KHẢ NĂNG PHÂN TÁN CỦA CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH UNIX.DOC

Trong phạm vi tiểu luận của mình, tôi trình bày được những vấn đề sau: Phần I: Lý thuyết: Các khả năng phân tán của hệ điều hành UNIX Phần II: Bài tập Trong hệ phân tán, người ta chấp nh

- -BÀI TIỂU LUẬN

HỆ PHÂN TÁN

Giảng viên: PGS-TS Lê Văn Sơn Học viên : Nguyễn Văn Hà

Lớp: Khoa học máy tính K10

LỜI NÓI ĐẦU

- -Sự phát triển mạnh mẽ của Công nghệ thông tin đã làm thay đổi lớn lao về kinh tế-xã hội ở nước ta Hiện tại, tin học được trang bị đến từng ngành, từng nhà Người ta có thể trao đổi thông tin với khối lượng lớn ở những khoảng cách khác nhau thông qua hệ thống mạng toàn cầu với sự hỗ trợ của phương tiện truyền thông

Hệ tin học phân tán là lĩnh vực còn khá mới mẽ, nhưng những ứng dụng của nó ngày càng rộng rãi, giải quyết hiệu quả nhiều bài toán mà hệ tin học tập trung không đáp ứng được hoặc chỉ đáp ứng được một phần

Hiện tại, các nội dung mang tính lý thuyết nguyên lý của hệ tin học phân tán còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết triệt để và đang là mục tiêu khám phá của nhiều nhà nghiên cứu về công nghệ thông tin

Trong phạm vi tiểu luận của mình, tôi trình bày được những vấn đề sau:

Phần I: Lý thuyết: Các khả năng phân tán của hệ điều hành UNIX

Phần II: Bài tập

Trong hệ phân tán, người ta chấp nhận có sự cố như đứt đường truyền, sụp trạm Hoạt động của mạng viễn thông có đặc tính như sau :

1 Hoặc giả một thông điệp truyền đi đến đích một cách trọn vẹn

2 Hoặc giả một thông điệp truyền đi nhưng không đến đích, và nguồn (nơi phát) của nó lúc này được dự phòng sau một khoản thời gian xác định

Hãy nghiên cứu kỹ các sửa đổi nhằm đem lại cho các thuật toán khác nhau về quản lý nhiều bản sao nhằm mục tiêu tính đến các sự cố kỹ thuật sau :

1 Chỉ có một sự cố duy nhất

2 Khi đang xử lý một sự cố, thì sự cố khác lại đến

Xin chân thành cảm ơn Thầy Lê Văn Sơn đã trang bị những kiến thức và thông tin về môn học và giới thiệu những tài liệu tài liệu thiết thực để tôi có thể hoàn thành tiểu luận này

Chương 1

KHẢ NĂNG PHÂN TÁN CỦA HỆ ĐIỀU HÀNH UNIX

I Hệ tin học phân tán

I.1 Định nghĩa

Hệ tin học phân tán hay nói ngắn gọn là hệ phân tán (Distributed System) là

hệ thống xử lý thông tin bao gồm nhiều bộ xử lý hoặc bộ vi xử lý nằm tại các vị trí khác nhau và được liên kết với nhau thông qua phương tiện viễn thông dưới sự điều khiển thống nhất của một hệ điều hành

I.2 Các đặc điểm cơ bản của hệ tin học phân tán

Căn cứ vào thành phần của hệ tin học, ta nhận thấy hệ tin học phân tán có thể bao gồm bốn thực thể như hình vẽ

Trong các tài liệu hiện nay, có rất nhiều lý lẽ xung quanh vấn đề nguyên tắc xây dựng một hệ phân tán, nhưng chung quy có thể liệt kê trong bốn điểm sau đây:

- Chia sẻ tài nguyên: Mạng máy tính có thể dùng chung tài nguyên Một

tiến trình trên một trạm nào đó có thể yêu cầu được cung cấp tài nguyên dùng chung ở một trạm khác

- Liên lạc: Khi hệ thống được mắc nối với nhau, các thực thể của hệ có thể

trao đổi thông tin cho nhau

- Tin cậy: Một trạm của hệ bị sự cố không làm cho toàn hệ bị ảnh hưởng, mà

ngược lại, công việc của trạm đó được phân cho các trạm khác đảm nhiệm Ngoài

ra, trạm bị sự cố có thể tự động phục hồi lại các trạng thái trước khi bị sự cố hay trạng thái ban đầu của nó

- Tăng tốc: Đây là một khái niệm mới về phân tán tải Một tính toán lớn nào

đó, nếu chỉ sử dụng một trạm, thì thời gian trả kết quả sẽ rất lớn Tính toán này sẽ

được chia nhỏ và thực hiện song song trên các trạm Điều này cũng rất cần thiết đối với những trạm bị quá tải

II Quá trình hình thành và phát triển hệ điều hành UNIX

II.1 Lịch sử phát triển

Hệ điều hành Unix được xây dựng vào năm 1969 Tác giả của hệ là Ken Thompson thuộc nhóm nghiên cứu của phòng thí nghiệm ATT-Bell Lab Hệ cho phép người sử dụng làm việc theo kiểu chia sẻ thời gian trong chế độ đa nhiệm Sau đó không lâu, Denis Ritchie cùng phối hợp nghiên cứu các phiên bản tiếp theo

Với sự phát triển của ngôn ngữ C chuyên cho biên soạn chương trình hệ điều hành được thành lập tại Bell đã cho phép Unix phát triển thành phiên bản mới 3.0 Phiên bản 6.0 được phát triển vào khoảng năm 1976 với sự tham gia của nhiều trường đại học Mỹ Phải đến năm 1978 phiên bản 7.0 mới là tiền thân của các phiên bản hiện nay Phiên bản này dựa trên mô hình PDP-11 cho máy tính lớn VAX

Năm 1982, Unix support Group trong công ty AT&T tạo ra Unix mới gọi là System III Hệ này dựa trên cơ sở liên hợp ba phiên bản 7.0, 32V cho VAX và UNIX/RT System V được công bố năm 1983 do các công ty con Bell của AT&T Công trình nghiên cứu trên hệ 4BSD của Defense Advanced Reasearch Projects Agency cho phép Unix hỗ trợ họ giao thức TCP/IP trên mạng Internet

II.2 Các ý tưởng lớn

UNIX là hệ thống làm việc theo chế độ phân chia thời gian Hệ quản lý các tập tin có cấu trúc hình cây nhiều mức cho phép người sử dụng có thể tạo các thư mục con của mình một cách dễ dàng Mỗi tập tin dữ liệu của người sử dụng chỉ đơn giản bao gồm một dãy các ô nhớ

Hệ Unix quản lý nhiều tiến trình theo kiểu một tiến trình nào đó có thể dễ dàng tạo lập các tiến trình mới khác Các scheduling của CPU là một thuật toán giản đơn với các hệ số ưu tiên

Hệ 4.3 BSD sử dụng nguyên lý quản lý bộ nhớ theo trang cho các yêu cầu như

là cơ chế cho các tác vụ bộ nhớ trong và ra các quyết định về scheduling của CPU Ngoài ra, người ta cũng sử dụng swapping nếu hệ thống bị quá trang

Hệ Unix được thành lập bởi các lập trình viên để cho cá lập trình viên khác sử dụng nên nó chứa đựng các utility hệ thống cho phép phát triển chương trình và có

hệ số ưu tiên cao trong quá trình hoạt động

III Khả năng phân tán của hệ điều hành UNIX

III.1 Quản lý các tập tin

Tập tin(file) là dãy các ô nhớ Các chương trình khác nhau cần đến đến mức cấu trúc khác nhau, nhưng hạt nhân lại áp đặt cấu trúc bất kỳ cho các tập tin

Các tập tin được tổ chức theo thư mục có cấu trúc cây Các thư mục lại chính

là các tập tin chứa thông tin nhằm cho phép tìm kiếm các tập tin khác Đường dẫn đến tập tin là một dãy các kí tự chỉ ra một tập tin bằng con đường thông qua các cấu trúc thư mục

