Операционные системы1 Операционные среды, системы и оболочки Тема 5. Распределенные операционные системы и среды Автор : доктор технических наук, профессор. - презентация

1 Операционные системы1 Операционные среды, системы и оболочки Тема 5. Распределенные операционные системы и среды Автор : доктор технических наук, профессор Назаров С.В.

2 Операционные системы2 5. Распределенные операционные системы и среды 5.1. Недостатки сосредоточенных и изолированных систем 5.2. Понятие компьютерной сети. Преимущества объединения 5.3. Терминология компьютерных сетей 5.4. Сетевые и распределенные операционные системы 5.5. Сетевые службы и сетевые сервисы 5.6. Одноранговые и серверные операционные системы 5.7. Служба каталогов сетевых серверных ОС Понятие службы каталогов Архитектура Active Directory Контроллеры домена Управление объектами Active Directory

3 Операционные системы Концепции распределенной обработки в сетевых ОС Модели распределенных приложений Передача сообщений в распределенных системах Вызов удаленных процедур Сетевые файловые системы

4 Операционные системы4 Литература: Л1 стр. 39 – 52, 380 – 427; Л2 стр. 651 – 669; Л3 стр. 217 – 226.

5 Операционные системы Недостатки сосредоточенных и изолированных систем Мэйнфреймы как достижение технической мысли (60 – 80 гг.): 1) высокая производительность и точность вычислений; 2) универсальный режим работы; 3) обслуживание больших коллективов пользователей; 4) возможность удаленного доступа. Недостатки: 1) большая стоимость; 2) опасность универсального краха системы; 3)Необходимость высококвалифицированного обслуживающего персонала большой численности Система изолированных персональных компьютеров: 1) повышение отказоустойчивости; 2) распределенный вычислительный потенциал у каждого пользователя, 3) высокое удобство индивидуальной работы. Недостатки: 1) проблема обмена информацией; 2) неудобства в организации коллективной работы; 3) дополнительные затраты труда; 4) высокая стоимость организации использования периферийных устройств.

6 Операционные системы Понятие компьютерной сети. Преимущества объединения Компьютерная сеть – это два или более компьютеров, связанных коммуникационной системой и программным обеспечением, позволяющим пользователям получать доступ к ресурсам этих компьютеров. Преимущества объединения: 1. Совместное использование дорогостоящих устройств ввода-вывода (цветные принтеры, плоттеры, цифровые камеры и т. п. 2. Совместное использование устройств хранения информации. 3. Совместное использование модемов и подключений к Интернет. 4. Совместное использование файлов данных и приложений. 5. Возможность организации электронной почты и аудио- и видеоконференций. 6. Упрощение и удешевление технического обслуживания, модернизации, замены и установки программного обеспечения.

7 Операционные системы Терминология компьютерных сетей 1. Физическая топология сети

8 Операционные системы8 2. Логическая топология сети определяет путь прохождения сигналов от одного компьютера к другому. Логическая топология тесно связана с физической, но не всегда ее повторяет. 3. Область действия сети: локальные сети, территориальные, корпоративные (частные виртуальные сети), национальные, глобальные. 4. Компьютеры сети Серверы – компьютеры, предоставляющие свои ресурсы (данные, программное обеспечение, периферийное оборудование, услуги – печать, электронная почта и др.) пользователям сети. В больших сетях серверы специализируются, т.е. выполняют одну определенную функцию. Виды серверов: файловые серверы, серверы печати, серверы приложений, регистрационные серверы (контроллеры доменов), интернет-серверы (WEB-серверы), почтовые серверы, терминальные серверы, серверы удаленного доступа, прокси-серверы, факс-серверы, кластерные серверы

