分布式計算機系統(tǒng)講稿

第12章分布式計算機系統(tǒng)概述分布式操作系統(tǒng)的特點進程通信分布式文件系統(tǒng)分布式文件系統(tǒng)中的互斥與死鎖進程遷移概述什么是分布式計算機系統(tǒng)分布式計算機系統(tǒng)的特點：無主從區(qū)分；計算機之間交換信息；資源共享；相互協(xié)作完成一個共同任務(wù)分布式計算機系統(tǒng)的功能：通信結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)；分布式操作系統(tǒng)（透明性）分布式系統(tǒng)的優(yōu)點：集中式系統(tǒng)的特點分布的需求分布式系統(tǒng)的優(yōu)點：方便使用；強壯性和可靠性；資源共享；可擴性；最終用戶的生產(chǎn)效率；維護方便分布式操作系統(tǒng)的特點與單機操作系統(tǒng)的區(qū)別在進程通信、資源管理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面進程通信與單機的不同處：不共享內(nèi)存；可靠性低；通信的實現(xiàn)方式取決于通信設(shè)施通信協(xié)議：語義、語法、定時資源管理與單機的不同處：多管理者管同一類資源管理方式：分布式集中式：一個類中可以有多個資源，但每個資源本身還是由單個管理者管理。完全分布式：每個資源都可以由多個管理者管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)每臺計算機有自己的內(nèi)核和功能模塊不同計算機上可有不同的，也可有相同功能模塊（副本）大多資源用分布集中式管理；多機共享資源用完全分布式管理進程通信的概念分布式系統(tǒng)中進程通信由通信元語（按照通信協(xié)議實現(xiàn)）完成。對通信機制的要求：獨立性和兼容性、有效性、規(guī)范性和一致性、保護和出錯處理能力目標進程的定位：每臺機器上的進程標識、每臺機器的標識（相當IP地址）；信道和端口（比使用進程名更方便）交互方式同步發(fā)送或交互發(fā)送異步發(fā)送TCP/IP通信協(xié)議通信協(xié)議：通信的約定和規(guī)則的集合OSI七層模型：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層、應(yīng)用層TCP/IP的層次和各層的功能：物理層、網(wǎng)絡(luò)存取層、互聯(lián)網(wǎng)層、傳輸層、應(yīng)用層TCP/IP工作過程說明分布式環(huán)境的客戶/服務(wù)器模式C/S的優(yōu)點：微內(nèi)核；規(guī)范“進程/進程”和“進程/內(nèi)核”間關(guān)系；OS模塊化；使OS具有開放性、靈活性、可擴性對分布式系統(tǒng)的需求C/S的應(yīng)用類型：基于服務(wù)器；基于客戶；合作處理C/S的軟件層次C/S的軟件層次表示邏輯應(yīng)用邏輯分布式操作系統(tǒng)通信軟件客戶機操作系統(tǒng)應(yīng)用邏輯分布式操作系統(tǒng)通信軟件客戶機操作系統(tǒng)客戶工作站服務(wù)器服務(wù)請求應(yīng)答交互通信TCP/IP通信協(xié)議的概念進程A6TCPIP網(wǎng)絡(luò)存取層物理層進程B18TCPIP網(wǎng)絡(luò)存取層物理層主機M主機N子網(wǎng)子網(wǎng)路由管理程序通信協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳輸頭互聯(lián)網(wǎng)頭網(wǎng)絡(luò)頭消息數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)應(yīng)用字節(jié)流傳輸段數(shù)據(jù)分子網(wǎng)絡(luò)成組報文目標子網(wǎng)地址目標主機地址目標端口號分布式進程通信通信機制的分類單向（面向信件）/交互（面向過程）分布式消息傳送/遠程過程調(diào)用（RPC）分布式消息傳送：通信元語ASend(P,M);AReceive(P,B);SSend(P,M);SReceive(P,B)用異步通信元語實現(xiàn)同步通信(p.274)遠程過程調(diào)用什么是RPC，以及它的產(chǎn)生背景使用RPC的形式：CALLP（X，Y）RPC的執(zhí)行過程RPC的設(shè)計問題：參數(shù)傳遞；參數(shù)表示；C/S連接（非持久/持久連接）遠程過程調(diào)用用機制本地存根遠程過程調(diào)用機制本地存根遠程過程調(diào)用機制客戶分布式操操作系統(tǒng)服務(wù)器分布式式操作系統(tǒng)遠程過程調(diào)用用遠程過程調(diào)用用應(yīng)答客戶應(yīng)用服務(wù)器應(yīng)用本地過程調(diào)用本地過程調(diào)用本地回答本地回答分布式文件系系統(tǒng)分布式文件系系統(tǒng)概述：歷史：90年年代初出現(xiàn)大大規(guī)模的系統(tǒng)統(tǒng)特點：網(wǎng)絡(luò)透透明性；位置置透明性；位位置獨立性；；C/S模式；文件名名字空間的兩兩種構(gòu)成方式式；通過遠程程文件訪問實實現(xiàn)；有狀態(tài)態(tài)和無狀態(tài)兩兩種操作類型型分布式文件系系統(tǒng)的組成分布式文件系系統(tǒng)的體系結(jié)結(jié)構(gòu)客戶端高速緩緩存和一致性性問題分布式文件系系統(tǒng)的組成分為分布式文文件系統(tǒng)客戶戶機程序代碼碼和分布式文文件系統(tǒng)服務(wù)務(wù)器代碼兩部部分具體組成：下下列成分有些些是C/S都有的，有的的僅客戶有，，有的僅服務(wù)務(wù)器有。