简述分布式操作系统.docx
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简述分布式操作系统
郑州轻工业学院
课程设计报告
题目简述分布式操作系统
学生姓名杨元家张峰崎
专业班级计科11-01
学号01520153
院（系）计算机与通信工程
指导教师张旭
完成时间2014年6月18日
分布式操作系统的特点
摘要
本文介绍了分布式操作系统的特点以及与网络操作系统的区别，并且以大规模IPTV点播系统为例说明分布式系统分布方式，分布式操作系统是在比单机复杂的多机环境下得到实现的，并且具备分布性、自治性、并行性、全局性这四个基本特征，能够实现资源共享，加快计算速度，并且可靠性得到了提高。
在分布性与并行性上比网络操作系统有独到的优点，并且在透明性以及健壮性方面具有网络操作系统不可匹敌的优势，在大规模IPTV点播系统中，本文从分布式系统的结构、分布式系统的工作原理、分布式系统的典型作用以及分布式系统的局限性等方面详细阐述了分布式系统在服务器系统中是如何实现分布的。
关键字：
分布式操作系统、网络操作系统、IPTV点播系统
1分布式操作系统的特点
分布式操作系统是在比单机复杂的多机环境下得到实现的，操作系统在进行任何一项任务的始终都要依赖于通信软件模块，故而分布式操作系统具有区别于单机操作系统的下列显著特点：
（1）具有干预互连的各处理机之间交互关系的责任。
分布式操作系统必须保证在不同处理机上执行的进程彼此互不干扰，并严格同步，以及保证避免或妥善解决各处理机对某些资源的竞争和引起的死锁等问题。
（2）分布式操作系统的控制结构是分布式的。
分布式操作系统一般由内核和实用程序组成。
内核主要负责处理各种中断、通信和调度实用程序。
而实用程序有多个，它们分别完成一部分的系统功能。
由于分布计算机系统由多台计算机组成，分布式操作系统的内核就必须有多个，每台计算机上都应有一个内核，而每台计算机上所配置的实用程序可以各不相同，且可以以多副本形式分布于不同的计算机上。
内核一般由基本部分和外加部分组成。
5'bDH部分主要用来控制外部设备，它根据各台计算机所配置的外部设备而定。
各台计算机的内核的基本部分是相同的，它运行于硬件之上，是一种具有有限功能的较小的操作系统内核，主要作用是让系统管理员以它为基础建立操作系统，其主要功能为进程通信、低级进程管理、低级存储管理、输入／输出管理等。
（3）分布式操作系统按其逻辑功能可分为全局操作系统和局部操作系统两部分。
由于分布式操作系统把资源看成统一的整体来处理，系统基于单一策略来控制和管理，因而在操作系统的设计上要体现出各处理机间的协调一致，整体地去分配任务及公共事务、特殊事务（意外处理、错误捕获等），即把整体性分散于内核和管理程序之中，这一部分称为全局操作系统。
但在每台计算机上的操作系统又有独立于其他机器的管理功能，这一部分称之为局部操作系统。
它主要负责属于本机独立运行的基本管理功能以及本机与其他机器的同步通信、消息发送的事务管理。
这样的划分是为了使各处理机在运行中既具有独立性和一定的自主权，又能保持系统中各机的步调一致并能良好地合作。
（4）分布式操作系统的基本调度单位不是一般系统中的进程，而是一种任务队列，即多个处理机上的并发进程的集合。
多处理机系统以任务级并行为特征。
同一任务队列的各进程可分布在不同的处理机上并行地执行，同一处理机也可执行多个不同的任务队列的进程。
任务队列的各进程或各个任务队列之间都有很复杂的内在联系。
（5）分布式操作系统的组成情况与系统的耦合方式关系很大。
紧耦合的分布式系统中，系统资源的耦合程度很高，需使用专门的各种软件／硬件机制来解决冲突和竞争等问题，在松耦合的分布式系统中，各处理机配有自己的本地资源，系统的重要问题是机问的同步与通信的管理。
（6）分布式操作系统为加强各处理机间的动态协作，借鉴了网络操作系统中的消息传送协议技术，具体采取什么协议则根据系统的互连模式而定。
2网络操作系统和分布式操作系统的区别
网络操作系统
网络操作系统和分布式操作系统计算的需求催生了计算机的发明，通信和资源共享的需求又催生了计算机网络的产生和发展，而分布协同处理和廉价的高性能计算的需求推动了集群的出现。
