1、2019年8月251高级操作系统Advanced Operating System计算机科学与技术学院感谢你的观看2019年8月252教科书和参考书Textbook & Referencen课程历史n教科书Textbook: Distributed Operating System，A.S.Tanenbaum，Prentice Hall出版社。n ,孙钟秀,国防工业出版社.n参考书References: 1. 分布式操作系统 ，陆丽娜等译，电子工业出版社。 2. 分布式系统设计，Jie Wu等著，高传善等译，机械工业出版社感谢你的观看2019年8月253课程安排和成绩评定n课程安排：授课54学
2、时数(18次左右)n完成作业：10次(左右)n成绩评定：n期末考试70%n平时作业+到课率30%(点名)感谢你的观看2019年8月254课程内容 Contents of the Course1. 分布式系统简介分布式系统简介(DS的诞生、定义、发展动力、的诞生、定义、发展动力、目标、优缺点、硬件、软件与设计问题目标、优缺点、硬件、软件与设计问题)2. 分布式系统同步（分布式系统同步（DS 的时钟同步、互斥、选的时钟同步、互斥、选举与死锁）举与死锁）3. 分布式路由算法（导论、一般网络最短路径路分布式路由算法（导论、一般网络最短路径路由算法、特殊网络的单播和多播算法由算法、特殊网络的单播和多播算
3、法,.）4. 分布式进程分布式进程和处理机管理（和处理机管理（DSDS的模型、处理机的模型、处理机分配、进程调度、容错与实时分配、进程调度、容错与实时DSDS） 5. 分布式资源管理（资源管理基本概念、集中分分布式资源管理（资源管理基本概念、集中分布式资源管理与完全分布式资源管理）布式资源管理与完全分布式资源管理）感谢你的观看2019年8月255课程内容 Contents of the Course6. 分布式程序设计（特点、分布式进程、进程迁分布式程序设计（特点、分布式进程、进程迁移）移）7. 新型分布式处理技术新型分布式处理技术-移动代理移动代理(Mobile Agents)8. 新型分布
4、式体系结构新型分布式体系结构-主动网络主动网络(Active Networks)9.移动分布式系统的安全移动分布式系统的安全*感谢你的观看2019年8月256第一章 分布式系统简介n分布式系统的诞生和定义n分布式系统发展的动力n分布式系统的目标n分布式系统的优缺点n计算机网络与分布式系统的关系n分布式系统硬件n分布式系统软件n分布式系统的设计问题感谢你的观看2019年8月2571.1 分布式系统的诞生和定义诞生原因：n大规模集成电路和超大规模集成电路性能价格比发生了巨大变化；n多机互连结构和通信技术的日益成熟；n用户对计算机的要求越来越高，越来越复杂。 上述三个原因使得分布式系统在计算机领域中
5、成为受到人们特殊重视并得以迅速发展的一个新的分支。 感谢你的观看2019年8月2581.1 分布式系统的诞生和定义分布式系统的好处：n由于模块化因而具有良好的扩展性；n由于每个处理单元可由便宜的微型计算机构成、资源可共享，因而系统价格低廉，经济性好；n由于多机并行合作因而系统响应时间短，吞吐率高；n由于优美降级。因而系统可靠性高，鲁棒性好； 感谢你的观看2019年8月2591.1 分布式系统的诞生和定义n由于能与各种应用环境相匹配，因而系统适应性广，灵活性高。 在新一代“智能机”和“超高速计算机”的研究开发中，都采用了大量“并行”的思想，其并行的含义就是广义下的多机合作，是在空间重复和资源分散
