1、高级操作系统高级操作系统北京邮电大学北京邮电大学2023-2-11北京邮电大学北京邮电大学Outline第一章第一章 分布式计算机系统分布式计算机系统北京邮电大学北京邮电大学第一章第一章 分布式计算机系统分布式计算机系统v1.1 引言与概念引言与概念v1.2 分布式系统的特征分布式系统的特征v1.3 分布式系统的总体评价分布式系统的总体评价v1.4 分布式系统的资源管理方式分布式系统的资源管理方式 v1.5 分布式系统的拓扑结构分布式系统的拓扑结构 v1.6 计算机支持的协同工作系统计算机支持的协同工作系统 v1.7 分布式操作系统分布式操作系统北京邮电大学北京邮电大学1.1 引言与概念概念v
2、引言引言 网络技术的发展使一些操作系统从集中式走向分布式。分布式系统需要与集中式系统完全不同的软件。操作系统的新技术发展很难准确预测，我们要在网络、分布式环境下开发，需要掌握分布式计算机系统的原理，也需要了解他们的实现原理。分布式操作系统是为分布式计算机系统配置的操作系统。北京邮电大学北京邮电大学1.1 引言与概念概念v分布式计算机系统分布式计算机系统(Distributed Computing Systems)由多个分散的计算机经互连网络连结而成的计算机系统。其中各个资源单元(物理或逻辑的)既相互协同又高度自治。能在全系统范围内实现资源管理，动态地进行任务分配或功能分配而且能够并行地运行分布
3、式程序。北京邮电大学北京邮电大学1.1 引言与概念概念v分布式计算机系统分布式计算机系统 从硬件角度来讲，各个计算机都是自治的；从软件角度来讲，用户将整个系统看作是一台计算机。工作方式 任务分布:把一个任务分解成多个可并行执行的子任务，分散给各场点协同完成。功能分布:把系统的总功能划分成若干子功能，分配给各场点分别承担。北京邮电大学北京邮电大学1.2 1.2 分布式系统的特征分布式系统的特征v资源共享资源共享 硬件资源、软件资源硬件资源、软件资源v开放性开放性 可伸缩性可伸缩性 可移植性可移植性 互操作性互操作性 v并发性并发性 同时工作没有冲突同时工作没有冲突 有冲突，通过相应算法解决有冲突
4、，通过相应算法解决 并发控制并发控制北京邮电大学北京邮电大学1.2 1.2 分布式系统的特征分布式系统的特征v容错性容错性 计算机是会出现错误的计算机是会出现错误的 容错方法：硬件冗余和软件恢复容错方法：硬件冗余和软件恢复v透明性透明性 位置透明：用户不知道资源位于何处位置透明：用户不知道资源位于何处 迁移透明：资源可以不改名地随意移动迁移透明：资源可以不改名地随意移动 复制透明：用户不知道有多少个拷贝存在复制透明：用户不知道有多少个拷贝存在 并发透明：多个用户可以自动的共享资源并发透明：多个用户可以自动的共享资源 并行透明：系统活动可以在用户没有感觉的并行透明：系统活动可以在用户没有感觉的情
5、况下并行发生情况下并行发生 北京邮电大学北京邮电大学1.3 1.3 分布式系统的总体评价分布式系统的总体评价v分布式系统的分布式系统的优点优点 性能价格比高 速度 内在的分布性 可扩充性 可靠性 适用于多种环境 北京邮电大学北京邮电大学1.3 1.3 分布式系统的总体评价分布式系统的总体评价v分布式系统的分布式系统的不足不足 管理复杂 性能和可靠性依赖于网络 保密性差 应用软件少 项目描 述软件目前为分布式系统开发的软件还很少网络网络可能饱和和引起其它的问题安全容易造成对保密数据的访问北京邮电大学北京邮电大学1.4 1.4 分布式系统的资源管理方式分布式系统的资源管理方式 v全集中管理方式全集
6、中管理方式 一个资源由一个管理机制管理 v分担管理方式分担管理方式 一个资源虽由几个管理机制管理，但各分担一种管理职能 v轮流管理方式轮流管理方式 一个资源可由几个管理机制管理，但轮流执行管理职责 v全分散管理方式全分散管理方式 一个资源由多个管理机制在协商致的原则下共同管理北京邮电大学北京邮电大学1.5 1.5 分布式系统的拓扑结构分布式系统的拓扑结构 v常用的连接方式常用的连接方式 全互连结构、部分互连结构、层次结构、星形结构、环形结构、总线结构、立方体结构 v性能评价标准性能评价标准 基本开销 通信开销 可靠性北京邮电大学北京邮电大学1.5 1.5 分布式系统的拓扑结构分布式系统的拓扑结
