簡述分布式操作系統(tǒng)

簡述分布式操作系統(tǒng)簡述分布式操作系統(tǒng)簡述分布式操作系統(tǒng)xxx公司簡述分布式操作系統(tǒng)文件編號：文件日期：修訂次數：第1.0次更改批準審核制定方案設計，管理制度鄭州輕工業(yè)學院課程設計報告題目簡述分布式操作系統(tǒng)學生姓名楊元家張峰崎專業(yè)班級計科11-01學號01520153院（系）計算機與通信工程指導教師張旭完成時間2014年6月18日目錄摘要 31分布式操作系統(tǒng)的特點 42網絡操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)的區(qū)別 5網絡操作系統(tǒng) 5網絡操作系統(tǒng) 6網絡操作系統(tǒng)對于計算機網絡的作用 11分布式操作系統(tǒng) 12集群為了提高計算機的性能 12分布式操作系統(tǒng) 12網絡操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)的區(qū)別是： 143以大規(guī)模IPTV點播系統(tǒng)為例說明分布式系統(tǒng)分布方式 16分布式點播系統(tǒng)分析 16分布式系統(tǒng)典型結構 16分布式系統(tǒng)工作原理 17分布式系統(tǒng)的典型應用 18分布式點播系統(tǒng)的局限性 19結論 20參考文獻 21分布式操作系統(tǒng)的特點摘要本文介紹了分布式操作系統(tǒng)的特點以及與網絡操作系統(tǒng)的區(qū)別，并且以大規(guī)模IPTV點播系統(tǒng)為例說明分布式系統(tǒng)分布方式，分布式操作系統(tǒng)是在比單機復雜的多機環(huán)境下得到實現的，并且具備分布性、自治性、并行性、全局性這四個基本特征，能夠實現資源共享，加快計算速度，并且可靠性得到了提高。在分布性與并行性上比網絡操作系統(tǒng)有獨到的優(yōu)點，并且在透明性以及健壯性方面具有網絡操作系統(tǒng)不可匹敵的優(yōu)勢，在大規(guī)模IPTV點播系統(tǒng)中，本文從分布式系統(tǒng)的結構、分布式系統(tǒng)的工作原理、分布式系統(tǒng)的典型作用以及分布式系統(tǒng)的局限性等方面詳細闡述了分布式系統(tǒng)在服務器系統(tǒng)中是如何實現分布的。關鍵字：分布式操作系統(tǒng)、網絡操作系統(tǒng)、IPTV點播系統(tǒng)1分布式操作系統(tǒng)的特點分布式操作系統(tǒng)是在比單機復雜的多機環(huán)境下得到實現的，操作系統(tǒng)在進行任何一項任務的始終都要依賴于通信軟件模塊，故而分布式操作系統(tǒng)具有區(qū)別于單機操作系統(tǒng)的下列顯著特點：(1)具有干預互連的各處理機之間交互關系的責任。分布式操作系統(tǒng)必須保證在不同處理機上執(zhí)行的進程彼此互不干擾，并嚴格同步，以及保證避免或妥善解決各處理機對某些資源的競爭和引起的死鎖等問題。(2)分布式操作系統(tǒng)的控制結構是分布式的。分布式操作系統(tǒng)一般由內核和實用程序組成。內核主要負責處理各種中斷、通信和調度實用程序。而實用程序有多個，它們分別完成一部分的系統(tǒng)功能。由于分布計算機系統(tǒng)由多臺計算機組成，分布式操作系統(tǒng)的內核就必須有多個，每臺計算機上都應有一個內核，而每臺計算機上所配置的實用程序可以各不相同，且可以以多副本形式分布于不同的計算機上。內核一般由基本部分和外加部分組成。5'bDH部分主要用來控制外部設備，它根據各臺計算機所配置的外部設備而定。