Cấu trúc đường dẫn không cho phép ta phân biệt được tập tin hay thư mục

con Unix có hai loại đường dẫn là đường dẫn tuyệt đối và đường dẫn tương đối

Đường dẫn tuyệt đối là đường dẫn xuất phát từ gốc của hệ thống tập tin và ta

có thể phân biệt nhờ vào dấu chéo sắc ( / ) ngay ở đầu

Đường dẫn tương đối bắt đầu bằng thư mục hiện hành- biểu hiện của tiến trình vào đường dẫn

Một số lời gọi chính cho hệ thống cho các phép xử lý cơ bản về tập tin như sau:

CREAT: lời gọi hệ thống này dùng để tạo một tập tin (rỗng) hay cắt cụt một tập tin đang tồn tại

OPEN: mở một tập tin đang tồn tại và tiếp nhận như là các thông số của một đường dẫn hay một kiểu như đọc, ghi, đọc-ghi và trả về một giá trị nguyên bé READ: với một địa chỉ của bộ đệm và một số lượng nhất định các ô nhớ cần chuyển nhằm cho phép chuyển dữ liệu từ một tập tin hay đến một tập tin

WRITE: tương tự như trường hợp trên

CLOSE: đóng tập tin diễn ra

LINK: tạo liên hệ vật lý cho một tập tin đang tồn tại bằng cách lập ra một tên mới cho tập tin này

UNLINK: ngược lại với tác dụng của lời gọi LINK

TRUNC: lời gọi rút gọn kích cỡ của tập tin thành 0

LSEEK: cho phép khởi động lại vị trí con trỏ tập tin

DUP và DUP2: phát sinh một bộ mô tả tập tin mới Đó là bản sao của bộ đang tồn tại

FCNTL:kiểm tra và xác định các thông số khác nhau của một tập tin đã được

STAT:cung cấp các thông tin cần thiết về tập tin.

RENAME: đổi tên tập tin

CHMOD:đổi kiểu bảo vệ

CHOWN: đổi chủ sở hữu tập tin và nhóm

Hệ thống quản lý tập tin của Unix dùng để xử lý hai đối tượng cơ bản là tập

tin và thư mục Các thư mục được xem một cách đơn giản là các tập tin với khuôn

dạng đặc biệt

Khối và đoạn

Đơn vị cơ bản của các tập tin trong hệ Unix là khối dữ liệu Các khối này chứa tất cả các thông tin mà người sử dụng muốn đặt vào trong tập tin

Inode

Inode đó chính là phép ghi cho phép lưu trữ phần lớn các thông tin trong một

tập tin trên đĩa Inode chứa các bộ định danh của người sử dụng và của nhóm các tập tin, thời điểm cập nhật cuối cùng, công tơ với số lượng liên kết vật lý (lối vào của các thư mục) của tập tin và loại tập tin Ngoài ra, inode chứa 15 con trỏ đến các khối đĩa có mang dữ liệu của tập tin trong đó 12 con trỏ trỏ đến các khối trực tiếp hay nói cách khác chúng chứa các địa chỉ khối dữ liệu của tập tin, 3 con trỏ tiếp theo chỉ các khối gián tiếp

Các Inode được phân biệt nhau theo chỉ số của inode: đó chính là số thứ tự của inode trong danh sách inode trên hệ thống file Thông thường, hệ thống dùng 2 bytes để lưu trữ chỉ số của inode Với cách lưu trữ như thế, không có nhiều hơn

65535 inode trong 1 hệ thống file

Một Inode bao gồm các trường thông tin sau:

+ Kiểu file: file thông thường, thư mục, đặc tả kí tự, đặc tả khối

+ Quyền truy cập file: mức chủ của file, mức nhóm người dùng của chủ nhân của file và mức người dùng khác

