分布式操作系统1课件

分布式操作系统(高等操作系统)DistributedOperatingSystem2005.8计算机与通信学院胡峰松副教授.课程序言教师介绍胡峰松，92年国防科大毕业，湖南大学硕士毕业，副教授，在读博士生。主讲了操作系统、计算机网络、微机原理、INTERNET基础等课程。分布式操作系统课程由我主讲。fshu8944489

.课程介绍分布式操作系统的前导课程操作系统基础；分布式操作系统课程先定义分布式操作系统，再较全面地介绍了分布式操作系统环境中的通信、同步、进程、文件系统和存储器管理等方面的概念与算法，并详细地给出了分布式操作系统设计实例。理论与实践结合，1—6章讲叙原理，7—10章介绍4个分布式操作系统的实例。通过学习对分布式操作系统的原理和实现有一个完整的认识和了解，并能了解与跟踪当前的最新技术。.课程计划分布式操作系统课程共计划48个课时，其中讲授42学时，自学6学时.第一章分布式系统概述 4课时第二章分布式系统的通信 6课时第三章分布式系统的同步 6课时第四章分布式系统的进程和处理机 6课时第五章分布式文件系统 6课时第六章分布式共享存储器 6课时第七章分布式系统实例研究4课时上机实习6课时考前复习4课时.教学与考核

1、采用多媒体教学，电子教案与传统板书相结合；2、课堂点名、提问与实验，占期评成绩15%；3、布置作业与讲解，占期评成绩15%；4、找资料并写相关小论文，占期评成绩10%；5、期终考试采用闭卷笔试，占期评成绩60%；.参考资料1、中、英文版教材:DistributedOperatingSystemsAndrewS.Tanenbaum2、DoreenL.Galli:“分布式操作系统原理与实践”机械工业出版社20033、WilliamStallings“操作系统：内核与设计原理”，电子工业出版社，20014、论文集：Procceedingsofthen-thACMSymposiumonOperatingSystemsPrinciples;5、论文集：Procceedingsofthen-thInternationalConf.OnDistributedComputingSystems;6、期刊：ACMTransactionsonComputerSystems7、期刊：OperationSystemsReview8、OperatingSystemsConcepts[sixthedition]AbrahamSilberschatz高等教育出版社.第一章分布式系统概述1.1引言一、分布式发展的原因：45—85计算机庞大且很贵，只能独立运行；85—今计算机技术取得了惊人的进步：1、功能更强的微处理机的开发；8—16—32—64位微处理机（CPU）开发与普及，1000万美元1条指令/秒发展到1000美元1000万条指令/秒性能价格比提高了10的11次方倍。.2、高速计算机网络的出现与发展；LAN:10M—100M—1000M(1G)网络传输速度WAN:64k—1000M(1G)光纤网络硬件成熟：使大量CPU组成的计算机系统可以通过网络连接在一起；集中式系统Singleprocessorsystems(centralizedsystems)分布式系统Distributedsystems软件刚起步：分布式系统需要与集中式系统完全不同的软件；.ADistributedSystem.二、定义Adistributedsystemis:Acollectionofindependentcomputersthatappearstoitsusersasasinglecoherentsystem（asinglecomputer）.一个分布式系统是一些独立的计算机的集合，但对于这个系统的用户来说，系统就象一台完整计算机一样。.分布式操作系统定义的含义：1、硬件每台计算机都是自主的；2、软件用户将整个系统看作是一台计算机；举例：1、LAN,多cpu,一个文件系统，cpu分配优化、均衡。2、工厂，机器人自主工作，程序一致性。3、银行，异地通存通兑。.DefinitionofaDistributedSystem(2)Adistributedsystemorganizedasmiddleware.

