تحقیق دربارهاصول سیستمهای عامل توزیع شده

 ((اصول سيستم‌هاي عامل  توزيع شده))

در طول دو دهه اخير، حصول پيشرفت در تكنولوژي ميكروالكترونيك باعث در دسترس قرار گرفتن پردازنده‌هاي ارزان و سريع شده است. از سوي ديگر پيشرفت‌هاي موجود در تكنولوژي ارتباطات باعث به وجود آمدن شبكه‌هاي سريع تر و به صرفه‌تر شده است. از تركيب پيشرفت‌ها در اين دو ميدان از تكنولوژي‌ها تكنولوژي ارزان‌تر و كاراتري به وجود آمده كه در آن به جاي اين كه از يك پردازنده خيلي سريع استفاده شود، از چند پردازنده معمولي كه به هم متصل شده‌اند استفاده مي‌شود.

از نظر معماري، كامپيوترهايي كه از چندپردازنده متصل به هم تشكيل شده‌اند اساساً بر دو دسته تقسيم مي‌شوند.

1-   سيستم‌هاي جفت شده قوي

2-   سيستم‌هاي جفت شده ضعيف

1-   سيستم‌هاي جفت شده قوي:

در اين سيستم‌ها يك حافظه اوليه (فضاي آدرس) عمومي وجود دارد كه ميان  همه پردازنده‌ها به اشتراك گذاشته شده است. اگر براي مثال، پردازنده‌اي در محل × از حافظه مقدار 100 را بنويسد هر پردازنده ديگري كه بلافاصله از همان آدرس × بخواند مقدار 100 را دريافت خواهد كرد. بنابراين در اين سيستم‌ها هر نوع تبادل ميان پردازنده‌ها از طريق حافظه مشترك صورت مي‌گيرد. [شكل]

2- سيستم‌هاي جفت شده ضعيف:

در اين معماري پردازنده‌ها حافظه را به اشتراك نمي‌گذارند و هر پردازنده فضاي آدرس‌دهي محلي مختص به خود را دارد. براي مثال اگر پردازنده‌هاي در محل × از حافظه مقدار 100 را بنويسد اين عمل فقط محتويات حافظه محلي را عوض خواهد كرد و تاثيري در محتواي حافظه پردازنده هاي ديگر نخواهد داشت. بنابراين اگر هر پردازنده ديگري از محل× از حافظه را بخواند هرچيزي كه قبلاً در آن محلي از حافظه‌ محلي آن بوده به تحويل داده خواهد شد. در اين نوع سيستم‌ها هرگونه تبادل ميان پردازنده‌ها از طريق شبكه‌اي كه پردازنده‌ها را به هم متصل كرده و توسط انتقال پيغام انجام مي‌گيرد.

معمولاً به سيستم‌هاي جفت شده قوي،  سيستم‌هاي پردازش موازي اطلاق مي گردد و به سيستم‌هاي جفت شده ضعيف «سيستم‌هاي محاسبات توزيع شده» يا به طور ساده‌تر «سيستم‌هاي توزيع شده» اطلاق مي‌شود.

در اين مقاله منظور از جمله سيستم توزيع شده» همان سيستم‌هاي توزيع شده واقعي يا «سيستم‌هاي محاسبات توزيع شده» است كه از سيستم عامل‌هاي توزيع شده استفاده مي‌كنند.

در اين مقاله عبارت  «سيستم‌هاي محاسبات توزيع شده» براي سيستم‌هاي جفت شده ضعيف به كار برده خواهد شد. در مقايسه با سيستم هاي جفت شده قوي، پردازنده‌هاي سيستم‌هاي محاسبات توزيع شده مي‌توانند خيلي  دور از هم قرار گرفته باشند تاحدي كه يك ناحيه جغرافيايي را تحت پوشش قرار دهند. بعلاوه، در سيستم‌هاي جفت شده قوي، تعداد پردازنده‌هايي كه به طور موثر مي‌توانند مورد استفاده قرارگيرند مواجه با محدوديت ناشي از پهناي باند حافظه مشترك است، در حالي كه در سيستم‌هاي محاسبات توزيع شده چنين حالتي وجود ندارد و تقريباً به طور كامل آزادي داريم كه هر تعداد كه دلمان خواست پردازنده داشته باشيم. يعني محدوديتي در مورد تعداد پردازنده‌ها در «سيستم‌هاي محاسبات توزيع شده» وجود ندارد.

