分布式简述分布式操作系统

轻工业学院

课程设计报告题 目 简述分布式操作系统学生 元家 峰崎

专业班级 计科1 1-01学 号 2 3

院 系 计算机与通信工程

完成时间 2014年6月18日

目录

摘要. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

1 分布式操作系统的特点. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

2 网络操作系统和分布式操作系统的区别. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

2. 1网络操作系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

2. 1. 1网络操作系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

2. 1.2网络操作系统对于计算机网络的作用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

2.2分布式操作系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

2.2. 1集群为了提高计算机的性能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

2.2.2分布式操作系统. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

2.3 网络操作系统和分布式操作系统的区别是. . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

3 以大规模IPTV点播系统为例说明分布式系统分布方式. . . . . . . . . . . .9

3. 1 分布式点播系统分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

3. 1. 1 分布式系统典型结构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

3. 1.2分布式系统工作原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

3. 1.3分布式系统的典型应用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

3. 1.4分布式点播系统的局限性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

结论. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

参考文献. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

分布式操作系统的特点

摘 要

本文介绍了分布式操作系统的特点以及与网络操作系统的区别并且以大规模IPTV点播系统为例说明分布式系统分布方式分布式操作系统是在比单机复杂的多机环境下得到实现的并且具备分布性、 自治性、并行性、全局性这四个基本特征能够实现资源共享加快计算速度并且可靠性得到了提高。在分布性与并行性上比网络操作系统有独到的优点并且在透明性以及健壮性方面具有网络操作系统不可匹敌的优势在大规模IPTV点播系统中本文从分布式系统的结构、分布式系统的工作原理、分布式系统的典型作用以及分布式系统的局限性等方面详细阐述了分布式系统在服务器系统中是如何实现分布的。

关键字分布式操作系统、 网络操作系统、 I PTV点播系统

1 分布式操作系统的特点

分布式操作系统是在比单机复杂的多机环境下得到实现的操作系统在进行任何一项任务的始终都要依赖于通信软件模块故而分布式操作系统具有区别于单机操作系统的下列显著特点

(1)具有干预互连的各处理机之间交互关系的责任。分布式操作系统必须保证在不同处理机上执行的进程彼此互不干扰并严格同步以及保证避免或妥善解决各处理机对某些资源的竞争和引起的死锁等问题。

(2)分布式操作系统的控制结构是分布式的。分布式操作系统一般由核和实用程序组成。核主要负责处理各种中断、通信和调度实用程序。而实用程序有多个它们分别完成一部分的系统功能。由于分布计算机系统由多台计算机组成分布式操作系统的核就必须有多个每台计算机上都应有一个核而每台计算机上所配置的实用程序可以各不相同且可以以多副本形式分布于不同的计算机上。核一般由基本部分和外加部分组成。 5'bDH部分主要用来控制外部设备它根据各台计算机所配置的外部设备而定。各台计算机的核的基本部分是相同的它运行于硬件之上是一种具有有限功能的较小的操作系统核主要作用是让系统管理员以它为基础建立操作系统其主要功能为进程通信、低级进程管理、低级存储管理、输入输出管理等。

(3)分布式操作系统按其逻辑功能可分为全局操作系统和局部操作系统两部分。由于分布式操作系统把资源看成统一的整体来处理系统基于单一策略来控制和管理因而在操作系统的设计上要体现出各处理机间的协调一致整体地去分配任务及公共事务、特殊事务(意外处理、错误捕获等)  即把整体性分散于核和管理程序之中这一部分称为全局操作系统。但在每台计算机上的操作系统又有独立于其他机器的管理功能这一部分称之为局部操作系统。它主要负责属于本机独立运行的基本管理功能以及本机与其他机器的同步通信、消息发送的事务管理。这样的划分是为了使各处理机在运行中既具有独立性和一定的自主权又能保持系统中各机的步调一致并能良好地合作。

