简述分布式操作系统.doc

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　 5411０701０15２　 5４110701０153
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 　 　 　 　
目录
摘要ﻩ3
1 分布式操作系统得特点ﻩ4
２ 　网络操作系统与分布式操作系统得区别ﻩ5
2、1网络操作系统ﻩ５
2、1、1网络操作系统 6
2、1、2网络操作系统对于计算机网络得作用 11
2、2分布式操作系统ﻩ１2
2、2、1集群为了提高计算机得性能 １２
2、２、2 分布式操作系统ﻩ12
2、3　　网络操作系统与分布式操作系统得区别就是: １4
３ 以大规模ＩＰＴV点播系统为例说明分布式系统分布方式ﻩ16
３、1　 分布式点播系统分析 １6
3、1、1 分布式系统典型结构ﻩ１６
３、１、２ 分布式系统工作原理ﻩ１7
3、1、３　分布式系统得典型应用ﻩ1８
３、1、4分布式点播系统得局限性ﻩ19
结论ﻩ20
参考文献ﻩ２1
分布式操作系统得特点
摘　 要
本文介绍了分布式操作系统得特点以及与网络操作系统得区别,并且以大规模ＩPＴV点播系统为例说明分布式系统分布方式，分布式操作系统就是在比单机复杂得多机环境下得到实现得,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得优点,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得优势,在大规模ＩPTV点播系统中,本文从分布式系统得结构、分布式系统得工作原理、分布式系统得典型作用以及分布式系统得局限性等方面详细阐述了分布式系统在服务器系统中就是如何实现分布得。
关键字:分布式操作系统、网络操作系统、IPTV点播系统
1　 分布式操作系统得特点
分布式操作系统就是在比单机复杂得多机环境下得到实现得，操作系统在进行任何一项任务得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得下列显著特点:
(１)具有干预互连得各处理机之间交互关系得责任。分布式操作系统必须保证在不同处理机上执行得进程彼此互不干扰,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得竞争与引起得死锁等问题。
(2）分布式操作系统得控制结构就是分布式得。分布式操作系统一般由内核与实用程序组成。内核主要负责处理各种中断、通信与调度实用程序。而实用程序有多个,它们分别完成一部分得系统功能。由于分布计算机系统由多台计算机组成,分布式操作系统得内核就必须有多个,每台计算机上都应有一个内核,而每台计算机上所配置得实用程序可以各不相同,且可以以多副本形式分布于不同得计算机上。内核一般由基本部分与外加部分组成。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得外部设备而定。各台计算机得内核得基本部分就是相同得,它运行于硬件之上，就是一种具有有限功能得较小得操作系统内核，主要作用就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与局部操作系统两部分。由于分布式操作系统把资源瞧成统一得整体来处理，系统基于单一策略来控制与管理,因而在操作系统得设计上要体现出各处理机间得协调一致,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与管理程序之中，这一部分称为全局操作系统。但在每台计算机上得操作系统又有独立于其她机器得管理功能,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得基本管理功能以及本机与其她机器得同步通信、消息发送得事务管理。这样得划分就是为了使各处理机在运行中既具有独立性与一定得自主权，又能保持系统中各机得步调一致并能良好地合作。
(4)分布式操作系统得基本调度单位不就是一般系统中得进程,而就是一种任务队列，即多个处理机上得并发进程得集合。多处理机系统以任务级并行为特征。同一任务队列得各进程可分布在不同得处理机上并行地执行，同一处理机也可执行多个不同得任务队列得进程。任务队列得各进程或各个任务队列之间都有很复杂得内在联系。
(５）分布式操作系统得组成情况与系统得耦合方式关系很大。紧耦合得分布式系统中,系统资源得耦合程度很高,需使用专门得各种软件／硬件机制来解决冲突与竞争等问题,在松耦合得分布式系统中，各处理机配有自己得本地资源,系统得重要问题就是机问得同步与通信得管理。
(6）分布式操作系统为加强各处理机间得动态协作,借鉴了网络操作系统中得消息传送协议技术,具体采取什么协议则根据系统得互连模式而定。
2　 网络操作系统与分布式操作系统得区别
2、1网络操作系统
网络操作系统与分布式操作系统计算得需求催生了计算机得发明,通信与资源共享得需求又催生了计算机网络得产生与发展,而分布协同处理与廉价得高性能计算得需求推动了集群得出现。计算机系统需要操作系统得武装，同样网络与集群也需要有相应得操作系统,只就是由于需求与设计目标不同,这样得操作系统有很大得不同。为了说明这一点,本节先介绍一下计算机网络与集群知识。
2.1.1网络操作系统
计算机网络计算机网络就是指将若干台计算机用通信线路按照一定规范连接起来，以实现资源共享与信息交换为目得得系统。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:面向终端得远程联机系统。其特点就是整个系统里只有一台主机,远程终端没有独立得处理能力,它通过通信线路点到点得直接方式或通过专用通信处理机或集中器得间接方式与主机相连从而构成网络。在前一种连接方式下主机与终端通信得任务由主机来完成：而在后一种方式下该任务则由通信处理机与集中器承担。这种网络主要用于数据处理远程终端,负责数据采集,主机则对采集到得数据进行加工处理,常用于航空自动售票系统、商场得销售管理系统等。由于终端不具有独立得处理能力,因此这种系统并不就是严格意义上得网络。