به طور خلاصه يك سيستم‌ محاسبات توزيع شده اساساً مجموعه‌اي است از پردازنده‌هايي كه توسط يك شبكه ارتباطي به هم متصل شده‌اند كه هر پردازنده حافظه محلي و دستگاههاي جانبي خود را دارد و ارتباط ميان هر دو جفت پردازنده از سيستم از طريق عبور پيغام از شبكه ارتباطي صورت مي‌گيرد. براي هر پردازنده، منابع آن «محلي» هستند و اين در حالي است كه پردازنده‌هاي ديگر و منابع آن‌ها «دور» هستند به پردازنده و منابع آن به طور معمول «گره»، «سايت» يا «ماشين» سيستم عامل توزيع شده اطلاق مي‌شود.

سير تكامل سيستم هاي عامل توزيع شده

در ابتدا كامپيوترها خيلي گران (در حد ميليون دلار) بودند و جاي زيادي را اشغال مي كردند (در حد يك اتاق بزرگ) تعداد كمي كامپيوتر وجود داشت و آنها در لابراتوارهاي تحقيقاتي دانشگاه‌ها و مراكز صنعتي بود. اين كامپيوترها از يك كنسول و بوسيله يك اپراتور قابل استفاده بودند وكاربران عادي نمي‌توانستند از آن استفاده كنند. برنامه نويسان، برنامه‌هاي خود را مي‌نوشتند و آن را روي رسانه‌ي خاصي مثل كارت پانچ شده به مركز كامپيوتر تحويل مي‌دادند تا مورد پردازش قرار گيرند. قبل از پردازش يك برنامه، اپراتور بايد محيط لازم براي پردازش را آماده سازي مي كرد. اين آماده سازي شامل سوار كردن نوارها و بارگذاري كارت‌هاي پانچ شده در كارت خوان و … بود. برنامه اجرا مي‌شود و نتايج اجراي برنامه به صورت پرينت شده به برنامه نويس برگشت داده مي‌شد.

آماده سازي كار در كامپيوترهاي اوليه يك مشكل اساسي بود و بسياري از وقت CPU را هدر مي‌داد. در سالهاي 1950 تا 1960  مفاهيم جديدي براي بهينه سازي صرف وقت CPU ارائه شده كه از ميان آنها مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:

1-   دسته‌بندي كارهايي كه نيازهاي مشابهي دارند قبل از پردازش.

2-   توالي اتوماتيك كارها.

3-   پردازش غير بر خط بر پايه مفاهيم با فرينگ و سركشي

4-   چند برنامگي

دسته‌بندي كارها اندكي استفاده از CPU را افزايش داد چرا كه اپراتور تنها وقتي محيط پردازش را تغيير مي‌داد كه دسته جديدي از كارها براي اجرا واگذار مي‌شد. توالي اتوماتيك كارها توسط كارت‌هاي كنترل براي تعيين اغاز و انتهاي هركار مقدار استفاده از CPU را افزايش داد و اين بهينه سازي به خاطر حذف توالي كارها توسط انسان بود.

پردازش غير برخط هم استفاده از CPU را با اجازه روي هم افتادگي عمليات CPU و دستگاههاي ورودي خروجي بهبود بخشيد. در اين روش اين دو عمل روي دو ماشين مجزا از هم اجرا مي‌شدند ( عمليات ورودي خروجي از عمليات CPU  كندتر بود) در نهايت «چند برنامگي»به وجود آمد كه در اين روش هميشه CPU براي اجرا دستورالعملي دارد و بيكار نيست و به اين طريق استفاده از CPU حداكثر مي‌شد.

با اين حال در هيچ يك از اين متدها اجازه استفاده همزمان چند كاربر و تراكنش آنها با يك سيستم كامپيوتري مهيا نبود و كاربران نمي‌توانستند منابع خود را به صورت همزمان به اشتراك بگذارند. بنابراين اجراي كارهاي تعاملي كه متشكل از اعمال كوچكي است و عمل بعدي به اجراي عمل قبلي وابسته است تبديل به يك عمل ملال آور و زمانبر شده بود. بسط و عيب‌يابي برنامه‌ها از نمونه‌هاي برنامه‌هاي تعاملي است. اين عمل غيرممكن بود تا وقتي كه در اوايل دهه 1970 كه در كامپيوترها از مفهوم «اشتراك زماني» براي قالب آمدن بر اين مشكل بهره گرفته شد.

سيستم‌هاي اشتراك زماني اوليه داراي چند ترمينال بودند كه به كامپيوتراصلي متصل بود.

