现代操作系统专题之八分布式处理
电子科技大学计算机学院
罗蕾
分布式数据处理的优势
z响应性（Responsiveness）：从管理方式看，相对于集中化的设施要同时满足整个组织的需要而言，局部计算机能够更加直接地、有效地满足局部机构的需要
z可用性（Availability）：对于多个互联的系统，任何一个系统的丢失可以做到只具有很小的影响。关键系统和部分可以进行备份，这样，备份系统可以在故障后继续工作
z资源共享（Resource sharing）：昂贵的硬件设备可以在用户之间共享；数据文件可由中心来管理和维护，但在组织范围内都能访问
分布式数据处理的优势
z增量式成长（Incremental growth）：可逐步地替换应用程序或系统，避免或者全有或全无的方法
z增加用户的介入和控制（Increased user involvement and control）：随着更小、更易管理的设备在物理位置上位于用户的身边，用户有更大的机会来影响系统的设计和操作，或与技术人员进行直接的交互，或通过用户的直接上级
z终端用户的生产率（End-user productivity）给予用户更好的快速响应
分布式处理
z OS中分布式处理：
–通信体系结构（Communication architecture）：已成熟，商用
–网络操作系统（Network operating
system ）：已成熟，商用
–分布式操作系统（Distributed operating
system）：研究和开发的前沿，处于实验阶段
通信体系结构
–是独立计算机的联网软件，它能支持分布式应用，如：、文件传输及远程终端访问等
–必须显式地引用才能与其他计算机进行通信–每台计算机具有独立的OS，要求所有计算机支持同样的通信体系，如TCP/IP
网络操作系统
•典型的网络操作系统是一个通过局域网连接的微型计算机网络
•网络中的计算机通常是单用户工作站或一台/多台服务器，服务器提供本网范围的服务或应用•每个用户有自己的微机工作站，可能有硬盘，也可能没有，但必定有自己的操作系统，可以一样也可以不一样。
•NOS只是本地OS的一个附属物，它使应用程序所在机器与服务器之间能够交互
网络操作系统
•操作系统管理单个的工作站、文件服务器、还要关心它们之间的通信
•每台机器都有高度的自治权，除了网络通信之外，没有多少对整个系统范围的要求
•用户知道多台独立的计算机并显式地和它们打交道，用户依据权限，使用整个网络中的各项资源
•一般使用一个公用通信体系结构来支持这些网络应用
分布式处理
z典型的网络操作系统
z Windows2000
z NetWare
z各种Unix系统
分布式操作系统
分布式操作系统的思想，是让用户不关心系统中多CPU的存在。目前尚不存在真正的符合条件的系统，但有原型机出现
分布式的特征：
•进程管理应该处处一致。当一个进程开始时，所有内核将协调工作，以便到运行该进程的最佳位置
•在所有机器上有单一的系统调用集合，这些调用还必须适合分布式的环境。既然在所有地方系统调用都一样，那么在所有CPU上运行同样的内核也就是自然的结果了
分布式操作系统
•本地通信与远程通信有相同的机制
•有全局的保护机制
•需要一个全局的文件系统
•当然，每个内核对本地的资源还是有较大的控制权
例如，既然没有共享内存，那么让各个内核管理自己的内存是很自然的事
•需要页面交换时，本地的内核是决定怎样做的最佳人选。没有必要全局化
分布式操作系统的特征
透明性(1)
z怎样让人相信在所谓的分布式系统
中这样一机器和一台普通的单处
理机系统会一样呢？能达到这样目
标的系统被称为是透明的
透明性(2)
•透明性有两种层次含义
•一种含义是对用户隐藏了分布性
•例如，当一个UNIX用户敲入make时，从终端发出命令，再将结果显示到终端上，分布式系统可以跟单处理机系统的表现完全一样。唯一不寻常的事情是，系统的性能似乎快了很多。用户不知道诸如编译一类的工作是在多台机器上执行的
透明性(3)
