分布计算系统

1、分布计算系统中南大学1第一章 分布式系统概述11什么是分布式系统？分布式系统有很多不同的定义，但没有一个是令人满意或者能够被所有人接受的。介绍分布式系统，对它的特点进行大致的描述就足够了：一个分布式系统是一些独立的计算机的集合，但是对该用户来说，系统就像一台计算机一样。这个定义有两方面的含义:一，从硬件角度来说，每台计算机都是自主的：二，从软件角度来讲，用户将整个系统视为一台计算机。这两者都视必需的，缺一不可。2第一章 分布式系统概述1.2 紧密耦合分布计算系统结构PP开关MMM(c) 开关互连,既有共享存储器，又有专用存储器P：处理机， M：主存储器PP开关M（a）开关互连,既有共享存储器P

2、PMM总线（b）总线互连,既有共享存储器3第一章 分布式系统概述1.3 松散耦合分布计算系统结构通信网络PPPPPMMMMMP：处理机， M：主存储器4第一章 分布式系统概述1.4分布式系统与集中式系统相比较的优点：项目描述经济微处理机提供了比大型主机更好的性价比速度分布式系统总的计算能力比单个大型主机的更强固有的分布性一些应用涉及到空间上分散的机器可靠性如果一台机器崩溃，整个系统还可以运转渐增计算能力可以逐渐有所增加5第一章 分布式系统概述1.5分布式系统与独立PC机相比较的优点项目描述数据共享允许多个用户访问一个公共的数据库设备共享允许多个用户共享昂贵的外围设备（如彩色打印机）通信使得通信

3、更加容易，如通过电子邮件灵活性用最有效的方式将工作负荷分配到可用的机器上6第一章 分布式系统概述1.6 分布式系统的缺点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他的问题安全容易造成对保密数据的访问7第一章 分布式系统概述1.7同构型与异构型分布计算系统 对于同构型分布式系统而言，组成该系统的计算机的硬件和软件是相同的或非常相似的，同时组成该系统的计算机网络的硬件和软件也是相同的或非常相似的。 对于异构型分布式系统而言，组成该系统的计算机的硬件或软件是不同的，或者组成该系统的计算机网络的硬件或软件也是不同的 。8第一章 分布式系统概述1.8 分布计算系统的相关概念分布

4、计算系统的异构性 的表现：分布计算系统的异构性计算机系统的异构性通信网络的异构性指令系统不同数据表示方法不同机器的配置不同操作系统功能不同系统调用不同文件系统不同硬件异构性操作系统异构性程序设计语言的异构性硬件异构性：接口硬件不同、连接方法不同、通信方法不同。软件异构性：通信协议不同。9第一章 分布式系统概述1.8 分布计算系统的相关概念为什么分布计算系统的异构性是不可避免的？分布计算系统已成为资源共享的重要形式。随着分布计算系统资源的增多，其他用户也希望加入系统，共享其资源。这些新的系统往往同原有系统中现有的硬件和软件不同。 由于硬件性能的提高和其价格的下降，当扩充一个分布计算系统时，人们往

5、往会选择新型的计算机系统，而不是选择已有的设备类型。把不同的硬件和软件系统结合在一起，整个系统可以得到较高的性能价格比。在这样的系统中，如果配置一些专门为某种目的设计的具有特殊系统结构的处理器，则普通的计算机也可以共享这些功能。10第一章 分布式系统概述1.9 分布计算系统的优点和新问题分布计算系统的优点 可扩充性。不必像单机系统那样替换整个系统，分布计算系统容易通过扩大规模以包括更多的资源。 高的性能/价格比。在分布计算系统中，可以通过增加计算机的数目，提高并行程度而得到所需要的性能，从而可以获得很高的性能/价格比。 资源共享。系统中的硬件和软件资源如外部设备、文件系统和数据库等可以被更多的

6、用户所共享，甚至连CPU和内存等资源也可被共享。 可靠性。分布计算系统具有在系统中当某个部分出现了故障的情况下继续运行的潜力。 支持固有的分布式应用。分布计算系统与许多应用场合相适应，如银行、铁路等本来就分散而又必须相互协调的行业。 11第一章 分布式系统概述1.9 分布计算系统的优点和新问题分布计算系统的新问题 资源的多重性带来的问题。由于处理资源的多重性，分布计算系统可能产生的差错类型和次数都比集中式单机系统多。资源多重性还给系统资源管理带来新的困难。 资源的分散性带来的问题。分布式的状态信息和不可预知的报文延迟使得系统的控制和同步问题变得很复杂，要想及时地、完整地搜集到系统各方面的信息是