اين ترمينال‌ها در اطاقي متفاوت با اطاقي كه كامپيوتر اصلي در آن بود قرار داشتند. حالا ديگر با استفاده از اين ترمينال‌ها كاربران متعددي مي توانستند كارهاي خود را به طور همزمان اجرا كنند و منابع كامپيوتر را به اشتراك بگذارند. در يك سيستم اشتراك زماني هر كاربر اين طور تصور مي كرد كه براي خود يك كامپيوتر مجزا دارد چرا كه سيستم با سرعت خيلي زياد  از كاريك كاربر ديگر در فاصله‌هاي زماني كوتاه سويچ مي‌كرد و در هر برهه زماني كه به يك كاربر اختصاص داده مي‌شد مقداري از كار هر كار بر اجرا مي‌شد. با اين كه نظريه اشتراك زماني در اوايل دهه 1960 بيان گرديد تا اوايل دهه 1970 سيستم‌هاي اشتراك زماني زياد مورد استفاده نبودند و علت هم اين بود كه پياده سازي آنها خيلي سخت و هزينه‌بر بود.

پيشرفت‌هاي موجود در سخت افزارهاي پردازش موازي باعث كاهش اندازه و افزيش سرعت پردازش كامپيوترها شد.

در نتيجه اين تغيير و تحولات، كامپيوترهاي كوچك و ارزان كه قابليت پردازشي زيادتري هم داشتند جايگزين كامپيوترهاي بزرگ شدند و اين كامپيوترهاي كوچك «ميني كامپيوتر» نام گرفتند.

ظهور سيستم‌هاي اشتراك زماني اولين قدم به سوي سيستم‌هاي محاسبات توزيع شده  بود چرا كه در اين نوع سيستم‌ها مفاهيم زير تعريف شدند:

1-   اشتراك منابع كامپيوتر ميان چندكاربر به صورت همزمان

2-   دسترسي به كامپيوترها از جايي متفاوت از اتاق كامپيوتر اصلي.

در ابتدا ترمينالهاي سيستم‌هاي اشترك زماني «ترمينال گنگ» بودند يعني همه پردازش توسط سيستم كامپيوتري اصلي انجام مي‌شد. پيشرفت‌هاي تكنولوژي ريزپردازنده در طول دهه 1970 اين اجازه را داد تا ترمينال‌هاي گنگ با ترمينالهاي هوشمند جايگزين شوند و با اين كار مفاهيم پردازش غير آنلاين و اشتراك زماني با هم ادغام شدند تا مزاياي هر دو تكنولوژي را روي يك سيستم بتوان به وجود آورد.

تكنولوژي ميكروپروسسور به سرعت پيشرفت كرد تا جايي كه در اوايل دهه 1980 كامپيوترهاي تك كاربرده كه «ايستگاه كاري» نام گرفته بودند به وجود آمدند و داراي قدرت پردازشي تقريباً برابر با «ميني كامپيوتر» بودند و با هزينه اندكي كاربر مي توانست آن را خريداري كند.

اين ايستگاه‌هاي كاري بعدها به عنوان ترمينالها در سيستم‌هاي اشتراك زماني مورد استفاده قرار گرفتند. در اين نوع از سيستم‌هاي اشتراك زماني حجم زيادي از عمليات كاربر مي‌توانست در ترمينال آن كاربر به خصوص اجرا نشود و در نتيجه اين امكان به وجود مي‌آمد كه كامپيوتر اصلي ميان تعداد زيادي كاربر به اشتراك گذاشته شود. در اين سيستم‌ها منابع به اشتراك گذاشته شده مثل فايل‌ها، پايگاه داده‌اي، كتابخانه نرم افزار و … روي كامپيوتر اصلي قرار داشتند. به اين سيستم‌ها، «سيستم‌هاي اشتراك زماني مجتمع» اطلاق مي‌شد.

سيستم‌هاي اشتراك زماني مجتمع كه در بالا به آنها اشاره گرديد يك محدوديت داشتند و آن محدوديت اين بود كه ترمينال‌ها تا وقتي كه از كابل‌هاي معمولي براي اتصال به كامپيوتر اصلي استفاده مي‌شد، نمي‌توانست در فاصله خيلي زيادي از كامپيوتر اصلي قرار داشته‌باشند.

همزمان با اين پيشرفت‌ها، در اواخر دهه 1960 در زمينه شبكه‌هاي كامپيوتري پيشرفت‌هايي حاصل شد و تا اوايل دهه 1970 ادامه داشت و دو تكنولوژي كليدي در ساخت و طراحي شبكه‌هاي كامپيوتري معرفي گرديد:

1-   تكنولوژي (Local Area Network)LAN

2-   تكنولوژي (Wide Area Network)WAN

با استفاده از  تكنولوژي LAN، كامپيوترهاي موجود در يك ساختمان و يا دانشكده به هم متصل مي‌شوند و مي‌توانستند اطلاعات را با سرعت تقريبي 10 Mbps با هم مبادله گنند. و در سوي ديگر تكنولوژي WAN قرار داشت كه كامپيوترهاي موجود در شهرهاي متفاوت و يا كشورها و يا قاره‌هاي جدا از هم به هم متصل مي شدند و مي‌توانستند اطلعات را با سرعت 56kbps با هم مبادله كنند.

