Понятия сетевой и распределенной операционных систем

 

Операционные системы ММВС распределенного типа(то есть распределенных вычислительных систем – вычислительных сетей) обычно называют «сетевыми ОС». В вычислительных сетях есть узкоспециализированные правила, описывающие типы и фор­маты сообщений, которые могут посылаться в этих сетях, а также регламентирую­щие ответы на эти сообщения. Например, при некоторых обстоятельствах (скажем, перенос файла), когда сообщение посылается от источника адресату, адресат дол­жен послать в ответ подтверждение правильного приема сообщения. В другой си­туации подтверждения в ответ отправлять не требуется. Набор указанных правил, с помощью которых машины взаимодействуют в сети, назы­вается сетевым протоколом. Понятие протокола является фундаментальным понятием сетевых ОС, позволяющим определить и описать конкретные функции тех програмных частей операционных систем, которые отвечают за взаимодействие удаленных процессов.

Сетевые средства связи обычно строятся по многослойному (многоуровневому) прин­ципу. Каждый уровень такой многослойной иерархии может взаимодейство­вать непосредственно только со своими вертикальными соседями, ру­ководствуясь четко закрепленными соглашениями – вертикальными протоколами, которые принято называть интерфейсами.

Самым нижним уровнем в многослойных сетевых иерархиях является уровень, на котором реализуется реальная физическая связь между двумя узлами сети. Для обеспечения обмена физическими сигналами между двумя различными узлами сети необходимо, чтобы эти узлы поддерживали определенный протокол физического взаимодействия – горизонтальный протокол.

На самом верхнем уровне находятся пользовательские процессы, которые инициируют обмен данными. Количество и функции промежуточных уровней варьируются от одной системы к другой. Все одинаковые уровни, лежащие выше физического, виртуально обмениваются данными посредством горизонтальных протоколов. Наличие такой виртуальной связи означает, что уровень N машины 2 должен получить ту же самую информацию, которая была отправлена уровнем N машины 1. Хотя в реальности эта информация должна была сначала дойти сверху вниз до уровня 1 машины 1, затем передана уровню 1 машины 2 и только после этого доставлена снизу вверх уровню N этой машины.

Всю совокупность вертикальных и горизонтальных протоколов, достаточную для организации взаимодействия удаленных процессов в вычислительных сетях, принято называть семейством протоколов или стеком протоколов.

Сети, построенные на основе разных стеков протоколов, могут быть объединены между собой с использованием вычислительных устройств, осуществляющих трансляцию из одного стека протоколов в другой.

Наиболее совершенным и перспективным классом ОС являются так называемые распределенные операционные системы, которые сле­дует отличать от традиционных сетевых ОС. В сетевых операционных системах для того, чтобы задействовать ресурсы другой сетевой ВМ, пользователи должны знать о ее наличии и уметь это сделать. Каждая ВМ в сети работает под управлением своей локальной ОС, отличаю­щейся от ОС автономной ВМ наличием дополнительных сетевых средств (программной поддержкой сетевых интерфейсных устройств и механизмов доступа к удаленным ресурсам), но эти дополнения су­щественно не меняют структуру операционной системы.

Распределенная система, напротив, внешне выглядит как обычная автономная система. Пользователь не знает и не должен знать, где его файлы хранятся (на локальной или удаленной ВМ), и где его про­граммы выполняются. Он может вообще не знать, подключена ли его ВМ к сети. Сетевые же операционные системы не создают ощущения работы с единой системой, которое характерно для распределенных ОС. Однако при этом внутреннее строение распределенной операци­онной системы имеет существенные отличия от автономных систем.

В распределенных ОС к лежащей в основе системы вычислитель­ной сети должна быть добавлена некая общая модель, которая спо­собна превратить множество слабосвязанных ВМ в однородную «конструкцию», базирующуюся на единой концепции.

 

Варианты реализации распределенных

операционных сис­тем

 

Наиболее удачным (по современным меркам) способом, с помо­щью которого распределенная система может достичь определенного уровня однородности, несмотря на различие аппаратного обеспече­ния отдельных объектов сети, является установка специального уровня программного обеспечения поверх сетевой операционной сис­темы. Этот уровень, называемый промежуточным программным обеспечением (а также связующим или посредническим программ­ным обеспечением), предназначен для того, чтобы скрыть ге­терогенность и распределенную природу базового набора ВМ. Промежуточное программное обеспечение предоставляет опре­деленные структуры данных и операции, позволяющие процессам и пользователям на значительно удаленных машинах однородно взаи­модействовать друг с другом.