7、构v全互连结构全互连结构 优点:各点间消息传递快，可靠性高。缺点:开销高。v部分互连结构部分互连结构 其开销比全互连结构低，但通信速度较全互连结构慢，可靠性相对较低。v层次结构层次结构 通常情况下，其中的任何中间节点故障都可能将这种结构分割成若干不相交的子树。因此，可靠性较低。北京邮电大学北京邮电大学1.5 1.5 分布式系统的拓扑结构分布式系统的拓扑结构v星形结构星形结构 这种结构的基本开销与场点个数成正比，这种通信速度却是没有保障的，因为中央场点可能变成瓶颈。v环形结构环形结构 基本开销较低，但通信代价可能较高。v总线结构总线结构 这类结构的开销同场点成正比，通信代价也很低 v立方体结构立
8、方体结构北京邮电大学北京邮电大学1.6 1.6 计算机支持的协同工作系统计算机支持的协同工作系统 v计算机支持的协同工作系统计算机支持的协同工作系统 CSCW 一种分布式系统 特点 群体性、交互性、分布性、协同性 具体类型 电子邮件系统、电子布告栏系统（BBS）群体决策支持系统、协同编辑系统 计算机会议系统、协同计算机开发环境北京邮电大学北京邮电大学1.7 1.7 分布式操作系统分布式操作系统v 操作系统的形成和发展阶段操作系统的形成和发展阶段手工操作阶段：每个程序员都必须亲自动手操作计算机：装入卡片或纸带，按电钮，查看存储单元等。批量处理阶段：用户不用与计算机直接打交道，而是通过专门的操作员
9、来完成作业的输入和输出。操作系统形成阶段：多道程序和分时系统的出现，标志着操作系统的正式形成多道程序设计：所谓多道程序设计，是指同时把若干个作业存放在内存中，并且同时处于执行过程中。但是在某时刻只能有一个程序占用CPU执行。北京邮电大学北京邮电大学1.7 1.7 分布式操作系统分布式操作系统分时系统：所谓分时系统，就是在一台计算机上，连接若干个终端，用户通过这些联机终端设备采用交互方式把他的程序和数据输入到计算机中，并同时控制程序的执行。v 多级操作系统的基本结构多级操作系统的基本结构主从式、独立式、分布式 北京邮电大学北京邮电大学1.7 1.7 分布式操作系统分布式操作系统v分布式操作系统分
10、布式操作系统 (Distributed Computing Systems)是由多个分散的计算机经互连网络连结而成的计算机系统。其中各个资源单元(物理或逻辑的)既相互协同又高度自治。能在全系统范围内实现资源管理，动态地进行任务分配或功能分配而且能够并行地运行分布式程序。北京邮电大学北京邮电大学1.7 1.7 分布式操作系统分布式操作系统v分布式操作系统分布式操作系统 为分布式计算机系统配置的操作系统 系统任务可以在系统中任何别的处理机上运行。提供高度的并行性和有效地同步算法和通信机制，自动实行全系统范围的任务分配并自动调节各处理机的工作负载为用户提供一个方便、友善的用机环境。分布式系统与网络系
11、统是有区别的。从操作系统的角度来看，网络操作系统是为计算机网络配置的操作系统，网络中的各台计算机配置各自的操作系统，而网络操作系统把它们有机地联系起来。北京邮电大学北京邮电大学分布式操作系统主要特点分布式操作系统主要特点v1 进程通信不能借助于公共存储器，常采用信息传递方式；v2系统中的资源分布于多个站点，进程调度、资源分配、系统管理必须满足分布式处理要求，采用一致性、强健性 的分布式算法；v3适时地协调各站点的负载；v4故障检测、恢复、系统重构v5分布式系统，首先必须有一个单一的、全局的进程间的通信机制，从而使任何进程都可以和其它进程进行通信。北京邮电大学北京邮电大学分布式操作系统主要特点分