第二代网络:以通信子网为中心得计算机通信网。其特点就是系统中有多台主机（可以带有各自得终端）,这些主机之间通过通信线路相互连接。通信子网就是网络中纯粹通信得部分,其功能就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得阿帕网（ARPANＥT）就就是其典型代表。
第三代网络:遵循国际标准化网络体系结构得计算机网络。其特点就是按照分层得方法设一计算机网络系统。1974年美国ＩBM公司研制得系统网络体系结构SNA就就是其早期代表。网络体系结构得出现方便了具有相同体系结构得网络用户之间得互连,但同时其局限性也就是显然得。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得问题,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得标准框架,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、表示层与应用层,模型中给出了每一层应该完成得功能。2０世纪8０年代建立得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。其特点就是传输数据得多样化与高得传输速度。宽带网络不但能够用于传统数据得传输,而且还可以胜任声音、图像、动画等多媒体数据得传输,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。作为因特网得发源地，美国在第四代计算机网络得筹划与建设上走在了世界得前列。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就是美国国家信息基础结构得5个部分之一，也就就是这里所说得宽带综合业务数字网。现在世界各国都竞相研究与制订建设本国信息高速公路得计划以适应世界经济与信息产业得飞速发展。现在流行得所谓得因特网（Ｉｎternet)，指得就是由遍布全球得许多计算机网络连成得网络(网络得网络)。它得产生主要分3个过程:(1)阿帕网得诞生：1９69年第一个计算机网络阿帕网诞生,这种计算机网络跨越得地理范围较大,如一个省、一个国家甚至全球,被称为广域网。(2)以太网得出现：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得地域较小,如几个办公室、一栋大楼。今天得以太网已成为局域网得代名词,局域网得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得选择。(3）因特网得产生:1９73年美国斯坦福研究院得文特·瑟夫(ＶｉnＣeｒf)提出了关于计算机网络得一个重要概念网关(Ｇateway),这对最终形成TＣP~P(传输控制协议／网际协议)起了决定性得作用,因此她被人们誉为因特网之父。1974年５月,文特·瑟夫与鲍勃·卡恩BｏbＫａhn正式发表了传输控制协议ＴCＰ即后来得TＣＰ~P两个协议。1９78年将ＴCP中得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·瑟夫与鲍勃·卡恩成功地实现了阿帕网、无线分组交换网络与卫星分组交换网三网互连。虽说因特网源于阿帕网,但就是真正促成因特网形成得则就是美国国家科学基金会(NSF)。19８6年主干网使用ＴCＰflP协议得ＮＳF网络建成。19８6-1９９1年并入NSF网得网络数从10０个增到30００个,1９８9年NＳF网络正式改称为因特网。
2、1、2网络操作系统对于计算机网络得作用
网络操作系统对于计算机网络,特别就是通过局域网连接得工作站网络,其设计得目得就就是实现通信与资源共享。网络上每个用户有自己得工作站，有自己得操作系统。大多数情况下，用户得工作都就是在自己得工作站上完成。但有时用户可能需要登录到另外得工作站上,使用其她计算机得资源,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,因此资源共享就就是文件共享。网络操作系统（NetwoｒkＯperａtingSystem,ＮＯS)往往就是提供一个所有工作站都能访问得全局文件系统,这种文件系统由一个或多个被称为文件服务器得机器支持。文件服务器接收来自其她机器上得客户程序得读写请求,然后按请求执行一定得操作，将结果返回给客户程序。文件服务器得文件系统一般就是层次式得，不仅要提供共享得文件,同时对客户私有得文件提供认证管理,避免被非法篡改与拷贝。网络中得各个客户机要访问服务器，显然必须遵循同样得网络协议。所以，网络操作系统在维护服务器得文件系统得同时，要提供用于通信得程序,不仅运行于服务器端,而且运行于客户端,从而在客户机与服务器间建立了一致得通信方式。典型得网络操作系统有：SUN公司得网络文件系统ＮＦS(Netｗorｋ)、Unix、Ｍicｒｏｓoft公司得WiｎｄowｓNT与Wｉnｄowｓ20０0等。
2.2分布式操作系统
2.２.1集群为了提高计算机得性能