9 Операционные системы9 Клиенты сети – компьютеры и другие сетевые устройства (например, принтеры), имеющие доступ к ресурсам сети, также программы, имеющие доступ к программам сервера. Чаще всего клиент – компьютер пользователя сети. Клиенты-компьютеры могут быть тонкими и толстыми клиентами. Рабочая станция Рабочая станция: 1. Клиентский (пользовательский) компьютер, на котором установлена клиентская операционная система. 2. Высокопроизводительный компьютер, интенсивно использующий локальные и сетевые ресурсы. Хост – компьютер или другое устройство сети, имеющее IP-адрес. Узел – точка соединения в сети – компьютер или другое устройство, предназначенное для распознавания и обработки запросов на передачу информации другим узлам сети. 5. Клиенты, рабочие станции, хосты, узлы

10 Операционные системы10 6. Сетевая коммуникационная аппаратура Простые соединительные устройства – разъемы для подключения коаксиальных кабелей (BNC T- разъемы и цилиндрические), телефонных линий (RJ- 11), витой пары (RJ-45), разъемы волоконно-оптических кабелей, коммутационные панели и пассивные концентраторы. Сложные соединительные устройства – преобразователи (для соединения витой пары с волоконно-оптическим кабелем), повторители (для соединения сегментов сети), активные концентраторы (многопортовые повторители). Устройства сегментации и создания подсетей : мосты – компьютеры или специализированные устройства, объединяющие два сегмента сети (фильтрация данных на основе MAC-адресов); маршрутизаторы - компьютеры или специализированные устройства для соединения отдельных сетей (на основе IP –адресов); коммутаторы, работающие на различных уровнях модели OSI.

11 Операционные системы11 Модель OSI (Open System Interconnection)

12 Операционные системы12 Модель OSI (Open System Interconnection) Модель OSI состоит из семи уровней, каждый из которых представляет собой определенный этап процесса сетевой коммуникации. Каждый уровень выполняет определенную задачу процесса коммуникации, а затем передает данные вверх или вниз на следующий уровень. Прикладной уровень обеспечивает взаимодействие между пользовательским приложением и сетью: FTP, Telnet, SMTP, HTTP (передача гипертекста) и др. Уровень представления (сжатие данных, шифрование, трансляция протоколов). На этом уровне работают шлюзы для соединения различных сетей и Редиректоры – программы, определяющая, чем должен быть обработан запрос – локальным компьютером или устройством сети. Сеансовый уровень – устанавливает и разрывает диалоги приложений разных компьютеров сети в дуплексном или полудуплексном режиме по установленным правилам обмена, обеспечивает безопасность и распознавание имен. Транспортный уровень – обеспечение целостности и последовательности пакетов данных. На этом уровне работает DNS, организуются порты и Сокеты приложений. Сетевой уровень – маршрутизация пакетов. Устройства этого уровня – маршрутизаторы и коммутаторы сетевого уровня. Канальный уровень: MAC – управление доступом к сети (48-разрядный двоичный адрес сетевой карты) и LLC – управление логическими связями (определяет логическую топологию сети). На этом уровне работают мосты и коммутаторы уровня 2 Физический уровень –формирование аналоговых, цифровых, модулированных и других сигналов, синхронная и асинхронная передача и др.

13 Операционные системы13 Коммутаторы – устройства объединения подсетей (сетей) на различных уровнях модели OSI: 1. Коммутатор второго уровня – коммутирующий концентратор – передает пакет только на требуемый порт (к портам подключены компьютеры). 2. Коммутатор второго уровня – сегментный коммутатор, к его портам подключены сегменты сети. 3. Коммутатор третьего уровня (сетевого) является маршрутизатором специального типа. 4. Коммутатор четвертого уровня – использует информацию, содержащуюся в заголовках протоколов TCP и UDP c целью повышения безопасности данных путем фильтрации списка контроля доступа. Маршрутизаторы – устройства объединения подсетей (сетей) с выбором оптимального маршрута передачи пакета данных (используют IP и IPX-адресацию).

