于总线基于总线基于交换基于交换a)网状拓扑网状拓扑b)超立方体拓扑超立方体拓扑c)MPP（massively parallel processors）,COW (clusters of workstations):互联网络与容错性互联网络与容错性 计算机差异：处理器类型、存储器大小以及计算机差异：处理器类型、存储器大小以及I/O带带宽等宽等 系统中的互联网络也可以是高度异构的系统中的互联网络也可以是高度异构的 实例：校园网实例：校园网 没有整体的系统

16、视图：应用程序不能假定在系统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用武之地分布式操作系统：分布式操作系统：DOS (Distributed Operating Systems)网络操作系统：网络操作系统：NOS (Network Operating Systems)Middleware（中间件）：对（中间件）：对NOS的改进，提高分布透明性的改进，提高分布透明性系统系统描述描述主要目标主要目标DOS紧耦合的操作系统，用于多处理器系统和同构紧耦合的操作系统，用于多处理器系统和同构式多计算机系统，式多计算机系

17、统，以一种简单的全局视图管理以一种简单的全局视图管理资源资源隐藏及管理硬件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松耦合的操作系统，用于异构式多计算机系统(LAN 和和 WAN)，一组运行各自操作系统的计，一组运行各自操作系统的计算机协同算机协同为远程客户提供本地为远程客户提供本地服务服务中间件中间件NOS 通用服务实现层之上的附加层通用服务实现层之上的附加层提供分布式透明性提供分布式透明性 管理单管理单CPU的计算机的计算机 内核模式与用户模式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通过微内核分隔应用程序与操作系统代码1.11 目标是通过多目标是通

18、过多CPU支持高性能支持高性能 数据由多个处理器访问，必须确保数据的一致性数据由多个处理器访问，必须确保数据的一致性 信号量（信号量（semaphore）和管程（）和管程（monitor）monitor Counter private: int count = 0;public: int value() return count; void incr () count = count + 1; void decr() count = count 1; 用于保护整数免受并发操作的管程，它将阻塞某个进程用于保护整数免受并发操作的管程，它将阻塞某个进程monitor Counter private:

19、 int count = 0; int blocked_procs = 0; condition unblocked;public: int value () return count; void incr () if (blocked_procs = 0) count = count + 1; else signal (unblocked);void decr() if (count =0) blocked_procs = blocked_procs + 1; wait (unblocked); blocked_procs = blocked_procs 1; else count = co

20、unt 1; 具有更高的复杂性：不存在共享的存储器，使用消息通信具有更高的复杂性：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多计算机操作系统的常见结构1.14a)分布到四台机器的分布到四台机器的地址空间中的页地址空间中的页b)CPU 1 引用页引用页10后的情况后的情况c)假定页假定页10是只读的是只读的并且进行复制后的并且进行复制后的情况情况 两个独立进程间页面的伪共享：页面太大导致的问题两个独立进程间页面的伪共享：页面太大导致的问题1.18 不假定底层硬件是同构的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的常见结构 rlogin machine rcp m

21、achine:file1 machine2: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全局文件系统：网络操作系统中的两个客户和一个服务器 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同的位置1.21 缺乏透明性：不方便使用、存在安全缺陷缺乏透明性：不方便使用、存在安全缺陷 扩展性好，添加或删除机器方便扩展性好，添加或删除机器方便 以中间件形式组织的分布式系统的一般结构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对应用程序隐藏底层平台的异构性 中间件模型：中间件模型： 将所有东西都看

22、作文件将所有东西都看作文件 分布式文件系统分布式文件系统 基于基于RPC 分布式对象分布式对象 分布式文档分布式文档 中间件服务：中间件服务： 访问透明性访问透明性 命名服务命名服务 分布式事务分布式事务 安全功能安全功能 在一个基于中间件的开放分布式系统中，各中间件层所使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用的协议及向应用程序提供的接口必须相同1.23项目项目分布式操作系统分布式操作系统网络操作系统网络操作系统基于中间件的分基于中间件的分布式系统布式系统多处理器系统多处理器系统多计算机系统多计算机系统透明度透明度很高很高高高低低高高所有的节

23、点使用的操作所有的节点使用的操作系统是否相同系统是否相同是是是是否否否否操作系统拷贝数目操作系统拷贝数目1NNN通信基于的实体通信基于的实体共享内存共享内存消息消息文件文件特定模型特定模型资源管理资源管理全局，集中管全局，集中管理理全局，分布管全局，分布管理理各节点自行管各节点自行管理理各节点自行管理各节点自行管理可扩展性可扩展性否否部分部分是是各系统不同各系统不同开放性开放性封闭的封闭的封闭的封闭的开放的开放的开放的开放的 服务器（服务器（server）：实现某个特定服务的进程）：实现某个特定服务的进程 客户（客户（client）：向服务器请求服务的进程）：向服务器请求服务的进程 客户端客户

24、端-服务器之间的一般交互服务器之间的一般交互 客户端客户端-服务器使用的服务器使用的 header.h一个简单的服务器一个简单的服务器使用服务器拷贝文件的客户使用服务器拷贝文件的客户1-27 b客户服务器应用程序通常组织为三个层次：客户服务器应用程序通常组织为三个层次：用户界面层：用户交互用户界面层：用户交互处理层：应用程序核心功能处理层：应用程序核心功能数据层：操作数据或文件系统数据层：操作数据或文件系统1-28 客户端客户端-服务器模型可能的组织结构服务器模型可能的组织结构 (a) (e).1-29 服务器充当客户端角色的例子服务器充当客户端角色的例子1-30 Web 服务横向分布示例服务横向分布示例1-31 分布式系统的定义分布式系统的定义 分布式系统的目标分布式系统的目标 分布式系统的硬件分布式系统的硬件 分布式系统的软件分布式系统的软件 分布式操作系统