分布式系统介绍

分布式系统介绍中国科技大学软件学院丁箐21.1分布式系统概念1.2分布式系统的特点1.3硬件概念1.4软件概念1.5分布式系统设计问题主要内容31.1分布式系统概念1.2分布式系统的特点1.3硬件概念1.4软件概念1.5分布式系统设计问题主要内容4WhatisaDistributedSystem?“一个分布式系统是若干个独立的计算机的集合，但是对该系统的用户来说，系统就像一台计算机一样。”两个方面的含义：•硬件方面：各个计算机都是自治的•软件方面：用户将整个系统看作是一台计算机1.1分布式系统概念5集中式系统6SunULTRA5with32GBdisk１6UnitsEathernetSwitch100MSunULTRA1032GBdiskOneunitNOW(NetworkofWorkstations)7TheGrid8分布式系统定义一个分布式系统组织成中间件形式，中间件层分布在多台机器上。1.19•应用举例银行“一卡通”系统电信“神州行”系统SETI@Home•从集中式系统到分布式系统1.高性能微型计算机(PC)的普及2.高速计算机网络（LAN、WAN）的普及101.1分布式系统概念1.2分布式系统的特点1.3硬件概念1.4软件概念1.5分布式系统设计问题主要内容11优点--与集中式系统相比较1、经济性：高的性能/价格比Grosch’Law:Power↑Price2NOPCvs.大型机（mainframe）1.2分布式系统的特点122、性能：能产生单个大型主机不能达到的绝对性能10,000X50MIPS500,000MIPS（5千亿次）=0.002ns/次=〉0.7mm优点--与集中式系统相比较133、应用的固有的分布性,例如：•CSCW•工作流4、可靠性高•多工系统的容错能力5、可扩充性强•系统演进能力（evolution）优点--与集中式系统相比较14总结：优点--与集中式系统相比较项目描述经济微处理机提供了比大型主机更好的性能价格比速度分布式系统总的计算能力比单个大型主机更强固有的分布性一些应用涉及到空间上分散的机器可靠性如果一个机器崩溃,整个系统还可以运转渐增计算能力可以逐渐有所增加151、支持数据共享•文件•数据库2、支持设备共享•高档打印机•海量磁盘优点--与独立PC机比较163、P2P通信•email•BBS4、灵活性•负载分配优点--与独立PC机比较17总结：优点--与独立PC机比较项目描述数据共享允许多个用户访问一个公共的数据库设备共享允许多个用户共享昂贵的外围设备(如彩色打印机)通信使得人们之间的通信更加容易,如通过电子邮件灵活性用最有效的方式将工作负荷分配到可用的机器上18存在的问题项目描述软件目前为分布式系统开发的软件还很少网络通信网络可能的问题:如QoS等等安全容易造成对保密数据的访问191.1分布式系统概念1.2分布式系统的特点1.3硬件概念1.4软件概念1.5分布式系统设计问题主要内容20Flynn分类：（1972）1.SISD（单指令流、单数据流）：（PC机）2.SIMD（单指令流、多数据流）：矩阵计算机3.MISD（多指令流、单数据流）：无4.MIMD（多指令流、多数据流）：分布式系统1.3硬件概念：多台计算机是如何联结在一起？CPU指令流个数数据流个数21存储器使用：共享式、私有式1.多处理器系统（multi-processor）2.多计算机系统（multi-computer）MIMD分类PPMPPPMPMM具有共享存储器的通常称为多处理机（multiprocessor）或多处理器；而不具有共享存储器的则称为多计算机(multicomputer)22连接方式：1.总线式2.交换式关联程度：1.紧耦合式：多用于并行系统2.松耦合式：多用于分布式系统MIMD分类23MIMD系统分类并行分布式计算机多处理机(共享存储器)多计算机(私有存储器)总线开关总线开关紧耦合松耦合sequent超级计算机LAN工作站超立方EncorRP3Transputer24（1）总线型多处理机解决总线过载：高速缓存（cache）：•命中率（hitrate）•缓存一致性（coherency）直写（Write-through）监听（Snoopy）控制线、数据线、地址线CPUCacheCPUCacheCPUCacheMemorySMP？25（2）交换型多处理机交叉开关线：n2个交叉开关点Omega开关网：2•2开关点，共n(log2n)/2个NUMA(NonUniformMemoryAccess)：分层存储CCCCMMMMCCCCMMMM(a)(b)交叉点开关2*2开关26（3）总线型多计算机•本地内存•局域网络（10M~1000M）•只用于CPU和CPU之间的通信LocalmemoryCPULocalmemoryCPULocalmemoryCPU工作站工作站工作站网络27网格（grid）：二维平面(n2个节点)。超立方（hypercube）：n维立方（2n个节点）（4）交换型多计算机网格超立方体28Intel单核CPU芯片29Intel多核结构Replicatemultipleprocessorcoresonasingledie.30多核处理器是一类特殊的多处理机所有处理器在同一个芯片上多核处理器是MIMD:不同的核执行不同的指令，操作内存的不同位置多核是一个共享内存的多处理机：所有核共享同一个内存312Processorsvs.2Cores2CoresTwocoresonsamedieconnecteddirectlyMultiplethreadsandprocessesautomaticallyprocessedinparallelOnlyasmallincreaseinpowerconsumption2Processors•Twoseparatechipsconnectedexternallybyasystembus•Requiresexplicitsoftwaresupport•Muchgreaterpowerconsumption32Inter-CoreBusInterfacePentiumDwith975XChipsetMemoryControllerHubI/OControllerHubDDR2MemoryPCIExpressx166PCI4SerialATAPorts6PCIExpressx1High-DefinitionAudio2PCIExpressx8orDMI(2GB/s)1066/800MHzFSBCore1L2Cache(forCore1)Core0L2Cache(forCore0)6USB2.0IntelMatrixStorageBIOSSupportIntelPro1000LAN331.1分布式系统概念1.2分布式系统的特点1.3硬件概念1.4软件概念1.5分布式系统设计问题主要内容34分类：紧耦合式、松耦合式1.4软件相关概念紧耦合松耦合软件硬件松耦合紧耦合分布式OS多处理机分时OS网络OS35软件相关概念AnoverviewofDOS(DistributedOperatingSystems)NOS(NetworkOperatingSystems)MiddlewareSystemDescriptionMainGoalDOSTightly-coupledoperatingsystemformulti-processorsandhomogeneousmulticomputersHideandmanagehardwareresourcesNOSLoosely-coupledoperatingsystemforheterogeneousmulticomputers(LANandWAN)OfferlocalservicestoremoteclientsMiddlewareAdditionallayeratopofNOSimplementinggeneral-purposeservicesProvidedistributiontransparency36网络操作系统（NOS）网络操作系统的一般结构37网络操作系统（NOS）远程登录–telnet–rlogin客户局域网文件服务器请求响应磁盘上存储有共享的文件系统38网络操作系统（NOS）网络文件NFS–mount–磁盘映射pacmanpacwomanpacchildmailnewsothergamesworkpacmanpacwomanpacchildmailnewsothergamespacmanpacwomanpacchildworkmailnewsother客户1客户1服务器1games服务器2work客户2客户2(a)(b)(c)39真正的分布式系统单一的、全局的进程间通信机制–协议、位置全局进程管理–创建、启动、挂起、撤销全局文件系统–文件名、目录、操作统一的系统调用接口40多处理机分时系统（MPOS）过程A在运行CacheCPU1过程B在运行CacheCPU2过程C在运行CacheCPU3D(就绪)E(就绪)C(运行)A(运行)B(运行)运行队列D,E操作系统磁盘Bus具有一个运行队列的多处理机系统41多处理机分时系统（MPOS）存在一个唯一的运行队列文件系统的结构不同特点：42多计算机操作系统多件算机操作系统的一般结构1.1443多计算机操作系统消息传递的阻塞和缓冲1.1544多计算机操作系统Relationbetweenblocking,buffering,andreliablecommunications.SynchronizationpointSendbufferReliablecomm.guaranteed?BlocksenderuntilbuffernotfullYesNotnecessaryBlocksenderuntilmessagesentNoNotnecessaryBlocksenderuntilmessagereceivedNoNecessaryBlocksenderuntilmessagedeliveredNoNecessary45分布式共享内存系统a)Pagesofaddressspacedistributedamongfourmachinesb)SituationafterCPU1referencespage10c)Situationifpage10isreadonlyandreplicationisused46分布式共享内存系统Falsesharingofapagebetweentwoindependentprocesses.47中间件分布式系统作为中间件的一般结构1-2248中间件和开放性Inanopenmiddleware-baseddistributedsystem,theprotocolsusedbyeachmiddlewarelayershouldbethesame,aswellastheinterfacestheyoffertoapplications.1.2349三种操作系统比较项目网络操作系统分布式操作系统多处理机操作系统中间件看起来象一个虚拟的单处理机系统?否是是所有的机器只运行相同的操作系统?否是是否有多少操作系统的拷贝?NN1N怎样通信?共享文件消息共享存储器模型特定需要共同一致的网络协议?是是否是是否只有一个运行队列?否否是否文件共享是否有良好的语义定义?通常没有是是通常有资源管理每个节点全局分布全局集中每个节点可扩性好一般差变化的开放性好一般差好501.1分布式系统概念1.2分布式系统的特点1.3硬件概念1.4软件概念1.5分布式系统设计问题主要内容51透明性（Transparency）（对用户、对程序）1.5分布式系统设计中的关键问题种类含义位置透明用户不知道资源位于何处迁移透明资源可以不改名地随意移动复制透明用户不知道有多少个拷贝存在并发透明多个用户可以自动的共享资源并行透明系统活动可以在用