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1、分布式系统引见中国科技大学软件学院丁箐1.1 分布式系统概念1.2 分布式系统的特点1.3 硬件概念1.4 软件概念1.5 分布式系统设计问题主要内容主要内容1.1 分布式系统概念分布式系统概念1.2 分布式系统的特点分布式系统的特点1.3 硬件概念硬件概念1.4 软件概念软件概念1.5 分布式系统设计问题分布式系统设计问题主要内容主要内容 What is a Distributed System? “一个分布式系统是假设干个独立的计算机的集合，但是对该系统的用户来说，系统就像一台计算机一样。 两个方面的含义： 硬件方面：各个计算机都是自治的 软件方面：用户将整个系统看作是一台计算机 1.1
2、分布式系统概念分布式系统概念集中式系集中式系统Sun ULTRA5 with 32GB disk6 UnitsEathernet Switch100MSun ULTRA1032GB diskOne unitNOW(Network of Workstations)The Grid分布式系统定义分布式系统定义一个分布式系统组织成中间件方式，中间件层分布在多台机器上。1.1运用举例 银行“一卡通系统电信“神州行系统 SETIHome从集中式系统到分布式系统高性能微型计算机(PC)的普及高速计算机网络LAN、WAN的普及 1.1 分布式系统概念1.2 分布式系统的特点1.3 硬件概念1.4 软件概念1
3、.5 分布式系统设计问题主要内容主要内容优点 - 与集中式系统相比较1、经济性：高的性能/价钱比 GroschLaw: Power Price2 NOPC vs. 大型机mainframe1.2 分布式系统的特点分布式系统的特点2、性能：能产生单个大型主机不能到达的绝对性能 10,000 X 50MIPS 500,000MIPS5千亿次= 0.002ns/次=0.7mm优点点 - 与集中式系与集中式系统相比相比较3、运用的固有的分布性, 例如： CSCW 任务流4、可靠性高 多工系统的容错才干5、可扩展性强 系统演进才干evolution优点点 - 与集中式系与集中式系统相比相比较总结：优点点
4、 - 与集中式系与集中式系统相比相比较项目描 述经济 微处理机提供了比大型主机更好的性能价格比速度分布式系统总的计算能力比单个大型主机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个机器崩溃,整个系统还可以运转渐增计算能力可以逐渐有所增加1、支持数据共享 文件 数据库2、支持设备共享 高档打印机 海量磁盘优点点 -与独立与独立PC机比机比较3、P2P通讯 BBS4、灵敏性负载分配优点点 -与独立与独立PC机比机比较总结：优点点 -与独立与独立PC机比机比较项目描 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)通信使得人们之间的通信更
5、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存在的存在的问题项目描 述软件目前为分布式系统开发的软件还很少网络通信网络可能的问题: 如 QoS等等安全容易造成对保密数据的访问1.1 分布式系统概念1.2 分布式系统的特点1.3 硬件概念1.4 软件概念1.5 分布式系统设计问题主要内容主要内容Flynn分类：1972SISD单指令流、单数据流 ：PC机SIMD 单指令流、多数据流 ：矩阵计算机MISD 多指令流、单数据流 ：无MIMD 多指令流、多数据流 ：分布式系统1.3 硬件概念：多台计算机是如何结硬件概念：多台计算机是如何结合在一同合在一同 ？CPU指令流个数指
6、令流个数数据流个数数据流个数p存储器运用：共享式、私有式p多处置器系统multi-processorp多计算机系统multi-computer MIMD分分类PPMPPPMPMM具有共享存储器的通常称为多处置机multiprocessor或多处置器；而不具有共享存储器的那么称为多计算机(multicomputer) 衔接方式：总线式交换式关联程度：紧耦合式：多用于并行系统 松耦合式 ：多用于分布式系统 MIMD分分类MIMD系系统分分类 sequent 超级计算机 LAN任务站 超立方 Encor RP3 Transputer 1总线型多处置机处理总线过载：高速缓存cache： 命中率hit
7、rate 缓存一致性coherency直写Write-through监听 Snoopy控制线、数据线、地址线控制线、数据线、地址线SMP？2交换型多处置机交叉开关线：n2个交叉开关点Omega开关网：2 2开关点，共n (log2n) /2个NUMA(NonUniform Memory Access)：分层存储3总线型多计算机 本地内存 局域网络10M 1000M只用于CPU和CPU之间的通讯 网格grid：二维平面(n2个节点)。超立方hypercube：n维立方2n个节点4交换型多计算机Intel 单核单核CPU芯片芯片Intel多核构造多核构造lReplicate multiple pr
8、ocessor cores on a single die.多核处置器是一类特殊的多处置机多核处置器是一类特殊的多处置机l一切处置器在同一个芯片上l多核处置器是MIMD: 不同的核执行不同的指令，操作内存的不同位置 l多核是一个共享内存的多处置机：一切核共享同一个内存2 Processors vs. 2 Cores2 CoresTwo cores on same die connected directlyMultiple threads and processes automatically processed in parallelOnly a small increase in powe
9、r consumption2 ProcessorsTwo separate chips connected externally by a system busRequires explicit software supportMuch greater power consumptionInter-Core Bus InterfacePentium D with 975X ChipsetMemory ControllerHubI/O Controller HubDDR2 MemoryPCI Express x166 PCI4 Serial ATA Ports6 PCI Express x1Hi
