第一章分布式计算机系统

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1.3分布式计算机系统的特点
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。
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1.3分布式计算机系统的特点
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):系统中的资源的冗 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。
图1.4 层次结构
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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1.5。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,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。 图1.5 星形结构 如果中央场点故障,那么该系统就完全 地被分割了。
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1.3分布式计算机系统的特点
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wenku.baidu.com户, 特别是使分散的用户能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。
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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1.2), 这种构形的基本开销很高, 场点间的消息转移非常快, 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。 图1.2 全互连拓扑结构
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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1.3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1.3中,从场点⑤④.发 送一消息到场点③必须经由场 点①和②。 图1.3 部分互连拓扑结构
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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1.3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1.3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。
立方体互连结构又称n维立方体分布式网络结构。这种 结构把2n=N个计算机互连起来,各计算机分别位于该立 方体的角顶。立方体的每条边把两个场点连接起来,而每 个场点则有n个全双向通路把它和n个其它计算机相连。例 如,n=3,n=4时立方体互连结构如图1.11所示,其中,n 为立方体的维数。 此外,还有交叉开关网、树形网、网状网、立方体网 和超立方体等。
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1.1分布式系统概述
计算机技术发展迅猛。从1945年 现代计算机时代开始直到1985年,计算 机一直是庞大昂贵的设备。即便是小型 计算机也要花数万美元。这使得大多数 机构通常只有为数不多的几台机器,并 且由于它们之间缺少互连的手段,这些 机器都是各自独立地工作。
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1.1分布式系统概述
然而,从80年代开始,两项技术进步 改变了这种局面。第一项是功能日益强大 的微型计算机的发展。 第二项进步是高速 局域网的出现。局域间能将数十台机器、 甚至数百台机器连接在一起,数据在机器 之间传输只需要几us的时间。大量的数据 能以超过10Mbps的速率传输。
图1.9 有规则结构
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9. 不规则结构
不规则结构中的各 场点间的连接关系无一 定规则可依,其优点是: 可随意增加不同类型的 结点,各结点互连起来 也较方便,还可提供任 意冗余和重组能力;其 缺点是运行时需要较复 杂的路径选择算法(见 图1.10)。
图1.10 不规则结构
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10. 立方体互连结构
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1.2分布式系统的优缺点
(3)分布式系统的缺点
表 3分布式系统的缺点
缺点 软件 网络
说明 目前很少有分布式系统的软件 网络可能饱和,或让系统遇到其他麻烦
安全
方便的数据共享意味着机密数据容易被窃取
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1.3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。
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在双向环形结构中,其中两条通信链路故障就可能导致 分割整个系统。在单向环形结构中,单个场点或单条通信 链路故障,就可能分割整个系统。一种补救的办法是通过 提供双通信链路来扩充这种结构,但这显然会增加基本开 销,如图1.6(b)所示。
图1.6 环形结构
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6 . 多存取总线结构
在多存取总线结构(简称总线结构)中,它可以组织 成直线状,见图1.7(a),也可以组织成环状,如图1.7(b)所 示,其中的场点可以经由这条总线彼此直接进行通信。这 类结构的基本开销是场点个数的线性函数,通信代价也很 低,除非这条总线变成了瓶颈。这类结构类似于带有一个 中央场点的星形结构,其中某个场点故障不会影响其它场 点间的通信,但是,若这条总线故障,那么该结构就完全 地被分割了。
分布式操作系统(Distributed Operating System,缩写为DOS) 是为分布式计算机系统配置的操作 系统。它在这种多机环境下,负责控制 和管理以协同方式工作的多种系统(的 物理和逻辑)资源,进程的同步和执行, 处理机间的通信、调度等控制事务,自 动实行全系统范围内的任务分配和负载 平衡并具有高度并行性的一种高级软件 系统。
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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1.6。这样的环形结构可以是单向的, 也可以是双向的。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 环结构中,这最多可能需要n-1次转接,在双向环结构 中,则最多可能需要n/2次转接,其中n是网络中场点 的个数。
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3. 层次结构
层次结构中的各场点组织成 树形结构。如图1.4所示,其中, 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, 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 。
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1.5 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? 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。
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1.1分布式系统概述
分布式计算机系统 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。
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1.1分布式系统概述
分布式计算机系统示意图
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1.1分布式系统概述
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图1.11 立方体互连结构
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1.6 分布式系统的资源管理
资源管理有四种方式: (1)全集中管理方式 (2)分担管理方式 (3)轮流管理方式 (4)全分散管理方式 采取哪种资源管理方式,必须根据总 体要求和资源性质决定。
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1.7 分布式操作系统
1. 多机操作系统的基本结构 • • • 多机操作系统有以下三种基本结构: 主从式 独立式 分布式 ⑴主从式 在多机系统上最早设计的多机操作系统都采用主从式,这 是比较容易实现的一种形式。在具体设计和实现时,可在 具备多道程序设计的操作系统基础上加以扩充而成。但是, 它在管理和利用全系统资源方面的效率较低。其主要特点 为:
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图1.7 多存取总线结构
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7. 环-星形结构
环-星形结构由 环、星型结构叠加而 成,其优缺点介于星 形和环形结构之间, 见图1.8。
图1.8 环-星形结构
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8 . 有规则结构
有规则结构(见图1.9) 中的每个场点都与它相邻的 上、下、左、右场点相连, 因而具有高性能、高速度、 和高可靠性。不过,这种结 构比较复杂,且一般要求各 场点是完全一致的,构造这 种系统的费用也较高。
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1.3分布式计算机系统的特点

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。
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1.4 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。
高级操作系统
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教师信息
主讲教师:李为 电话:61772649(O) Email:liwei@ncepu.edu.cn 办公地点:主楼E座1117室
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第一章 分布式计算机系统






1.1 分布式系统概述 1.2 分布式计算机系统的特点 1.3 分布式计算机系统的体系结构 1.4 分布式系统的拓扑结构 1.5 分布式资源管理 1.6分布式操作系统
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1.2分布式系统的优缺点
(1)分布式系统相对于集中式系统的优点
表 1分布式系统相对于集中式系统的优点
优点 经济性 速度 固有的分布性 可靠性 可扩展性
说明 微处理器能提供比大型机更好的 性能价格比 分布系统能提供比大型机更强的 计算能力 在一些应用包含物理上分散的机 器 当某台机器崩溃时、整个系统仍 能正常工作 计算能力逐步增加
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1.2分布式系统的优缺点
(2)分布式系统相对于独立PC机的优点
表2 分布式系统相对于PC机的优点的优点
优点 数据共享 外设共享 通信
说明 允许许多用户共享同一个数据库 允许用户共享昂贵的外设,如彩色打印机 使得人与人间的通信更加方便,例如通过 电子邮件
灵活性
将工作负载更有效地分派到合适的机器上
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1.4 分布式计算机系统的体系结构


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(loosely couple)。 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 (loosely couple)。
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1.4 分布式计算机系统的体系结构

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。
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1.4 分布式计算机系统的体系结构

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。
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