Один из типов такого программного обеспечения представляет собой промежуточное программное обеспечение, основанное на документах. Типичным представителем такого подхода является основная идея «Всемирной паутины» WWW (World Wide Web), которая заключается в том, что распределенная систе­ма должна выглядеть как гигантская коллекция документов, связанных гипер­ссылками.

Другой подход состоит в том, чтобы придать распределенной системе вид огромной всемирной файловой системы. Использование модели файловой системы для распределенной системы озна­чает, что имеется единая глобальная файловая система с пользователями по все­му миру, способными читать и писать файлы, к которым у них есть доступ. Для связи процессов используется файловый обмен. Один процесс записывает данные в файл, а другой процесс считывает их оттуда. В этом случае возможно использование одной из следующих моделей: модели закачивания-скачивания и модели удаленного доступа. В первой модели чтобы получить доступ к файлу, процесс сначала считывает его с удаленного сервера, на котором хранится этот файл. Если для файла разрешено только чтение, то файл читается локально для более высокой производительности. Если файл должен быть записан, он записывается также локально. Когда процесс заканчивает работу с файлом, обновленный файл отправляется обратно на сервер. В модели удаленного доступа файл остается на сервере, а клиент посылает серверу команды для выполнения работы на месте. Преимущество модели закачивания-скачивания заключается в ее простоте и том факте, что перенос файла целиком эффективнее, чем перенос его по частям. К недостаткам данной модели относится необходимость наличия достаточно боль­шого объема памяти для хранения файла целиком локально. К тому же перенос файла целиком, когда требуется только его часть, представляет собой излишние расходы. Наконец, при наличии нескольких конкурирующих пользователей воз­никает проблема непротиворечивости файлов. Примером рассмотренного подхода является файловая система AFS (Andrew File System – файловая система, названная в честь спонсоров проекта ее разработки).

В следующим подходе, связанном с использованием промежуточного программного обеспечения, предлагается называть все, что есть в системе, объектами. При этом объект – это набор переменных, объединенных вместе с набором процедур доступа к ним, на­зываемых методами. Процессам не разрешается получать доступ к переменным напрямую. Вместо этого они должны вызывать методы. Примером объектного промежуточного программного обеспечения является технология CORBA (Common Object Request Broker Architecture – архитектура распределенных объектных приложений). Технология CORBA представляет собой систему типа клиент-сервер, в которой клиентский процесс может осуществлять операции с объектами, расположенны­ми на серверах. Архитектура CORBA была разработана для неоднородной систе­мы, состоящей из разнообразных аппаратных платформ и операционных систем. Чтобы клиент на одной платформе мог вызвать сервер на другой платформе, между клиентом и сервером располага­ются специальные программные посредники.

Еще одним известным подходом является использование промежуточного программного обеспечения, которое называется координационным. Пример этого подхода – новая система связи и синхронизации Linda. В системе Linda независимые процессы общаются через абстрак­тное пространство так называемых кортежей. Это пространство является глобальным по отно­шению ко всей системе, и процессы на любой ВМ могут вставлять кортежи в пространство кортежей или удалять их из него, независимо от того, как и где они хранятся. Для пользователя пространство кортежей выглядит как большая глобальная общая память.

Другими примерами моделей, основанных на координации, являются модель «публикация-подписка» и система Jini.

Модель «публикация-подписка» состоит из нескольких процессов, соединенных широковещательной сетью. Каждый процесс может производить информацию, потреблять информацию, а также делать то и другое. Когда у производителя информации есть новая информация, он рассылает ее всем по сети в виде кортежа. Это действие называется публикацией. Каждый кортеж содержит иерархически структурированную строку темы публикации с полями, разделенными точками. Процессы, которых интересуют определенные темы, могут подписаться на них. Чтобы подписаться на какую-либо тему, нужно сообщить ее специальному демону кортежей, работающему на той же ВМ, что и процесс. Демон кортежей на каждой ВМ копирует все рассылаемые кортежи в оперативную память. Затем он просматривает строку темы сообще­ния, чтобы определить, какие из процессов заинтересованы в получении этой информации, пересылая каждому такому процессу копию полученного сообщения. Кортежи также могут рассылаться по глобальным сетям.