各臺計算機的內核的基本部分是相同的，它運行于硬件之上，是一種具有有限功能的較小的操作系統(tǒng)內核，主要作用是讓系統(tǒng)管理員以它為基礎建立操作系統(tǒng)，其主要功能為進程通信、低級進程管理、低級存儲管理、輸入／輸出管理等。(3)分布式操作系統(tǒng)按其邏輯功能可分為全局操作系統(tǒng)和局部操作系統(tǒng)兩部分。由于分布式操作系統(tǒng)把資源看成統(tǒng)一的整體來處理，系統(tǒng)基于單一策略來控制和管理，因而在操作系統(tǒng)的設計上要體現出各處理機間的協(xié)調一致，整體地去分配任務及公共事務、特殊事務(意外處理、錯誤捕獲等)，即把整體性分散于內核和管理程序之中，這一部分稱為全局操作系統(tǒng)。但在每臺計算機上的操作系統(tǒng)又有獨立于其他機器的管理功能，這一部分稱之為局部操作系統(tǒng)。它主要負責屬于本機獨立運行的基本管理功能以及本機與其他機器的同步通信、消息發(fā)送的事務管理。這樣的劃分是為了使各處理機在運行中既具有獨立性和一定的自主權，又能保持系統(tǒng)中各機的步調一致并能良好地合作。(4)分布式操作系統(tǒng)的基本調度單位不是一般系統(tǒng)中的進程，而是一種任務隊列，即多個處理機上的并發(fā)進程的集合。多處理機系統(tǒng)以任務級并行為特征。同一任務隊列的各進程可分布在不同的處理機上并行地執(zhí)行，同一處理機也可執(zhí)行多個不同的任務隊列的進程。任務隊列的各進程或各個任務隊列之間都有很復雜的內在聯(lián)系。(5)分布式操作系統(tǒng)的組成情況與系統(tǒng)的耦合方式關系很大。緊耦合的分布式系統(tǒng)中，系統(tǒng)資源的耦合程度很高，需使用專門的各種軟件／硬件機制來解決沖突和競爭等問題，在松耦合的分布式系統(tǒng)中，各處理機配有自己的本地資源，系統(tǒng)的重要問題是機問的同步與通信的管理。(6)分布式操作系統(tǒng)為加強各處理機間的動態(tài)協(xié)作，借鑒了網絡操作系統(tǒng)中的消息傳送協(xié)議技術，具體采取什么協(xié)議則根據系統(tǒng)的互連模式而定。2網絡操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)的區(qū)別網絡操作系統(tǒng)網絡操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)計算的需求催生了計算機的發(fā)明，通信和資源共享的需求又催生了計算機網絡的產生和發(fā)展，而分布協(xié)同處理和廉價的高性能計算的需求推動了集群的出現。計算機系統(tǒng)需要操作系統(tǒng)的武裝，同樣網絡和集群也需要有相應的操作系統(tǒng)，只是由于需求和設計目標不同，這樣的操作系統(tǒng)有很大的不同。為了說明這一點，本節(jié)先介紹一下計算機網絡和集群知識。2.1.1網絡操作系統(tǒng)計算機網絡計算機網絡是指將若干臺計算機用通信線路按照一定規(guī)范連接起來，以實現資源共享和信息交換為目的的系統(tǒng)。計算機網絡從誕生到目前為止，其發(fā)展歷史可以劃分為四個階段：第一代網絡：面向終端的遠程聯(lián)機系統(tǒng)。其特點是整個系統(tǒng)里只有一臺主機，遠程終端沒有獨立的處理能力，它通過通信線路點到點的直接方式或通過專用通信處理機或集中器的間接方式和主機相連從而構成網絡。在前一種連接方式下主機和終端通信的任務由主機來完成：而在后一種方式下該任務則由通信處理機和集中器承擔。這種網絡主要用于數據處理遠程終端，負責數據采集，主機則對采集到的數據進行加工處理，常用于航空自動售票系統(tǒng)、商場的銷售管理系統(tǒng)等。由于終端不具有獨立的處理能力，因此這種系統(tǒng)并不是嚴格意義上的網絡。