14 Операционные системы Сетевые и распределенные операционные системы Сетевая ОС предоставляет пользователю виртуальную вычислительную систему, работать с которой проще, чем с реальной сетевой аппаратурой. В то же время эта виртуальная система не полностью скрывает распределенную природу своего реального прототипа. Термин сетевая операционная система используется в двух значениях: 1. Совокупность взаимодействующих ОС всех компьютеров сети. 2. Операционная система отдельного компьютера, позволяющая ему работать в сети. В идеальном случае сетевая ОС должна предоставлять пользователю сетевые ресурсы в виде ресурсов единой централизованной виртуальной машины. В этом случае сетевая ОС является распределенной ОС. Распределенная операционная система существует как единая ОС в масштабах всей вычислительной системы. Степень автономности каждого компьютера сети, работающего под управлением сетевой ОС, значительно выше по сравнению с компьютерами, работающими под управлением распределенной ОС.

15 Операционные системы15 Средства управления локальными ресурсами Сетевые средства Серверна я часть Клиентская часть Транспортные средства Редиректор МД Принтер МЛ DVD В сеть Сетевая операционная система Сетевые операционные системы Сетевая служба: серверная и клиентская части (сетевые службы)

16 Операционные системы Сетевые службы и сетевые сервисы Совокупность серверной и клиентской частей ОС, предоставляющих доступ к конкретному типу сетевого ресурса, называется сетевой службой. Сетевой сервис – это набор услуг, предоставляемых сетевой службой. Сетевые службы ориентированы на пользователя и администратора сети. Наиболее важными для пользователей сети являются файловая служба и служба печати. Спектр служб может включать: почтовую службу, удаленный терминальный доступ, передачу файлов, видеоконференции и др. К службам, ориентированным на администратора относятся: служба мониторинга сети, служба безопасности, резервного копирования, архивирования и др. Сетевые службы имеют клиент-серверную архитектуру.

17 Операционные системы17 Сетевые службы отдельные продукты (WinFrame – для работы в среде Windows NT, NetWare Connect – для работы в среде NetWare) Встроенные сетевые службы (UNIX, Windows 2000,NetWare) Операционная система Сетевая оболочка (набор сетевых служб) – LAN Manager, LAN Server Операционная система Серверная оболочка Клиентская оболочка ОС: VAX VMS, VM, OS/400, OS/2, AIX 1 2 3

18 Операционные системы18 Одноранговая сеть Локальная часть ККККСССС Транспорт 5.6. Одноранговые и серверные операционные системы

19 Операционные системы19 Сеть с выделенными серверами Сервер Рабочие станции Особенности серверных ОС: поддержка мощных аппаратных платформ, в том числе мультипроцессорных; поддержка большого числа одновременно выполняемых процессов и сетевых соединений; включение в состав ОС компонентов централизованного администрирования сети (например, службы аутентификации и авторизации пользователей сети); более широкий набор сетевых служб. Рабочие станции

20 Операционные системы Служба каталогов сетевых серверных ОС Понятие службы каталогов Служба каталогов (Directory Services) представляет собой базу данных и совокупность служб для именования, хранения и выборки информации в распределенной среде, доступных клиентам и администраторам этой среды. Причины, требующие в сети централизованной базы справочной информации: 1. Появление корпоративных информационных систем. Усложнение задач управления пользователями. Централизованное хранение учетных записей пользователей. 2. Управление сетевыми ресурсами, прозрачность доступа к сетевым ресурсам. 3. Управление сетью на основе БД о топологии сети и характеристик ее компонентов. 4. Организация управления распределенными приложениями. 5. Предоставление справочной информации для работы сетевых служб и сервисов. 6. Управления качеством обслуживания сетевого трафика. Примеры реализации службы каталогов : Novell Directory Service, Banyan Street Talk, Microsoft windows NT Directory Service, X500 (Consultative Committee for International Telephone and Telegraph, CCITT совместно с ISO). Способы реализации: 1. Локальные базы справочных служб узкого (специализированного) назначения. 2. Единая централизованная справочная служба на основе распределенной базы данных

21 Операционные системы21 Рабочая группа Локальная БД Windows 2000 Server Windows 2000 Professional Достоинства: простота, не требуется Windows Server, удобство при небольшом количестве компьютеров при наличии опытных пользователей. Репликация Контроллер домена Клиентский компьютер Рядовой сервер Службы Active Directory Домен Достоинства: централизованное администрирование, однократный вход в систему, удобство работы, обеспечивают масштабирование. Служба каталога использует два типа сетей