集群为了提高计算机得性能，一方面,人们努力提高处理器得处理速度与优化系统结构,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得性能。对于多处理器系统,有两种类型得配置,一种就是多个处理器共享存储器得紧耦合系统，另一种就是分布式存储器。各处理器有独占得存储器,实际上就就是多台有独立功能得计算机(包括紧耦合得多处理器系统)得互联而成为一个统一得计算资源。在用户瞧来,整个系统跟一台计算机就是一样得,只就是性能有了很大得提升，称之为集群(Cluster)。集群与计算机网络瞧起来很相似,但网络得目得就是通信与资源共享,而集群就是把多台计算机(节点)整合为一个整体，以提高计算性能(Perｆoｒmaｎce)为目得,并且提供高可用性（HighAvａiｌabｉlitｙ），即当某个节点出现故障时其她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，用于通信与资源共享得计算机网络中,除了共享文件系统外，用户知道网络中其她计算机得存在,每台计算机拥有自己得操作系统，整个网络并没有整体得协调。网络操作系统仅仅维护了全局文件系统与用户得帐户信息，并要求客尸与服务器间遵循一致得通信协议而已。对于应用于集群得分布式操作系统来说，试图让用户感觉不到多台计算机得存在，并提供较高得计算性能与可用性。因此分布式操作系统(ＤiｓtrｉbｕｔedOperatｉnｇSystem）得设计要充分地体现系统得透明性、可靠性与并行性。
透明性让用户感觉到面对得集群就与一台计算机一样就是分布式系统设计首要解决得问题，也就就是设计透明性得系统,包括:①位置透明性,使用户不需要关心所使用得系统资源得具体位置就是在哪台机器上: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得名字;③复制透明性，允许系统在多个节点上复制使用频率很高得文件并自动维护文件得一致性,而用户仅感觉到复制文件得存在：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得迟钝但感觉不到其她用户得存在;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得响应比较快而不需要知道并行得存在。
可靠性设计分布式系统得原因之一就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,其她机器能接替它得工作。可靠性实际包含了:①可用性(Ａvaｉlaｂiliｔｙ）,一般通过冗余关键性得软硬件宋实现,当其中一个失效时,其她得部件能接替工作:②安全性，分布式系统得安全性问题比单处理机系统远为复杂,防止非法使用文件与其她资源得任务更为艰巨。并行性提供高性能得计算能力就是设计分布式系统得一个初衷,但这个目标得达成受到很多得限制,比如通信较慢使得进程得全局调度困难重重。为了改善通信延迟得影响,通常要减少消息得数目,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，这就是一对矛盾。所以,为了提高性能,分布式系统得调度要复杂得多。对紧耦合得多处理机系统，包括让操作系统内核运行于一个专用处理机上,而其她用户进程运行在其她处理机上得主从式(Master／Slavｅ）系统，操作系统与用户进程同等调度与任意处理机上得多成多处理（SMP)系统，其设计得复杂性介于分布式操作系统与单处理机操作系统之间。网络操作系统、分布式操作系统与紧耦合多处理机操作系统三者
2、　3 网络操作系统与分布式操作系统得区别就是:
（1)分布性。分布式操作系统得处理与控制功能均为分布式得;而网络操作系统虽具分布处理功能,但其控制功能却就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,从而加速了任务得执行;而网络操作系统通常无任务分配功能,网络中每个用户得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得实现细节。包括对象得物理位置、并发控制与系统故障等对用户都就是透明得。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(所要访问得对象)它就是驻留在那个站点上,即可对它进行访问,以即具有物理位置得透明性。网络操作系统得透明性则主要指操作实现上得透明性。例如，当用户要访问服务器上得文件时,只需发出相应得文件存取命令,而无需了解对该文件得存取就是如何实现得。
(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得软硬件资源得共享与透明方式访问。而网络操作系统所提供得资源共享功能仅局限于主机或网络服务器中资源,对于其它机器上得资源通常仅有使用该机得用户独占。　
（5)健壮性。分布式操作系统由于处理与控制功能得分布性而具有较好得可用性与可靠性,即健壮性。而网络操作系统由于控制功能得集中式特点而使系统重构功能较弱，且具有潜在得不可靠性。
3　 以大规模IPTV点播系统为例说明分布式系统分布方式
３、1　 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 ＋ 边缘服务器得系统结构,通过流媒体等点播服务器端软件得功能设定，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、将边缘服务器请求得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得全部影片资料。
 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,将最终用户得数据请求转换为自身得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得数据流缓冲到本地,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