اولين نوع از شبكه‌هاي محلي پرسرعت، اترنت بود كه در زيراكس پارك در سال 1973 به وجود آمد و اولين نمونه از شبكه‌هاي گسترده، آرپانت بود كه توسط دپارتمان گسترش دفاع ايالات متحده در سال 1969 درست شد. سرعت انتقال  اطلاعات در شبكه ها رفته رفته زيادتر مي شد تا اينكه در سال 1960 براي شبكه‌هاي محلي سرعت Mbps100 و براي شبكه‌هاي گسترده سرعت kbps 64 فراهم بود.

اخيراً در اوايل دهه 1990 يك پيشرفت عمده ديگر هم در تكنولوژي شبكه پديدار شد كه ATM نام گرفت. با استفاده از اين تكنولوژي مي توان شبكه‌اي خيلي سريع را بنانهاد به طوري كه مي‌تواند در شبكه‌هاي محلي و گسترده اطلاعات را با سرعت 1.2 گيگابايت در ثانيه انتقال داد. وجود اين گونه شبكه‌هاي انتقال داده‌اي پرسرعت به سيستم‌هاي محاسبات توزيع شده اين اجازه را داده كه از يك كلاس جديد از برنامه‌هاي كاربردي، پشتيباني كنند. اين كلاس جديد كه برنامه‌هاي كاربردي چند رسانه‌اي نام گرفته‌اند، متشكل از تركيبي از داده‌هاي معمولي، صدا و تصوير هستند. اين مفهوم در شبكه‌هاي LAN و WAN غيرقابل تصور بود.

ادغام تكنولوژي‌هاي كامپيوتر و شبكه، در اواخر دهة 1970 به سيستم‌هاي محاسبات توزيع شده اجازه تولد را داد.

مدل‌هاي سيستم‌هاي محاسبات توزيع شده

مدل‌هاي گوناگوني براي ساخت سيستم عامل‌هاي توزيع شده استفاده مي‌شود. اين مدل‌ها را مي‌توان در حالت كلي به 5 دسته تقسيم كرد.

1-   ميني كامپيوتر

2-   ايستگاه كاري

3-   ايستگاه كاري- سرويس دهنده

4-   اشتراك پردازنده

5-   تركيبي

اين پنج دسته را به طور خلاصه شرح مي‌دهيم.

مدل ميني كامپيوتر

مدل ميني كامپيوتر يك بسط ساده از سيستم اشتراك زماني مجتمع است. يك سيستم محاسبات توزيع شده كه براساس اين مدل پياده شده است متشكل است از چند ميني كامپيوتر (مي‌تواند سوپر كامپيوتر بزرگ هم باشد) كه توسط يك شبكه ارتباطي به هم متصل شده‌اند. هر ميني كامپيوتر به طور معمول چند كاربر دارد كه به طور همزمان در سيستم ثبت شده‌اند. در اين نوع چندين ترمينال به ميني كامپيوتر متصل شده‌اند. هر كاربر كه در يك ميتي كامپيوتر ثبت شده است به ميني كامپيوترهاي ديگر دسترسي دور دارد. شبكه  به كاربر اين اجازه را مي‌دهد كه به منابع دور كه روي يك كامپيوتر جدا از كامپيوتري كه كاربر در آن ثبت نام كرده، دسترسي داشته باشد.

مدل ميني كامپيوتر در مواقعي استفاده مي‌شود كه نياز به اشتراك منابع با كاربران دور مورد نياز باشد.

آرپانت جديد، يكي از نمونه هايي است كه براساس مدل ميني كامپيوتر پياده سازي شده‌است.

مدل ايستگاه كاري

يك سيستم محاسبات توزيع شده كه بر پايه مدل ايستگاه كاري بنا نهاده شده متشكل است از چند ايستگاه كاري كه توسط يك شبكه ارتباطي به هم متصل شده‌اند. يك شركت و يا يك دپارتمان دانشگاهي ممكن است چندين ايستگاه كاري داشته باشد كه در يك ساختمان و يا مجتمع پخش شده‌اند. هر كامپيوتر مجهز به ديسك خودش است براي يك كاربر سرويس دهي مي كند.

هدف اصلي در مدل ايستگاه كاري اتصال ايستگاه‌هاي كاري توسط يك شبكه محلي پرسرعت است و به اين طريق ايستگاههاي كاري بيكار ممكن است توسط كاربراني كه ايستگاههاي كاري ديگر ثبت نام كرده‌اند براي انجام كارهايشان مورد استفاده قرار گيرند. البته اين كار در حالتي اتفاق مي‌افتد كه ايستگاه‌هاي كاري ديگر قدرت كافي را براي پردازش كارخود، در كامپيوتر خود را نداشته باشند.