12、布式操作系统主要特点v6不同机器上，进程管理也相同。进程建立、撤消、启动、停止都相同。v7文件系统也必须看起来是相同的。同时，每个文件应该是在所有地方都是可见的，当然，这必须遵守保护和安全性约束的限制。需要一个全局的文件系统。v8在系统的所有地方都使用相同的系统调用接口。北京邮电大学北京邮电大学基于总线的多处理机基于总线的多处理机v在CPU和总线之间增加一个高速缓冲存储器（cache memory），如图1-5所示。缓冲存储器保留着最近刚存取过的字。所有的内存访问请求都要经过它。如果请求的字在缓冲存储器中，缓冲存储器就会直接响应CPU，而不产生总线请求。如果缓冲存储器足够大的话，那么成功的可能
13、性，称为命中率，将是很高的。而且每个CPU的总线通信量也会急剧下降，系统中也就能够容纳更多的CPU。通常，缓冲存储器的大小从64K到1M，命中率经常可以达到90%或更高。vCache 的一致性问题；北京邮电大学北京邮电大学1.7 1.7 分布式操作系统分布式操作系统v操作系统分类操作系统分类 1单用户操作系统：在这种操作系统控制下，计算机系统串行地执行用户程序，即在执行完一个用户程序后才接受另一个用户程序。一些微机上配置的操作系统大多数就属这种类型。2批处理操作系统：在这种操作系统的控制下，计算机系统可以同时接受多个多用户程序，一批批地进行处理。批处理操作系统一般都提供多道程序设计功能，允许多
14、个程序同时装入内存执行。3分时操作系统：分时操作系统又称多用户操作系统，在这种操作系统的控制下，多个用户可以通过各自的终端同时使用一台计算机。分时操作系统有三个明显的特点：多路性，交互性和独占性。北京邮电大学北京邮电大学1.7 1.7 分布式操作系统分布式操作系统v操作系统分类操作系统分类 4实时操体系统：实时操作系统是为实时计算机系统配置的一种操作系统，在这种操作系统的控制下，计算机系统能及时地响应外部事件的请求，在规定的时间内尽快地完成对该事件的处理，并有效地控制所有实时设备和实时任务协调地进行。在设计这类操作系统时，首先要考虑系统的实时性和可靠性，其次才是效率。5网络操作系统：网络操作系
15、统是为计算机网络配置的操作系统。网络中的各台计算机配置有各自的操作系统，而网络操作系统把它们有机地联系起来，因此，它除了具有常规操作系统所应具备的存贮管理、处理机管理、设备管理、信息管理和作业管理等功能外，还具有以下网络管理功能：高效可靠地网络通信能力以及多种网络服务功能。北京邮电大学北京邮电大学1.7 1.7 分布式操作系统分布式操作系统v操作系统分类操作系统分类 6分布式操作系统：分布式操作系统是为分布式计算机系统配置的操作系统。系统任务可以在系统中任何别的处理机上运行。并提供高度的并行性和有效地同步算法和通信机制，自动实行全系统范围的任务分配并自动调节各处理机的工作负载为用户提供一个方便
16、、友善的用机环境。7多处理机操作系统（并行操作系统）：多处理机系统可分成两大类：基于共享存储的多处理机系统和基于分布存储的多处理机系统。前者称为紧耦合多处理机系统，而后者称为松耦合多处理机系统。多处理机系统也称为并行计算机系统。并行机上使用的操作系统称为并行操作系统。北京邮电大学北京邮电大学1.7 1.7 分布式操作系统分布式操作系统v构造分布式操作系统的三种途径构造分布式操作系统的三种途径 从头开始 修改、扩充式 层次式v分布式操作系统的结构模型分布式操作系统的结构模型 内核 集成式 客户机/服务器模型 中央式 分散式北京邮电大学北京邮电大学1.7 1.7 分布式操作系统分布式操作系统v分布
17、式操作系统的层次划分分布式操作系统的层次划分 执行层 进程通信层 服务支持层 用户接口层v分布式分布式OS的控制策略的控制策略 集中决策、分布决策、信息交换、合作北京邮电大学北京邮电大学1.7 1.7 分布式操作系统分布式操作系统v分布式操作系统的设计方法分布式操作系统的设计方法 面向进程的方法 将操作系统看作进程的集合，有关用户进程和系统状态的同步及控制是通过消息传递实现的。面向对象的方法 将操作系统看作对象的集合，有关用户对象和系统状态的同步及控制是通过权限的管理和分配完成的v分布式操作系统设计的分布式操作系统设计的关键问题关键问题 透明性、灵活性、可靠性、性能、可扩展性北京邮电大学北京邮电大学