计算机系统需要操作系统的武装，同样网络和集群也需要有相应的操作系统，只是由于需求和设计目标不同，这样的操作系统有很大的不同。
为了说明这一点，本节先介绍一下计算机网络和集群知识。
2.1.1网络操作系统
计算机网络计算机网络是指将若干台计算机用通信线路按照一定规范连接起来，以实现资源共享和信息交换为目的的系统。
计算机网络从诞生到目前为止，其发展历史可以划分为四个阶段：
第一代网络：
面向终端的远程联机系统。
其特点是整个系统里只有一台主机，远程终端没有独立的处理能力，它通过通信线路点到点的直接方式或通过专用通信处理机或集中器的间接方式和主机相连从而构成网络。
在前一种连接方式下主机和终端通信的任务由主机来完成：
而在后一种方式下该任务则由通信处理机和集中器承担。
这种网络主要用于数据处理远程终端，负责数据采集，主机则对采集到的数据进行加工处理，常用于航空自动售票系统、商场的销售管理系统等。
由于终端不具有独立的处理能力，因此这种系统并不是严格意义上的网络。
第二代网络：
以通信子网为中心的计算机通信网。
其特点是系统中有多台主机（可以带有各自的终端），这些主机之间通过通信线路相互连接。
通信子网是网络中纯粹通信的部分，其功能是负责把消息从一台主机传到另一台主机，消息传递采用分组交换技术。
这种网络出现在20世纪60年代后期，1969年由美国国防部高级研究计划局建立的阿帕网（ARPANET）就是其典型代表。
第三代网络：
遵循国际标准化网络体系结构的计算机网络。
其特点是按照分层的方法设一计算机网络系统。
1974年美国IBM公司研制的系统网络体系结构SNA就是其早期代表。
网络体系结构的出现方便了具有相同体系结构的网络用户之间的互连，但同时其局限性也是显然的。
20世纪70年代后期，为了解决不同网络体系结构用户之间难以相互连接的问题，国际标准化组织（1SO）提出了一个试图使各种计算机都能够互连的标准框架，即开放系统互连基本参考模型（OSl）。
该模型包括7层：
物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，模型中给出了每一层应该完成的功能。
20世纪80年代建立的计算机网络多属第三代计算机网络。
第四代网络：
宽带综合业务数字网。
其特点是传输数据的多样化和高的传输速度。
宽带网络不但能够用于传统数据的传输，而且还可以胜任声音、图像、动画等多媒体数据的传输，数据传输速率可以达到几十到几百Mbiffs，甚至达到几十Gbiffs。
第四代网络将可以提供视频点播、电视现场直播、全动画多媒体电子邮件、CD级音乐等网上服务。
作为因特网的发源地，美国在第四代计算机网络的筹划和建设上走在了世界的前列。
1993年9月美国提出了国家信息基础设施（N11）行动计划（Nil又被译为信息高速公路），该文件提出高速信息网是美国国家信息基础结构的5个部分之一，也就是这里所说的宽带综合业务数字网。
现在世界各国都竞相研究和制订建设本国信息高速公路的计划以适应世界经济和信息产业的飞速发展。
现在流行的所谓的因特网（Internet），指的是由遍布全球的许多计算机网络连成的网络（网络的网络）。
它的产生主要分3个过程：
（1）阿帕网的诞生：
1969年第一个计算机网络阿帕网诞生，这种计算机网络跨越的地理范围较大，如一个省、一个国家甚至全球，被称为广域网。
（2）以太网的出现：
1973年鲍勃梅·特卡夫（BobMemalfe）在施乐（Xerox）公司发明了以太网（Ethernet），这种计算机网络所跨越的地域较小，如几个办公室、一栋大楼。
今天的以太网已成为局域网的代名词，局域网的传输速率高出阿帕网几千倍，成为中小型单位网络建设较理想的选择。
（3）因特网的产生：
1973年美国斯坦福研究院的文特·瑟夫（VinCerf）提出了关于计算机网络的一个重要概念网关（Gateway），这对最终形成TCP~P（传输控制协议／网际协议）起了决定性的作用，因此他被人们誉为因特网之父。
1974年5月，文特·瑟夫和鲍勃·卡恩BobKahn正式发表了传输控制协议TCP即后来的TCP~P两个协议。
1978年将TCP中的处理分组路由选择部分分割出来，单独形成一个IP协议。