7、很困难的，从而使处理机进行最佳调度相当困难。系统的异构性带来的问题。在异构性分布计算系统中，由于各种不同资源(特别是计算机和网络)的数据表示和编码、控制方式等均不相同，这样一来就产生了翻译、命名、保护和共享等新问题。 12第一章 分布式系统概述1.10 分布计算系统的透明性 透明性的概念透明性：事物本来存在某种属性，但是这种属性从某种角度上来看是不可见的，称这种特性为透明性。 分布计算系统的透明性：用户或程序员看不见网络的存在。这样从用户或程序员的角度看来，网络中的全部机器表现为一个，用户或程序员看不到机器的边界和网络本身。用户不必知道数据放在什么地方以及进程在何处执行。 分布计算系统的透明性

8、表现：名字透明。名字透明指的是对象的命名在全局是唯一的，不管在什么地方访问该对象使用的名字都是一样的。这样一来，在系统中移动一个程序不影响它的正确性。 13位置透明。位置透明指的是资源的名字中不包含该资源的位置信息。这样一来，当该资源在系统中移动时，在资源名字保持不变的情况下，原有的程序都可正常运行。 访问透明。用户不用区分本地资源还是远程资源，访问本地资源和访问远程资源的方法是一样的。 迁移透明。迁移透明指的是用户不知道一个资源或者他的作业是否迁移到另外一个位置。迁移透明需要名字透明的支持。 复制透明。复制透明允许文件或其他对象的多个副本同时在系统中存在，但是这种情况对用户是透明的，对对象的

9、修改应同时作用在对象的所有副本上。 第一章 分布式系统概述1.10 分布计算系统的透明性14并发和并行透明。多个进程可能并发或并行访问同一个资源，或一个进程同时使用多个资源，在此情况下不会产生相互干扰和破坏。 失效透明。系统中的某一部分失效时，整个系统不会失效，仍可正常运行。 第一章 分布式系统概述1.10 分布计算系统的透明性15第一章 分布式系统概述1.10 分布计算系统的透明性分布计算系统具有透明性时有以下一些优点： 使软件的研制变得容易，因为访问资源的方法只有一种，软件的功能与其位置无关。 系统的某些资源变动时不影响或较少影响应用软件。 系统的资源冗余(硬件冗余和软件冗余)使操作更可靠

10、，可用性更好。透明性使得在实现这种冗余的时候，各种冗余资源的互相替换变得容易。 在资源操作方面，当把一个操作从一个地方移到若干其他地方时没有什么影响。 16第一章 分布式系统概述1.10 分布计算系统的透明性影响透明性的因素 系统的异构性对透明性的影响 ：不同方法实现的异构性系统具有不同的透明性。通过网络服务松散集成。对于包含有很多机种，而每个机种又只有很少几台机器的系统，早期常使用这种方式实现。这种方法是让系统不透明地使用一些基本设施(如远程过程调用、命名、访问权限检查)和服务设施(如文件系统、邮件系统、打印机和远程计算等)，用简单的用户程序和复杂的服务程序构成整个系统。这种系统不具有透明性

11、。 17在已有的多个系统上加入前端软件。例如当使用若干个人计算机访问一个现存的公用数据库时，可以在这些个人计算机上加入一个数据库协议软件，从而可以在此系统中的个人计算机上使用该数据库。 共享不同语言的程序。如果一个系统中的每个机种有很多机器，则常采用这种方法。这种方法提供一些设施，使得用根本不同的语言编写的程序能够共享。特别是一种语言程序可以用透明的方式调用另一种语言的程序。第一章 分布式系统概述1.10 分布计算系统的透明性18聚合(Coherence)法。这种方法是定义一个软件层，使其保持一致，并在各种不同硬件上实现。这个软件层可以在逻辑上集中的文件服务层上实现，也可以在应用程序接口上实现

12、。这种方法适用于机种不多，但是每种机器的数目很大的系统。 使用透明的操作系统桥。这种方法就是在本地系统上拦截操作系统的调用，并将相应的调用传递给远程系统的服务进程付诸实现。本地程序直接调用远程进程，在本地和远程进程间进行通信，由远程进程直接访问所需文件。采用这种方法必须为每对操作系统设计桥软件，因此这种方法适用于操作系统种类不多的环境。 第一章 分布式系统概述1.10 分布计算系统的透明性19第一章 分布式系统概述1.10 分布计算系统的透明性局部自治性对透明性的影响：分布计算系统由分散在各地点的一批计算机组成，这些地点可能希望保持对处在该地点的机器的控制权，这种局部自治性限制了全局透明性。

13、资源控制方面。由分布计算系统连接的各机器是由不同的用户所操作，或由一个机关的不同部门控制，希望在资源的使用上有较大的控制权。因此，必须有一种手段解决这个问题，在透明性和局部自治性之间进行折衷。 命名方面。即使同型号的机器，不同的用户也可能以不同的方式形成他们的目录，例如FORTRAN程序库在某个机器上使用某个名字，而在另一台机器上可能使用另一个名字，造成不透明。 20第一章 分布式系统概述1.10 分布计算系统的透明性网络互连对透明性的影响 ：很多网络连接了不同厂商提供的不同系列的计算机，要实现透明性必须修改这些机器的软件，这是很不实际的。 现在的网络一般是直接从早期网络结构发展来的，其最重要