10、gh-Definition Audio2 PCI Express x8orDMI (2 GB/s)1066 / 800 MHz FSBCore 1L2 Cache(for Core 1)Core 0L2 Cache(for Core 0)6 USB 2.0Intel Matrix StorageBIOS SupportIntel Pro 1000 LAN1.1 分布式系统概念1.2 分布式系统的特点1.3 硬件概念1.4 软件概念1.5 分布式系统设计问题主要内容主要内容分类： 紧耦合式、 松耦合式1.4 软件相关概念软件相关概念紧耦合 松耦合 软件硬件松耦合紧耦合 分布式OS多处置机分时OS
11、 网络OS软件相关概念软件相关概念lAn overview of lDOS (Distributed Operating Systems)lNOS (Network Operating Systems)lMiddlewareSystemDescriptionMain GoalDOSTightly-coupled operating system for multi-processors and homogeneous multicomputersHide and manage hardware resourcesNOSLoosely-coupled operating system for h
12、eterogeneous multicomputers (LAN and WAN)Offer local services to remote clientsMiddlewareAdditional layer atop of NOS implementing general-purpose servicesProvide distribution transparency网网络操作系操作系统NOSl网络操作系统的普通构造网网络操作系操作系统NOSl远程登录ltelnetlrlogin网网络操作系操作系统NOSl网络文件NFSlmountl磁盘映射真正的分布式系真正的分布式系统l单一的、全局的
13、进程间通讯机制l协议、位置l全局进程管理l创建、启动、挂起、撤销l全局文件系统l文件名、目录、操作l一致的系统调用接口多多处置机分置机分时系系统MPOS具有一个运转队列的多处置机系统 多多处置机分置机分时系系统MPOSl存在一个独一的运转队列 l文件系统的构造不同特点：多多计算机操作系算机操作系统l多件算机操作系统的普通构造1.14多多计算机操作系算机操作系统l音讯传送的阻塞和缓冲1.15多多计算机操作系算机操作系统lRelation between blocking, buffering, and reliable communications.Synchronization pointSe
14、nd bufferReliable comm. guaranteed?Block sender until buffer not fullYesNot necessaryBlock sender until message sentNoNot necessaryBlock sender until message receivedNoNecessaryBlock sender until message deliveredNoNecessary分布式共享内存系分布式共享内存系统a)Pages of address space distributed among four machinesb)S
15、ituation after CPU 1 references page 10c)Situation if page 10 is read only and replication is used分布式共享内存系分布式共享内存系统lFalse sharing of a page between two independent processes.中中间件件l分布式系统作为中间件的普通构造1-22中中间件和开放性件和开放性l In an open middleware-based distributed system, the protocols used by each middleware
16、layer should be the same, as well as the interfaces they offer to applications.1.23三种操作系三种操作系统比比较项 目网络操作系统分布式操作系统多处理机操作系统中间件看起来象一个虚拟的单处理机系统?否是是所有的机器只运行相同的操作系统?否是是否有多少操作系统的拷贝?NN1N怎样通信?共享文件消息共享存储器模型特定需要共同一致的网络协议?是是否是是否只有一个运行队列?否否是否文件共享是否有良好的语义定义?通常没有是是通常有资源管理每个节点全局分布全局集中每个节点可扩性好一般差变化的开放性好一般差好1.1 分布式系统
17、概念1.2 分布式系统的特点1.3 硬件概念1.4 软件概念1.5 分布式系统设计问题主要内容主要内容透明性Transparency对用户、对程序1.5 分布式系统设计中的关键问题分布式系统设计中的关键问题种 类含 义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行透明系统活动可以在用户没有感觉的情况下并行发生灵敏性灵敏性单内核根本上是目前的集中式操作系统，添加了网络功能和远程效力集合。 微内核的四种根本效力：1进程间通讯机制2少量内存管理功能3必要的低层进程管理和调度4低层输入输出效力可靠性可靠性 可用性a
18、vailability：系统可用时间的比例 “或“相关性、与相关性备份坚持一致性 平安性：资源不被非法用户运用 身份认证、入侵监测 容错性硬软件冗余恢复和接纳性性 能能呼应时间 吞吐量系统的利用率网络容量耗费程度 并行性 细粒度并行性 粗粒度并行性可伸可伸缩性性scalability防止： 集中式硬件 集中式算法 集中式的数据构造 ConceptExampleCentralized servicesA single server for all usersCentralized dataA single on-line telephone bookCentralized algorithmsDoing routing based on complete information可可扩性技性技术l没有一台机器上存放着关于系统形状的全部信息l机器只是基于本地信息做出决议l一个机器出缺点不会破坏算法l不一定存在全局时钟。可可扩性例如性例如