網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)統(tǒng)（NFS）協(xié)議遠程過程調(diào)用用（RPC）協(xié)議擴展數(shù)據(jù)表達達（XDR）網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)統(tǒng)服務(wù)器程序序代碼網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)統(tǒng)客戶機程序序代碼安裝協(xié)議網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)統(tǒng)的幾個監(jiān)管管進程：服務(wù)器方面客戶機方面網(wǎng)絡(luò)鎖定管理理器（NLM）和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)監(jiān)視器（NSM）分布式文件系系統(tǒng)的體系結(jié)結(jié)構(gòu)這里介紹“網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)統(tǒng)（NFS）”和“遠程文件件共享文件系系統(tǒng)（RFS）”兩種。網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)統(tǒng)（NFS）NFS的體系結(jié)構(gòu)和和工作過程RPC的消息格式遠程文件共享享文件系統(tǒng)（（RFS）用流(stream)機制來實現(xiàn)遠遠程文件共享享RFS的體系結(jié)構(gòu)和和通信NFS的體系結(jié)構(gòu)和和工作過程客戶系統(tǒng)調(diào)用接口口NFS客戶機程序代代碼RPC客戶機端接口口RPC服務(wù)器端接口口虛擬文件系統(tǒng)VFSrnodeV_dataV_opV_node虛擬文文件系系統(tǒng)VFSNFS服務(wù)器器代碼碼本地磁磁盤特定文文件系系統(tǒng)服務(wù)器器客戶應(yīng)應(yīng)用程程序RPC調(diào)用RPC回答RPC的消息息格式式RPC請求（調(diào)用）傳輸請求id傳輸類型（=調(diào)用）調(diào)用的過程名過程的版本號要調(diào)用服務(wù)程序的特定過程認證信息RPC協(xié)議的版本號過程相關(guān)的參數(shù)RPC回答消息傳輸請求id傳輸類型（=回答）回答的狀態(tài)信息接受的狀態(tài)信息認證信息過程相關(guān)結(jié)果RFS的體系系結(jié)構(gòu)構(gòu)和通通信RFS客戶程程序代代碼用戶應(yīng)應(yīng)用程程序系統(tǒng)調(diào)調(diào)用接接口本機文文件系系統(tǒng)本機文文件系系統(tǒng)本地磁磁盤RFS服務(wù)器器程序序代碼碼流流虛電路路客戶端端高速速緩存存和一一致性性為什么么要用用緩存存：減減少網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳傳輸量量特點：：緩存存數(shù)據(jù)據(jù)塊和和文件件屬性性；數(shù)數(shù)據(jù)塊塊存在在磁盤盤緩沖沖區(qū)中中；文文件屬屬性存存于rnode;大小文文件讀讀法不不同；；各種種與本本地文文件系系統(tǒng)分分享緩緩沖區(qū)區(qū)的方方案如何維維護緩緩沖區(qū)區(qū)數(shù)據(jù)據(jù)的一一致性性網(wǎng)絡(luò)文文件系系統(tǒng)（（NFS）：：對文件件屬性性，固固定周周期更更新；；對讀讀數(shù)據(jù)據(jù)，比比較服服務(wù)器器中數(shù)數(shù)據(jù)的的修改改時間間；對對寫數(shù)數(shù)據(jù)，，周期期寫服服務(wù)器器遠程文文件共共享（（RFS）文件系系統(tǒng)：：對讀讀數(shù)據(jù)據(jù)，服服務(wù)器器記住住讀者者，數(shù)數(shù)據(jù)修修改后后，通通知它它也該該。對對客戶戶寫數(shù)數(shù)據(jù)，，及時時修改改服務(wù)務(wù)器數(shù)數(shù)據(jù)。。分布式式文件件系統(tǒng)統(tǒng)中的的互斥斥與死死鎖概述：：分布式式系統(tǒng)統(tǒng)中管管理資資源的的方法法：分布式式集中中管理理：類類似于于集中中式系系統(tǒng)完全分分布管管理：：由不不同節(jié)節(jié)點上上管理理者共共同管管理對資源源管理理算法法的要要求：：互斥斥、不不長等等、平平等實現(xiàn)手手段：：通過過網(wǎng)絡(luò)絡(luò)傳消消息；；事件件定序序。