+ Số lượng liên kết đối với inode

+ Định danh nhóm chủ nhân

+ Bảng địa chỉ chứa các địa chỉ khối nhớ chứa nội dung file

Vùng dữ liệu

Vùng dữ liệu bao gồm các khối dữ liệu, mỗi khối dữ liệu được đánh chỉ số để phân biệt Khối trên vùng dữ liệu được dùng để chứa nội dung các file, nội dung các thư mục và nội dung các khối định vị địa chỉ của các file

III.2 Quản lý các tiến trình

Tiến trình được hiểu như là một chương trình hay đoạn chương trình đang

trong quá trình thực hiện

Các tiến trình được định danh bởi các bộ định danh tiến trình của chúng, đó là các giá trị nguyên Ta có thể tạo ra các tiến trình mới bằng cách sử dụng lời gọi hệ thống fork

Tiến trình mới này được cấu tạo từ một bản sao vùng địa chỉ của tiến trình gốc cùng chương trình và số liệu dành riêng Cả hai tiến trình cha và con này tiếp tục việc thực hiện của mình với lệnh kề liền sau fork Ta cần lưu ý rằng, chỉ có một điểm khác nhau là mã trả về cho fork là 0 cho tiến trình mới (tiến trình con), trong khi đó bộ định danh cho tiến trình (khác 0) của tiến trình con được gửi cho tiến trình cha

Một tiến trình có thể kết thúc bằng cách sử dụng lời gọi hệ thống exit và tiến trình cha của nó có thể chờ sự kiện này bằng cách sử dụng lời gọi hệ thống wait

Nếu tiến trình con rơi vào trạng thái sự cố thì hệ thống mô phỏng lời gọi exit Lời gọi hệ thống wait cung cấp bộ định danh của 1 trong các tiến trình con được kết thúc để tiến trình cha có thể nói điều đó (tiến trình kết thúc) với tất cả các tiến trình con, tương đối nhiều về số lượng, đã kết thúc

Một cách đơn giản nhất để liên lạc giữa các tiến trình là chuyển qua ống (tube) bằng cách thành lập nó trước fork, do vậy mức cuối cùng của nó thành lập giữa fork và execve Một ống được hiểu là hàng đợi bao gồm các ô nhớ giữa hai tiến trình Ta truy cập vào ống thông qua bộ mô tả tập tin, như là một tập tin bình thường Một tiến trình ghi vào ống, còn tiến trình kia thì đọc ống Kích cỡ của hệ thống các ống ban đầu đã được quy định bởi hệ điều hành Việc đọc một ống rỗng hay một ống đầy dẫn đến chặn tiến trình cho đến khi thay đổi trạng thái ống Ta cần một sự dàn xếp đặc biệt đặt một ống giữa cha và con theo kiểu chỉ có một duy nhất đọc và một duy nhất ghi

Tất cả các tiến trình NSD đều là con cháu của một tiến trình ban đầu nào đó gọi là tiến trình khởi tạo (init) Tiến trình khởi tạo có bộ định danh tiến trình 1 Mỗi một cổng của thiết bị cuối cho việc sử dụng tương tác đều có một tiến trình getty được tạo ra bởi init

Vấn đề biểu diễn các tiến trình là một vấn đề quan trọng của công tác thiết kế chính của các hệ điều hành Hệ điều hành Unix có đặc điểm là dễ dàng tạo ra và

xử lý nhiều tiến trình Các tiến trình được biểu diễn trong Unix bằng nhiều khối kiểm soát tiến trình Không tồn tại bất kỳ khối kiểm soát tiến trình nào của hệ có thể truy cập vào vùng không gian địa chỉ ảo của một tiến trình NSD Các khối kiểm soát phối hợp với một tiến trình được lưu trữ trong hạt nhân Hạt nhân sử dụng thông tin trong các khối kiểm soát này để điều khiển các tiến trình và scheduling của CPU

Khối kiểm soát tiến trình chịu trách nhiệm đồng bộ hoá sự tương tác liên tiến trình, quản lý bộ nhớ và lập lịch thực hiện đối với các tiến trình đang tồn tại