(4)分布式操作系统的基本调度单位不是一般系统中的进程而是一种任务队列即多个处理机上的并发进程的集合。多处理机系统以任务级并行为特征。同一任务队列的各进程可分布在不同的处理机上并行地执行同一处理机也可执行多个不同的任务队列的进程。任务队列的各进程或各个任务队列之间都有很复杂的在联系。

(5)分布式操作系统的组成情况与系统的耦合方式关系很大。紧耦合的分布式系统中系统资源的耦合程度很高需使用专门的各种软件硬件机制来解决冲突和竞争等问题在松耦合的分布式系统中各处理机配有自己的本地资源系统的重要问题是机问的同步与通信的管理。

(6)分布式操作系统为加强各处理机间的动态协作借鉴了网络操作系统中的消息传送协议技术具体采取什么协议则根据系统的互连模式而定。

2 网络操作系统和分布式操作系统的区别

2. 1网络操作系统

网络操作系统和分布式操作系统计算的需求催生了计算机的发明通信和资源共享的需求又催生了计算机网络的产生和发展而分布协同处理和廉价的高性能计算的需求推动了集群的出现。计算机系统需要操作系统的武装同样网络和集群也需要有相应的操作系统只是由于需求和设计目标不同这样的操作系统有很大的不同。为了说明这一点本节先介绍一下计算机网络和集群知识。

2. 1 . 1网络操作系统

计算机网络计算机网络是指将若干台计算机用通信线路按照一定规连接起来以实现资源共享和信息交换为目的的系统。计算机网络从诞生到目前为止其发展历史可以划分为四个阶段第一代网络面向终端的远程联机系统。其特点是整个系统里只有一台主机远程终端没有独立的处理能力它通过通信线路点到点的直接方式或通过专用通信处理机或集中器的间接方式和主机相连从而构成网络。在前一种连接方式下主机和终端通信的任务由主机来完成而在后一种方式下该任务则由通信处理机和集中器承担。这种网络主要用于数据处理远程终端负责数据采集主机则对采集到的数据进行加工处理常用于航空自动售票系统、商场的销售管理系统等。由于终端不具有独立的处理能力 因此这种系统并不是严格意义上的网络。

第二代网络以通信子网为中心的计算机通信网。其特点是系统中有多台主机(可以带有各自的终端) 这些主机之间通过通信线路相互连接。通信子网是网络中纯粹通信的部分其功能是负责把消息从一台主机传到另一台主机消息传递采用分组交换技术。这种网络出现在20世纪60年代后期 1969年由美国国防部高级研究计划局建立的阿帕网(ARPANET)就是其典型代表。

第三代网络遵循国际标准化网络体系结构的计算机网络。其特点是按照分层的

方法设一计算机网络系统。 1974年美国IBM公司研制的系统网络体系结构SNA就是其早期代表。 网络体系结构的出现方便了具有相同体系结构的网络用户之间的互连但同时其局限性也是显然的。 20世纪70年代后期为了解决不同网络体系结构用户之间难以相互连接的问题 国际标准化组织(1SO)提出了一个试图使各种计算机都能够互连的标准框架 即开放系统互连基本参考模型(OSl) 。该模型包括7层物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层模型中给出了每一层应该完成的功能。 20世纪80年代建立的计算机网络多属第三代计算机网络。

