История развития распределенных операционных систем

Метакомпьютинг — одно из направлений развития сети Интернет, ставящее перед собой задачу стирания барьеров между разнородными, пространственно распределенными вычислительными системами, образовав сверхкомпьютер или метакомпьютер, который для пользователей и программистов выступал бы как единая вычислительная среда, доступная непосредственно с рабочего места (ПК или рабочей станции).

Идея объединения ресурсов отдельных компьютеров появилась еще в 60-е годы. В статье «Что такое грид? Три критерия» Ян Фостер приводит высказывание Лена Клейнрока, датируемое 1969 годом: «Вероятно, мы скоро увидим распространение „компьютерных коммунальных услуг“, которые, подобно электричеству и телефону придут в дома и офисы по всей стране.» Именно 60-е годы характеризуются бурным развитием интерактивных многотерминальных систем разделения времени. В таких системах компьютер отдавался в распоряжение нескольким пользователям. Каждый пользователь получал собственный терминал, с помощью которого мог вести диалог с компьютером. И хотя вычислительная мощность оставалась полностью централизованной, функции ввода-вывода стали распределенными. Такие системы стали первым шагом на пути к созданию локальных сетей. Первые локальные сети начали появляться только в 70-е годы. Это было связано с технологическим прорывом в области создания компьютеров, появлением больших интегральных схем. Середина 80-х годов характеризуется появлением стандартных технологий объединения компьютеров в сеть, таких как Ethernet, Arcnet, Token Ring, Token Bus, несколько позже FDDI. Мощным стимулом для их появления послужили персональные компьютеры. Эти массовые продукты явились идеальными элементами для построения сетей — с одной стороны, они были достаточно мощными, а с другой — явно нуждались в объединении своей вычислительной мощности для решения сложных задач. Таким образом, на рубеже 90-х годов были созданы все условия для начала работ над программным обеспечением, призванным объединить вычислительные ресурсы: массовый выпуск персональных компьютеров и развитая высокоскоростная сетевая инфраструктура. Термин «метакомпьютинг» возник в начале 90-х годов. Со временем это понятие эволюционировало. В те времена метакомпьютинг означал объединение нескольких разнородных вычислительных ресурсов в локальной сети организации для решения одной задачи. Основная цель построения метакомпьютера заключалась в оптимальном распределении частей работы по вычислительным системам различной архитектуры и мощности. Например, предварительная обработка данных могла производиться на пользовательской рабочей станции, основное моделирование — на векторно-конвейерном суперкомпьютере, а визуализация результатов — на специальной графической станции. В дальнейшем исследования в области метакомпьютинга развивались путем перехода от локальных вычислительных сред к глобальным средам. Компьютерные глобальные сети к средине 90-х годов, работающие на основе скоростных цифровых каналов (таких, как оптоволокно), существенно расширили набор своих услуг и догнали в этом отношении локальные сети. Стало возможным создание служб, работа которых связана с доставкой пользователю больших объемов информации в реальном масштабе времени. Для глобальных сред стала актуальной задача однородного доступа к вычислительным ресурсам.

Метакомпьютерные системы можно характеризовать следующим:

• 1. Объединяют большое количество компьютеров с разной архитектурой и разной мощностью посредством локальной или глобальной среды.
• 2. Предоставляют прозрачный однородный доступ к метакомпьютерам.
• 3. Имеют динамическую конфигурацию: вычислительные системы могут как подключаться, так и отключаться от системы, не нарушая функциональности всей системы.
• 4. Вычислительные узлы практически не взаимодействуют друг с другом.

Распределенная операционная среда — новый класс программного обеспечения, требующийся для воплощения идеи метакомпьютинга.

Грид — распределенная среда, и ее функционирование обеспечивается специальной формой программного обеспечения (ПО) — сервисами. Сервисы обладают сетевым интерфейсом, благодаря чему становится возможным удаленное обслуживание клиентов. В отличие от модели «клиент-сервер» в Грид тот или иной набор сервисов устанавливается на каждом ресурсе, хотя традиционное серверное обслуживание также не исключается.

Архитектура и типы распределенных систем.

Архитектура распределенной системы: каждый компьютер является автономным модулем, состоящим из ЦП, памяти и периферийных устройств. Соответствие модели не нарушается даже несмотря на то, что компьютер не располагает локальной файловой системой: он должен иметь периферийные устройства для связи с другими машинами, а все принадлежащие ему файлы могут располагаться и на ином компьютере. Физическая память, доступная каждой машине, не зависит от процессов, выполняемых на других машинах. Этой особенностью распределенные системы отличаются от сильносвязанных многопроцессорных систем. Соответственно, и ядро системы на каждой машине функционирует независимо от внешних условий эксплуатации распределенной среды.

Существует два типа распределенных операционных систем. Мультипроцессорная операционная система (multiprocessor operating system) управляет ресурсами мультипроцессора. Мультикомпьютерная операционная система (multicomputeroperating system) разрабатывается для гомогенных мультикомпьютеров.

Существует большое сходство между мультимашинной организацией и архитектурой слабо связанных мультипроцессоров; в обоих структурах процессоры связаны через канал связи, а не через общую память. Различия заключаются в следующем: 1) в случае распределенных систем (мультимашинная архитектура) связь между процессорами осуществляется относительно медленно (сеть), а системы независимы; 2) в случае параллельных систем (мультипроцессорная архитектура) связь осуществляется быстро (шина), а системы относительно сильно связаны между собой.