Tiến trình trên hệ phân tán

Có nhiều công việc được tiến hành bằng những tiến trình riêng lẻ nhưng cũng

có khá nhiều công việc đòi hỏi ta phải thực hiện bằng liên tiến trình

Sự trao đổi mang tính chất liên tiến vốn không phải là truyền thống mạnh của

hệ điều hành UNIX Trước đây, tuyệt đại bộ phận các phiên bản của hệ điều hành đều không đưa ra chiến lược sử dụng bộ nhớ chia sẻ được Solais 2 cung cấp bộ nhớ chia sẻ được và tạo nên phiên bản mới của hệ

Socket

Ống là cơ chế liên lạc tiến trình rất đặc trung của hệ điều hành Unix và cho

phép trao đổi các luồng thông tin một chiều và khá ổn định giữa 2 tiến trình Nó được xem là một tập tin và có các đặc điểm sau:

- Không có tên trong hệ thống quản lý các tập tin

- Kích thước của ống cố định (4.096 ô nhớ)

- Khi có một tiến trình nào đó cố gắng ghi vào một ống đã đầy, ta dùng tiến trình này lại

- Mỗi khi tất cả dữ liệu trong ống đã được đọc hết, việc ghi được bắt đầu ngay

từ đầu của tập tin

- Các ống không phải là các bộ nhớ đệm

- Dữ liệu của ống thường ít ghi xuống đĩa Nó thường được ghi vào cache Trong hệ 4.3 BSD, người ta sử dụng ống như là trường hợp đặc biệt của cơ

chế socket Thông thường, trên cùng một máy , một ống chỉ được sử dụng cho 2 tiến trình liên lạc với nhau thông qua lời gọi hệ thống fork Cơ chế socket còn có

thể áp dụng cho các tiến trình không ở trong tình trạng liên lạc với nhau

III.3 Quản lý bộ nhớ

Hầu hết các phiên bản được phát triển trong thời kỳ đầu của Unix đều được kiểm nghiệm trên hệ thống PDP-11 Toàn bộ các tài nguyên bộ nhớ của hệ thống này không đủ để thử nghiệm, đánh giá và hỗ trợ các thuật toán phức tạp nhằm phục vụ cho việc quản lý bộ nhớ Như vậy, hệ điều hành UNIX phải chuyển vào

bộ nhớ bổ sung các ảnh bộ nhớ của các tiến trình

III.3.1 Cơ chế Swapping

Trước khi có 3.0 BSD, các hệ Unix thường sử dụng swapping có tính chất

ngoại lệ để xử lý xung đột giữa các tiến trình trong khi dùng bộ nhớ Nếu có nhiều xung đột diễn ra thì hệ sẽ sơ tán bớt các tiến trình ra bộ nhớ phụ hay bộ nhớ bổ sung cho đến khi có được vùng nhớ đủ và ở trạng thái sẵn sàng

Một số tiến trình lớn có thể bao gồm nhiều tiến trình nhỏ đang thiếu bộ nhớ và tiến trình có kích cỡ lớn hơn bộ nhớ chính sẽ có nguy cơ là không bao giờ được

thực hiện Việc cung cấp bộ nhớ chính và không gian swap được tiến hành theo

chiến lược đầu tiên tìm thấy

Trong hệ 4.3 BSD, ta cung cấp không gian swap theo từng phần một với kích

cỡ tối thiểu là bội số của 2 và kích cỡ tối đa được xác định trên cơ sở kích cỡ của partition của không gian swap trên đĩa Tất cả các hệ UNIX của Berkeley, về nguyên tắc, lại phụ thuộc vào chiến lược phân trang để điều khiển các xung đột sử dụng bộ nhớ và coi swapping như là một biện pháp thứ yếu