1977年文特·瑟夫和鲍勃·卡恩成功地实现了阿帕网、无线分组交换网络和卫星分组交换网三网互连。
虽说因特网源于阿帕网，但是真正促成因特网形成的则是美国国家科学基金会（NSF）。
1986年主干网使用TCPflP协议的NSF网络建成。
1986-1991年并入NSF网的网络数从100个增到3000个，1989年NSF网络正式改称为因特网。
网络操作系统对于计算机网络的作用
网络操作系统对于计算机网络，特别是通过局域网连接的工作站网络，其设计的目的就是实现通信和资源共享。
网络上每个用户有自己的工作站，有自己的操作系统。
大多数情况下，用户的工作都是在自己的工作站上完成。
但有时用户可能需要登录到另外的工作站上，使用其他计算机的资源，如拷贝文件或使用打印机等。
但由于现代操作系统将外设也作为文件管理，因此资源共享就是文件共享。
网络操作系统（NetworkOperatingSystem，NOS）往往是提供一个所有工作站都能访问的全局文件系统，这种文件系统由一个或多个被称为文件服务器的机器支持。
文件服务器接收来自其他机器上的客户程序的读写请求，然后按请求执行一定的操作，将结果返回给客户程序。
文件服务器的文件系统一般是层次式的，不仅要提供共享的文件，同时对客户私有的文件提供认证管理，避免被非法篡改和拷贝。
网络中的各个客户机要访问服务器，显然必须遵循同样的网络协议。
所以，网络操作系统在维护服务器的文件系统的同时，要提供用于通信的程序，不仅运行于服务器端，而且运行于客户端，从而在客户机和服务器间建立了一致的通信方式。
典型的网络操作系统有：
SUN公司的网络文件系统NFS（NetworkFileSystem）、Unix、Microsoft公司的WindowsNT和Windows2000等。
2．2分布式操作系统
2．2．1集群为了提高计算机的性能
集群为了提高计算机的性能，一方面，人们努力提高处理器的处理速度和优化系统结构，另一方面，人们又试图让多个处理器联合作业提高整个系统的性能。
对于多处理器系统，有两种类型的配置，一种是多个处理器共享存储器的紧耦合系统，另一种是分布式存储器。
各处理器有独占的存储器，实际上就是多台有独立功能的计算机（包括紧耦合的多处理器系统）的互联而成为一个统一的计算资源。
在用户看来，整个系统跟一台计算机是一样的，只是性能有了很大的提升，称之为集群（Cluster）。
集群和计算机网络看起来很相似，但网络的目的是通信和资源共享，而集群是把多台计算机（节点）整合为一个整体，以提高计算性能（Performance）为目的，并且提供高可用性（HighAvailability），即当某个节点出现故障时其他节点会立即接管其任务，而不会造成服务中断。
2．2．2分布式操作系统
分布式操作系统，用于通信和资源共享的计算机网络中，除了共享文件系统外，用户知道网络中其他计算机的存在，每台计算机拥有自己的操作系统，整个网络并没有整体的协调。
网络操作系统仅仅维护了全局文件系统和用户的帐户信息，并要求客尸和服务器间遵循一致的通信协议而已。
对于应用于集群的分布式操作系统来说，试图让用户感觉不到多台计算机的存在，并提供较高的计算性能和可用性。
因此分布式操作系统（DistributedOperatingSystem）的设计要充分地体现系统的透明性、可靠性和并行性。
透明性让用户感觉到面对的集群就和一台计算机一样是分布式系统设计首要解决的问题，也就是设计透明性的系统，包括：
①位置透明性，使用户不需要关心所使用的系统资源的具体位置是在哪台机器上：
②迁移透明性，使得系统资源可以在系统内任意移动却不影响它们在全局名字空间的名字；③复制透明性，允许系统在多个节点上复制使用频率很高的文件并自动维护文件的一致性，而用户仅感觉到复制文件的存在：
④并发透明性，使得多个用户同时并发请求某资源时可能感觉到系统的迟钝但感觉不到其他用户的存在；⑤并行透明性，使得单个任务被系统并行处理，但用户仅仅感觉到系统的响应比较快而不需要知道并行的存在。
可靠性设计分布式系统的原因之一是因为它能比单处理机系统更加可靠。
当某个机器故障停机时，其他机器能接替它的工作。
可靠性实际包含了：
