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课程目标

1、了解高级系统相关内容（主要包括网络OS与分布式系统的概念、特点、应用额体系结构与软硬件组成等）；

2、掌握单机操作系统设计实现原理（特别是常见的操作系统习题、试题的了理解和解答方法）。

1 Distributed Systems

1.1 Definition

一个分布式系统是：独立计算机的集合，对用户而言，它们看起来像是一个统一的系统。

  • 尚不存在一致性的定义，普遍接受的定义是：
  • 分布式系统是若干***立计算机的一种联合体，对用户而言，这个联合体就是一台单独的计算机。
  • 在这个定义中，前半句说明是对计算机硬件的要求，后半句是对计算机软件的要求，这两项都是对分布式系统的基本的要求。

另一个角度：

  • 分布式系统是这样一个系统，它运行在不具有共享内存的多台计算机上，但在用户眼里它却像是一台计算机。
  • 实质思想：用户不必去关心系统中的多台计算机的存在。
  • 尽管目前不存在完全满足该条件的系统，但已经有一些原型出现。 
Machine A               Machine B             Machine C
----------              ----------            ----------
|        |              |        |            |        |
|       Distributed  Application     分布式应用程序       |
|        |              |        |            |        |
|       Middleware  Service             中间件服务       |
|        |              |        |            |        |
|Local OS|              |Local OS|            |Local OS|
----------              ----------            ----------
    |                       |                     |
-----------------------------------------------------------Network

中间件是介于应用系统和系统软件之间的一类软件，它使用系统软件所提供的基础服务（功能），衔接网络上应用系统的各个部分或不同的应用，能够达到资源共享、功能共享的目的。

组织为中间件的分布式系统。
请注意，中间件层覆盖了多台计算机。

1.2 分布式系统的特点

1.2.1 资源共享 Resource Sharing

  • 硬件资源共享：专用设备共享 =》 处理资源共享 =》 负载共享与负载均衡
  • 信息资源共享：如：电子商务应用共享同一数据对象，协同工作组共享同一数据空间
  • 软件资源共享：软件开发组共享同一开发工具，同一类应用任务调用同一处理软件
  • 资源异构、分布 =》 资源命名方案、分布资源管理模型、策略与机制是要解决的重点
  • 互联网络环境 =》 计算机资源共享和多媒体信息资源共享成为研究和开发的热点

1.2.2 透明性 Transparency

  • 透明性的基本概念和内容

机器边界、网络细节和系统状态对用户和应用程序员呈不可见性。多计算机环境 =》 单机环境。例如用户不必知道数据存在何处，进程在何处运行。

  • 优点

软件易于研制；资源变动，软件影响小；

易于实现资源冗余；有利于资源操作移动

  • 实现难点

大多数分布计算机系统固有的异构性增加了透明性实现的难度。

硬件异构性：指令系统不同、数据表示不同。系统配置不同

软件异构性：操作系统不同、网络协议不同

局部自治性限制全局透明性

Transparency Description
Access 访问 隐藏数据表示形式和资源访问方式的差异
Location 隐藏资源所在的位置
Migration 转移 隐藏资源可能会移动到另一个位置
Relocation 重定位 隐藏资源在使用中可能会移动到另一个位置
Replication 复写 隐瞒资源可以通过多个副本进行部署和分发
Concurrency 隐瞒资源可能会由几个竞争用户共享
Failure 隐藏资源的故障和恢复
Persistence 隐藏（软件）资源是在内存中还是在磁盘上

分布式系统透明性的不同形式。

1.3 开放性 Openess

  • 是指系统以各种方式进行扩展的能力。核心是要求不同厂家的系统（软硬件）具有互操作性（Interoperability）和可移植性（Portability）

互操作性：不同厂家的系统可有效地相互交换信息

可移植性：在较大范围的平台上运行同一软件的功能

UNIX是一个优秀的开放式软件系统：开放式结构、源代码可用、硬件无关性；TCP/IP协议是另一个开放式系统的例子

  • 标准化是实现开放性的基本保证

标准是已被广泛接受的一种特定实现方法或功能集（接口）。

开房放概念是一种思想、设计观点、系统特征。因此，标准并不意味着是最好的、并不总是绝对需要的（尤其是在早期）、不是一成不变的。

国际标准化组织ISO。

1.4 延展性 Scalability

延展性的制约：

Concept Example
Centralized services 集中服务 一台适用于所有用户的服务器
Centralized data 集中数据 一本在线电话簿
Centralized algorithms 集中式算法 根据完整信息进行路由

Scaling Techniques

1.5 容错性 Fault Tolerance

基本概念 系统部分失效是能继续发挥作用的能力。如某个网络节点故障而不影响网络系统正常行为。

分布计算系统的资源多重性为实现容错创造条件：硬件资源冗余、数据多副本、动态切换。

系统容错是提高系统可靠性的重要途径。可靠性描述了系统成功运行的寿命特性。

容错性是分布计算应用的强烈需求：国防应用系统，电子商务应用的电子支付系统。