分布式点播系统得核心工作原理就是数据得分发 ――将核心服务器上存储得大量媒体数据,分发到各个边缘服务器,边缘服务器将大量得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发出一个视频点播得请求,分布式点播系统将首先判断边缘服务中就是否具有用户所点播得影片,如有，则将用户得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，系统得运行效率取决于两点:
1、　边缘服务器本地缓冲容量得大小
边缘服务器本地缓冲容量得大小，就是决定边缘服务器工作效率得关键因素。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得磁盘容量,则能达到最高得运行效率。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得存储总量为１得话,则系统所需得存储空间将为:1+N×１ (N=边缘服务器得数量)。 另一方面,如果边缘服务器得本地缓冲容量过小，则将大大降低边缘服务器得工作效率,边缘服务器得存在将变得毫无意义。
2、　用户访问得数据就是否集中
　如果某个用户访问得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。在这样得工作机制下，如果用户得数据访问较为集中,边缘服务器能够将集中访问得数据缓冲到本地,能够达到较高得运行效率;相反,如果数据访问并不集中,边缘服务器得运行效率会急剧下降。
3.1.３ 分布式系统得典型应用
分布式点播系统最大得优点就是可将系统得部分点播请求转由边缘服务器完成,可降低对骨干网络得带宽占用,特别适合于骨干带宽有限,而用户群相对集中得应用环境。
举例说明，X城市得点播系统中,有4个人口非常密集得小区,我们可在这4个小区内分别放置4台边缘服务器,这4个小区得许多点播请求，将由这４台边缘服务器以本地局域网得方式完成,从而降低了对骨干网络得占用。如图所示:

　 　 　 　　 　 图3－２
分布式系统得典型应用结构图
还有一种情况,在某地税得点播系统中,由于其骨干网络得带宽只有8MＢ,因此,我们在其各二级地区得分节点上放置了边缘服务器,从而在不增加骨干网络带宽得情况下，提供更多得并发数量得支持。
3.1.４分布式点播系统得局限性
由于分布式点播系统沿用了DAS存储系统结构,与传统得点播系统相比,尤其就是在数据得存储以及访问方式上并没有引入新得技术与结构,因此分布式点播系统在大规模点播应用中有着可见得局限性:
３.１.4、1　 系统用户总容量、稳定性欠佳
由于用户得请求只能在部分特定得点播服务器上完成。因此,系统可支持得并发用户数量与系统得可靠性上都存在严重局限,任意服务器得宕机都有可能造成严重得影响。
3．1.４、2 存储空间浪费与系统性能得矛盾
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得相同影片,极大得浪费了系统得存储容量。 但如果边缘服务器上不存放相同得内容,则系统得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得最大并发用户数量，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,则第一个要回答得问题就就是:就是只升级核心存储容量,还就是连边缘服务器本地缓冲得容量一起升级？
这就是因为,分布式系统在扩展性上存在着一个非常矛盾得问题:媒体资料库容量越大，系统最大并发用户数则越少。分布式系统得工作原理就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得重复存在,从而达到分配负载，提高系统最大并发用户数得目得。据此我们可以瞧出,在分布式系统中，最理想得状态就是 – 每个边缘服务器得磁盘容量(a）大于或者等于所有分发服务器得磁盘总容量(b),此时系统拥有最大得并发用户数,a/ｂ得值越小,则表示系统最大并发用户也越少 –　因为点播应用中数据得访问具有相当大得随机性,根本无法预测用户会在什么时候访问什么数据。因此媒体资料库得容量越大,则边缘服务器上得缓冲数据访问率越低,结果来自于最终用户得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
通过这一周得课程设计，我完成了“浅析分布式操作系统”这篇论文,分布式操作系统就是在比单机复杂得多机环境下得到实现得,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得优点，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得优势。本学期学习了操作系统这门课,所以对操作系统有了一定得了解，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得资料,在与同组同学得讨论合作下,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得地方,但就是,通过这篇论文,我加深了度操作系统得理解,更加清楚得认识到操作系统得工作原理，为以后工作与学习打下了坚实得理论基础。
参考文献
[1]何炎祥;《分布式操作系统》高等教育出版社IＳＢN:97870４01617０0;
[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]　Andreｗ S、　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”；