①可用性（Availability），一般通过冗余关键性的软硬件宋实现，当其中一个失效时，其他的部件能接替工作：
②安全性，分布式系统的安全性问题比单处理机系统远为复杂，防止非法使用文件和其他资源的任务更为艰巨。
并行性提供高性能的计算能力是设计分布式系统的一个初衷，但这个目标的达成受到很多的限制，比如通信较慢使得进程的全局调度困难重重。
为了改善通信延迟的影响，通常要减少消息的数目，但为了提高性能，应该让一个任务并行地运行在多个处理器上，这是一对矛盾。
所以，为了提高性能，分布式系统的调度要复杂得多。
对紧耦合的多处理机系统，包括让操作系统内核运行于一个专用处理机上，而其他用户进程运行在其他处理机上的主从式（Master／Slave）系统，操作系统与用户进程同等调度与任意处理机上的多成多处理（SMP）系统，其设计的复杂性介于分布式操作系统和单处理机操作系统之间。
网络操作系统、分布式操作系统和紧耦合多处理机操作系统三者
2.3网络操作系统和分布式操作系统的区别是：
（1）分布性。
分布式操作系统的处理和控制功能均为分布式的；而网络操作系统虽具分布处理功能，但其控制功能却是集中在某个或某些主机或网络服务器中，即集中式控制方式。
（2）并行性。
分布式操作系统具有任务分配功能，可将多个任务分配到多个处理单元上，使这些任务并行执行，从而加速了任务的执行；而网络操作系统通常无任务分配功能，网络中每个用户的一个或多个任务通常都在本地计算机上处理。
（3）透明性。
分布式操作系统通常能很好地隐藏系统内部的实现细节。
包括对象的物理位置、并发控制和系统故障等对用户都是透明的。
例如，当用户要访问某个文件时，只需提供文件名而无须知道（所要访问的对象）它是驻留在那个站点上，即可对它进行访问，以即具有物理位置的透明性。
网络操作系统的透明性则主要指操作实现上的透明性。
例如，当用户要访问服务器上的文件时，只需发出相应的文件存取命令，而无需了解对该文件的存取是如何实现的。
（4）共享性。
分布式操作系统支持系统中所有用户对分布在各个站点上的软硬件资源的共享和透明方式访问。
而网络操作系统所提供的资源共享功能仅局限于主机或网络服务器中资源，对于其它机器上的资源通常仅有使用该机的用户独占。
（5）健壮性。
分布式操作系统由于处理和控制功能的分布性而具有较好的可用性和可靠性，即健壮性。
而网络操作系统由于控制功能的集中式特点而使系统重构功能较弱，且具有潜在的不可靠性。
3以大规模IPTV点播系统为例说明分布式系统分布方式
分布式点播系统分析
3.1.1分布式系统典型结构
图3-1
分布式系统典型结构
分布式点播系统采用了核心服务器+边缘服务器的系统结构，通过流媒体等点播服务器端软件的功能设定，将点播服务器分为两类：
核心分发服务器
核心分发服务器主要负责存储媒体数据、将边缘服务器请求的数据通过以太网络推送到边缘服务器。
核心服务器存储并管理点播系统中的全部影片资料。
边缘点播服务器
边缘点播服务器负责为宽带用户群提供点播服务，将最终用户的数据请求转换为自身的数据请求并发送到核心分发服务器，并且将以太网上来自分发服务器的数据流缓冲到本地，供最终用户访问。
边缘服务器存储并管理点播系统中部分影片资料。
3.1.2分布式系统工作原理
分布式点播系统的核心工作原理是数据的分发――将核心服务器上存储的大量媒体数据，分发到各个边缘服务器，边缘服务器将大量的数据缓冲在本地硬盘上，供最终用户访问。
举例说明：
假如用户A发出一个视频点播的请求，分布式点播系统将首先判断边缘服务中是否具有用户所点播的影片，如有，则将用户的点播请求重定向到边缘服务器，并由边缘服务器完成点播请求。
由此可见，在分布式点播系统中，系统的运行效率取决于两点：
1.边缘服务器本地缓冲容量的大小
边缘服务器本地缓冲容量的大小，是决定边缘服务器工作效率的关键因素。
理论上来说，如果边缘服务器本地缓冲容量能够达到核心分发服务器的磁盘容量，则能达到最高的运行效率。
但这样磁盘空间浪费也将达到最大，假设系统所有影片资料的存储总量为1的话，则系统所需的存储空间将为：
1+N×1（N=边缘服务器的数量）。
另一方面，如果边缘服务器的本地缓冲容量过小，则将大大降低边缘服务器的工作效率，边缘服务器的存在将变得毫无意义。