Система Jini состоит из большого количества самодостаточных Jini-устройств, каждое из которых предлагает другим устройствам одну услугу или несколько видов услуг. Jini-устройство может быть установлено в сеть и мгновенно начать предоставление услуг без сложных процедур установки. Отметим, что устройства устанавливаются не в ВМ, как в традиционном случае, а именно в сеть.
Jini-устройство может быть не только ВМ, но также принтером, сотовым телефоном или другим уст­ройством с центральным процессором, оперативной памятью и соединением с сетью (возможно, беспроводным). Система Jini представляет собой свободную федерацию Jini-устройств, которые могут входить в систему и выходить из системы по своему желанию, без централизованного управления. Когда Jini-yстройство хочет присоединиться к федерации, оно передает по ло­кальной сети с помощью широковещания пакет с вопросом о наличии в данном районе службы поиска. Для нахождения службы поиска используется специаль­ный протокол обнаружения (один из нескольких собственных протоколов системы Jini). В качестве альтернативы новое Jini-устройство может ждать, пока не придет одно из периодически рассылаемых объявлений службы поиска. Если служба поиска видит, что новое устройство хочет зарегистрироваться, она посылает в ответ программу, выполняющую регистрацию. За­тем новое устройство исполняет полученную программу, связывающуюся со служ­бой поиска и регистрирующуюся в ней на некий установленный интервал времени, Пока не истек данный интервал времени, устройство может перерегистрировать­ся, если оно того пожелает. Такая схема означает, что Jini-устройство может поки­нуть систему, просто выключившись, и о существовании этого устройства систе­ма вскоре забудет. Таким образом, не требуется ни специальной процедуры выхода из системы, ни централизованного управления. Концепция регистрации на опре­деленный срок называется получением аренды. Обратим внимание, что поскольку программа регистрации устройства загру­жается в устройство по сети, эта программа может изменяться по мере развития системы, для чего не потребуется изменений аппаратного и программного обеспе­чения в самом устройстве.

Более подробное изучение строения распределенных операционных систем выхо­дит за рамки данного учебного пособия.

В заключении отметим, что в литературных публикациях, посвященных операционным системам, наблюдаются разные подходы к терминологии, касающейся ОС многомашинных вычислительных систем. Иногда все операционные системы, обеспечивающие функционирование ММВС (и, в частности, вычислительных сетей), называют распределенными, а иногда, наоборот, сетевыми. Для того, чтобы подчеркнуть те отличия между сетевыми и распределенными операционными системами, которые были рассмотрены в данном разделе, часто применяют термин «истинно распределенные» ОС, значение которого совпадает с принятой в настоящем учебном пособии трактовкой понятия распределенных операционных систем.

Резюме

Эффективным способом повышения производительности и надежности вычислительной техники является объединение отдельных автономных ВМ в многомашинные вычислительные системы.

Различают два класса многомашинных вычислительных систем: ММВСсосредоточенного типа и ММВС распределенного типа (которые обычно называют распределенными вычислительными системами или вычислительными сетями).

Существенным отличием ММВС от автономных (одно- или многопроцессорных) ВМ является то, что каждая машина, входящая в состав ММВС, имеет свою собственную оперативную память. Вследствии такого архитектурного построения механизмы организации межпроцессной взаимосвязи в ММВС и в автономных ВМ принципиально различны. В автономных машинах базой для взаимодействия процессов служит общая разделяемая память. В ММВС при отсутствии какой бы то ни было разделяемой памяти основой межпроцессного взаимодействия служит обмен физическими пакетами данных (так называемыми сообщениями) посредством некоторой коммуникационной среды.

В наиболее простом варианте системные средства обеспечения связи могут быть сведены к двум основным системным вызовам (примитивам): один – для отправки сообщения, другой – для получения сообщения. Системные вызовы могут быть блокирующими (синхронными) или неблокирующими (асинхронными).