پياده سازي اين مدل به آن سادگي كه در ديد اول به نظر مي‌رسد، نيست، چرا كه بايد چندين مساله را حل كرد. اين مساله‌ها به شرح زير هستند.

1-   سيستم چگونه يك ايستگاه كاري بيكار را تشخيص خواهد داد.

2-   چگونه يك پردازه براي اجرا از يك ايستگاه كاري، براي اجرا به يك ايستگاه كاري ديگر منتقل خواهد شد.

3-  براي يك پردازة خارجي، چه چيزي اتفاق مي افتد وقتي كه كاربري به يك سيستم بيكار كه در حال اجراي اين پردازه خارجي بود، ثبت نام كند.

براي مسائل 1و2 روش‌هاي ساخت يافته‌الي وجود دارد. ولي براي مساله سوم روش‌هايي ابداعي وجود دارد كه به اين شرح هستند.

1-  روش اول اين است كه به پردازه خارجي اين اجازه داده شود تا منابع ايستگاه كاري را با پردازه كاربري كه ثبت نام كرده به اشتراك بگذارد.

2-  روش دوم اسن است كه پردازه خارجي از بين برود. ولي يك مشكل به وجود مي‌آيد اين است كه پردازة ايستگاه كاري دور، گم مي‌شود.

3-   روش سوم مهاجرت دادن پردازة خارجي به ايستگاه كاري صاحب آن است و اجرا در آنجا ادامه خواهد يافت. پياده سازي اين روش مشكل است چرا كه سيستم بايد از مفاهيم مهاجرت فرايندها، پشتيباني كند.

مدل ايستگاه كاري- سرويس دهنده

مدل ايستگاه كاري، مدلي بر پايه ايستگاه‌هاي كاري شخصي بود كه در آن هر يك داراي ديسك و سيستم فايلي مخصوص به خود بودند. به ايستگاه هاي كاري كه داراي ديسك مخصوص به خود هستند « ايستگاه كاري ديسكدار» و به ايستگاه‌هايي كه ديسك مخصوص به خود را ندارند، «ايستگاه كاري بي‌ديسك» اطلاق مي‌گردد.

با ازدياد شبكه‌هاي پر سرعت، ايستگاه‌هاي كاري بي‌ديسك در محيط‌هاي شبكه زيادتر از ايستگاه‌هاي كاري ديسك دار مورد استفاده قرار  گرفته‌اند، كه اين باعث شده كه مدل ايستگاه كاري - سرويس‌دهنده، زيادتر از مدل ايستگاه كاري براي توليد و ساخت سيستم‌هاي توزيع شده مرد استفاده قرار گيرد.

همانطور كه در شكل قابل ملاحظه است سيستم‌هاي مبتني بر مدل ايستگاه كاري-سرويس‌دهنده، شامل چند ميني كامپيوتر و چند ايستگاه كاري هستند كه توسط يك شبكه ارتباطي به هم متصل شده‌اند. خيلي از اين ايستگاه‌هاي كاري، از نوع بي‌ديسك هستند ولي ممكن است بعضي از آنها از نوع ديسكدار باشند.

ذكر اين نگته مهم است كه وقتي از ايستگاه‌هاي كاري بي‌ديسك در شبكه استفاده مي‌شود سيستم فايلي كه توسط اين سيستم‌ها استفاده مي‌شود بايد توسط ايستگاه كاري ديسكدار پشتيباني شود. و يا اين كه بايد يك ميني كامپيوتر هم براي ذخيره سازي فايل‌ها در نظر گرفته شود. در اين مدل، ميني كامپيوترها براي اين مقاصد مورد استفاده قرار مي گيرند:

1-   يك يا چند ميني كامپيوتر براي پياده سازي سيستم فايلي

2-   ميني كامپيوترهاي ديگر براي ارائه سرويس‌هاي ديگر مثل سرويس‌هاي بانك اطلاعاتي و يا سرويس‌هاي چاپ.

از اين رو هر ميني كامپيوتر به صورت يك ماشين سرويس دهنده براي فراهم آوردن انواع متفاوت سرويس‌ها استفاده مي‌شود.