邏輯鐘鐘和邏邏輯時時時間戳戳算法法(Lamport算法））令牌傳傳送算算法邏輯鐘鐘和邏邏輯時時定義1—邏邏輯鐘鐘：事事件通過過邏輯輯鐘函函數(shù)C映射事事件C的值的的可排排序性性值定義2—邏邏輯鐘鐘函數(shù)數(shù)：初初值和和本進進程事事件時時序累累計首事事件時時序從從發(fā)信信進程程的時時序累累計非首首事件件的時時序累累計定義3—事事件次次序：：先按按邏輯輯函數(shù)數(shù)的值值排隊隊；然然后按按進程程的編編號排排隊注：這這里的的時序序與通通常按按始終終值大大小排排隊不不同。。實際際上這這里關(guān)關(guān)心的的僅僅僅是事事件發(fā)發(fā)生的的先后后次序序，并并不關(guān)關(guān)心事事件發(fā)發(fā)生的的時鐘鐘時間間。時間戳戳算法法(Lamport算法））算法的的思路路：每每個節(jié)節(jié)點要要使用用互斥斥資源源時先先通過過通信信詢問問其他他節(jié)點點同意意否，，只有有得到到一致致同意意后才才使用用該資資源算法的的數(shù)據(jù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)：每每個進進程有有一個個數(shù)組組，數(shù)數(shù)組的的入口口數(shù)與與網(wǎng)絡(luò)絡(luò)上節(jié)節(jié)點的的個數(shù)數(shù)相同同，每每個入入口記記錄著著該入入口所所對應(yīng)應(yīng)的節(jié)節(jié)點是是否同同意本本節(jié)點點訪問問互斥斥資源源。算法執(zhí)執(zhí)行的的簡要要過程程請求互互斥資資源的的進程程廣播播該請請求。。每個個收收到到該該請請求求的的節(jié)節(jié)點點根根據(jù)據(jù)自自身身當當前前情情況況決決定定是是否否同同意意該該請請求求：：如如果果它它未未使使用用該該資資源源，，或或想想用用同同一一資資源源，，但但提提出出請請求求較較遲遲，，則則會會同同意意；；否否則則，，就就直直到到自自己己用用過過該該資資源源后后，，才才表表示示同同意意。。廣播播方方如如果果得得到到所所有有其其他他節(jié)節(jié)點點的的同同意意，，則則使使用用資資源源使用用資資源源之之后后，，釋釋放放資資源源，，并并對對其其他他節(jié)節(jié)點點使使用用資資源源的的請請求求表表示示同同意意。。令牌牌傳傳送送算算法法（（用用于于互互斥斥使使用用共共享享資資源源））整個個系系統(tǒng)統(tǒng)只只有有一一塊塊令令牌牌，，只只有有令令牌牌持持有有者者才才具具有有訪訪問問共共享享資資源源的的資資格格。?？煽赡苣艿牡那榍闆r況是是：：有令令牌牌、、有有請請求求者者：：使使用用共共享享資資源源，，然然后后釋釋放放對對該該資資源源的的請請求求，，將將令令牌牌發(fā)發(fā)給給另另一一符符合合條條件件（（時時間間戳戳最最小小或或輪輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)選選中中的的申申請請者者））進進程程有令令牌牌、、無無請請求求者者：：選選擇擇下下一一個個令令牌牌的的接接受受者者，，將將令令牌牌發(fā)發(fā)給給它它無令令牌牌、、有有請請求求：：向向其其他他進進程程廣廣播播請請求求，，然然后后處處于于等等待待狀狀態(tài)態(tài)。。等等待待：：被剛剛使使用用完完共共享享資資源源者者或或有有令令牌牌無無請請求求者者選選為為令令牌牌的的下下一一個個接接受受者者不管管有有無無令令牌牌和和請請求求：：只只要要別別的的進進程程廣廣播播請請求求，，都都得得接接受受，，以以便便在在將將來來如如果果得得到到令令牌牌時時，，可可以以依依據(jù)據(jù)接接收收到到的的請請求求信信息息選選擇擇下下一一個個令令牌牌接接受受者者。。令牌牌傳傳送送算算法法的的部部分分程程序序段段Typestatus=array[1..N]ofrecordclock;/*時間間戳戳*/asking:booleanendVartoken,request:status;holder:boolean;/*申請請資資源源過過程程的的代代碼碼*/Beginrequest[I].clock:=1+request[I].clock;request[I].asking:=true;broadcast(request,clock,I);wait(access,token)End/*收收到到令令牌牌過過程程的的代代碼碼*/Holder:=true;<CS>/*進入入臨臨界界段段*/Token[I]:=request[I].clock;Holder:=false;/*挑挑選選下下一一個個令令牌牌持持有有者者*/Forj:=I+1ton,1toI-1doif(request[j]>token[j])Request[j].askingthenbeginrequest[j].asking:=false;send(j,access,token[j])endEndif/*接收收其其他他進進程程發(fā)發(fā)來來的的信信件件*/Whenreceived(requ