Notethatthemiddlewarelayerextendsovermultiplemachines.1.1.1.2分布式系统的目标一、分布式系统与集成式系统相比较的优点1、经济的驱动微处理机提供了比大型主机更好的性能价格比；2、计算机处理速度分布式系统总的计算能力比单个大型主机更强；3、分布式系统固有的分布性一些应用涉及到空间上分散的机器，如连锁店；.4、协同工作CSCW（ComputerSupportedCooperativeWork）一组距离较远的工作人员可以一起进行工作，CSCG（ComputerSupportedCooperativeGames）5、高可靠性一个机器崩溃，整个系统仍可以正常运转；6、渐增式的增长方式增加一些处理机，计算机能力可以逐渐增加；‘大量pc的存在和人们共同工作与信息共享的需要’是分布式系统发展的主要驱动力。.二、分布式系统与独立PC机相比较的优点1、数据共享分布式系统允许多个用户访问一个公共的数据库（共享数据）2、设备共享分布式系统允许多个用户共享昂贵的外围设备（共享资源）3、网络与通信使得人们之间的通信更加容易，增强了信息沟通，如：E-mail等4、灵活性用最有效的方式将工作负荷分配到可用的机器上，并不总是在自己的计算机上完成，即负载均衡。.三、分布式系统的缺点1、在软件方面目前为分布式系统开发的软件还比较少，在设计、实现及使用分布式系统上都没有太经验，什么os.、program和application适合这一系统？2、在通信网络方面网络可能损失信息、信息过载饱和引起网络替换或网络扩容等其他问题，抵消大部分优势。3、安全性方面共享数据、资源容易造成对保密数据的访问失控，无连接、孤立的计算机存储保密数据更为安全可靠。.1.3硬件概念分布式系统具有多种类型的硬件组织方法：体现在Cpu的互连方式和Cpu的通信方式上。有许多cpu计算机系统分类方案，其中按照指令流的数量与数据流的数量进行划分：1、单指令流，单数据流（SISD）SingleInstructionstream,Singledatastream传统单处理机（单cpu的）计算机。2、单指令流，多数据流（SIMD）SingleInstructionstream,Multipledatastream具有处理器阵列结构,指令单元取出一条指令后，操纵许多数据单元并行地执行该指令，且数据单元都有自己的数据。.3、多指令流，单数据流（MISD）MultipleInstructionstream,Singledatastream无此类计算机4、多指令流，多数据流（MIMD）MultipleInstructionstream,Multipledatastream本质上是一组独立的计算机，各自有程序计数器、程序和数据。所有的分布式系统都是MIMD型。.HardwareConcepts1.6Differentbasicorganizationsandmemoriesindistributedcomputersystems.MIMD可以根据耦合程度细分：紧耦合：多处理机/多处理器，具有共享存储器，共享统一的虚拟地址空间，信息传输延迟小，速度快，多用于并行系统松耦合：多计算机，不具有共享存储器，信息传输延迟较大，速度较慢，多用于分布式系统主要区别：multiprocessor具有共享存储器,如任一cpu将44写入地址1000中，随后任一cpu从地址1000中读出44。multicomputer不具有共享存储器,无影响。如网络连接的个人计算机的集合。紧耦合多用于并行系统，松耦合多用于分布式系统有反例（分解因子）p7.MIMD还可以根据互连网络的体系结构细分：总线型（bus）：只通过单个网络、底版、总线、电缆或其他介质将所有计算机联结起来。如有线电视网，交换型（switched）：机器之间有独立的线路,信息沿着线路传输，每步都有路由选择。如公共电话系统。.并行分布式计算机MIMD多处理机（共享存储器）多计算机（私有存储器）总线型交换型交换型总线型图1-1并行及分布式计算机系统分类法SequentencoreSupercomputerLan工作站超立方体.一、基于总线的多处理机MemoryCPUCPUCPUCacheCacheCache总线图1-2基于总线的多处理机P8工作过程.特点:(p8)1、一个存储器，相关性（coherent），总线请求2、总线易过载，CPU数目有限(<=64个)增加cachememory3、使用高速缓存提高命中率,总线的通信量会下降，但有不一致问题4、采用通写缓冲存储器（write-throughcache），读命中不会，读失败和写会引起总线负载5、采用监听缓冲存储器（snoopycache）,发现memory有写，则更新或清掉缓冲存储器的相应地址的值。相关性（coherent）6、通信量大，通常需要高速背板总线.二、基于交换型的多处理机图1-3a)交叉开关b)omega网络p9.特点：1：交叉开关当有n个CPU和n个存储器模块时，需要n2个交叉开关，实际中很少使用2：omega网络在有n个CPU和n个存储器模块时，需要log2n个交换开关级，每级n/2个交换开关，共(nlog2n)/2个交换开关；omega网络存在时延NUMA(非一致存储访问NonUniformMemoryAccess)例：系统CPU数目为1024个，CPU速度为100MIPS，采用omega网络进行CPU与存储器的连接，试计算所需要的交叉开关数目，以及在不影响CPU正常执行的情况下交叉开关的最大交换时间。结论：建立一个共享存储器的多处理机系统是可行的，但困难且价格贵。.三、基于总线的多计算机总线CPUCPUCPU局部内存局部内存局部内存图1-4局域网由多台工作站组成的多计算机系统.特点：

