操作系统第8章

1、第8章 操作系统结构与分布式系统 1 操作系统的结构2 分布式系统概念3 分布式操作系统 操作系统的结构. 单体结构 单体系统是非模块化的，但它蕴含着一种基本的结构关系： （）一个主过程，它接受和解释系统调用命令，并调用相应的过程。 （）一组执行系统调用的服务过程，每个系统调用都有对应的服务过程。 （）一组支持服务过程的实用过程，每个实用过程完成若干个服务过程所必须执行的公共事务。图- 单体结构的分层 . 模块分层结构 这是一种模块化的系统结构。它把操作系统划分成若干模块，并按这些模块的控制或服务关系进行分层，每层包含一个或若干个模块。底层（第层）是宿主机（即硬件系统），最高层（第层）是用户接

2、口。层与层之间存在着一种单向依赖关系高层依赖于低层，而低层不依赖于高层，即高层模块可以调用低层模块，反之则不行。如果同层中的各模块之间不存在相互调用关系，则这种分层结构是全序的，否则是半序的。模块分层结构通常也称为有序分层结构。 .自底向上（-）法 以宿主系统（底层）为基础，对的各项功能（如、存贮器、外部设备等）作第一次扩充，得到一个比功能更强的虚拟机；然后再以为基础进行第二次扩充，得到新虚拟机。如此依次扩充，自底向上地一层层地扩充，最终达到目标系统（顶层）。在扩充过程中，各级虚拟机具有下列性质： i所提供的资源和功能构成了建立的全部基础（单向依赖关系)； 从i扩充到时，并不一定是的全部功能都

3、同时被扩充了，的那些未经扩充的功能被看成是延续到中去，故中有一些功能等同于的功能，在建立时，把它看成是的功能； 在定义Ai+1的新资源时所用到的的资源，在中不应再出现； 顶层的正确性，可通过逐步证明以下的每一级虚拟机的正确性来得到证实。 自顶向下（-）法 与自底向上法相反，它是从目标系统出发，过渡到宿主系统的。为了实现，设计一个适当的虚拟机，使得能在上实现。但本身还无法独立运行，因此再设计一个新的虚拟机来实现。如此重复，便产生虚拟机序列，。能在上独立运行。 图- 系统的分层结构 . 顾客服务员模式 图- 顾客-服务员模式图- 分布式系统中的顾客 分布式系统概念 图- 紧密连接的多处理机系统 图

4、- 松散连接的分布式系统 资源的充分利用 把多个不同的系统连接起来，可向用户提供更为丰富的资源，以满足不同用户的应用需求。一个节点机的用户不仅可使用本机的局部资源，还可方便地使用各种远程资源，特别是一些专门用途的设备（如高速阵列计算机）。使用远程资源可以由用户选择，也可以由系统自动分配。分布式系统一般都提供这样的资源共享机构：共享远程文件，访问分布式数据库，使用远程专用硬设备等等。此外，从经济角度，一个由微型机组成的分布式系统，其造价通常要低于一台大型通用计算机系统。 . 加速作业的运行 如果一个用户作业可以分割成若干可并发执行的作业步，则可把该作业分布在不同的节点机上并使各作业步并发执行，从

5、而减少一个作业的周转时崐间。此外，如果某节点机当前收容的作业已超载，那么可以将某些作业迁移到其它低负载的节点机上。这种作业的迁移也是一种资源共享，称为负载共享。 . 提高可靠性 一个分布式系统一般具有这样的容错能力：如果一个节点机发生故障，仍可保证整个系统继续工作。对于由若干大型通用计算机组成的分布式系统，一个节点机的失效，不会影响其它节点机的工作。对于具有专用节点机的分布式系统，这种专用节点机通常是小型机或微型机，它负责某种专门的系统服务功能（如文件服务），如果某个专用节点机发生故障，就有可能导致整个系统的垮台。解决这种问题的通常做法是提供冗余的软硬资源和系统自检以及置换和恢复手段。当系统检

6、测到某个专用节点机已失效，就用其它节点机来取而代之，在失效节点机被修复之后，可以再将它重新连接回系统内。 . 方便用户通信 在一个分布式系统中，不同节点机的用户可以方便地相互交换信息。系统支持的用户通信功能包括文件传送、远程录入以及电子邮递。不同节点机上的两个用户可以利用用户通信功能共同完成某项应用任务。通过文件传送，他们可以共享对方的文件；通过远程录入，可以在对方的机器上运行程序；通过电子邮递，他们可随时交换信息，协调任务的进行。 . 网络拓扑 . 星形网 图- 星形网 . 环形网 图- 环形网 总线网 图- 总线网 . 树形网 图- 树形网 图- 全连接形网 . 全连接形网 . 网络通信

