分布式操作系統(tǒng)

1、分布式系統(tǒng)介紹,中國科技大學(xué)軟件學(xué)院丁箐,2,1.1 分布式系統(tǒng)概念1.2 分布式系統(tǒng)的特點(diǎn)1.3 硬件概念1.4 軟件概念1.5 分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題,主要內(nèi)容,3,1.1 分布式系統(tǒng)概念1.2 分布式系統(tǒng)的特點(diǎn)1.3 硬件概念1.4 軟件概念1.5 分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題,主要內(nèi)容,4,What is a Distributed System? “一個(gè)分布式系統(tǒng)是若干個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)的集合，但

2、是對(duì)該系統(tǒng)的用戶來說，系統(tǒng)就像一臺(tái)計(jì)算機(jī)一樣?！?兩個(gè)方面的含義： 硬件方面：各個(gè)計(jì)算機(jī)都是自治的 軟件方面：用戶將整個(gè)系統(tǒng)看作是一臺(tái)計(jì)算機(jī),1.1 分布式系統(tǒng)概念,5,集中式系統(tǒng),6,Sun ULTRA5 with 32GB disk１6 Units,Eathernet Switch100M,Sun ULTRA1032GB diskOne unit,NOW(Network of Workstations),7,

3、The Grid,8,分布式系統(tǒng)定義,一個(gè)分布式系統(tǒng)組織成中間件形式，中間件層分布在多臺(tái)機(jī)器上。,1.1,9,應(yīng)用舉例 銀行“一卡通”系統(tǒng)電信“神州行”系統(tǒng) SETI@Home從集中式系統(tǒng)到分布式系統(tǒng)高性能微型計(jì)算機(jī)(PC)的普及高速計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（LAN、WAN）的普及,,10,1.1 分布式系統(tǒng)概念1.2 分布式系統(tǒng)的特點(diǎn)1.3 硬件概念1.4 軟件概念1.5 分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題,主要內(nèi)容,11,優(yōu)點(diǎn) -

4、- 與集中式系統(tǒng)相比較1、經(jīng)濟(jì)性：高的性能/價(jià)格比 Grosch’Law: Power ↑ Price2 NOPC vs. 大型機(jī)（mainframe）,1.2 分布式系統(tǒng)的特點(diǎn),12,2、性能：能產(chǎn)生單個(gè)大型主機(jī)不能達(dá)到的絕對(duì)性能 10,000 X 50MIPS ? 500,000MIPS（5千億次）= 0.002ns/次=〉0.7mm,優(yōu)點(diǎn) -- 與集中式系統(tǒng)相比較,13,3、應(yīng)用的固有的分布性, 例如：

5、CSCW 工作流4、可靠性高 多工系統(tǒng)的容錯(cuò)能力5、可擴(kuò)充性強(qiáng) 系統(tǒng)演進(jìn)能力（evolution）,優(yōu)點(diǎn) -- 與集中式系統(tǒng)相比較,14,總結(jié)：,優(yōu)點(diǎn) -- 與集中式系統(tǒng)相比較,15,1、支持?jǐn)?shù)據(jù)共享 文件 數(shù)據(jù)庫2、支持設(shè)備共享 高檔打印機(jī) 海量磁盤,優(yōu)點(diǎn) --與獨(dú)立PC機(jī)比較,16,3、P2P通信 email BBS4、靈活性負(fù)載分配,優(yōu)點(diǎn) --與獨(dú)立PC機(jī)比較,17,總結(jié)：,優(yōu)點(diǎn) --與獨(dú)立PC機(jī)比較,

6、18,存在的問題,19,1.1 分布式系統(tǒng)概念1.2 分布式系統(tǒng)的特點(diǎn)1.3 硬件概念1.4 軟件概念1.5 分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題,主要內(nèi)容,20,Flynn分類：（1972）SISD（單指令流、單數(shù)據(jù)流 ）：（PC機(jī)）SIMD （單指令流、多數(shù)據(jù)流 ） ：矩陣計(jì)算機(jī)MISD （多指令流、單數(shù)據(jù)流 ） ：無MIMD （多指令流、多數(shù)據(jù)流 ） ：分布式系統(tǒng),1.3 硬件概念：多臺(tái)計(jì)算機(jī)是如何聯(lián)結(jié)在一起 ？,?

7、,21,存儲(chǔ)器使用：共享式、私有式多處理器系統(tǒng)（multi-processor）多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（multi-computer）,MIMD分類,具有共享存儲(chǔ)器的通常稱為多處理機(jī)（multiprocessor）或多處理器；而不具有共享存儲(chǔ)器的則稱為多計(jì)算機(jī)(multicomputer),22,連接方式：總線式交換式關(guān)聯(lián)程度：緊耦合式：多用于并行系統(tǒng) 松耦合式 ：多用于分布式系統(tǒng),MIMD分類,,23,MIMD系統(tǒng)分類,,seq

8、uent 超級(jí)計(jì)算機(jī) LAN工作站 超立方 Encor RP3 Transputer,24,,,,（1）總線型多處理機(jī),解決總線過載：高速緩存（cache）： 命中率（hit rate） 緩存一致性（coherency）直寫（Write-through）監(jiān)聽（ Sn