6、概念上的高级并行，这与“分布式”的含义在现代结构学意义上几乎完全吻合。毫无疑问，分布式系统必将是新一代计算机的普遍表现形式。 感谢你的观看2019年8月25101.1 分布式系统的诞生和定义计算机系统的变革：n1945年-1985年：计算机系统的特点是体积庞大、价格昂贵，甚至小型计算机也动辄数千美元，造成了只有少数大型机构才拥有一、二台计算机（例如，科大的320机组、Facom 140计算机、KD-3计算机等），而且,由于当时没有相应的方法将它们连接起来，所以，这些计算机只能独立地运行；n1985年-今天：两大技术的进展改变计算机系统：感谢你的观看2019年8月25111.1 分布式系统的诞生
7、和定义 1.功能强大的微处理器进展：最初是8位机（IBM XT），很快16位(IBM AT或286)、32位（386）甚至64位CPUCPU（486和586）也变得普通起来。微处理器既具有很强的计算能力，而且还价格非常低廉。我们可以看到，在过去的半个多世纪里,计算机的发展令世人瞩目。其它产业根本无法与它相比。过去一台计算机价值上千万美元且每秒执行一条指令，现在一台2000多元的CPU,每秒能执行亿万条指令，其性能价格比增加了1011倍以上 。如感谢你的观看2019年8月25121.1 分布式系统的诞生和定义 果在这段时间内汽车以相同的速度发展，那么现在一辆最贵的劳斯莱斯轿车将只值10美元，而且
8、每加仑汽油可行驶10亿公里。 2.高速计算机网络的问世：局域网将一栋建筑物里的几十甚至几百台机器连接起来，使得少量信息在机器间传送约需一毫秒，而大量数据可以以100兆、1000兆，甚至万兆位/秒的速率进行传输，甚至更快。广域网把地球上成千上万台计算机连接起来，连接速度从64kbps（千位/每秒）到千兆位/每秒不等。感谢你的观看2019年8月25131.1 分布式系统的诞生和定义 上述两大技术的进展使得人们可以用高速网络很方便地把由大量CPUCPU构成的计算机系统相互连接起来。这就是所谓的分布式系统。 但是，分布式系统的诞生带来了一个新的问题：软件。分布式系统软件与集中式系统的软件完全不同。特别
9、是分布式操作系统出现只有若干年。虽然人们已做了一些工作，但要走的路还很长。因此,本课程只是介绍分布式操作系统的一些基本思想、基本概念、基本技术和基本实现。 感谢你的观看2019年8月25141.1 分布式系统的诞生和定义 分布式系统的定义： 分布式系统在不同文献中的定义是各不相同的，主要原因是他们各自所站的角度不同。到目前为止还没有一个定义令人满意，并且它们相互之间也并不一致。下面引述几个专家、著名委员会的定义：1。美国计算机学会分布计算技术委员会提出的定义：“分布式计算机系统是这样一种系统，其中包含多个相连的处理资源，它们能够在全系统范围内的控制作用下，对单一问感谢你的观看2019年8月25
10、151.1 分布式系统的诞生和定义 题进行合作，而最少依赖集中的过程、数据或硬件。”2。英国计算机学会提出的定义：“分布式计算机系统是这样的一种系统，其中包含多个独立但又有交互作用的计算机，它们对一个公共问题进行合作。这样系统的特性是包含多个控制路径，它们执行一个程序的不同部分而又相互作用。”3。P.H.Enslow在他的著作中提出一个定义。该定义包含五点：1）有多重物理资源和逻辑资感谢你的观看2019年8月25161.1 分布式系统的诞生和定义 源；2）它们通过一个通讯网相互作用；3）有一个高层操作系统，对各个分布的资源进行统一和整体的控制；4）系统对用户有透明性，即用户发出使用请求时，无需
