Giáo trình hệ điều hành phân tán

Giáo trình hệ điều hành phân tán Biên tập bởi: Hà Quang Thụy Giáo trình hệ điều hành phân tán Biên tập bởi: Hà Quang Thụy Các tác giả: Hà Quang Thụy Phiên trực tuyến: http://voer.edu.vn/c/2e32f7cb MỤC LỤC Sự tiến hoá hệ điều hành đại Tổng quan hệ điều hành truyền thống Cấu trúc hệ điều hành truyền thống Sơ lược hệ điều hành mạng Sơ lược hệ điều hành phân tán hệ tự trị cộng tác Khái niệm kiến trúc hệ phân tán Tính suốt hệ phân tán dịch vụ Mơ hình kiến trúc hệ điều hành phân tán Các giao thức mạng truyền thông 10 Kết thiết kế chủ yếu 11 Mơi trường tính tốn phân tán 12 Khái niệm q trình luồng 13 Mơ hình đồ thị thể trình dịch vụ thời gian 14 Cơ cấu ngôn ngữ cho đồng 15 Lập trình phân tán lập trình mạng 16 Truyền thơng CTĐ 17 Mơ hình đối tượng phục vụ tài nguyên ngôn ngữ lập trình đồng thời 18 Truyền thơng hỏi-đáp 19 Truyền thơng giao dịch 20 Dịch vụ tên thư mục 21 Loại trừ ràng buộc phân tán 22 Bầu thủ lĩnh 23 Mơ hình hiệu hệ thống 24 Lập lịch trình tĩnh 25 Chia sẻ cân động 26 Thi hành trình phân tán 27 Lập lịch thời gian thực 28 Đặc trưng DFS 29 Thiết kế thi hành DFS 30 Điều khiển đồng giao dịch 31 Nhân liệu file Tham gia đóng góp 1/249 Sự tiến hố hệ điều hành đại Khái niệm hệ điều hành Hệ điều hành (Operating System - OS, viết tắt tiếng Việt HĐH) hệ thống chương trình (và liệu - tham số hệ thống) cài đặt sẵn (dưới dạng file đĩa từ - băng từ) thực hai chức bản: - Chức hệ thống quản trị tài nguyên: Quản trị, phân phối công việc cho hệ thống thiết bị để hệ thống thiết bị hoạt động hiệu nhất, - Chức máy tính mở rộng (máy tính ảo): Phục vụ nhu cầu đa dạng người dùng cách tốt Theo cách nói cụ thể hơn, HĐH môđun phần mềm hệ thống đóng vai trị giao diện chương trình ứng dụng với phần cứng hệ thống, với mục tiêu đạt tới hệ thống máy tính hiệu quả, tin cậy dễ sử dụng Một cách đại thể, tồn chức riêng biệt HĐH lập lịch làm việc xử lý (hoặc xử lý), phối hợp thực trình (QT: process) tương tác nhau, quản lý tài nguyên hệ thống (chẳng hạn thiết bị vào/ra, nhớ trong, File ) nhằm nâng cao lực điều khiển bảo vệ, trì tính tồn vẹn hệ thống, thi hành khôi phục lỗi cung cấp giao diện người dùng HĐH thường cấu trúc hai yêu cầu thành hai lớp: dịch vụ hệ thống nhân HĐH Dịch vụ hệ thống chức mức cao chương trình ứng dụng nhận biết nhân (thường trực nhớ trong) đảm bảo chức mang tính phụ thuộc vào kiến trúc hạ tầng.Hình 1.1 mơ tả khung nhìn đơn giản hệ thống máy tính theo cấu trúc lớp Vị trí dịch vụ hệ thống hình cho thấy vai trị quan trọng lớp Cấu trúc lớp hệ thống máy tính 2/249 * Với ý nghĩa đóng vai trị máy tính ảo, theo cách nhìn người dùng (từ lớp chương trình ứng dụng), HĐH trừu tượng hóa hệ thống máy tính trình diễn dịch vụ hệ thống: HĐH dẫn máy mở rộng (máy tính ảo) Mục đích lớp dịch vụ hệ thống nhằm che đậy chi tiết hệ thống (phần cứng phần mềm) người dùng * Theo cách nhìn người quản trị hệ thống, dịch vụ hệ thống nhân coi người quản lý tài nguyên Quản lý hệ thống tài nguyên (CPU, nhớ, hệ thống vào ra, file) khơng kiểm sốt tình trạng tài nguyên mà nhằm khai thác hiệu Một số tốn điển điều khiển nhớ, lập lịch QT, điều khiển liên QT, điều khiển file, điều khiển vào Máy tính mở rộng quản lý tài nguyên hai thuật ngữ chung dùng để xác định HĐH Máy tính mở rộng (trừu tượng máy) mục tiêu thiết kế nguyên thủy HĐH quản lý tài nguyên giải nghĩa cho việc thực mục tiêu Thiết kế HĐH truyền thống thường yếu tố quan trọng quản lý tài nguyên, thiết kế HĐH đại lại tập trung nhiều vào yếu tố trừu tượng máy Và lẽ tất nhiên yếu tố quan trọng lại phụ thuộc vào quan tâm từ phía người dùng Sơ tién hóa hệ điều hành Trong máy tính thuộc hệ khơng có HĐH Các thao tác chọn công việc, phân công công việc thao tác viên (và chí người lập trình) thực Theo thời gian, lực máy tính nâng cao: tốc độ xử lý CPU, dung lượng nhớ, hệ thống thiết bị ngoại vi, phần mềm hệ thống số lượng lực người sử dụng tăng trưởng cần có hệ thống chương trình điều khiển tự động hệ thống máy tính Những yếu tố thực tế làm nảy sinh điều kiện cần thiết cho việc xuất HĐH đơn giản Lịch sử tiến hóa HĐH trình diễn q trình chuyển hóa bước việc thiết kế, từ nhấn mạnh chức quản trị tài nguyên sang nhấn mạnh chức máy tính mở rộng Theo mơ hình hình 1.1 điều thể việc chuyển hóa từ nhấn mạnh nhân sang nhấn mạnh dịch vụ hệ thống Theo lịch sử tiến hóa, HĐH đại phân thành hệ: HĐH truyền thống (tập trung), hệ điều mạng, HĐH phân tán hệ tự trị cộng tác Thế hệ gần (hệ tự trị cộng tác) trọng thiết kế ứng dụng phân tán môi trường hệ thống mở (bao gồm thành phần hệ thống hỗn tạp tích hợp mềm dẻo có tính khả chuyển nhằm hỗ trợ việc cộng tác thực theo quy mô lớn mức ứng dụng).Dưới mô tả sơ cách thức phân biệt HĐH theo (1) độ kết dính phần cứng-phần mềm (2) tổ hợp mục tiêu-đặc trưng 3/249 Phân bố hệ điều hành theo độ kết dính * Độ kết dính phần cứng-phần mềm cho biết hệ thống "tập trung đến mức độ nào", đo tổ hợp kết dính phần cứng kết dính phần mềm Theo đó, phân bố hệ HĐH xếp hình 1.2 Tỷ số tổng phí truyền thơng liên xử lý so với thời gian truyền thông nột xử lý thấp kết dính phần cứng chặt Kết dính phần mềm chặt phần mềm điều khiển tập trung sử dụng thông tin tồn cục - HĐH tập trung kết dính phần cứng - phần mềm chặt - HĐH phân tán (DOS): phần mềm kết dính chặt phần cứng kết dính lỏng, - HĐH mạng (NOS): phần mềm lẫn phần cứng kết dính lỏng, - Hệ tự trị cộng tác (CAS) làm giảm kết dính chặt phần mềm (cách nhìn lơgic tập trung DOS) CAS nằm NOS DOS *Phân biệt HĐH theo tổ hợp mục tiêu-đặc trưng Bảng 1.1 trình bày phân biệt hệ HĐH theo tổ hợp mục tiêu-đặc trưng Thế Hệ Đặc trưng hệ thống Mục tiêu HĐH Quản trị trìnhQuản trị tập nhớQuản trị vào-raQuản trị file trung Quản trị tài nguyênMáy tính mở rộng (ảo) HĐH Truy nhập từ xaTrao đổi thông mạng tinDuyệt mạng Chia xẻ tài nguyên(liên