В более сложной форме передача сообщений скрыта от пользовате­ля под видом вызова удаленной процедуры RPC.Идея вызова удаленных процедур состоит в расширении механизма передачи управления и данных внутри программы, выполняющейся на одной ВМ, на передачу управления и данных через коммуникационные каналы, связывающие разные ВМ.

Операционные системы вычислительных сетей обычно называют сетевыми ОС. В вычислительных сетях есть узкоспециализированные правила, описывающие типы и фор­маты сообщений, которые могут посылаться в этих сетях, а также регламентирую­щие ответы на эти сообщения. Набор таких правил, с помощью которых машины взаимодействуют в сети, назы­вается протоколом. Понятие протокола является фундаментальным понятием сетевых ОС, позволяющим определить и описать конкретные функции тех програмных частей операционных систем, которые отвечают за взаимодействие удаленных процессов.

Сетевые средства связи обычно строятся по многослойному (многоуровневому) прин­ципу. Каждый уровень такой многослойной иерархии может взаимодейство­вать непосредственно только со своими вертикальными соседями, ру­ководствуясь вертикальными протоколами, которые принято называть интерфейсами.

Самым нижним уровнем в многослойных сетевых иерархиях является уровень, на котором реализуется реальная физическая связь между двумя узлами сети на основе горизонтального протокола физического взаимодействия. Все одинаковые уровни, лежащие выше физического, виртуально обмениваются данными посредством соответствующих горизонтальных протоколов.

Всю совокупность вертикальных и горизонтальных протоколов, достаточную для организации взаимодействия удаленных процессов в вычислительных сетях, принято называть семейством протоколов или стеком протоколов. Сети, построенные на основе разных стеков протоколов, могут быть объединены между собой с использованием вычислительных устройств, осуществляющих трансляцию из одного стека протоколов в другой.

Наиболее совершенным и перспективным классом ОС являются так называемые распределенные операционные системы. Распределенная система создает для пользователя полную иллюзию того, что он работает в обычной автономной системе.

В распределенных ОС к лежащей в основе системы вычислитель­ной сети должна быть добавлена некая общая модель, которая спо­собна превратить множество слабосвязанных ВМ в однородную «конструкцию», базирующуюся на единой концепции.

Одним из наиболее эффективных способов построения распределенных ОС является установка специального промежуточного уровня программного обеспечения поверх сетевой операционной сис­темы. Этот уровень предоставляет однородный уровень для взаимодействующих с ним приложений. Среди различных типов про­межуточного программного обеспечения следует выделить документное, файловое, объектное и координационное. Примерами промежуточного программного обеспече­ния служат такие системы, как WWW, AFS, CORBA, Linda, Jini.

 

Контрольные вопросы и задания

 

1. С какими целями ВМ объединяют в многомашинные вычислительные системы?

2. Охарактеризуйте особенности построения и отличия ММВС сосредоточенного и распределенного типов.

3. В чем важнейшее отличие ММВС от автономных (централизованных) ВМ?

4. Посредством чего в ММВС осуществляется межпроцессное взаимодействие?

5. Представьте основные системные вызовы для отправки и получения сообщений.

6. Чем отличаются блокирующие (синхронные) системные вызовы от неблокирующих (асинхронных)?

7. Какие проблемы возникают при организации программ с неблокирующи­ми примитивами и какие методы применяются для разрешения этих проблем?

8. В чем заключается основная идея так называемого вызова удаленных процедур?

9. Опишите механизмы реализации вызовов удаленных процедур.

10. Охарактеризуйте наиболее часто встречающиеся классы отказов механизма вызова удаленных процедур и способы реакции системы на них.

11. Дайте определение понятиям «сетевая операционная система» и «сетевой протокол».

12. По какому прин­ципу строятся сетевые средства связи?

13. Опишите основные функции вертикальных и горизонтальных протоколов.

14. Что понимается под стеком протоколов вычислительной сети?

15. В чем отличие распределенных операционных систем от традиционных сетевых ОС?

16. Охарактеризуйте наиболее эффективные способы реализации распределенных операционных сис­тем.

17. Приведите примеры практического построения разных типов про­межуточного программного обеспечения.

Общие концепции разработки

Операционных систем