2.用户访问的数据是否集中
如果某个用户访问的数据在边缘服务器本地不存在，则边缘服务器会到核心分发服务器上下载该数据，并缓冲到本地硬盘，供用户访问。
在这样的工作机制下，如果用户的数据访问较为集中，边缘服务器能够将集中访问的数据缓冲到本地，能够达到较高的运行效率；相反，如果数据访问并不集中，边缘服务器的运行效率会急剧下降。
3.1.3分布式系统的典型应用
分布式点播系统最大的优点是可将系统的部分点播请求转由边缘服务器完成，可降低对骨干网络的带宽占用，特别适合于骨干带宽有限，而用户群相对集中的应用环境。
举例说明，X城市的点播系统中，有4个人口非常密集的小区，我们可在这4个小区内分别放置4台边缘服务器，这4个小区的许多点播请求，将由这4台边缘服务器以本地局域网的方式完成，从而降低了对骨干网络的占用。
如图所示：
图3-2
分布式系统的典型应用结构图
还有一种情况，在某地税的点播系统中，由于其骨干网络的带宽只有8MB，因此，我们在其各二级地区的分节点上放置了边缘服务器，从而在不增加骨干网络带宽的情况下，提供更多的并发数量的支持。
3.1.4分布式点播系统的局限性
由于分布式点播系统沿用了DAS存储系统结构，与传统的点播系统相比，尤其是在数据的存储以及访问方式上并没有引入新的技术和结构，因此分布式点播系统在大规模点播应用中有着可见的局限性：
3.1.4.1系统用户总容量、稳定性欠佳
由于用户的请求只能在部分特定的点播服务器上完成。
因此，系统可支持的并发用户数量与系统的可靠性上都存在严重局限，任意服务器的宕机都有可能造成严重的影响。
3.1.4.2存储空间浪费与系统性能的矛盾
系统存储空间浪费严重：
由于在每台边缘服务器上都必须存放很多的相同影片，极大的浪费了系统的存储容量。
但如果边缘服务器上不存放相同的内容，则系统的运行效率将大大降低。
3.1.4.3扩展性差
系统扩展性主要包括提升系统所能支持的最大并发用户数量，以及点播媒体资料库容量这两方面。
而在分布式点播系统中，如果要升级，则第一个要回答的问题就是：
是只升级核心存储容量，还是连边缘服务器本地缓冲的容量一起升级
这是因为，分布式系统在扩展性上存在着一个非常矛盾的问题：
媒体资料库容量越大，系统最大并发用户数则越少。
分布式系统的工作原理是将媒体资料分发到各个边缘服务器节点，通过数据在多个边缘服务器上的重复存在，从而达到分配负载，提高系统最大并发用户数的目的。
据此我们可以看出，在分布式系统中，最理想的状态是–每个边缘服务器的磁盘容量（a）大于或者等于所有分发服务器的磁盘总容量（b），此时系统拥有最大的并发用户数，a/b的值越小，则表示系统最大并发用户也越少–因为点播应用中数据的访问具有相当大的随机性，根本无法预测用户会在什么时候访问什么数据。
因此媒体资料库的容量越大，则边缘服务器上的缓冲数据访问率越低，结果来自于最终用户的数据请求会集中在核心分发服务器上，使边缘服务器形同虚设。
结论
通过这一周的课程设计，我完成了“浅析分布式操作系统”这篇论文，分布式操作系统是在比单机复杂的多机环境下得到实现的，并且具备分布性、自治性、并行性、全局性这四个基本特征，能够实现资源共享，加快计算速度，并且可靠性得到了提高。
在分布性与并行性上比网络操作系统有独到的优点，并且在透明性以及健壮性方面具有网络操作系统不可匹敌的优势。
本学期学习了操作系统这门课，所以对操作系统有了一定的了解，为完成这篇论文提供了方便。
通过查阅资料，并上网搜索有关分布式操作系统的资料，在和同组同学的讨论合作下，最终完成了论文。
由于能力有限，知识面不够宽，所以难免会有分析不到的地方，但是，通过这篇论文，我加深了度操作系统的理解，更加清楚的认识到操作系统的工作原理，为以后工作和学习打下了坚实的理论基础。
参考文献
[1]何炎祥；《分布式操作系统》高等教育出版社ISBN：
61700；
[2]宫杰李慧萍高琦；浅析分布式操作系统;《计算机光盘及应用》第五期；
[3]AndrewS.Tanenbaum'；《分布式操作系统》清华大学出版社；
[4]数字电视中文网“大规模IPTV点播系统解决方案介绍”；
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