14、的功能是通信，并未考虑到分布计算。 远程网络一般是很昂贵的资源，其特征是低带宽或高延迟，或者二者兼有，因此，很多人认为应当使这种资源的应用成为可见的(不透明的)。 21第一章 分布式系统概述1.11 分布计算系统与计算机网络系统分布计算系统和计算机网络系统有什么区别呢？ 如果用户能说明他在使用哪一个计算机，则他是在使用一个计算机网络系统而不是分布式系统。一个真正的分布计算系统的用户不必知道他的程序在哪个机器上运行，他的文件在哪里存放，等等。使分布计算系统具有这种性质的是它的软件：分布式操作系统。 从计算机网络系统上所运行的操作系统软件来分，计算机网络系统的发展可分为三个阶段：无操作系统阶段、运

15、行网络操作系统阶段和运行分布式操作系统阶段。 22第一章 分布式系统概述1.11 分布计算系统与计算机网络系统网络操作系统一般具有以下特点： 每个计算机都运行自己的操作系统，而不是运行共同的、全系统范围的操作系统或其一部分。 每个用户通常在自己的计算机上以“远程登录”的方式或其他明确指出的方式使用不同的机器，而不是由系统给用户进程分配计算机，因而不能并行执行某个程序。 用户知道他们的文件存放在哪里，在机器之间移动文件时必须明确地使用“文件传送”命令。 系统没有容错能力，或者仅具有很少的容错能力。 23第一章 分布式系统概述1.11 分布计算系统与计算机网络系统分布计算系统应达到的目标：程序(进

16、程)、终端用户或程序员对全部分布资源应该有一个唯一的连贯的观点，不必明确地知道所需资源是在本地、远程或是分散的，主机之间的边界应尽可能隐匿。 在性能方面，NOS结构的实现是有效的、可用的。本地用户进程访问本地服务时应象单机操作系统一样有效，不增加额外数目和类型的报文或系统调用。 可扩充性。用户很容易在现存服务上增加新的服务而不必要求系统程序员增加新的驻存程序，正如在单机系统上增加新的服务不必要求修改现有的操作系统。 24第一章 分布式系统概述1.11 分布计算系统与计算机网络系统区分计算机网络系统与分布计算系统 从文件系统的访问方法上区分 ：没有操作系统的访问方法。计算机A上的程序将B上的文件

17、复制到A上来，然后再在A上访问此文件。 有网络操作系统的访问方法。这种方法是把不同的文件系统连接起来，一个机器上的程序可以使用路径名打开另一个机器上的文件，只是这个路径名中包含了另一个机器的信息。 如：open(“/machine_name/pathname”,READ)； 分布计算系统使用的方法。在这种方法中，所有各子系统的文件系统组成一个整体文件系统。 25第一章 分布式系统概述1.11 分布计算系统与计算机网络系统从访问控制方面区分 UNIX和其他许多操作系统给每个用户赋予一个唯一的内部标识符（UID），以利于访问控制。 没有网络操作系统下的情况。这种办法要求所有要访问机器X上的文件的用

18、户先使用属于机器X的用户名在机器X上登录。 有网络操作系统下的情况。在这种办法中，由网络操作系统对不同机器上的UID进行变换。 在分布式操作系统下的情况。在分布计算系统中，对每个用户只设一个UID，使用它可以访问任何机器，不必经过变换。 26第一章 分布式系统概述1.11 分布计算系统与计算机网络系统是否区分本地执行和远程执行方面判断 ：在没有网络操作系统的计算机网络系统中，用户要远程执行一个程序时，该用户先远程登录到一个远程机器上，然后在那里运行作业。 在有网络操作系统的计算机网络系统中，用户在自己的终 端上输入一个特殊的命令，指定一个机器运行一个程序。 如：remote vax4 who，

19、这个命令是让远程计算机vax4运行 程序who。 在分布计算系统中，用户执行一个程序时，只需简单的给出要执行的程序的程序名和相关的参数，并不指出在何处执行这个程序，何处执行由操作系统决定。 27第一章 分布式系统概述1.12 分布计算系统的体系结构与设计分布计算系统的分层体系结构 分布计算系统可以分成若干逻辑层，层与层之间称为接口，每层有两个接口。层所提供的功能还可进一步分割成若干模块，模块之间也有接口。接口由以下三部分组成： 一套可以见到的抽象对象(资源)以及对这些对象所要求的操作和参数。一套控制这些操作的合法顺序的规则。操作和参数所需要的编码和格式化约定。 28第一章 分布式系统概述1.1