11、具体指明要哪些资源为其服务；5）各资源都有高度自治性而又相互配合。一般来说，只要给出一个大致的描述就足够了:一个分布式系统是多个独立计算机的一个分布式系统是多个独立计算机的集合，该系统在用户看来就象一台单个计算集合，该系统在用户看来就象一台单个计算机一样。机一样。 感谢你的观看2019年8月25171.1 分布式系统的诞生和定义 定义涉及了两个方面：n硬件方面-机器是独立自治的；n软件方面-用户把系统看作为单一的一台计算机系统。 分布式系统的三个实例：n一所大学内的工作站网络：每个用户除了拥有个人工作站之外，中心机房里还有一些处理器，这些处理器并不分配给特定的用户，而是根据需要动态地进行分配。
12、它有一个共公的文件系统，所有的机器都能以相同的方感谢你的观看2019年8月25181.1 分布式系统的诞生和定义 式和路径名来访问文件。当用户键入一个命令时，系统会寻找一个最佳的地方来执行这个命令，可能在用户的工作站上，也可能在另一个用户的空闲工作站上，还可能由机房里未分配的处理器来执行这个命令。如果整个系统看起来以及运行起来都象一个经典的单处理器分时系统的话，那么，这个系统可以是一个分布式系统；感谢你的观看2019年8月25191.1 分布式系统的诞生和定义n一个由机器人管理的工厂：每个机器人都有一个用来处理视觉、规划、通信以及其它任务的处理器。如果装配线上的一个机器人发现所安装的零件有问题
13、，那么,它会向零件部门的机器人请求更换一个。如果所有机器人象连接到一个中央计算机的外设一样地工作，那么,这个系统也是分布式系统；n在世界各地都有分支机构的大银行：每个分支机构都有一个主计算机来存储当地的帐目以及处理当地的交易。此外，每台计算机都感谢你的观看2019年8月25201.1 分布式系统的诞生和定义 可以与所有其它分支机构的计算机以及在总部的中央计算机通讯。无论交易在何处进行，用户也觉察不到这个系统与被取代的老式中央大型机之间有任何区别，那么这个系统也称之为分布式系统。分布式系统的三个特性：n模块性：指多个分布的物理资源和逻辑资源经过互连网络形成单一系统，它们即相对独立，又相互联系，使
14、系统具有整体控制的能力； 感谢你的观看2019年8月25211.1 分布式系统的诞生和定义n并行性：指分散的系统单元可以合作解决一个公共的问题，在一个高级操作系统的控制下，实现资源重复和时间重叠等不同的并行； n自治性：指系统资源的操作和相互作用是高度自治的，既不存在主从控制，又能利用处理的局部化原则以减少各结点之间的数据通信量。 感谢你的观看2019年8月25221.2 分布式系统发展的动力 分布式系统的产生和发展并不是偶然的，它是计算机系统发展的必然趋势。推动分布式系统迅速发展的动力主要表现在两个方面即技术上的变化和用户的要求。技术上的变化表现在：n大规模集成电路和超大规模集成电路以及微处
15、理机的价格大幅下降；n独立拥有大型计算机硬件和软件的代价太高；n设计操作系统的着眼点已不再是获得最佳的硬件利用率；感谢你的观看2019年8月25231.2 分布式系统发展的动力n通信技术的发展以及计算机网络资源共享的日益改善。 用户的要求表现在：n用户希望系统提供的服务可被不断地扩充；n用户希望能以最低的成本获得最大的收益；n系统可被裁减以满足不同用户的需要；n用户要求为分散的用户提供各种服务。 感谢你的观看2019年8月25241.3 分布式系统的目标n增加处理能力-无论技术上怎样进步，单一处理部件的处理能力一定小于多个处理部件的能力。所以，把多个处理部件互连起来合作地完成一项复杂的任务已成