اين مدل داراي مزايايي نسبت به مدل ايستگاه كاري است كه به شرح زير هست:

1-   در حالت عمومي، پياده‌سازي آن ارزان‌تر و به صرفه تر است

2- از ديدگاه نگهداري سيستم، سيستم‌هاي بي‌ديسك بر سيستم‌هاي ديسكدار ارجحيت دارند (تعمير، پشتيبان‌گيري و…)

3- در مدل ايستگاه كاري- سرويس‌دهنده، از آنجايي كه همه فايل‌ها توسط سرور فايل مديريت مي‌شود، كاربران اين قابليت انعطاف را دارند كه بتوانند از هر ايستگاه كاري بدون توجه به اين كه كدام كاربرد درست ثبت‌نام كرده و كدام ايستگاه در دسترس است، استفاده كنند و دسترسي به اطلاعات در حالت كلي به يك صورت خاص انجام مي‌گيرد.

4- در مدل مذكور از روش درخواست- پاسخ براي استفاده از سرويس‌ها استفاده مي‌شود و پياده‌سازي اين روش به سختي پياده‌سازي روش مهاجرت فرايندها نمي‌باشد.

پروتوكل درخواست- پاسخ با عنوان مدل مشتري- سرويس دهنده در ارتباطات شناخته شده است.

5- كاربر ضامن زمان پاسخ است چرا كه سيستم براي اجراي فرايندهاي خارجي استفاده نمي‌شود.

مدل اشتراك پردازنده يا ائتلاف پردازنده

مدل اشتراك پردازنده نيازمند اين ملاحظه است كه در اكثر اوقات يك كاربر نيازي به قدرت‌پردازشي ندارد ولي در يك لحظه براي مدت كوتاهي ممكن است نياز به قدرت‌پردازشي خيلي بالا پيدا كند. بنابراين برخلاف مدل ايستگاه كاري- سرويس دهنده كه براي هر كاربري، يك پردازنده داشتيم در مدل اشتراك پردازنده، پردازنده‌هاي سيستم به هم پيوند مي‌خورند تا ميان كاربران وقتي كه يكي از آنها نيازمند پردازش شد به اشتراك گذاشته شود.

اين ائتلاف از پردازنده‌ها شامل تعداد زيادي از ريز كامپيوترها و ميني كامپيوترها هست كه به شبكه پيوند خورده‌اند.

هر پردازنده موجود در ائتلاف، داراي حافظه مخصوص به خود براي اجرا و بارگذاري يك برنامه سيستمي يا يك برنامه كاربردي و يا يك برنامه كاربردي از سيستم محاسبات توزيعي است.

همانگونه كه در شكل قابل مشاهده است در مدل ساده ائتلاف پردازنده‌ها، پردازنده‌هاي موجود در ائتلاف هيچ ترمينالي ندارند كه بطور مستقيم به آنها متصل شده باشد و كاربران از طريق ترمينال‌هايي كه بوسيله دستگاههاي خاصي به شبكه متصل هستند. به اين پردازنده‌ها دسترسي دارند. مثل ترمينال‌هاي X.

يك سرور ويژه كه سرور اجرا نام دارد، پردازنده‌هاي موجود در ائتلاف را در زمان نياز اختصاص مي‌دهد و در حالت كلي آنها را مديريت مي‌كند.

وقتي كه كاربري، كاري را براي اجرا تسليم مي‌كند، سرور اجرا، تعداد لازم از پردازنده‌ها را بطور موقت براي اجراي كار اين كاربر به وي اختصاص مي‌دهد.

در مقايسه با مدل ايستگاه كاري- سرويس دهنده، مدل ائتلاف پردازنده امكان استفاده بهتري از پردازنده‌هاي موجود در سيستم‌ محاسبات توزيع شده را فراهم مي‌آورد.

علت اين است كه در اين مدل همه قدرت‌پردازشي سيستم براي كاربراني كه در حال حاضر ثبت‌نام كرده‌اند قابل استفاده است در حالي كه در مدل ايستگاه كاري- سرور چنين چيزي صادق نيست چرا كه در مدل فوق‌الذكر ممكن است در بعضي از اوقات بعضي از ايستگاهها بيكار باشند ولي نمي‌توان از آنها براي اجراي كارهاي كاربران ديگر سيستم استفاده نمود.

مدل ائتلاف پردازنده براي برنامه‌هايي كه تعامل زيادي دارند زياد كارآيي ندارد مخصوصاً برنامه‌هايي كه از سيستم‌هاي گرافيكي يا پنجره‌اي استفاده مي‌كنند و اين همه به خاطر پائين بودن سرعت رسانه‌هاي انتقالي شبكه است. و براي اين كار مدل ايستگاه كاري- سرور مناسب‌تر است.