第二代網絡：以通信子網為中心的計算機通信網。其特點是系統(tǒng)中有多臺主機(可以帶有各自的終端)，這些主機之間通過通信線路相互連接。通信子網是網絡中純粹通信的部分，其功能是負責把消息從一臺主機傳到另一臺主機，消息傳遞采用分組交換技術。這種網絡出現在20世紀60年代后期，1969年由美國國防部高級研究計劃局建立的阿帕網(ARPANET)就是其典型代表。第三代網絡：遵循國際標準化網絡體系結構的計算機網絡。其特點是按照分層的方法設一計算機網絡系統(tǒng)。1974年美國IBM公司研制的系統(tǒng)網絡體系結構SNA就是其早期代表。網絡體系結構的出現方便了具有相同體系結構的網絡用戶之間的互連，但同時其局限性也是顯然的。20世紀70年代后期，為了解決不同網絡體系結構用戶之間難以相互連接的問題，國際標準化組織(1SO)提出了一個試圖使各種計算機都能夠互連的標準框架，即開放系統(tǒng)互連基本參考模型(OSl)。該模型包括7層：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層，模型中給出了每一層應該完成的功能。20世紀80年代建立的計算機網絡多屬第三代計算機網絡。第四代網絡：寬帶綜合業(yè)務數字網。其特點是傳輸數據的多樣化和高的傳輸速度。寬帶網絡不但能夠用于傳統(tǒng)數據的傳輸，而且還可以勝任聲音、圖像、動畫等多媒體數據的傳輸，數據傳輸速率可以達到幾十到幾百Mbiffs，甚至達到幾十Gbiffs。第四代網絡將可以提供視頻點播、電視現場直播、全動畫多媒體電子郵件、CD級音樂等網上服務。作為因特網的發(fā)源地，美國在第四代計算機網絡的籌劃和建設上走在了世界的前列。1993年9月美國提出了國家信息基礎設施(N11)行動計劃(Nil又被譯為信息高速公路)，該文件提出高速信息網是美國國家信息基礎結構的5個部分之一，也就是這里所說的寬帶綜合業(yè)務數字網。現在世界各國都競相研究和制訂建設本國信息高速公路的計劃以適應世界經濟和信息產業(yè)的飛速發(fā)展?，F在流行的所謂的因特網(Internet)，指的是由遍布全球的許多計算機網絡連成的網絡(網絡的網絡)。它的產生主要分3個過程：(1)阿帕網的誕生：1969年第一個計算機網絡阿帕網誕生，這種計算機網絡跨越的地理范圍較大，如一個省、一個國家甚至全球，被稱為廣域網。(2)以太網的出現：1973年鮑勃梅·特卡夫(BobMemalfe)在施樂(Xerox)公司發(fā)明了以太網(Ethernet)，這種計算機網絡所跨越的地域較小，如幾個辦公室、一棟大樓。今天的以太網已成為局域網的代名詞，局域網的傳輸速率高出阿帕網幾千倍，成為中小型單位網絡建設較理想的選擇。(3)因特網的產生：1973年美國斯坦福研究院的文特·瑟夫(VinCerf)提出了關于計算機網絡的一個重要概念網關(Gateway)，這對最終形成TCP~P(傳輸控制協(xié)議／網際協(xié)議)起了決定性的作用，因此他被人們譽為因特網之父。1974年5月，文特·瑟夫和鮑勃·卡恩BobKahn正式發(fā)表了傳輸控制協(xié)議TCP即后來的TCP~P兩個協(xié)議。1978年將TCP中的處理分組路由選擇部分分割出來，單獨形成一個IP協(xié)議。1977年文特·瑟夫和鮑勃·卡恩成功地實現了阿帕網、無線分組交換網絡和衛(wèi)星分組交換網三網互連。雖說因特網源于阿帕網，但是真正促成因特網形成的則是美國國家科學基金會(NSF)。1986年主干網使用TCPflP協(xié)議的NSF網絡建成。1986-1991年并入NSF網的網絡數從100個增到3000個，1989年NSF網絡正式改稱為因特網。網絡操作系統(tǒng)對于計算機網絡的作用網絡操作系統(tǒng)對于計算機網絡，特別是通過局域網連接的工作站網絡，其設計的目的就是實現通信和資源共享。