16、为增加处理能力的唯一途径；n可扩展性-系统可随着用户要求的增长而用低价的设备扩充其规模；n可靠性和鲁棒性-任何一个系统，无论它的可靠性多么高，其发生故障、失败和错误的概率一定不为零。而分布式系统很容易实现资源感谢你的观看2019年8月25251.3 分布式系统的目标 和路径的冗余，这样使系统故障由于有足够的冗余度而进一步减少；n资源共享-系统的语言、程序、数据、计算能力以及许多昂贵设备都能为多个用户透明地共享。 上述分布式系统目标的实现是需要花费一定的代价。它增加了系统设计人员的复杂性尤其是软件的复杂性显著增加，对通信的依赖性也大大增加。 感谢你的观看2019年8月25261.4 分布式系统的
17、优缺点1.4.1 分布式系统同集中式系统相比之优点 计算机权威Herb GroschHerb Grosch曾经曾经提出了一个著名的GroschGrosch定律：CPUCPU的计算能力与价格的平方成正比-即付出双倍的价钱，你就会得到四倍的性能。 这在大型机时代颇为正确并导致了许多机构购买它们所能支付的最大的单一计算机。 但是，在微处理器技术出现后， GroschGrosch定律就不再成立。 感谢你的观看2019年8月25271.4 分布式系统的优缺点 目前，人们用几百美元就可以买到一个比80年代最大的大型机每秒所执行指令数还要多的CPU芯片。如果你愿意付双倍价钱，你就会得到一个时钟频率更高的CP
18、U。 通常，最省钱的方法就是把大量廉价CPU组织成一个系统。 因此，分布式系统的一个优点就是它们比单一的大型集中系统有更好的性能价格比，换句话说，分布式系统能从投资中获得更多的回报。 微处理器集合还可以达到任何一个大型机也无法达到的性能。 感谢你的观看2019年8月25281.4 分布式系统的优缺点 例如，目前的技术可以用10000个CPU芯片构成一个系统，每个CPU的运行速度为50MIPS(百万条指令/秒)。这样,在理论上总的速度为500,000MIPS。一个单一处理器要达到这样的速度必须要在0.02纳秒(2皮秒)内执行一条指令。目前没有任何一台机器能达到这样的速度。无论是在理论上还是在工程
19、上都无法达到这样的速度。 这理论上，爱因斯坦的相对论指出任何东西的速度都超不过光速，即在两皮秒内只能前进0.6毫米。 感谢你的观看2019年8月25291.4 分布式系统的优缺点 在工程上，一台包含在0.6毫米立方体内的计算机以2皮秒内执行一条指令的速度运行将会产生大量的热以致会立即融化。 因此，无论是以低价来换取低速度或以高价来获取高速度，分布式系统都是最优之选。 分布式系统与并行系统的区别：n执行粒度：并行系统是指令级，而分布式系统是任务级；nCPU之间的距离：并行系统是一个机器内部多个板卡之间，在1米以内，而分布式系统是多个感谢你的观看2019年8月25301.4 分布式系统的优缺点 机
20、器之间，1公里以内；n传输速度：并行系统是内部总线之间传输信息，速度可以忽略不计，而分布式系统是在机器之间传输信息，速度为10Mbps、100Mbps或者是1000Mbps。 有些应用本身就具有分布性：n具有多个分店的连锁超市：每个分店从当地购货（可能购自当地的农场）、在当地销售。当蔬菜老了或坏了时还要就地抛弃。因此，在每个分店计算机上纪录存货清单要比在总店集中感谢你的观看2019年8月25311.4 分布式系统的优缺点 管理更为合理。因为大多数的查询及更新是在本地完成的。尽管如此，总店也会不时地查询目前有多少白菜库存。整个系统在用户看来就象一台单一的计算机在工作。实际上它是分布的，每个商店都
21、有一台计算机与总店和各分店的计算机相连接。n计算机支持的合作工作：计算机支持的合作工作：一群彼此相距遥远的人可以一起工作、玩游戏，例如，共同写一份报告、网上打牌等。 感谢你的观看2019年8月25321.4 分布式系统的优缺点 同集中式系统相比，分布式系统的另一个优点就是它具有更高的可靠性-由于工作负载被分散到各个机器上，单个芯片的故障最多只会使一台机器瘫痪而不至于影响其它机器。理想的情况是5% 的机器失灵，系统仍将继续工作，只是在性能上有5% 的损失。 对于一些重要的应用来说，例如控制核反应堆或飞机，为了提高可靠性而采用分布式系统应该是明智之举。 感谢你的观看2019年8月25331.4 分
