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1、分布式系统介绍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21.1 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3 What is a Distributed System? “一个分布式系统是若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 分布式系统概念分布式系统概念4集中式系集中式系
2、统5Sun ULTRA5 with 32GB disk6 UnitsEathernet Switch100MSun ULTRA1032GB diskOne unitNOW(Network of Workstations)6The Grid7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形式，中间件层分布在多台机器上。1.18应用举例 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1.高性能微型计算机(PC)的普及2.高速计算机网络（LAN、WAN）的普及 91.1 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10优点 - 与集中式系统相比较1、经济性：高的性能/价格比 GroschLaw: Power Price2 NOPC vs. 大型机（mainframe）1.2 分布式系统的特点分布式系统的特点112、性能：能产生单个大型主机不能达到的绝对性能 10,000 X 50MIPS 500,000MIPS（5千亿次）= 0.002ns/次=0.7mm优点点 - 与集中式系与集中式系统相比相比较123、应用的固有的分布性, 例如： CSCW 工作流4、可靠性高 多工系统的容错能力5、可扩充性强 系统演进能力（evolution）优点点 - 与集中式系与集中式系统
4、相比相比较13总结：优点点 - 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141、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153、P2P通信 email BBS4、灵活性负载分配优点点 -与独立与独立PC机比机比较16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
5、的外围设备(如彩色打印机)通信使得人们之间的通信更加容易,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17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181.1 分布式系统概念1.2 分布式系统的特点1.3 硬件概念硬件概念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19Flynn分类：（1972）1.SISD（单指令流、单数据流 ）：（PC机）2.SIMD （单指令流、多数据流 ） ：矩阵计算机3.MISD （多指令流、单数据流 ） ：无4.MIMD （多指令流、多数据流 ）
6、 ：分布式系统1.3 硬件概念：硬件概念：多台计算机是如何联结在一起 ？CPU指令流个数指令流个数数据流个数数据流个数20p存储器使用：共享式、私有式1.多处理器系统（multi-processor）2.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理机（multiprocessor）或多处理器；而不具有共享存储器的则称为多计算机(multicomputer) 21p连接方式：1.总线式2.交换式p关联程度：1.紧耦合式：多用于并行系统 2.松耦合式 ：多用于分布式系统 MIMD分分类22MIMD系系统分分类 sequent 超级计
7、算机 LAN工作站 超立方 Encor RP3 Transputer 23（1）总线型多处理机解决总线过载：高速缓存（cache）： 命中率（hit rate） 缓存一致性（coherency）直写（Write-through）监听（ Snoopy）控制线、控制线、数据线数据线、地址线地址线SMP？24（2）交换型多处理机交叉开关线：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25（3）总线型多计算机 本地内存 局域网络（10M 1000M）只用于CPU和CPU之间的通信 26网格（grid）
8、：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27Intel 单核单核CPU芯片芯片28Intel多核结构多核结构lReplicate multiple processor cores on a single die.29多核处理器是一类特殊的多处理机多核处理器是一类特殊的多处理机l所有处理器在同一个芯片上l多核处理器是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理机：所有核共享同一个内存302 Processors vs. 2 Cores2 CoreslTwo cores on same die con
9、nected directlylMultiple threads and processes automatically processed in parallellOnly a small increase in power consumption2 ProcessorsTwo separate chips connected externally by a system busRequires explicit software supportMuch greater power consumption31Inter-Core Bus InterfacePentium D with 975
10、X ChipsetMemory ControllerHubI/O Controller HubDDR2 MemoryPCI Express x166 PCI4 Serial ATA Ports6 PCI Express x1High-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 LAN321.1 分布
11、式系统概念1.2 分布式系统的特点1.3 硬件概念1.4 软件概念软件概念1.5 分布式系统设计问题主要内容主要内容33分类：q 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多处理机分时OS 网络OS34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 f
12、or multi-processors and homogeneous multicomputersHide and manage hardware resourcesNOSLoosely-coupled operating system for heterogeneous multicomputers (LAN and WAN)Offer local services to remote clientsMiddlewareAdditional layer atop of NOS implementing general-purpose servicesProvide distribution
13、 transparency35网网络操作系操作系统（NOS）l网络操作系统的一般结构36网网络操作系操作系统（NOS）l远程登录telnetrlogin37网网络操作系操作系统（NOS）l网络文件NFSmount磁盘映射38真正的分布式系真正的分布式系统l单一的、全局的进程间通信机制协议、位置l全局进程管理创建、启动、挂起、撤销l全局文件系统文件名、目录、操作l统一的系统调用接口39多多处理机分理机分时系系统（MPOS）具有一个运行队列的多处理机系统 40多多处理机分理机分时系系统（MPOS）l存在一个唯一的运行队列 l文件系统的结构不同特点：41多多计算机操作系算机操作系统l多件算机操作系统
14、的一般结构1.1442多多计算机操作系算机操作系统l消息传递的阻塞和缓冲1.1543多多计算机操作系算机操作系统lRelation between blocking, buffering, and reliable communications.Synchronization pointSend bufferReliable comm. guaranteed?Block sender until buffer not fullYesNot necessaryBlock sender until message sentNoNot necessaryBlock sender until mess
15、age receivedNoNecessaryBlock sender until message deliveredNoNecessary44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)Situation after CPU 1 references page 10c)Situation if page 10 is read only and replication is used45分布式共享内存系分布式共享内存系统lFalse sharing of a page between tw
16、o independent processes.46中中间件件l分布式系统作为中间件的一般结构1-2247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 layer should be the same, as well as the interfaces they offer to applications.1.2348三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
17、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491.1 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分布式系统设计问题主要内容主要内容50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
18、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51灵活性灵活性单内核基本上是目前的集中式操作系统，增加了网络功能和远程服务集合。 微内核的四种基本服务：（1）进程间通信机制（2）少量内存管理功能（3）必要的低层进程管理和调度（4）低层输入输出服务52可靠性可靠性 可用性（availability）：系统可用时间的比例 “或“相关性、”与”相关性备份保持一致性 安全性：资源不被非法用户使用 身份认证、入侵监测 容错性硬软件冗余恢复和接管53性性 能能响应时间 吞吐量系统的利用率网络容量消耗程度 并行
19、性 细粒度并行性 粗粒度并行性54可伸可伸缩性（性（scalability）避免： 集中式硬件 集中式算法 集中式的数据结构 ConceptExampleCentralized servicesA single server for all usersCentralized dataA single on-line telephone bookCentralized algorithmsDoing routing based on complete information55可可扩性技性技术l没有一台机器上存放着关于系统状态的全部信息l机器只是基于本地信息做出决定l一个机器出故障不会破坏算法l不一定存在全局时钟。56可可扩性示例性示例57