網絡上每個用戶有自己的工作站，有自己的操作系統(tǒng)。大多數情況下，用戶的工作都是在自己的工作站上完成。但有時用戶可能需要登錄到另外的工作站上，使用其他計算機的資源，如拷貝文件或使用打印機等。但由于現代操作系統(tǒng)將外設也作為文件管理，因此資源共享就是文件共享。網絡操作系統(tǒng)(NetworkOperatingSystem，NOS)往往是提供一個所有工作站都能訪問的全局文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)由一個或多個被稱為文件服務器的機器支持。文件服務器接收來自其他機器上的客戶程序的讀寫請求，然后按請求執(zhí)行一定的操作，將結果返回給客戶程序。文件服務器的文件系統(tǒng)一般是層次式的，不僅要提供共享的文件，同時對客戶私有的文件提供認證管理，避免被非法篡改和拷貝。網絡中的各個客戶機要訪問服務器，顯然必須遵循同樣的網絡協(xié)議。所以，網絡操作系統(tǒng)在維護服務器的文件系統(tǒng)的同時，要提供用于通信的程序，不僅運行于服務器端，而且運行于客戶端，從而在客戶機和服務器間建立了一致的通信方式。典型的網絡操作系統(tǒng)有：SUN公司的網絡文件系統(tǒng)NFS(NetworkFileSystem)、Unix、Microsoft公司的WindowsNT和Windows2000等。2．2分布式操作系統(tǒng)2．2．1集群為了提高計算機的性能集群為了提高計算機的性能，一方面，人們努力提高處理器的處理速度和優(yōu)化系統(tǒng)結構，另一方面，人們又試圖讓多個處理器聯(lián)合作業(yè)提高整個系統(tǒng)的性能。對于多處理器系統(tǒng)，有兩種類型的配置，一種是多個處理器共享存儲器的緊耦合系統(tǒng)，另一種是分布式存儲器。各處理器有獨占的存儲器，實際上就是多臺有獨立功能的計算機(包括緊耦合的多處理器系統(tǒng))的互聯(lián)而成為一個統(tǒng)一的計算資源。在用戶看來，整個系統(tǒng)跟一臺計算機是一樣的，只是性能有了很大的提升，稱之為集群(Cluster)。集群和計算機網絡看起來很相似，但網絡的目的是通信和資源共享，而集群是把多臺計算機(節(jié)點)整合為一個整體，以提高計算性能(Performance)為目的，并且提供高可用性(HighAvailability)，即當某個節(jié)點出現故障時其他節(jié)點會立即接管其任務，而不會造成服務中斷。2．2．2分布式操作系統(tǒng)分布式操作系統(tǒng)，用于通信和資源共享的計算機網絡中，除了共享文件系統(tǒng)外，用戶知道網絡中其他計算機的存在，每臺計算機擁有自己的操作系統(tǒng)，整個網絡并沒有整體的協(xié)調。網絡操作系統(tǒng)僅僅維護了全局文件系統(tǒng)和用戶的帳戶信息，并要求客尸和服務器間遵循一致的通信協(xié)議而已。對于應用于集群的分布式操作系統(tǒng)來說，試圖讓用戶感覺不到多臺計算機的存在，并提供較高的計算性能和可用性。因此分布式操作系統(tǒng)(DistributedOperatingSystem)的設計要充分地體現系統(tǒng)的透明性、可靠性和并行性。透明性讓用戶感覺到面對的集群就和一臺計算機一樣是分布式系統(tǒng)設計首要解決的問題，也就是設計透明性的系統(tǒng)，包括：①位置透明性，使用戶不需要關心所使用的系統(tǒng)資源的具體位置是在哪臺機器上：②遷移透明性，使得系統(tǒng)資源可以在系統(tǒng)內任意移動卻不影響它們在全局名字空間的名字；③復制透明性，允許系統(tǒng)在多個節(jié)點上復制使用頻率很高的文件并自動維護文件的一致性，而用戶僅感覺到復制文件的存在：④并發(fā)透明性，使得多個用戶同時并發(fā)請求某資源時可能感覺到系統(tǒng)的遲鈍但感覺不到其他用戶的存在；⑤并行透明性，使得單個任務被系統(tǒng)并行處理，但用戶僅僅感覺到系統(tǒng)的響應比較快而不需要知道并行的存在。