ائتلاف پردازنده‌ها

مدل تركيبي

فراتر از اين 4 مدل كه تشريح شد، مدل ايستگاه كاري- سرويس‌دهنده، مدلي است كه بيشتر از ديگران مورد استفاده قرار گرفته است. علت هم اين است كه بسياري از كاربران كارهاي تعاملي ساده‌اي را انجام مي‌دهند. براي مثال :

1- ويرايش

2- ارسال نامه الكترونيكي

3- اجراي برنامه‌هاي كوچك

اين مدل براي اين نوع كارهاي كوچك و ساده ايده‌آل مي‌باشد.

در محيط‌هايي مثل محيط‌هاي كاري كه گروههاي بزرگي از كاربران كه اغلب كارهايي را اجرا مي‌كنند كه نيازمند محاسبات حجيمي مي‌باشد، مدل ائتلاف پردازنده ايده‌آل مي‌باشد و مناسب‌تر از ديگر مدل‌ها است.

با تركيب اين دو مدل يعني مدل ايستگاه كاري- سرور و مدل ائتلاف پردازنده مي‌توان يك مدل تركيبي براي ساخت سيستم محاسبات توزيع شده استفاده كرد. مدل تركيبي بر پايه مدل ايستگاه كاري- سرويس‌دهنده ساخته مي‌شود ولي امكانات مدل ائتلاف پردازنده هم به آن اضافه مي‌شود.

در مدل تركيبي علاوه بر اجراي مؤثر كارهايي كه محاسبات سنگيني دارند، به كارهاي تعاملي تضمين پاسخ داده مي‌شود و روشي كه براي اين كار پيش گرفته مي‌شود اين است كه به اين كارها اجازه داده مي‌شود كه روي ماشين ايستگاه كاري محلي كاربر اجرا شوند.

با اين همه پياده سازي سيستم عامل توزيع شده بر پايه اين مدل، در مقايسه با مدل‌هاي ايستگاه كاري- سرور و مدل ائتلاف پردازنده، هزينه زيادي را لازم دارد.

چرا سيستم‌هاي محاسبات توزيع شده رفته رفته موارد استفادة زيادتري پيدا مي‌كنند؟

براي اين سؤال مي‌توان دلايل زير را بيان كرد :

1- برنامه‌هاي كاربردي ذاتاً توزيع شده

2- اشتراك اطلاعات ميان كاربران توزيع شده

3- اشتراك منابع

4- نسبت كارايي/ هزينه بهتر

5- زمان پاسخ كمتر و توان عملياتي بالاتر

6- قابليت اعتماد بيشتر

7- توسعه‌پذيري و رشد مضاعف

8- انعطاف‌پذيري بهتر در مشاهده نياز كاربران

يك سيستم عامل توزيع شده چه است؟!

“ تنن با وم” و “ون رنس” سيستم عامل را به اين صورت تعريف كرده‌اند:

برنامه‌اي كه منابع يك كامپيوتر را كنترل مي‌كند و براي كاربران يك رابط و يا يك ماشين مجازي را فراهم مي‌آورد كه با استفاده از اين رابط استفاده از ماشين نسبت به حالتي كه ماشين “لخت” است مهمتر مي‌شود. بنابراين اين تعريف دو وظيفه اصلي يك سيستم عامل به شرح زير است:

1- فراهم آوردن يك ماشين مجازي براي كاربران كه برنامه‌ريزي توسط آن راحت تراز تعامل با سخت‌افزار زيرين است.

2- مديريت انواع منابع سيستم كه شامل موارد و كارهاي متفاوتي است. بنابراين ديد كاربران يك كامپيوتر از سيستم، رفتاري كه كاربران براي دسترسي به منابع مختلف سيستم دارند و راهي كه درخواست‌هاي منابع مديريت مي‌شوند، بستگي دارد به وسعت حوزة سيستم عامل آن كامپيوتر.

سيستم‌هاي عاملي كه بطور معمول براي سيستم‌هاي توزيع شده مورد استفاده قرار مي‌گيرند در حالت كلي به دو دسته تقسيم شده‌اند:

1- سيستم‌هاي عامل شبكه

2- سيستم‌هاي عامل توزيع شده

سه مشخصه اصلي كه براي تقسيم‌بندي اين دو گروه مورد بحث قرار گرفته‌اند به شرح زير هستند:

1- سيماي سيستم

2- استقلال داخلي

3- قابليت تحمل كاستي

بطور مختصر اين سه مشخصه را شرح مي‌دهيم:

1- سيماي سيستم : مهمترين مشخصه‌اي كه براي جداسازي ميان اين دو گروه به كار گرفته شده است سيماي سيستم از ديدگاه كاربران آن است.