thao tác) HĐH Khung cảnh tồn cục của: Hệ phân thống file,Khơng gian tên,Thời tán gian, an tồn,Năng lực tính tốn Cách nhìn máy tính hệ thống phức hợp máy tính (tính suốt) 4/249 Hệ tự trị Các ứng dụng phân tán mở cộng cộng tác tác Làm việc cộng tác (tự trị) Mục tiêu nguyên thủy HĐH máy tính ảo (virtual computer) Ba mục tiêu bổ sung liên thao tác, suốt tự trị nội dung nghiên cứu, phát triển - Mục tiêu liên thao tác hướng tới lực tạo điều kiện thuận tiện cho việc trao đổi thông tin thành phần hỗn tạp hệ thống Đây mục tiêu gợi mở nguyên thuỷ dẫn tới việc thiết kế HĐH mạng môi trường hỗn tạp - Khái niệm suốt (transparency) khái niệm ảo tương tự chỗ cung cấp tính trừu tượng cao cho hệ thống Điều khác biệt hai khái niệm theo tính ảo, người dùng nhìn thấy họ muốn, tính suốt đảm bảo người dùng khơng nhìn thấy họ không muốn ảo mục tiêu quan trọng HĐH tập trung suốt mục tiêu quan trọng DOS Khái niệm suốt cho phép mô tả DOS hệ thống cung cấp khung cảnh lôgic hệ thống cho người dùng, độc lập với hạ tầng vật lý Người dùng có cách nhìn máy tính đơn cho hệ thống máy tính phức hợp: tồn hạ tầng mạng hoạt động hệ thống suốt với người dùng Từ "trong suốt" hiểu theo nghĩa 'thuần khiết" môi trường - Trong suốt mục tiêu cao Hơn nữa, khơng bắt buộc phải ln cố đạt tới tính suốt bao gói độ tập trung Điều chắn phù hợp với người dùng họ thích có nhìn riêng hệ thống Người dùng cần mơi trường mở khơng địi hỏi thiết tính suốt mà cần hệ thống cung cấp tính mở để người dùng biến đổi, chuyển, di trú, mở rộng phần mềm ứng dụng họ cách độc lập hỗn tạp hệ thống Lý là, lẽ tự nhiên, người dùng biết tồn tài nguyên phức diện người dùng khác, người dùng trở thành cộng tác hoàn toàn với hệ thống Từ đó, hệ thống phần mềm xây dựng nhờ việc tích hợp dịch vụ cộng tác, cung cấp từ đơn vị tự trị Kiểu hoạt động hệ tự trị cộng tác giống xã hội loài người Hiện số hệ thống phần mềm lớp (middleware) xây dựng phiên (version) ban đầu hệ tự trị cộng tác Liên thao tác, suốt, tự trị tính chất đáng mong muốn Người dùng (thường không cần thiết) biết HĐH có phải mạng, DOS, CAS hay không Hầu hết HĐH đại hệ thống tích hợp Nó việc tiến hóa từ HĐH tập trung tới HĐH mạng, HĐH phân tán sau hệ tự trị cộng tác, 5/249 người dùng tiếp xúc với việc xây dựng ứng dụng cộng tác lớn dựa khối cấu trúc hoàn hảo 6/249 Tổng quan hệ điều hành truyền thống Như biết, HĐH truyền thống (cũn gọi HĐH tập trung với đơn/đa xử lý) chạy trờn mỏy tớnh hệ HĐH đầu tiên, với độ kết dính chặt chẽ phần mềm phần cứng tài nguyên chia xẻ cách nội truyền thông liên xử lý/liên QT thực qua chia xẻ nhớ ngắt QT trực tiếp Trong HĐH tập trung, hệ thống máy tính tập trung: CPU (một nhiều) nhớ thỏa số tớnh chất nguyờn thủy chỳng (vớ dụ, tốc độ truy nhập CPU tới địa nhớ đồng ) Coi có "một CPU" "một nhớ trong" không quan tâm đến khác biệt thời gian truyền thông CPU hay phận nhớ Trong HĐH truyền thống, chức hệ quản trị