第四代网络宽带综合业务数字网。其特点是传输数据的多样化和高的传输速度。宽带网络不但能够用于传统数据的传输而且还可以胜任声音、图像、动画等多媒体数据的传输数据传输速率可以达到几十到几百M b i ffs甚至达到几十G b i ffs。第四代网络将可以提供视频点播、 电视现场直播、全动画多媒体电子、 CD级音乐等网上服务。作为因特网的发源地美国在第四代计算机网络的筹划和建设上走在了世界的前列。 1993年9月美国提出了国家信息基础设施(N11)行动计划(Ni l又被译为信息高速公路) 该文件提出高速信息网是美国国家信息基础结构的5个部分之一也就是这里所说的宽带综合业务数字网。现在世界各国都竞相研究和制订建设本国信息高速公路的计划以适应世界经济和信息产业的飞速发展。现在流行的所谓的因特网(Internet) 指的是由遍布全球的许多计算机网络连成的网络(网络的网络) 。它的产生主要分3个过程 (1)阿帕网的诞生 1969年第一个计算机网络阿帕网诞生这种计算机网络跨越的地理围较大如一个省、一个国家甚至全球被称为广域网。 (2)以太网的出现 1973年鲍勃梅·特卡夫(BobMemalfe)在施乐(Xerox)公司发明了以太网(Ethernet) 这种计算机网络所跨越的地域较小如几个办公室、一栋大楼。今天的以太网已成为局域网的代名词局域网的传输速率高出阿帕网几千倍成为中小型单位网络建设较理想的选择。 (3)因特网的产生 1973年美国斯坦福研究院的文特·瑟夫(VinCerf)提出了关于计算机网络的一个重要概念网关(Gateway) 这对最终形成TCP~P(传输控制协议网际协议)起了决定性的作用 因此他被人们誉为因特网之父。1974年5月文特·瑟夫和鲍勃·卡恩BobKahn正式发表了传输控制协议TCP即后来的TCP~P两个协议。 1978年将TCP中的处理分组路由选择部分分割出来单独形成一个IP协议。 1977年文特·瑟夫和鲍勃·卡恩成功地实现了阿帕网、无线分组交换网络和卫星分组交换网三网互连。虽说因特网源于阿帕网但是真正促成因特网形成的则是美国国家科学基金会(NSF) 。1986年主干网使用TCPflP协议的NSF网络建成。

1986-1991年并入NSF网的网络数从100个增到3000个 1989年NSF网络正式改称为因特网。

2. 1 .2网络操作系统对于计算机网络的作用

网络操作系统对于计算机网络特别是通过局域网连接的工作站网络其设计的目的就是实现通信和资源共享。网络上每个用户有自己的工作站有自己的操作系统。大多数情况下用户的工作都是在自己的工作站上完成。但有时用户可能需要登录到另外的工作站上使用其他计算机的资源如拷贝文件或使用打印机等。但由于现代操作系统将外设也作为文件管理 因此资源共享就是文件共享。 网络操作系统(NetworkOperatingSystem NOS)往往是提供一个所有工作站都能访问的全局文件系统这种文件系统由一个或多个被称为文件服务器的机器支持。文件服务器接收来自其他机器上的客户程序的读写请求然后按请求执行一定的操作将结果返回给客户程序。文件服务器的文件系统一般是层次式的不仅要提供共享的文件同时对客户私有的文件提供认证管理避免被非法篡改和拷贝。网络中的各个客户机要访问服务器显然必须遵循同样的网络协议。所以网络操作系统在维护服务器的文件系统的同时要提供用于通信的程序不仅运行于服务器端而且运行于客户端从而在客户机和服务器间建立了一致的通信方式。典型的网络操作系统有 SUN公司的网络文件系统NFS(NetworkFi leSystem)、 Unix、Microsoft公司的WindowsNT和Windows2000等。

2 2分布式操作系统

2 2 1集群为了提高计算机的性能

集群为了提高计算机的性能一方面人们努力提高处理器的处理速度和优化系统结构另一方面人们又试图让多个处理器联合作业提高整个系统的性能。对于多处理器系统有两种类型的配置一种是多个处理器共享存储器的紧耦合系统另一种是分布式存储器。各处理器有独占的存储器实际上就是多台有独立功能的计算机(包括紧耦合的多处理器系统)的互联而成为一个统一的计算资源。在用户看来整个系统跟一台计算机是一样的只是性能有了很大的提升称之为集群(Cluster) 。集群和计算机网络看起来很相似但网络的目的是通信和资源共享而集群是把多台计算机(节点)整合为一个整体 以提高计算性能(Performance)为目的并且提供高可用性(HighAvai labi l ity) 即当某个节点出现故障时其他节点会立即接管其任务而不会造成

