ВИДЫ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ РАБОТЫ С РСОИ

ВИДЫ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ РАБОТЫ С РСОИ

Операционные системы для распределенных компьютеров можно разделить на две категории — сильно связанные и слабо связанные системы. В сильно связанных системах операционная система в основном работает с одним, глобальным представлением ресурсов, которыми она управляет. Слабо связанные системы могут представляться набором операционных систем, каждая из которых работает на собственном компьютере. Однако эти операционные системы функционируют совместно, делая собственные службы доступными другим.

Сильно связанные операционные системы обычно называются распределенными операционными системами (Distributed Operating System, DOS) и используются для управления мультипроцессорными и гомогенными мультикомпьютерными системами. Как и у традиционных однопроцессорных операционных систем, основная цель распределенной операционной системы состоит в сокрытии тонкостей управления аппаратным обеспечением, которое одновременно используется множеством процессов. Слабо связанные сетевые операционные системы (Network Operating Systems) используются для управления гетерогенными мультикомпьютерными системами. Хотя управление аппаратным обеспечением и является основной задачей сетевых операционных систем, они отличаются от традиционных. Это отличие вытекает из того факта, что локальные службы должны быть доступными для удаленных клиентов.

Чтобы действительно составить распределенную систему, служб сетевой операционной системы недостаточно. Необходимо добавить к ним дополнительные компоненты, чтобы организовать

Чтобы действительно составить распределенную систему, служб сетевой операционной системы недостаточно. Необходимо добавить к ним дополнительные компоненты, чтобы организовать лучшую поддержку прозрачности распределения. Этими дополнительными компонентами будут средства, известные как системы промежуточного уровня (middleware), которые и лежат в основе современных распределенных систем. В табл. 3 представлены основные данные по распределенным и сетевым операционным системам, а также средствам промежуточного уровня.

Распределенные операционные системы

Существует два типа распределенных операционных систем. Мультипроцессорная операционная система (multiprocessor operating system) управляет ресурсами мультипроцессора. Мультикомпыотерпая операционная система (multicomputer operating system) предназначена для гомогенных мультикомпъютеров. Функциональность распределенных операционных систем в основном не отличается от функциональности традиционных операционных систем, предназначенных для компьютеров с одним процессором за исключением того, что она поддерживает функционирование нескольких процессоров.

1. Операционные системы для однопроцессорных компьютеров

Операционные системы традиционно строились для управления компьютерами с одним процессором. Основной задачей этих систем была организация легкого доступа пользователей и приложений к разделяемым устройствам, таким как процессор, память, диски и периферийные устройства. Говоря о разделении ресурсов, мы имеем в виду возможность использования одного и того же аппаратного обеспечения различными приложениями изолированно друг от друга. Для приложения это выглядит так, словно эти ресурсы находятся в его полном распоряжении, при этом в одной системе может выполняться одновременно несколько приложений, каждое со своим собственным набором ресурсов. В этом смысле говорят, что операционная система реализует виртуальную машину (virtual machine), предоставляя приложениям средства мультизадачности.

2. Мультипроцессорные операционные системы

Важным, но часто не слишком очевидным расширением однопроцессорных операционных систем является возможность поддержки нескольких процессоров, имеющих доступ к совместно используемой памяти. Концептуально это расширение несложно. Все структуры данных, необходимые операционной системе для поддержки аппаратуры, включая поддержку нескольких процессоров, размещаются в памяти. Основное различие заключается в том, что данные доступны нескольким процессорам и должны быть защищены от параллельного доступа для обеспечения целостности.

Однако многие операционные системы, особенно предназначенные для персональных компьютеров и рабочих станций, не могут легко поддерживать несколько процессоров. Основная причина такого поведения состоит в том, что они были разработаны как монолитные программы, которые могут выполняться только в одном потоке управления. Адаптация таких операционных систем под мультипроцессорные означает повторное проектирование и новую реализацию его ядра. Современные операционные системы изначально разрабатываются с учетом возможности работы в мультипроцессорных системах.

Многопроцессорные операционные системы нацелены на поддержание высокой производительности конфигураций с несколькими процессорами. Основная их задача — обеспечить прозрачность числа процессоров для приложения. Сделать это достаточно легко, поскольку сообщение между различными приложениями или их частями требует тех же примитивов, что и в многозадачных однопроцессорных операционных системах. Сообщение происходит путем работы с данными в специальной совместно используемой области данных, и все что нужно — это защитить данные от одновременного доступа к ним. Защита осуществляется посредством примитивов синхронизации. Два наиболее важных (и эквивалентных) примитива — это семафоры и мониторы.

Семафор (semaphore) может быть представлен в виде целого числа, поддерживающего две операции: up (увеличить) и down (уменьшить). При уменьшении сначала проверяется, превышает ли значение семафора 0. Если это так, его значение уменьшается и выполнение процесса продолжается. Если же значение семафора нулевое, вызывающий процесс блокируется. Оператор увеличения совершает противоположное действие. Сначала он проверяет все заблокированные в настоящее время процессы, которые были неспособны завершиться в ходе предыдущей операции уменьшения. Если таковые существуют, он разблокирует один из них и продолжает работу. В противном случае он просто увеличивает счетчик семафора. Разблокированный процесс выполняется до вызова операции уменьшения. Важным свойством операций с семафорами является то, что они атомарны (atomic), то есть в случае запуска операции уменьшения или увеличения до момента ее завершения (или до момента блокировки процесса) никакой другой процесс не может получить доступ к семафору.

