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

主要内容 1.1 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

1.1 分布式系统概念 • What is a Distributed System? • “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

集中式系统

NOW(Network of Workstations) Sun ULTRA5 with 32GB disk １6 Units Sun ULTRA10 32GB disk One unit Eathernet Switch 100M

The Grid

分布式系统定义 1.1 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。

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 • 高性能微型计算机(PC)的普及 • 高速计算机网络（LAN、WAN）的普及

1.2 分布式系统的特点 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 ↑ Price2 NOPC vs. 大型机（mainframe）

优点 -- 与集中式系统相比较 2、性能：能产生单个大型主机不能达到的绝对性能 10,000 X 50MIPS  500,000MIPS（5千亿次）= 0.002ns/次=〉0.7mm

优点 -- 与集中式系统相比较 • 3、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 总结：

优点 --与独立PC机比较 • 1、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 • 3、P2P通信 • email • BBS • 4、灵活性 • 负载分配

优点 --与独立PC机比较 总结：

存在的问题

CPU 指令流个数数据流个数 1.3 硬件概念：多台计算机是如何联结在一起？ • Flynn分类： • （1972） • SISD（单指令流、单数据流）：（PC机） • SIMD （单指令流、多数据流）：矩阵计算机 • MISD （多指令流、单数据流）：无 • MIMD （多指令流、多数据流）：分布式系统 

P P P P P P M M M M MIMD分类 • 存储器使用：共享式、私有式 • 多处理器系统（multi-processor） • 多计算机系统（multi-computer）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)

MIMD分类 • 连接方式： • 总线式 • 交换式 • 关联程度： • 紧耦合式：多用于并行系统 • 松耦合式：多用于分布式系统

MIMD系统分类 sequent 超级计算机 LAN工作站超立方 Encor RP3 Transputer

（1）总线型多处理机 控制线、数据线、地址线 SMP？ • 解决总线过载：高速缓存（cache）： • 命中率（hit rate） • 缓存一致性（coherency） • 直写（Write-through） • 监听（ Snoopy）

（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(NonUniform Memory Access)：分层存储

（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

（4）交换型多计算机 网格（grid）：二维平面(n2个节点)。超立方（hypercube）：n维立方（2n个节点）

Intel 单核CPU芯片

Intel多核结构 • Replicate multiple processor cores on a single die.

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

2 Processors vs. 2 Cores 2 Cores • Two cores on same die connected directly • Multiple threads and processes automatically processed in parallel • Only a small increase in power consumption • 2 Processors • Two separate chips connected externally by a system bus • Requires explicit software support • Much greater power consumption

Pentium D with 975X Chipset Core 0 L2 Cache (for Core 0) Core 1 L2 Cache (for Core 1) 1066 / 800 MHz FSB Inter-Core Bus Interface DDR2 Memory Memory Controller Hub PCI Express x16 or 2 PCI Express x8 DMI (2 GB/s) I/O Controller Hub 6 USB 2.0 6 PCI High-Definition Audio 4 Serial ATA Ports 6 PCI Express x1 Intel Matrix Storage BIOS Support Intel Pro 1000 LAN

1.4 软件相关概念 • 分类： • 紧耦合式、松耦合式硬件松耦合紧耦合网络OS 分布式OS 多处理机分时OS 紧耦合松耦合软件

软件相关概念 • An overview of • DOS (Distributed Operating Systems) • NOS (Network Operating Systems) • Middleware

网络操作系统（NOS） • 网络操作系统的一般结构

网络操作系统（NOS） • 远程登录 • telnet • rlogin

网络操作系统（NOS） • 网络文件NFS • mount • 磁盘映射

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

多处理机分时系统（MPOS） 具有一个运行队列的多处理机系统

多处理机分时系统（MPOS） 特点： • 存在一个唯一的运行队列 • 文件系统的结构不同

多计算机操作系统 • 多件算机操作系统的一般结构 1.14

多计算机操作系统 • 消息传递的阻塞和缓冲 1.15

多计算机操作系统 • Relation between blocking, buffering, and reliable communications.

分布式共享内存系统 • Pages of address space distributed among four machines • Situation after CPU 1 references page 10 • Situation if page 10 is read only and replication is used

分布式共享内存系统 • False sharing of a page between two independent processes.

中间件 • 分布式系统作为中间件的一般结构 1-22

中间件和开放性 • In an open middleware-based distributed system, the protocols used by each middleware layer should be the same, as well as the interfaces they offer to applications. 1.23

三种操作系统比较

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