可靠性設計分布式系統(tǒng)的原因之一是因為它能比單處理機系統(tǒng)更加可靠。當某個機器故障停機時，其他機器能接替它的工作?？煽啃詫嶋H包含了：①可用性(Availability)，一般通過冗余關鍵性的軟硬件宋實現，當其中一個失效時，其他的部件能接替工作：②安全性，分布式系統(tǒng)的安全性問題比單處理機系統(tǒng)遠為復雜，防止非法使用文件和其他資源的任務更為艱巨。并行性提供高性能的計算能力是設計分布式系統(tǒng)的一個初衷，但這個目標的達成受到很多的限制，比如通信較慢使得進程的全局調度困難重重。為了改善通信延遲的影響，通常要減少消息的數目，但為了提高性能，應該讓一個任務并行地運行在多個處理器上，這是一對矛盾。所以，為了提高性能，分布式系統(tǒng)的調度要復雜得多。對緊耦合的多處理機系統(tǒng)，包括讓操作系統(tǒng)內核運行于一個專用處理機上，而其他用戶進程運行在其他處理機上的主從式(Master／Slave)系統(tǒng)，操作系統(tǒng)與用戶進程同等調度與任意處理機上的多成多處理(SMP)系統(tǒng)，其設計的復雜性介于分布式操作系統(tǒng)和單處理機操作系統(tǒng)之間。網絡操作系統(tǒng)、分布式操作系統(tǒng)和緊耦合多處理機操作系統(tǒng)三者2.3網絡操作系統(tǒng)和分布式操作系統(tǒng)的區(qū)別是：（1）分布性。分布式操作系統(tǒng)的處理和控制功能均為分布式的；而網絡操作系統(tǒng)雖具分布處理功能，但其控制功能卻是集中在某個或某些主機或網絡服務器中，即集中式控制方式。（2）并行性。分布式操作系統(tǒng)具有任務分配功能，可將多個任務分配到多個處理單元上，使這些任務并行執(zhí)行，從而加速了任務的執(zhí)行；而網絡操作系統(tǒng)通常無任務分配功能，網絡中每個用戶的一個或多個任務通常都在本地計算機上處理。（3）透明性。分布式操作系統(tǒng)通常能很好地隱藏系統(tǒng)內部的實現細節(jié)。包括對象的物理位置、并發(fā)控制和系統(tǒng)故障等對用戶都是透明的。例如，當用戶要訪問某個文件時，只需提供文件名而無須知道（所要訪問的對象）它是駐留在那個站點上，即可對它進行訪問，以即具有物理位置的透明性。網絡操作系統(tǒng)的透明性則主要指操作實現上的透明性。例如，當用戶要訪問服務器上的文件時，只需發(fā)出相應的文件存取命令，而無需了解對該文件的存取是如何實現的。（4）共享性。分布式操作系統(tǒng)支持系統(tǒng)中所有用戶對分布在各個站點上的軟硬件資源的共享和透明方式訪問。而網絡操作系統(tǒng)所提供的資源共享功能僅局限于主機或網絡服務器中資源，對于其它機器上的資源通常僅有使用該機的用戶獨占。（5）健壯性。分布式操作系統(tǒng)由于處理和控制功能的分布性而具有較好的可用性和可靠性，即健壯性。而網絡操作系統(tǒng)由于控制功能的集中式特點而使系統(tǒng)重構功能較弱，且具有潛在的不可靠性。3以大規(guī)模IPTV點播系統(tǒng)為例說明分布式系統(tǒng)分布方式分布式點播系統(tǒng)分析3.1.1分布式系統(tǒng)典型結構

圖3-1分布式系統(tǒng)典型結構分布式點播系統(tǒng)采用了核心服務器+邊緣服務器的系統(tǒng)結構，通過流媒體等點播服務器端軟件的功能設定，將點播服務器分為兩類：

核心分發(fā)服務器