2- استقلال داخلي : يك سيستم عامل شبكه بر پايه اجتماع سيستم عامل‌هاي موجود در شبكه به وجود مي‌آيد و كار آن حمل رابطه‌ها و تعاملات اعمال روي سيستم‌هاي دور و ايجاد ارتباط ميان آنها است در سيستم‌هاي توزيع شده استقلال داخلي يكي از مزاياي آن است و نبايد وجود يكي از اجزا وابسته به وجود ديگري باشد و ارتباطات عامل به وجودآورنده هستند نه وابستگي‌ها.

3- قابليت تحمل كاستي : يك سيستم عامل شبكه بايد قابليت تحمل كاستي را در حد صفر يا خيلي كم داشته باشد وقتي كه 10% از ماشين‌هاي سيستم توزيعي در شبكه خاموش هستند و حداقل 10% از كاربران نمي‌توانند به كار خود ادامه دهند.

تعريف زير از سيستم عامل توزيع شده توسط تنن باوم و ون‌رنس ارائه شده و در برگيرنده موارد بالا هست.

يك سيستم عامل توزيع شده، سيستمي است كه به كاربرانش مثل يك سيستم عامل مجتمع معمولي نگاه مي‌كند با اين تفاوت كه روي چندين پردازندة مستقل از هم اجرا مي‌شوند. مفهوم كليدي در اينجا، شفافيت است. به عبارت ديگر استفاده از چندين پردازنده براي كاربر ممكن است غيرقابل مشاهده باشد (شفافيت). و باز هم به عبارت ديگر كاربر سيستم را به صورت يك سيستم “تك پردازنده مجازي” مي‌بيند نه به صورت مجموعه‌اي از ماشين‌هاي مجزا. به سيستم‌هاي محاسبات توزيع شده كه از يك سيستم عامل شبكه استفاده مي‌كنند، “سيستم شبكه‌اي” اطلاق مي‌گردد و از سوي ديگر به سيستم‌هايي كه از يك سيستم عامل توزيع شده استفاده مي‌كنند، “سيستم واقعاً توزيع شده” يا به عبارت ساده‌تر “سيستم توزيع شده” اطلاق مي‌گردد.

مواردي كه در طراحي يك سيستم عامل توزيع شده بايد در نظر گرفت.

به دلايل مختلفي در حالت كلي طراحي يك سيستم عامل توزيع شده مشكل‌تر از طراحي يك سيستم عامل مجتمع است. در سيستم‌هاي مجتمع و در طراحي آنها چنين در نظر گرفته مي‌شود كه سيستم‌ عامل دسترسي به همه اطلاعات در مورد محيط اجرايي را دارد.

برخي از موارد كليدي در مورد طراحي سيستم‌هاي توزيع شده را مي‌توان به شرح زير ليست كرد :

1- شفافيت :

 - شفافيت دسترسي

-         شفافيت موقعيت

-         شفافيت پاسخ‌دهي

-         شفافيت كاستي

-         شفافيت مهاجرت

-         شفافيت جريان

-         شفافيت كارايي

-         شفافيت پيمايش

2- قابليت اعتماد :

 - پرهيز از كاستي

-         تحمل كاستي

-         تشخيص و استرداد كاستي

3- قابليت انعطاف :

- راحتي تغيير در ساختار

- راحتي در بهبود دادن

4- كارآيي :

 - دسته بندي كردن در صورت امكان

-         كاشه كردن هر موقع كه ممكن بود

-         كپي كميته از داده‌ها

-         ترافيك كميته شبكه

-         استفاده از روش موازي‌سازي بهينه براي چند پردازشي

5- قابليت توازن :

- پرهيز از موجوديت‌هاي مجتمع

-         پرهيز از الگوريتم‌هاي مجتمع

-         اجراي اكثر اعمال روي ايستگاههاي كاري مشتري

6- ناهمگن بودن

7- امنيت :

 - حصول اطمينان از دريافت پيغام

- حصول اطمينان از مبدأ پيغام

- تضمين صحت محتواي پيغام براي هر دو طرف

8- تشابه با سيستم‌هاي عامل موجود در حد معتدل

ضميمه و مراجع :

در صورت نياز به اطلاعات و توضيحات و مثال‌هاي بيشتر مي‌توانيد به اين منابع كه منابع اصلي در تهيه و تدوين اين مقاله مي‌باشند مراجعه كنيد:

1- سايت آقاي ويليام استالينگ   http://www.stallings.com/

a)      Operating Sytems Concepts and design William.stalling [Original] زبان اصلي

سيستم‌هاي عامل پيشرفته، دكتر مهرداد فهيمي، انتشارات جلوه

b)      Distributed Operating Systems Concepts & design Pradeep k. Sinha

IEEE Press [original] زبان اصلي      

c)      Operating Systems a modern perspective Gary Nut Second Edition [original] زبان اصلي