Известно, что программирование с использованием семафоров для синхронизации процесса вызывает множество ошибок, кроме случаев простой защиты разделяемых данных. Основная проблема состоит в том, что наличие семафоров приводит к неструктурированному коду. Похожая ситуация возникает при частом использовании инструкции goto. В качестве альтернативы семафорам многие современные системы, поддерживающие параллельное программирование, предоставляют библиотеки для реализации мониторов.

Формально монитор (monitor) представляет собой конструкцию языка программирования, такую же, как объект в объектно-ориентированном программировании. Монитор может рассматриваться как модуль, содержащий переменные и процедуры. Доступ к переменным можно получить только путем вызова одной из процедур монитора. В этом смысле монитор очень похож на объект. Объект также имеет свои защищенные данные, доступ к которым можно получить только через методы, реализованные в этом объекте. Разница между мониторами и объектами состоит в том, что монитор разрешает выполнение процедуры только одному процессу в каждый момент времени. Другими словами, если процедура, содержащаяся в мониторе, выполняется процессом А (говорят, что А вошел в монитор) и процесс В также вызывает одну из процедур монитора, В будет блокирован до завершения выполнения А (то есть до тех пор, пока А не покинет монитор).

3. Мультикомпьютерные операционные системы

Мультикомпьютерные операционные системы обладают гораздо более разнообразной структурой и значительно сложнее, чем мультипроцессорные. Эта разница проистекает из того, что структуры данных, необходимые для управления системными ресурсами, не должны отвечать условию легкости совместно использования, поскольку их не нужно помещать в физически общую память. Единственно возможным видом связи является передача сообщении (message passing). Мультикомпьютерные операционные системы в основном организованы так, как показано на рис. 9.

Каждый узел имеет свое ядро, которое содержит модули для управления локальными ресурсами памятью, локальным процессором, локальными дисками

Кроме того, каждый узел имеет отдельный модуль для межпроцессорного воздействия, то есть посылки сообщений на другие узлы и приема сообщении от них.

Поверх каждого локального ядра лежит уровень программного обеспечения общего назначения, реализующий операционную систему в виде виртуальной машины, поддерживающей параллельную работу над различными задачами. Этот уровень может предоставлять абстракцию мультипроцессорной машины. Другими словами, он предоставляет полную программную реализацию совместно используемой памяти. Дополнительные средства, обычно реализуемые на этом уровне, предназначены, например, для назначения задач процессорам, маскировки сбоев аппаратуры, обеспечения прозрачности сохранения и общего обмена между процессами. Эти средства типичны для операционных систем

Множество аспектов проектирования мультикомпьютерных операционных систем одинаково важны для любой распределенной системы. Основная разница между мультикомпьютерными операционными системами и распределенными системами состоит в том, что в первом случае обычно подразумевается, что аппаратное обеспечение гомогенно и полностью управляемо. Множество распределенных систем, однако, строится на базе существующих операционных систем.

4. Системы с распределенной разделяемой памятью

Практика показывает, что программировать мультикомпьютерные системы значительно сложнее, чем мультипроцессорные. Разница объясняется тем, что связь посредством процессов, имеющих доступ к совместно используемой памяти, и простых примитивов синхронизации, таких как семафоры и мониторы, значительно проще, чем работа с одним только механизмом обмена сообщениями. Такие вопросы, как буферизация, блокировка и надежность связи, только усложняют положение.

По этой причине проводились исследования по вопросу эмуляции совместно используемой памяти на мультикомпьютерных системах. Их целью было создание виртуальных машин с разделяемой памятью, работающих на мультикомпьютерных системах, для которых можно было бы писать приложения, рассчитанные на модель совместно используемой памяти, даже если физически она отсутствует. Главную роль в этом играет мультикомпьютерная операционная система.

Один из распространенных подходов — задействовать виртуальную память каждого отдельного узла для поддержки общего виртуального адресного пространства. Это приводит нас к распределенной разделяемой памяти (Distributed Shared Метол/, DSM) со страничной организацией.

Сетевые операционные системы

В противоположность распределенным операционным системам сетевые операционные системы не нуждаются в том, чтобы аппаратное обеспечение, на котором они функционируют, было гомогенно и управлялось как единая система. Обычно они строятся для набора однопроцессорных систем, каждая из которых имеет собственную операционную систему, как показано на рис. 13. Машины и их операционные системы могут быть разными, но все они соединены в сеть. Кроме того, сетевая операционная система позволяет пользователям использовать службы, расположенные на конкретной машине. Возможно, будет проще описать сетевую операционную систему, кратко рассмотрев службы, которые она обычно предоставляет.

Служба, обычно предоставляемая сетевыми операционными системами, должна обеспечивать удаленное соединение пользователя с другой машиной путем применения команды.

В результате выполнения этой команды происходит переключение рабочей станции пользователя в режим удаленного терминала, подключенного к удаленной машине. Это означает, что пользователь сидит у графической рабочей станции, набирая команды на клавиатуре. Команды передаются на удаленную машину, результаты с удаленной машины отображаются в окне на экране пользователя.

Для того чтобы переключиться на другую удаленную машину, необходимо открыть новое окно и воспользоваться командой rlogin для соединения с другой машиной. Выбор удаленной машины производится вручную.

Сетевые операционные системы также имеют в своем составе команду удаленного копирования для копирования файлов с одной машины на другую. При этом перемещение файлом задастся в явном виде, и пользователю необходимо точно знать, где находятся файлы и как выполняются команды.

Такая форма связи примитивна. Это заставило проектировщиков систем искать более удобные варианты связи и совместного использования информации. Один из подходов предполагает создание глобальной общей файловой системы, доступной со всех рабочих станций. Файловая система поддерживается одной или несколькими машинами, которые называются