核心分發(fā)服務器主要負責存儲媒體數據、將邊緣服務器請求的數據通過以太網絡推送到邊緣服務器。核心服務器存儲并管理點播系統(tǒng)中的全部影片資料。

邊緣點播服務器邊緣點播服務器負責為寬帶用戶群提供點播服務，將最終用戶的數據請求轉換為自身的數據請求并發(fā)送到核心分發(fā)服務器，并且將以太網上來自分發(fā)服務器的數據流緩沖到本地，供最終用戶訪問。邊緣服務器存儲并管理點播系統(tǒng)中部分影片資料。3.1.2分布式系統(tǒng)工作原理分布式點播系統(tǒng)的核心工作原理是數據的分發(fā)――將核心服務器上存儲的大量媒體數據，分發(fā)到各個邊緣服務器，邊緣服務器將大量的數據緩沖在本地硬盤上，供最終用戶訪問。舉例說明：假如用戶A發(fā)出一個視頻點播的請求，分布式點播系統(tǒng)將首先判斷邊緣服務中是否具有用戶所點播的影片，如有，則將用戶的點播請求重定向到邊緣服務器，并由邊緣服務器完成點播請求。由此可見，在分布式點播系統(tǒng)中，系統(tǒng)的運行效率取決于兩點：1.邊緣服務器本地緩沖容量的大小邊緣服務器本地緩沖容量的大小，是決定邊緣服務器工作效率的關鍵因素。理論上來說，如果邊緣服務器本地緩沖容量能夠達到核心分發(fā)服務器的磁盤容量，則能達到最高的運行效率。但這樣磁盤空間浪費也將達到最大，假設系統(tǒng)所有影片資料的存儲總量為1的話，則系統(tǒng)所需的存儲空間將為：1+N×1（N=邊緣服務器的數量）。另一方面，如果邊緣服務器的本地緩沖容量過小，則將大大降低邊緣服務器的工作效率，邊緣服務器的存在將變得毫無意義。2.用戶訪問的數據是否集中如果某個用戶訪問的數據在邊緣服務器本地不存在，則邊緣服務器會到核心分發(fā)服務器上下載該數據，并緩沖到本地硬盤，供用戶訪問。在這樣的工作機制下，如果用戶的數據訪問較為集中，邊緣服務器能夠將集中訪問的數據緩沖到本地，能夠達到較高的運行效率；相反，如果數據訪問并不集中，邊緣服務器的運行效率會急劇下降。3.1.3分布式系統(tǒng)的典型應用分布式點播系統(tǒng)最大的優(yōu)點是可將系統(tǒng)的部分點播請求轉由邊緣服務器完成，可降低對骨干網絡的帶寬占用，特別適合于骨干帶寬有限，而用戶群相對集中的應用環(huán)境。舉例說明，X城市的點播系統(tǒng)中，有4個人口非常密集的小區(qū)，我們可在這4個小區(qū)內分別放置4臺邊緣服務器，這4個小區(qū)的許多點播請求，將由這4臺邊緣服務器以本地局域網的方式完成，從而降低了對骨干網絡的占用。如圖所示：

圖3-2分布式系統(tǒng)的典型應用結構圖還有一種情況，在某地稅的點播系統(tǒng)中，由于其骨干網絡的帶寬只有8MB，因此，我們在其各二級地區(qū)的分節(jié)點上放置了邊緣服務器，從而在不增加骨干網絡帶寬的情況下，提供更多的并發(fā)數量的支持。3.1.4分布式點播系統(tǒng)的局限性由于分布式點播系統(tǒng)沿用了DAS存儲系統(tǒng)結構，與傳統(tǒng)的點播系統(tǒng)相比，尤其是在數據的存儲以及訪問方式上并沒有引入新的技術和結構，因此分布式點播系統(tǒng)在大規(guī)模點播應用中有著可見的局限性：3.1.4.1系統(tǒng)用戶總容量、穩(wěn)定性欠佳由于用戶的請求只能在部分特定的點播服務器上完成。因此，系統(tǒng)可支持的并發(fā)用戶數量與系統(tǒng)的可靠性上都存在嚴重局限，任意服務器的宕機都有可能造成嚴重的影響。3.1.4.2存儲空間浪費與系統(tǒng)性能的矛盾系統(tǒng)存儲空間浪費嚴重：由于在每臺邊緣服務器上都必須存放很多的相同影片，極大的浪費了系統(tǒng)的存儲容量。但如果邊緣服務器上不存放相同的內容，則系統(tǒng)的運行效率將大大降低。3.1.4.3擴展性差系統(tǒng)擴展性主要包括提升系