9、oopy）,控制線、數(shù)據(jù)線、地址線,SMP？,25,,,,（2）交換型多處理機(jī),交叉開關(guān)線：n2個(gè)交叉開關(guān)點(diǎn)Omega開關(guān)網(wǎng)：2 ? 2開關(guān)點(diǎn)，共n (log2n) /2個(gè)NUMA(NonUniform Memory Access)：分層存儲(chǔ),26,,,（3）總線型多計(jì)算機(jī),本地內(nèi)存 局域網(wǎng)絡(luò)（10M ~ 1000M）只用于CPU和CPU之間的通信,27,,,網(wǎng)格（grid）：二維平面(n2個(gè)節(jié)點(diǎn))。超立方（hypercube

10、）：n維立方（2n個(gè)節(jié)點(diǎn)）,（4）交換型多計(jì)算機(jī),28,Intel 單核CPU芯片,29,Intel多核結(jié)構(gòu),Replicate multiple processor cores on a single die.,30,多核處理器是一類特殊的多處理機(jī),所有處理器在同一個(gè)芯片上多核處理器是MIMD: 不同的核執(zhí)行不同的指令，操作內(nèi)存的不同位置 多核是一個(gè)共享內(nèi)存的多處理機(jī)：所有核共享同一個(gè)內(nèi)存,31,2 Processors vs.

11、2 Cores,2 CoresTwo cores on same die connected directlyMultiple threads and processes automatically processed in parallelOnly a small increase in power consumption,2 ProcessorsTwo separate chips connected externally

12、by a system busRequires explicit software supportMuch greater power consumption,32,,,,,,,Inter-Core Bus Interface,Pentium D with 975X Chipset,Memory ControllerHub,I/O Controller Hub,,DDR2 Memory,,PCI Express x16,,6

13、PCI,,4 Serial ATA Ports,,6 PCI Express x1,,High-Definition Audio,,2 PCI Express x8,,or,DMI (2 GB/s),,,1066 / 800 MHz FSB,,,Core 1L2 Cache(for Core 1),Core 0L2 Cache(for Core 0),,6 USB 2.0,Intel Matrix Storage,BIOS Su

14、pport,Intel Pro 1000 LAN,,,,33,1.1 分布式系統(tǒng)概念1.2 分布式系統(tǒng)的特點(diǎn)1.3 硬件概念1.4 軟件概念1.5 分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題,主要內(nèi)容,34,分類： 緊耦合式、 松耦合式,1.4 軟件相關(guān)概念,緊耦合 松耦合 軟件,硬件松耦合緊耦合,分布式OS,,多處理機(jī)分時(shí)OS,網(wǎng)絡(luò)OS,35,軟件相關(guān)概念,An overview of DO

15、S (Distributed Operating Systems)NOS (Network Operating Systems)Middleware,36,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NOS）,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu),37,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NOS）,遠(yuǎn)程登錄telnetrlogin,38,網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NOS）,網(wǎng)絡(luò)文件NFSmount磁盤映射,39,真正的分布式系統(tǒng),單一的、全局的進(jìn)程間通信機(jī)制協(xié)議、位置全局進(jìn)程管理創(chuàng)建、啟動(dòng)、掛

16、起、撤銷全局文件系統(tǒng)文件名、目錄、操作統(tǒng)一的系統(tǒng)調(diào)用接口,40,多處理機(jī)分時(shí)系統(tǒng)（MPOS）,,,,具有一個(gè)運(yùn)行隊(duì)列的多處理機(jī)系統(tǒng),41,多處理機(jī)分時(shí)系統(tǒng)（MPOS）,,,存在一個(gè)唯一的運(yùn)行隊(duì)列 文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同,特點(diǎn)：,42,多計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng),多件算機(jī)操作系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu),1.14,43,多計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng),消息傳遞的阻塞和緩沖,1.15,44,多計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng),Relation between blocking, buffer

17、ing, and reliable communications.,45,分布式共享內(nèi)存系統(tǒng),Pages of address space distributed among four machinesSituation after CPU 1 references page 10Situation if page 10 is read only and replication is used,46,分布式共享內(nèi)存系統(tǒng),Fals

18、e sharing of a page between two independent processes.,47,中間件,分布式系統(tǒng)作為中間件的一般結(jié)構(gòu),1-22,48,中間件和開放性,In an open middleware-based distributed system, the protocols used by each middleware layer should be the same, as well as the

19、 interfaces they offer to applications.,1.23,49,三種操作系統(tǒng)比較,50,1.1 分布式系統(tǒng)概念1.2 分布式系統(tǒng)的特點(diǎn)1.3 硬件概念1.4 軟件概念1.5 分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題,主要內(nèi)容,51,透明性（Transparency）（對(duì)用戶、對(duì)程序）,1.5 分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題,52,靈活性,單內(nèi)核基本上是目前的集中式操作系統(tǒng)，增加了網(wǎng)絡(luò)功能和遠(yuǎn)程服務(wù)集合。 微內(nèi)

20、核的四種基本服務(wù)：（1）進(jìn)程間通信機(jī)制（2）少量內(nèi)存管理功能（3）必要的低層進(jìn)程管理和調(diào)度（4）低層輸入／輸出服務(wù),53,可靠性,,可用性（availability）：系統(tǒng)可用時(shí)間的比例 “或“相關(guān)性、”與”相關(guān)性備份保持一致性 安全性：資源不被非法用戶使用 身份認(rèn)證、入侵監(jiān)測 容錯(cuò)性硬軟件冗余恢復(fù)和接管,54,性 能,,響應(yīng)時(shí)間 吞吐量系統(tǒng)的利用率網(wǎng)絡(luò)容量消耗程度 并行性 細(xì)粒度并行性