服务中断。

2 2 2 分布式操作系统

分布式操作系统用于通信和资源共享的计算机网络中除了共享文件系统外用户知道网络中其他计算机的存在每台计算机拥有自己的操作系统整个网络并没有整体的协调。网络操作系统仅仅维护了全局文件系统和用户的信息并要求客尸和服务器间遵循一致的通信协议而已。对于应用于集群的分布式操作系统来说试图让用户感觉不到多台计算机的存在并提供较高的计算性能和可用性。因此分布式操作系统(DistributedOperatingSystem)的设计要充分地体现系统的透明性、可靠性和并行性。

透明性让用户感觉到面对的集群就和一台计算机一样是分布式系统设计首要解决的问题也就是设计透明性的系统包括①位置透明性使用户不需要关心所使用的系统资源的具体位置是在哪台机器上②迁移透明性使得系统资源可以在系统任意移动却不影响它们在全局名字空间的名字③复制透明性允许系统在多个节点上复制使用频率很高的文件并自动维护文件的一致性而用户仅感觉到复制文件的存在④并发透明性使得多个用户同时并发请求某资源时可能感觉到系统的迟钝但感觉不到其他用户的存在⑤并行透明性使得单个任务被系统并行处理但用户仅仅感觉到系统的响应比较快而不需要知道并行的存在。

可靠性设计分布式系统的原因之一是因为它能比单处理机系统更加可靠。当某个机器故障停机时其他机器能接替它的工作。可靠性实际包含了①可用性(Avai labi l ity) 一般通过冗余关键性的软硬件宋实现当其中一个失效时其他的部件能接替工作②安全性分布式系统的安全性问题比单处理机系统远为复杂防止非法使用文件和其他资源的任务更为艰巨。并行性提供高性能的计算能力是设计分布式系统的一个初衷但这个目标的达成受到很多的限制比如通信较慢使得进程的全局调度困难重重。为了改善通信延迟的影响通常要减少消息的数目但为了提高性能应该让一个任务并行地运行在多个处理器上这是一对矛盾。所以为了提高性能分布式系统的调度要复杂得多。对紧耦合的多处理机系统包括让操作系统核运行于一个专用处理机上而其他用户进程运行在其他处理机上的主从式(MasterSlave)系统操作系统与用户进程同等调度与任意处理机上的多成多处理(SMP)系统其设计的复杂性介于分布式操作系统和单处理机操作系统之间。网络操作系统、分布式操作

系统和紧耦合多处理机操作系统三者

2. 3 网络操作系统和分布式操作系统的区别是

1分布性。分布式操作系统的处理和控制功能均为分布式的而网络操作系统虽具分布处理功能但其控制功能却是集中在某个或某些主机或网络服务器中即集中式控制方式。

2并行性。分布式操作系统具有任务分配功能可将多个任务分配到多个处理单元上使这些任务并行执行从而加速了任务的执行而网络操作系统通常无任务分配功能 网络中每个用户的一个或多个任务通常都在本地计算机上处理。

3透明性。分布式操作系统通常能很好地隐藏系统部的实现细节。包括对象的物理位置、并发控制和系统故障等对用户都是透明的。例如当用户要访问某个文件时只需提供文件名而无须知道所要访问的对象它是驻留在那个站点上即可对它进行访问以即具有物理位置的透明性。网络操作系统的透明性则主要指操作实现上的透明性。例如当用户要访问服务器上的文件时只需发出相应的文件存取命令而无需了解对该文件的存取是如何实现的。

4共享性。分布式操作系统支持系统中所有用户对分布在各个站点上的软硬件资源的共享和透明方式访问。而网络操作系统所提供的资源共享功能仅局限于主机或网络服务器中资源对于其它机器上的资源通常仅有使用该机的用户独占。

5健壮性。分布式操作系统由于处理和控制功能的分布性而具有较好的可用性和可靠性即健壮性。而网络操作系统由于控制功能的集中式特点而使系统重构功能较弱且具有潜在的不可靠性。