1、cpu与cpu之间的通信量要少cpu与memory几个数量级2、数据传输速率较低3、操作时间不同步4、数据传输过程中存在数据丢失.四、交叉型多计算机图1-5a)

Grid（网格）b)

HyperCube（超立方体）.特点：1、网格结构简单，被布置在印刷电路板上，适合于解决固有特性为两维问题。2、超立方体是n维立方体，包含N＝2个节点，节点度数为n，直径为n。每个节点有一个n位的二进制地址。两个节点，当有且仅有一个位不同时，它们相互连接。结构复杂按cpu数量（N）的对数增加，存在时延只有最相邻的cpu是互连的，信息到达终点要跳跃n次。n=log2N例：一个具有256个中央处理机的多计算机环境，若采用16×16网格组织，一个消息最差的时延是多少？若采用超立方体结构呢？（时延以hops进行计算）1、n=16,2n-2=30hops;2、n=log2256=8,8hopsn.1.4软件概念操作系统软件分类:(p12)松耦合:如lan紧耦合:如并行运行的下棋程序.SoftwareConceptsAnoverviewofDOS(DistributedOperatingSystems)NOS(NetworkOperatingSystems)MiddlewareSystemDescriptionMainGoalDOSTightly-coupledoperatingsystemformulti-processorsandmulticomputersHideandmanagehardwareresourcesNOSLoosely-coupledoperatingsystemforheterogeneousmulticomputers(LANandWAN)OfferlocalservicestoremoteclientsMiddlewareAdditionallayeratopofNOSimplementinggeneral-purposeservicesProvidedistributiontransparency.UniprocessorOperatingSystemsSeparatingapplicationsfromoperatingsystemcodethroughamicrokernel.1.11.一、网络操作系统特点：1、机器高度自主2、每台机器的操作系统可以不一样3、主要通过共享文件进行通信4、命令通常在本地运行、系统范围的请求很少5、不同文件系统结构可能不一样6、对其他机器的访问用户是可见的p13网络操作系统为松耦合硬件上的松耦合软件.DepictionoftypicalLAN:.网络操作系统的常用的运行环境(1)Generalstructureofanetworkoperatingsystem.1-19.网络操作系统的常用的运行环境(2)Twoclientsandaserverinanetworkoperatingsystem.1-20.网络操作系统的常用的运行环境(3)Differentclientsmaymounttheserversindifferentplaces.1.21.二、分布式操作系统特点：1、系统操作对用户透明，具有单系统映像2、所有机器运行相同的操作系统3、具有一个单一的、全局的进程间消息通信机制4、不同机器上的进程管理模式一致5、文件系统结构一致分布式操作系统为松耦合硬件上的紧耦合软件p14...MulticomputerOperatingSystems(3)Relationbetweenblocking,buffering,andreliablecommunications.SynchronizationpointSendbufferReliablecomm.guaranteed?BlocksenderuntilbuffernotfullYesNotnecessaryBlocksenderuntilmessagesentNoNotnecessaryBlocksenderuntilmessagereceivedNoNecessaryBlocksenderuntilmessagedeliveredNoNecessary.DistributedSharedMemorySystems(1)PagesofaddressspacedistributedamongfourmachinesSituationafterCPU1referencespage10Situationifpage10isreadonlyandreplicationisused.DistributedSharedMemorySystems(2)Falsesharingofapagebetweentwoindependentprocesses.1.18Falsesharingofapagebetweentwoindependentprocesses..三、多处理机分时系统特点：1、系统操作对用户透明，具有单系统映像2、只有一个操作系统3、存在唯一进程队列4、不同CPU共享存储器5、具有一个统一的块缓冲存储器的传统文件系统多处理机分时操作系统为紧耦合硬件上的紧耦合软件p15.MultiprocessorOperatingSystems(1)Amonitortoprotectanintegeragainstconcurrentaccess.monitorCounter{private:intcount=0;public:intvalue(){returncount;}voidincr(){count=count+1;}voiddecr(){count=count–1;}}.MultiprocessorOperatingSystems(2)Amonitortoprotectanintegeragainstconcurrentaccess,butblockingaprocess.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;}}.n个CPU的三种不同组织方式的比较.1.5设计中的问题1.5.1透明性（Transparency）

最重要的一个问题可能是如何实现单系统映像，即系统设计者如何使每个用户误以为一些机器的集合只是一个老式的分时系统？能达到这个目标的系统通常就被成为是透明的（transparent）。透明的概念适用与分布式操作系统的多个方面。1.位置透明（locationtransparency）：