tài nguyên nhấn mạnh việc thiết kế chúng định hướng vào khai thác hiệu tài nguyên phần cứng hệ thống Các toán điều khiển CPU (lập lịch), điều khiển nhớ trong, điều khiển liệu đặc biệt ý HĐH truyền thống tiến hóa từ chương trỡnh đơn giản (cung cấp giao diện người dùng điều khiển vào - ra) tới hệ đa người dùng/đa tốn hồn hảo với u cầu quản trị phức tạp QT, nhớ, file thiết bị Sự tiến hóa thể bảng 1.2 mà chức quản lý đặt nhằm đáp ứng yêu cầu bổ sung Bảng 1.2 Chức hệ điều hành tập trung Thế Hệ Đặc trưng hệ thống Mục tiêu HĐH Quản trị trìnhQuản trị tập nhớQuản trị vào-raQuản trị file trung Quản trị tài nguyênMáy tính mở rộng (ảo) HĐH Truy nhập từ xaTrao đổi thông mạng tinDuyệt mạng Chia xẻ tài nguyên(liên thao tác) HĐH Khung cảnh tồn cục của: Hệ phân thống file,Khơng gian tên,Thời tán gian, an tồn,Năng lực tính tốn Cách nhìn máy tính hệ thống phức hợp máy tính (tính suốt) Hệ tự trị Các ứng dụng phân tán mở cộng cộng tác tác Làm việc cộng tác (tự trị) Có lưu ý nhỏ chớnh khỏi niệm hệ điều hành thời kỳ đánh dấu phát triển mạnh HĐH truyền thống (vào khoảng năm 1980) Trong nhiều tài liệu, đặc 7/249 biệt tài liệu thiết kế HĐH, "hệ điều hành" hiểu theo nội dung trỡnh bày trờn Nhưng khơng tài liệu khác, "hệ điều hành" hiểu chương trỡnh hệ thống (xem hỡnh 1.3) cung cấp cho người sử dụng ngồi thành tố núi - tương ứng với thành phần điều kiển, HĐH cũn cú thành phần ứng dụng thành phần tiện ớch Lý việc mở rộng nội dung khái niệm HĐH liên quan đến sản phẩm kết cung cấp cho người sử dụng "bộ phần mềm hệ điều hành" Tuy nhiên, trỡnh bày chất HĐH, cách quan niệm quán với cách quan niệm núi nội dung giỏo trỡnh quỏn theo cỏch quan niệm Một cách nhân khác kiến trúc mức hệ thống máy tính Tiếp theo mục đây, mơ tả sơ lược trỡnh tiến húa HĐH truyền thống Tiến hóa hệ điều hành truyền thống Hệ điều hành đơn chương trình HĐH đơn chương trỡnh (HĐH dóy: serial OS) xuất đầu tiên: chương trỡnh người dùng xếp hàng để đưa vào nhớ chạy (thực hiện) Một chương trỡnh sau nạp từ dũng xếp hàng vào nhớ hệ thống (cùng toàn tài nguyên) phục vụ từ chương trỡnh bắt đầu chạy lúc chương trỡnh kết thỳc Một chương trỡnh nạp vào nhớ thực với nhiều liệu Chỉ chương trỡnh kết thỳc thỡ nạp tiếp chương trỡnh khỏc dũng đợi vào nhớ Trong hệ thống đơn chương trỡnh thực chất khụng cần giải toỏn điều khiển CPU (lập lich) vỡ CPU dành riêng cho chương trỡnh Tuy nhiên, việc nạp chương trỡnh liệu vào nhớ làm việc lại liờn quan đến thiết bị vào-ra đa dạng mà giai đoạn ban đầu phổ biến vào bỡa đục lỗ (thiết 8/249 Mỗi xung đột biểu lộ, giao thức khoá pha chuẩn hay tem thời gian dùng để thực dãy Để đảm bảo Khách đọc gần toàn liệu số hiệu phiên liên quan tới liệu nhân Thao tác đọc tới R(d), giá rị với số hiệu cao cho Thao tác ghi với W(d) thêm với số hiệu cao tìm thấy số hiệu với lần đọc ghi Hầu hết ứng dụng R(d) chọn nhỏ W(d) Trong trường hợp đặc biệt R(d)=1 W(d) =Vd) Nếu W(d)