Распределенные операционные системы, такие как Mach и Chorus могут применяться и при мультимашинной, и при мультипроцессорной организации.

Распределенные системы традиционно делятся на следующие категории:

• 1) периферийные системы, представляющие собой группы машин, отличающихся ярковыраженной общностью и связанных с одной (обычно более крупной) машиной. Периферийные процессоры делят свою нагрузку с центральным процессором и переадресовывают ему все обращения к операционной системе. Цель периферийной системы состоит в увеличении общей производительности сети и в предоставлении возможности выделения процессора одному процессу в операционной среде UNIX. Система запускается как отдельный модуль; в отличие от других моделей распределенных систем, периферийные системы не обладают реальной автономией, за исключением случаев, связанных с диспетчеризацией процессов и распределением локальной памяти.
• 2) распределенные системы типа «Newcastle» , позволяющие осуществлять дистанционную связь по именам удаленных файлов в библиотеке. Удаленные файлы имеют спецификацию (составное имя), которая в указании пути поиска содержит специальные символы или дополнительную компоненту имени, предшествующую корню файловой системы. Реализация этого метода не предполагает внесения изменений в ядро системы, вследствие этого он более прост, чем другие методы, рассматриваемые в этой главе, но менее гибок.
• 3) абсолютно «прозрачные» распределенные системы, в которых для обращения к файлам, расположенным на других машинах, достаточно указания их стандартных составных имен; распознавание этих файлов как удаленных входит в обязанности ядра. Маршруты поиска файлов, указанные в их составных именах, пересекают машинные границы в точках монтирования, сколько бы таких точек ни было сформировано при монтировании файловых систем на дисках.

Распределенная операционная система.

Распределенная операционная система существует как единая oперационная система в масштабах вычислительной системы. Каждый компьютер сети, работающей пoд управлением распределенной ОС, выполняет часть функций этой глобальной ОС. Распределенная ОС объединяет все компьютеры сети в том смысле, что они работают в тесной кoоперации друг с другом для эффективного использования всех ресурсов компьютерной сети. Распределенная ОС, динамически и автоматически распределяя работы по различным машинам системы для обработки, заставляет набор сетевых машин работать как виртуальный унипроцессор. Пользoватель распределенной ОС, вообще говоря, не имеет сведений о том, на какой машине выполняется его работа.

Появление сетей, предназначенных для взаимной связи различных компьютеров, привело к разработке средств, а затем и операционных систем, позволяющих осуществлять управление, так называемой, мультимашинной архитектурой, то есть совокупности полносоставных компьютеров (процессоры, память, вводы-выводы…), связанных в сеть. В этом случае речь идет о распределенных вычислительных системах.

Распределенная организация операционной системы позволяет упростить работу пользователей в сетевых средах. В распределенной операционной системе реализованы механизмы, которые дают возможность пользователю представлять и воспринимать сеть в виде традиционного однопроцессорного компьютера. Характерными признаками распределенной организации операционной системы являются: наличие единой справочной службы разделяемых ресурсов, единой службы времени, использование механизма вызова удаленных процедур (RPC) для прозрачного распределения программных процедур по машинам, многонитевой обработки, позволяющей распараллеливать вычисления в рамках одной задачи и выполнять эту задачу сразу на нескольких компьютерах сети, а также наличие других распределенных служб.

Проекты для создания распределенных операционных систем распределительный операционный система метакомпьютерный Проект Globe посвящен созданию крупных распределенных систем с помощью разделяемых объектов и связанных с ними методов. Разработчики могут генерировать приложения с использованием программного обеспечения промежуточного слоя, а не создавать сетевые программы непосредственно на базе транспортного уровня, как это происходит сейчас. Активные копии объектов, которые взаимодействуют на одноранговой основе, будут доступны одновременно на всех машинах в распределенной системе, и все пользователи смогут вызывать методы объектов. Подход позволит системам работать без централизованного хранилища объектов, что дает возможность сократить сетевой трафик и избежать ошибок, связанных с недоступностью хранилища. Globe расширяет функциональность распределенных систем и увеличивает скорость за счет выполнения таких операций, как возвращение информационного наполнения Web-страницы, получение сообщения электронной почты, предоставление доступа к файлу или поиск имени ресурсов в каталоге.

Opus базируется на проекте WebOS, который был реализован в университете Беркли с целью предоставления распределенным приложениям служб операционной системы, в том числе механизмов обнаружения ресурсов и управления ими, удаленного выполнения процессов, аутентификации и защиты. Opus добавляет к оболочке WebOS механизм перекрытия (overlay), который позволяет приложениям прозрачным образом передавать базовой сети свои требования на ресурсы, а затем использовать предоставленные ресурсы. Это крайне важно, поскольку на одной машине разработчики приложений могут для предоставления служб использовать возможности локальной операционной системы. Однако в распределенной системе, разработчики приложений должны сами создавать службы в соответствии с множеством стандартов и множеством серверов приложений, что требует больших усилий со стороны программиста и немалых системных ресурсов. Opus решает эту проблему, предоставляя по Internet базовые службы операционных систем, необходимые для создания приложений, которые являются распределенными, доступными, масштабируемыми и динамически реконфигурируемыми.

• 1. http://wiki.mvtom.ru.
• 2. https://ru.wikipedia.org.
• 3. http://www.ronl.ru.