是指在一个真正的分布式操作系统中，用户不知道硬、软件资源如CPU、打印机、文件和数据库的位置。资源的名字不应含有资源的位置信息。例如：machinel:prog.c/或macchinel/prog.c之类的名字是不能接受的。.2.迁移透明（migrationtransparency）:

是指资源无须更名就可自由的从一地迁向另一地。例如：服务器目录能够在客户目录分层结构中的任何地方装入，是因为路径并未指出服务器位置，所以系统是位置透明的。而远程登录属于网络O.S.，因此是不透明的。

3.复制透明（replicationtransparency）:是指操作系统可以随意的为文件和其他资源进行附加拷贝而无须用户知道。用户不知道有多个拷贝存在.一个逻辑上由N台服务器连成环形的集合。每台服务器都有一个完整的目录树结构，但它只存储全部文件的一个子集。为阅读一个文件，用户发送一个全路径名的消息给任一服务器。那个服务器如果没有该文件，它就将这个要求传给该环形网中的下一个服务器，如此重复。由于这种方案允许系统对常用文件进行备份而无须用户知晓，所以该方案是复制透明的。.

4.并发透明（concurrencytransparency）

分布式系统通常有多个独立的用户，当两个或多个用户同时访问相同资源时，任一用户不会发现其他用户的存在。获得这种透明类型的机制是：一旦某个用户开始使用一个资源时，系统就自动锁定此资源，只到该用户使用完后再解锁。

5.并行透明（parallelismtransparency）理论上分布式系统在用户面前的表现就象一个传统的单处理机分时系统。系统活动可以在用户没有感觉的情况下并行发生..TransparencyinaDistributedSystemDifferentformsoftransparencyinadistributedsystem.TransparencyDescriptionAccessHidedifferencesindatarepresentationandhowaresourceisaccessedLocationHidewherearesourceislocatedMigrationHidethataresourcemaymovetoanotherlocationRelocationHidethataresourcemaybemovedtoanotherlocationwhileinuseReplicationHidethataresourcemaybesharedbyseveralcompetitiveusersConcurrencyHidethataresourcemaybesharedbyseveralcompetitiveusersFailureHidethefailureandrecoveryofaresourcePersistenceHidewhethera(software)resourceisinmemoryorondisk.1.5.2灵活性(Flexibility)设计中的第二个关键问题是灵活性。现在看来合理的设计思想也许以后将被证明是错误的。避免问题的最好方法是在设计过程中始终保持有很大的选择余地。分布式系统结构主要有两种：单内核和微内核。1、单内核，每台机器运行一个传统的内核，内核提供了大多数的服务。单内核基本上是目前的集中式操作系统，增加了网络功能和远程服务集合。因为UNIX系统有巨大的内核，许多扩展或模仿UNIX系统的分布式系统都采用该方法。.2、微内核，内核尽可能少地提供服务，大量的操作系统服务可从用户服务器上获得。微内核具有更好的灵活性。进程间通信机制；某些内存管理功能；少量的低进程管理和调度；低层输入/输出服务。

微内核与单内核不同，它不提供对文件系统、目录系统、整个进程管理，或许多系统调用的处理。其他的操作系统服务都作为用户服务器来实现，每个服务（服务器能理解的消息的集合）都有一个定义好的接口，每个服务程序对所有客户来说都是可以访问的，且和位置无关。

另外，该系统易于实现、安装和调试新的服务程序，因为它具有删除、添加和修改服务的功能使得微内核具有很高的灵活性。此外，用户如不满意一个通用的服务程序，也可以编写自己的服务程序来代替它。例：p20.1.5.3可靠性(Reliability)建立分布式系统的最初目的之一就是使系统比单处理机系统更可靠。当然这种说法是不能完全信以为真的，因为它依靠一些专用服务器的正常工作。系统中仍然有可改善的地方。1、可以通过不要求大量关键部件同时起作用的设计来提高可用性。提高可用性的另一种方法是冗余，即给关键的硬件和软件提供备份，备份越多，可用性越好，但不一致的可能性却越大，这两点都得兼顾。.

2、整体可靠性的另一方面是安全性。必须保护文件和其他资源不被非法用户使用。在分布式系统中指令是哪个用户发出的还暂时无法判断。3、与可靠性有关的另一个方面是容错。分布式系统能设计成可以屏蔽错误，也就是对用户隐藏错误。一组紧密协同工作的服务器构成的系统，若损失一两个服务器，用户只是感到一些性能上的降低，维护系统正常运行不会给该系统增加很大的开销。.1.5.4性能（Performance）总是