III.3.2 Cơ chế phân trang

Hệ 3.4 BSD là hệ thống làm việc trên cơ sở bộ nhớ ảo được phân thành các trang ngay khi có yêu cầu Việc phân trang khi có yêu cầu được thực hiện một cách trực tiếp Mỗi khi có một tiến trình nào đó được quyền sử dụng một trang và trang đó lại không tìm thấy trong bộ nhớ chính, thì nó tự phát sinh một trang ngầm định cho hạt nhân, lúc này ta cung cấp một khung của trang bộ nhớ chính và tại đó

ta đặt trang đĩa thích hợp

KẾT LUẬN

Hệ điều hành Unix là hệ đa chương trình và quản lý việc chia sẻ tài nguyên Khi hoạt động, các chương trình có thể tạo ra các tiến trình theo nhu cầu bởi lời gọi hệ thống có sẵn Các tiến trình có thể liên lạc với các ống hoặc thường với socket Người ta có thể nhóm chúng lại theo những nhóm nhất định và được điều khiển bằng các tín hiệu

Trong quá trình vận dụng lý thuyết hệ tin học phân tán vào công tác thiết kế

hệ, người ta chú trọng đến :

- Sự đồng bộ hóa giữa các hoạt động của tiến trình, đặc biệt là quan hệ giữa tiến trình cha và tiến trình con

- Sử dụng cơ chế trao đổi qua hộp thư bằng các thông điệp ngắn

- Vấn đề đề phòng các sự cố và phương pháp phục hồi các thông tin sau

sự cố

Các nhà thiết kế hệ hệ điều hành Unix đã cố gắng trong việc vận dụng lý thuyết phân tầng trên cơ sở tham chiếu mô hình cơ sở ISO để tăng khả năng huy động ngày càng nhiều các chuyên gia phần mềm tham gia phát triển hệ

Cuối cùng, hệ điều hành Unix là hệ hỗ trợ có hiệu quả cho người sử dụng và các nhà cung cấp dịch vụ thông tin trên mạng toàn cầu Internet

Chương 2

BẾ TẮC TRONG HỆ PHÂN TÁN

1 Một số khái niệm

Trong chương này, sẽ đề cập cách giải quyết các vấn đề đặt ra và trình bày các giải pháp thể hiện dưới dạng các giải thuật riêng cho hệ phân tán

Trong hệ phân tán, thông thường người ta hay sử dụng khái niệm giao

dịch như là thực thể sử dụng các tài nguyên chẳng hạn

Giao dịch là phép toán hợp thành một logich hoàn chỉnh mà việc triển khai

nó có thể dẫn đến thực hiện một tiến trình duy nhất hay nhiều tiến trình được định

vị trên các trạm khác nhau.Trường hợp dẫn đến thực hiện nhiều tiến trình trên các trạm ở xa là đối tượng mà ta cần phải quan tâm nghiên cứu trong chương này

Một tiến trình nào đó cần sử dụng tài nguyên để phát triển công việc của

mình phải yêu cầu bộ cung cấp một cách hợp thức bằng cách gửi thông điệp yêu

cầu Như thế, rõ ràng là một tiến trình có nhu cầu tài nguyên sẽ bị treo chừng nào

tài nguyên đó còn chưa được giải phóng hay chưa được cung cấp cho nó

Bộ cung cấp có thể áp dụng nhiều kiểu cung cấp khác nhau như tiến trình duy nhất, tập hợp các tiến trình, tập hợp các thủ tục,… Các thông điệp yêu cầu sử dụng tài nguyên cũng có thể có các dạng khác nhau như gọi thủ tục, thông báo,

thực hiện các lệnh đặc biệt,…

Một yêu cầu được thoả mãn bởi bộ cung cấp tài nguyên cho tiến trình đề nghị với điều kiện là yêu cầu đó phải tuân thủ các quy tắc nhất định

Có hai điều kiện làm cho tiến trình mất khả năng sử dụng tài nguyên đã được cung cấp trước đó Đó là:

STT Tên gọi Điều kiện

1 Giải phóng Tiến trình phát tín hiệu ngừng sử dụng tài nguyên

2 Thu hồi Sự lấy lại tài nguyên đã được cung cấp cho tiến trình

Bộ cung cấp tài nguyên sẽ tiến hành công việc này Trong hệ, hoạt động của một tập hợp các tiến trình trên một tập hợp các tài nguyên dùng chung được xem là tuyệt vời, nếu không để xảy ra bế tắc và thiếu thốn tài nguyên vĩnh viễn