7、. 路径选择 （）在静态方案中，从到有一条事先规定好的固定不变的物理路径，通常为最短路径。仅当由于硬件故障而导致该路径失效之后，系统才为和之间规定一条新的固定路径。 （）在动态方案中，一条从到的具体通信路径是在消息发送时以及消息发送过程中动态作出决定的，这可根据当前通信线路的忙闲状况或最近最少使用策略进行抉择。 . 线路竞争 （） （）标记传递 （）消息槽 . 网络类型 局部网络 远程网络 图- 远程网络 分布式操作系统. 网络规程 （）应用层这是最高层，它负责与用户直接交互作用，接受网络服务请求，如文件传送、远程注册、电子邮递等。 （）表示层本层负责为两个节点机之间传输数据提供格式转换，以解

8、决各种类型节点机之间存在的数据格式上的差异。 （）对话层本层负责实现进程级的通信规程，组织和同步两个进程之间的对话并管理它们间的数据交换。 （）传送层该层负责对网络的低级访问和进程之间的消息传送，包括把消息分割成若干个包，控制包的传送次序，流量控制以及产生物理地址。 （）网络层本层两个节点机之间的包传送进行路径选择，确定一条逻辑链路。 （）数据链路层本层处理包的控制信息（如地址的译码），检测和排除在物理层出现的错误。 （）物理层本层负责处理字位（）序列在通信线路上的实际物理传输所涉及的机械和电气细节。 . 分布式操作系统的结构 . 集中控制模式 整个网络设有单一的操作系统，它集中控制和管理网中

9、的所有资源，并向用户提供各种网络服务。该操作系统的主要功能被分解成若干服务员模块，每个服务员负责一项专门的系统任务，例如进程服务员、存贮服务员、命名服务员、文件服务员、专用设备服务员等。这些服务员驻留在一个或多个专用的服务员节点机上，它们在系统内核的支持下运行，并利用网络规程与顾客（用户）进程通信。 . 对称控制模式 图-3 对称控制模式 . 远程资源共享 . 数据迁移 节点机上的用户进程可以访问驻在另一节点机上的数据，数据迁移机构把指定的数据从传送到。有两种方法实现这种迁移：其一是以文件为单位的整体迁移，此后，被迁移文件的副本便可在上作为局部文件使用；另一种方法是仅迁移指定部分（如一个记录）

10、。当被迁移数据在上被修改过，则在使用完毕之后需将该数据副本复制回节点机。 如果上的进程需频繁地访问上的某个文件，并且其访问覆盖了该文件的大部分内容，那么第一种方法是更为有效的。 . 计算迁移 计算迁移可用不同的方法来实现。一种方法是使用远程过程调用RPC(Remote Procedure Call），假设节点机的进程要使用节点机上的一个文件进行某种计算，它执行一个，调用在上有定义的一个过程，然后等待返回结果；上的过程访问所指定的文件并使用它进行相应计算，然后把结果送给。 另一种方法是在上创建一个新进程来执行所指定的任务。进程发送一则消息到，由上的操作系统产生一个新的进程，当完成了指定任务后，再

11、通过回送消息的方式将计算结果送给，然后被撤销之。这种方法允许和在不同的节点机上并发执行。 . 进程迁移 对称控制模式的分布式操作系统支持进程迁移。一个用户进程一旦在某个节点机上开始运行，可以在此后的某个时刻起被迁移到其它合适的节点机上继续运行。这种方案可满足下列需求： （）负载平衡（）计算加速 （）硬件需求 （）软件需求 . 远程进程通信 图- 代理人方式的远程进程通信 . 分布式文件系统 . 的基本组织方式 在集中控制模式中，文件服务员驻留在专用的服务员节点机上，它集中管理多个磁盘，建立全网统一的文件结构，任一文件都被加入到该文件结构中。用户使用的是无磁盘的网络工作站。 在对称控制模式中，系统中没有专用的文件服务员节点机，每一个节点机上都建有局部文件系统并驻有一个文件服务员，该服务员负责管理本机的操作系统与文件系统之间的通信。当用户进程访问的是一个远程文件时，由文件服务员负责与其它节点机上的文件服务员通信，以实现远程文件访问。 . 文件服务员的接口 （）提供远程磁盘。 （）支持文件访问但不支持目录访问。 （）提