20、2 分布计算系统的体系结构与设计面向进程和报文传递的分布计算系统模型 分布式进程通信子层分布式操作系统内核C1CmS1S2Sn顾客服务员C2请求回答请求回答29第一章 分布式系统概述1.12 分布计算系统的体系结构与设计分布计算系统的组成 分布计算系统由四层组成：第一层是由硬件或固件组成的硬核，第二层是分布式操作系统的内核，第三层是分布式操作系统的服务层，第四层是和用户有关的应用层。 30机器A机器B机器C网络第一章 分布式系统概述1.12 分布计算系统的体系结构与设计分布计算系统的组成 DOS内核DOS内核DOS内核DOS服务层分布式应用硬核硬核硬核硬件/固件层(硬核)。该层包括处理器、主存

21、、I/O设备、键盘、终端以及用于数据采集和物理过程控制的各种硬件设备。 内核的最基本最重要的功能是进程通信(IPC)，除此之外，还包括进程的同步机制、进程管理、存储管理和I/O管理等功能。 分布式操作系统的服务层。这一层的作用是为各种广泛的应用提供一些基本的、共同的服务，包括实现基本的资源分配和复用。 这一层包括和各种应用有关的顾客服务进程。要考虑的主要问题有两方面：应用结构问题和语言问题。 31第一章 分布式系统概述1.12 分布计算系统的体系结构与设计基于中间件的分布计算系统 机器A机器B机器C硬核硬核硬核本地OS本地OS本地OS分布式应用网络NOS服务NOS服务NOS服务中间件服务直接利

22、用网络操作系统提供的服务编制的应用程序很难具有很高的透明度。 中间件的一个重要目标是为应用程序隐匿底层平台的异构性。许多中间件系统提供某种程度的全局服务集成，并且只为用户或应用程序提供使用这些服务的接口。 32第一章 分布式系统概述1.12 分布计算系统的体系结构与设计中间件模型一般包括如下一些类型： 将任何资源作为文件来对待。如在Plan 9中，所有的资源，包括键盘、鼠标、硬盘、网络接口等等这些I/O设备都被当作文件看待。无论一个文件是远程的还是本地的，在本质上是没有区别的。因为一个文件能够被几个进程共享，进程通信可以简化到对同一个文件访问的问题。 以分布式文件系统(DFSDistribut

23、ed )为中心的中间件模型。这种模型类似于第一种模型，但并不像Plan 9那样严格。在许多情况下，这种中间件实际上只在支持传统文件的分布透明性方面比网络操作系统前进了一步。33第一章 分布式系统概述1.12 分布计算系统的体系结构与设计基于远程过程调用(RPCRemote Procedure Call)的中间件模型。这种模型主要集中在隐匿网络通信，隐匿网络通信的方式是允许一个进程调用在一个远程机器上实现的过程。这个过程调用似乎就发生在本地，调用进程不必关心发生网络通信。 基于分布式对象(Distributed Objects)的中间件模型。一个分布式对象往往是在拥有该对象的一个机器上实现，而它

24、的接口在许多其他的机器上可用。当一个进程引用一个方法时，进程所在机器上的接口将此引用转换成一个报文传送给对应的对象，该对象执行所请求的方法并回送结果。同RPC的情况一样，进程完全可以不关心网络通信的细节。 中间件模型一般包括如下一些类型： 34第一章 分布式系统概述1.12 分布计算系统的体系结构与设计基于分布式文档(Distributed Documents)的中间件模型。如在Web模型中，信息被组织成文档，每个文档透明地存放在某个机器上，文档里包含有一些指向其他文档的链接(link)。通过一个链接，这个链接所指定的文档会被从它存放的位置取到用户的机器上并显示到用户的显示器上。 中间件模型一

25、般包括如下一些类型： 35第一章 分布式系统概述1.12 分布计算系统的体系结构与设计分布计算系统的设计问题 各层或很多层所共有的 设计问题：命名问题。标识符代表一个对象，在保护、差错控制、资源管理、资源定位、资源共享、用简单对象创建较复杂对象时，都要用到标识符。整个系统各个层次上也都使用标识符，最低层的标识符就是机器地址。名字常在局部意义上使用，也有的名字在整个系统中是唯一的，这叫全局命名。命名直接影响透明性。 36资源管理问题。每一层都要对用于对象表示的主存、缓冲器空间、信道访问、通信带宽、CPU机时、对硬件/固件的访问、地址空间等资源进行相应的管理。资源的分配和调度通常在本地完成，因为需要本地自治管理，此外还需要全局调度和分配。要同时达到报文低延迟和高吞吐量的目标则要求长期保留某些状态信息以及资源与功能在各层上进行预分配。 差错控制。在系统内各个层次上都要检测差错，并使系统从差错状态恢复到正确状态。不可能只使用一种差错控制机构来解