•系统对程序透明是透明性含义的更低一个层次。也就是说从系统调用的接口看不出有多个处理器存在
•如果在一个系统中，访问远程文件是通过显式地建立一条与远程服务器的连接，再将消息发送给它，那
么这样的系统显然不是透明的
透明性(4)
server系统和普通系统的区别–透明性的各种含义
•在一个真正的分布式系统中，用户不清楚CPU，打印机，文件，数据库等等资源到底在哪里，位置透明性
•如果资源可以自由地从一处迁移到另一处，无需改变它们的名字，这就是迁移透明性
透明性(5)
•如果操作系统可以任意复制文件和其它资源，形成多个拷贝，而用户却不用关心这点，那么系统是复制透明性的
•如果用户注意不到其它用户的存在，那么系统是并发透明的
•在用户眼里分布式系统应该象一台传统的、单处理器系统
透明性(6)
•如果一个程序员知道某个分布式系统中有10,000个CPU，并且想利用其中的一部分CPU运行象棋程序，系统该怎么办？
•理论上的答案是，操作系统及其它系统软件如编译器、运行系统应该能知道怎样利用程序中潜在的并行性，程序员不需要知道这点。这是最困难的一种透明性，并行透明性
•目前还没有人能做到这点。如果能实现并行透明性，那么有关分布式系统的研究将进入新的层次
灵活性(1)
设计第二个关键性问题是灵活性•涉及到灵活性的关键，
分布式系统的结构设计
灵活性(2)
•对于分布式系统的结构有两种不同的观点•认为每台机器上应该运行一个传统的内核，
自身提供大部分的服务，这种方式称为单内核
•认为每台机器上的内核应该提供尽可能少的服务，大部分操作系统的服务应该通过用户级的服务器来实
现，这种方式称为微内核
灵活性(3)
•通常在集中式操作系统加上网络设施，再集成上远程服务就构成了单内核。
•系统调用是传统的，即通过执行陷井指令，转入到核心状态，由内核完成，结果再返回给用户进程
灵活性(4)
在这种分布式系统中，大部分机器都有硬盘，并有本地的文件系统。
许多通过UNIX扩展或仿真的分布式系统都使用这种方法
灵活性(5)
z新设计的分布式系统一般使用了微内核设计方法
–微内核通常只提供如下4种服务：
•进程间通信机制
•内存管理
•少量的低级进程管理和调度
•底层的输入/输出
灵活性(6)
•一般认为，微内核更加灵活，因为它只做非做不可的事情
•它不提供文件系统、目录系统、大部的进程管理和多数系统调用。它仅仅提供那些在别处无法提供或者开销很大的服务
•设计的总体目标是微内核应尽可能地小
灵活性(7)
在由微内核实现的系统中，其它的系统服务都通过用户级的服务器实现
每个服务都有一个的接口；每个客户都能访问到各项服务，而与位置无关
灵活性(8)
•微内核好处是高度模块化，也比较容易实现安装和调试新的服务，因为添加或更改服务不要求停止现有的系统
•微内核具有更强的灵活性。任何需要特定系统服务的用户还可以编写自己定义的服务
灵活性(9)
图(a)单内核的系统(b)微内核实现的系统
可靠性(1)
理论上，在分布式系统中，当某个机器停止工作时，其它机器能接替它的工作所以分布式系统比单处理机系统更加可靠
可靠性(2)
实际上，运行的分布式系统往往依赖于能同时正常工作的多个服务器
系统的可靠性更取决于各个主要部件可靠性的布尔“与”，而不是布尔“或”
可靠性(3)
–可靠性有不同的含义
•可用性(availability)指的是系统可以正常工作的时间比例。高可靠性必须有很高的可用性。
•一般而言，系统中文件拷贝的数目越多，可用性会越好，但文件之间不一致的概率也越高，这是一种矛盾
可靠性(4)
–容错性与可靠性也有关联
•一台服务器的崩溃会让整个系统都不能正常工作吗？
•一般而言，在分布式系统中用户注意不到一两台服务器崩溃的事实，能察觉的顶多是性能上慢下来而已
可靠性(5)
–可靠性的另一层面是安全性
z在分布式系统中，不能简单的相信消息中的名字或身份，因为发送过程中可能有欺骗

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