22、布式系统的优缺点 另外，可扩展性也是分布式系统的一个非常重要的优点。通常,公司购买一台大型机以完成所有的工作。随着公司的发展及业务的增加，一台大型机已不再能满足需要。唯一的解决方案是更换一台更大的机器（如果有的话）或再买一台相同的大型机。相比之下，如果采用分布式系统，系统只需逐渐增加便宜的处理器便可以扩展其计算能力。 感谢你的观看2019年8月25341.4 分布式系统的优缺点1.4.2分布式系统与独立PC相比之优点n数据共享：分布式系统允许多个用户同时访问一个公共的数据库 ，例如，航空订票；n设备共享：分布式系统允许多个用户共享同一个昂贵的外设如彩色打印机，例如，彩色激光打印机、照相排版机以
23、及海量文件存储设备等； n通信方便 ：分布式系统使人与人之间的通信变得更方便，例如，电子邮件；n灵活性强：分布式系统可采用有效的方法将工作负载分散在可用、空闲的计算机上。感谢你的观看2019年8月25351.4 分布式系统的优缺点1.4.3分布式系统的缺点n软件问题：目前，由于分布式系统软件较少，所以，人们对设计、实现以及使用分布式软件并无太多经验；n网络通信：网络容易饱和且能引起其它问题，例如，丢失信息需要特殊的软件来恢复。当网络饱和时，网络必须被更换或必须再增加一个网络，这样，一幢或更多建筑物里的某些地方必须以更高的代价重新布线，或者是网络接口板必须更换（如用光纤）。一旦系统依赖于网感谢你
24、的观看2019年8月25361.4 分布式系统的优缺点1.4.3分布式系统的缺点 络，那么,网络的损坏或饱和会使许多分布式系统的优点变成缺点；n网络安全：网络容易受到攻击、篡改和假冒等等，数据的保密性差； 尽管存在上述问题，但分布式系统的优点还是多于缺点，并且，未来分布式系统将变得越来越重要。大多数机构将会把它们的大多数计算机都接入到分布式系统中以便向用户提供更好、更便宜、更方便的服务。感谢你的观看2019年8月25371.5 计算机网络与分布式系统的关系 无论是过去还是现在，有许多人认为计算机网络就是分布式系统，将两者混为一谈。为了消除概念上的混淆，有必要阐述一下计算机网络与分布式系统的关系
25、。 计算机网络与分布式系统既有联系又有区别： n计算机网络：计算机网络是将地理位置不同的若干计算机用通信电缆相互连接起来的系统。其目的在于实现计算机之间的有效通信和整个网络内的软、硬件资源的共享；感谢你的观看2019年8月25381.5 计算机网络分布式系统的关系n分布式系统：分为四个层次：1）硬件/固件层；2）含有进程通信的内核层；3）服务层；4）应用层；n相同之处：从层次观点出发，计算机网络与分布式系统在资源分布、互连拓扑、通信协议这几个层次上有着共同的结构模型。也就是说它们都提供了一个面向报文的异构型通信环境，从低层硬件和通信软件来看，二者没有什么区别；n不同之处：在全局管理、并行操作、自治控制感谢你的观看2019年8月25391.5 计算机网络分布式系统的关系 等方面分布式系统有着更高的要求，其主要区别在于系统的高层软件（操作系统、语言、数据库、应用软件）上。 总而言之，计算机网络为分布式系统提供了通信功能的硬件环境。而分布式系统相对于计算机网络来说，发生了质的飞跃。在成熟的计算机网络技术发展起来的分布式系统是计算机体系结构上的一次革命。因而，有人认为，在计算机网络中，尤其是局部网络中，引入并行性和自治性，就是当前迅速发展的分布式系统。 感谢你的观看
