第五章分布式OSWord格式文档下载.docx

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简称MIMD）。

在SIMD系统

n2个处理机组成的并行计

算机系统就是一种SIMD系统。

它计算两个nn矩阵A和B之加法C=A+B，其中A=[ai,j]，B=[bi,j]和C=[ci,j]，ci,j=ai,j+bi,j（1i,jn）。

在MIMD系统中各处理机独立地执行各自指令流来处理多个数据流。

各处理机通过通信来协同工作。

分布式计算机系统（DistributedComputingSystem）是属于MIMD多机系统的一

种新形式，是计算机网络的高级发展阶段。

它是由多个分散的计算机经互连网络连接而成的计算机系统。

其中各个资源单位（物理的或逻辑的）既相互协同又高度自治，能在全系统范围内实现资源管理，动态地进行任务分配或功能分配，并且能够并行地运行分布式程序。

图5-1分布式系统的体系结构

分布式计算机系统是由若干非共享内存和时钟的计算机组成，它们通过一个计算机网络彼此交换消息;

并且每台计算机由自己的内存和运行自己的操作系统，如图5-1所示。

分布式计算机系统强调资源、任务、功能和控制的全面分布。

就资源分布而言，既包括处理机、输入/输出设备、通信接口和辅助存储器等物理资源，也包括进程、文件、目录、表和数据库等逻辑资源。

它们分布于物理上分散的若干场点中。

而各场点经互连网络连接，彼此通信构成统一的计算机系统。

分布式计算机系统的工作方式也是分布的。

各场点可以根据下面两个原则进行分工：

一种是把一个任务分解成多个可以并行执行的子任务，分配给各场点协同完成。

这种方式称为任务分布。

另一种是把系统的总的功能划分成若干子功能，分配给各场点分别承担。

这种方式称为功能分布。

不论是任务分布还是功能分布，分配方案均可依处理内容动态地确定。

在分布式操作系统控制下，各个场点能够较均等地分担控制功能，独立地发挥自身的控制作用，但是它们又能相互配合，在彼此通信协调的基础上实现全系统的全局管理。

§

1.分布式计算机系统的特点

分布式计算机系统具有如下明显的主要特点：

⑴结构模块性：

分布式计算机系统的资源单位形成相对独立的模块，它们经互连网络连接成一个单一系统。

模块在一定范围内的增减或替换不影响系统的整体性。

⑵资源分散性（distributed）：

系统资源分布于物理上分散的若干场点中。

在对用户透明基础上实现资源共享，使单个用户的可用资源成倍地增长。

⑶协同自治性（autonomous）：

系统资源的操作是高度自治的，既不存在全系统的主/从控制关系，又能

利用处理局部化的原则以减少各场点间的通信量。

⑷工作并行性（parallesm）:

分布式计算机系统中分散的资源单位可以相互协作，一起解决同一个问题。

在分布式操作系统控制下，实现按任务资源重复或按功能时间重叠等不同形式的并行性。

⑸系统透明性（transparency）:

系统对于用户是透明的。

用户可以像单机系统一样使用分布式计算机系

统。

⑹整体强健性（robustness）:

系统中的资源的余和自治控制方式使系统具有动态重构能力，即使系统受

到局部性破坏也能继续工作。

所以具有可靠性和容错性。

此外，如果系统设计合理，它还具有下列优点：

⑺灵活的可扩充性：

以模块作为系统扩充或资源更新的增加单位，不必像集中式系统那样替换整个系统或更改系统中的很大部分。

系统的配置容易改变，以适应不同应用对象的各种需求。

⑻良好的实时性：

计算机资源更加靠近用户，特别是使分散的用户年得到计算机的快速响应和直接服务，从而把大型机的强功能、高速度与微型机的使用方便性、灵活性结合了起来。

分布式计算机系统是近年来计算机科学技术领域中倍受青睐、发展迅速的一个方向。

一些专家亦断言：

将来任何一个有效的计算机系统，都将是一个分布式系统。

2.分布式计算机系统的体系结构

分布式计算机系统的体系结构可用处理机之间的耦合度为主要标志来加以描述。

耦合度是系统模块之间

互连的紧密程度，它是数据传输率、响应时间、并行处理能力等性能指标的综合反映，主要取决于所选用的互连拓扑结构和通信链路的类型。

运程计算机网络采用串行数据传输，且受复杂的通信协议制约，故其耦合度最低，属于松散耦合系统

（looselycouple）。

如果一个大的计算被分解成位于松散耦合系统上的一个进程集合，则此计算称为大粒度

（largegrained）并行计算。

具有共享内存的多处理机系统有着很高的并行处理速度，固其耦合度最高，属于

紧密耦合系统（looselycouple）。

分布式计算机系统是两者发展的产物，它既考虑地理上分散环境的限制，

又满足一定的并行性的要求，所以其耦合度属于两者之间，一般属于中等耦合系统。

按地理环境衡量耦合度，分布式计算机系统可以分为机体内系统、建筑物内系统、建筑物间系统和不同地理范围的区域系统等，它们的耦合度依次由高到低。

按应用领域的性质决定耦合度，可以分成三类。

一种是面向计算任务的分布并行计算机系统和分布式多

用户计算机系统，它们要求尽可能高的耦合度，以便发展成为能分担大型计算机和分时计算机系统所完成的

工作。

第二种是面向管理信息的分布式数据处理系统。

耦合度可以适当降低。

第三种是面向过程控制的分布式计算机控制系统。

耦合度要求适中，当然对于某些实时应用，其耦合度的要求可能很高。

分布式计算机系统可看作是并行处理系统的一种常见形式和特例。

Tanenbaum和Renesse将分布式系统分成三类：

小型机类型（minicomputermodel）:

在小型机类型中，分布式系统由若干小型机组成（例如，VAX）。

每

个计算机支持多个用户并且提供访问远程资源。

处理机个数和用户数之比通常小于1。

工作站类型（workstationmodel）：

在工作站类型中，分布式系统由直到几百台工作站组成。

每个用户有一

台工作站完成用户的任务。

藉助于分布式文件系统，用户可以访问任何数据，而不管其位置。

处理机个数和用户数之比通常等于1。

Athena和Andrew是其例子。

处理机池类型（processorpoolmodel）:

在处理机池类型中，按照用户的需求分配一个或多个处理机给用

户。

一旦完成任务它们返回处理机池等待新的分配。

处理机个数和用户数之比通常大于1。

Amoeba是一个工

作站和处理机池类型组合的试验系统。

分布式操作系统是由一个通信网络连接的若干自治的计算机所组成的分布式计算系统的操作系统。

从用

户观点看分布式操作系统是由一个虚拟单机组成。

第2节分布式系统的拓扑结构

分布式系统中的场点可用不同的方式将它们从物理上连结起来，每种方式都有优缺点。

下面简单讨论几种常用的连结方式并按以下标准来比较它们的性能：

⑴基本开销：

连结系统中的各个场点要多少花费？

⑵通信开销：

从场点A发送消息到场点B需要多少时间？

⑶可靠性：

若系统中的场点或通信链路故障，余下的场点是否仍能彼此通信？

为方便讨论，我们把各种拓扑结构用图形表示出，其中的结点对应于场点，从结点A到结点B的连线

对应于这两个场点之间的直接链路。

定义5-1一个系统称之为分割的（partition），如果它已被分划成两个或多个子系统，且不同子系统中的场点已不再能彼此通信。

1.全互连结构

在一个全互连结构中，每个场点都直接与系统中所有其它的场点相连（图5-2），这种构形的基本开销

很高，因为每对场点之间都必须有一条直接通信链路。

但在这种环境中，场点间的消息转移非常快，因为任何两场点间的消息转移只需要经由一条通信线路就可直达。

此外，这种结构是很可靠的，因为只有在相当多的通信键路故障的情况下，才可能分割该系统。

2.部分互连结构

在一个部分互连结构中，有些场点间存在直接通信链路，但有些则没有，如图5-3所示。

因此这种构形

的基本开销比全互连结构要低，但场点间的消息转移可能经由若干中间的场点，以致延缓了通信速度。

例如，在图5-3中，从场点⑤④.发送一消息到场点③必须经由场点①和②。

此外，部分互连系统也不如全互连系统可靠，因为其中的一个通信键路故障就可能分割该系统。

例如，在图5-3中，若从场点①到场点②的通信链路故障，则该系统便分割成两个子系统，一个包括①，④，⑤；

一个包括②和③，而且这两个子系统中的场点彼此不再能通信。

为了减少这种情况发生，通常让每个场点要少与另外两个场点连给。

例如，如果我们在图5-3中增加一条从场点③到场点⑤的通信键路，那么任何单条

通信链路故障都不可能导致对该系统的分割。

3.层次结构

层次结构中的各场点组织成树形结构。

如图5-4所示，

其中，除根以外每一场点有一个唯一的父亲和若干个（或0

个）孩子。

这种构形的基本开销一般小于部分互连结构。

在这种环境中，父子之间可直接通信，孩子之间只能经由它们的共同父亲进行通信，从某个兄弟向另一兄弟发送消息，须先向上发送给它们的父亲，然后再由其父亲向下发送给相应的兄弟。

类似地，堂兄姐妹之间只能经由其共同的祖父进行通信。

若父场点故障，那么，它的孩子们彼此就不能相互通信，也不能与其它进程通信。

一般而言，除叶结点外，任何中间结点故障都可能将这种结构分割成若干不相交的子树。

4.星形结构

在星形结构中，系统中的场点之一与系统中所有其余场点相连，其它的场点之间彼此不直接相连，见图5-5。

这种构形的基本开销是场点个数的线性

函数，其通信速度看起来也不会很慢，因为从场点①向场点⑤转移消息至多需要两次转接，即从①到中央场点，再从中央场点到⑤，但这种通信速度却是难以预测的，因为中央场点可能变成瓶颈，虽然转移消息所需转接的次数不多，但转移消息所花的时间可能不少。

在一些星形结构系统中，中央场点完全担负

着消息转接的任务。

如果中央场点故障，那么该系统就完全地被分割了。

5.环形结构

在环形结构中，每个场点物理上恰好与另外两个场点相连，见图5-6。

这样的环形结构可以是单向的，

也可以是双向的。

在单向环结构中，其中的一个场点只能给它的邻近场点之一直接转移消息，且所有的场点必须按相同的方向转移消息。

在双向环结构中，其中的一个场点可将信息转移给它的两个邻近场点。

这种结构的基本开销不会很高，但通信代价可能较高，因为从一个场点向另一场点转移消息需沿环按预定方向转移直至到达目的地。

在单向环结