22 Операционные системы Архитектура Active Directory Возможности, предоставляемые службой каталогов: - централизованное управление всеми корпоративными ресурсами; - масштабируемость – способность охватывать домены, деревья, леса доменов; - расширяемость каталога c возможностью добавления новых классов объектов; - интеграция с DNS – автоматическое преобразование доменных имен в IP-адреса; - администрирование с использованием групповых политик; - единая регистрация в сети, доступ к ресурсам независимо от их расположения в сети; - безопасность информации, достигаемая централизованной защитой сети; - гибкость изменений в структуре каталога в соответствии с изменениями в структуре предприятия; - репликация информации по схеме со многими ведущими. Технологии, положенные в основу архитектуры Active Directory: 1. Стандарты X500 и X509, определяющие информационную модель данных, синтаксис и формат цифровых сертификатов, используемых для аутентификации пользователей. 2. Стандартный протокол доступа к каталогам LDAP (Lightweight Directory Access Protocol). 3. Стек протоколов TCP/IP, являющийся основным в сетях масштаба корпорации. 4. Служба DNS, используемая для разрешения доменных имен в IP-адреса. 5.Протокол динамической конфигурации клиента DHCP. 6. Система Kerberos – протокол аутентификации пользователей.

23 Операционные системы23 Общий глобальный каталог microsoft.com product.microsoft.com dev.microsoft.com Доверяет Дерево доменов Деревья различают по : - иерархии доменов; - непрерывности пространства имен; - доверительным отношениям между доменами; - общей схеме; - способности отображать любой объект в списке глобального каталога. Пространство имен – набор правил именования, обеспечивающих иерархическую структуру, или путь в дереве. По стандартам DNS имя дочернего домена дополняется именем родительского. clerc1.dev.microsoft.com clerc2.dev.microsoft.com

24 Операционные системы24 Общий глобальный каталог microsoft.com seattle.microsoft.com miami.microsoft.com msnbc.com ns.msnbc.comms.msnbc.com доверие Лес доменов Леса различаются по: - одному или более набору деревьев; - несвязанному пространству имен между деревьями; - доверительным отношениям между этими деревьями; - общей схеме; - способности отображать любой объект в списке глобального каталога. доверие Доверительные отношения: - односторонние (явное доверие); - двусторонние - транзитивные (полное доверие).

25 Операционные системы Контроллеры домена и сайты DNS - сервер LDAP - сервер Рабочая станция 1. Поиск контроллера домена через DNS 2. Адрес контроллера домена 3. Доступ к данным каталога при помощи LDAP 4. Данные каталога Контроллер домена Хранилище данных (data stores) - файл NTDS.DIT и глобальные каталоги (global catalogs) NTDS.DIT СОДЕРЖИТ: 1. Данные домена – информация об объектах домена (учетные записи, общие ресурсы, ОП, групповые политики). 2. Данные конфигурации (топология каталога, список лесов, деревьев, контроллеров и серверов ГК). 3. Данные схемы - информация об объектах и типов данных, которые могут храниться в каталоге.

26 Операционные системы Концепции распределенной обработки в сетевых ОС Типовые функциональные части приложений: 1.Средства представления данных на экране (графический пользовательский интерфейс). 2.Логика представления данных на экране – описание правил и возможностей сценариев взаимодействия пользователя с приложением. 3.Прикладная логика – набор правил для принятия решения, вычислительные процедуры и операции. 4.Логика данных – операции с данными, хранящимися в базе данных, которые нужно выполнить для реализации прикладной логики. 5.Внутренние операции базы данных – действия СУБД в ответ на запросы логики данных (поиск записей по определенным признакам). 6.Файловые операции – стандартные операции над файлами и файловой системой.

27 Операционные системы27 Компьютер 1 Эмуляция терминала сервера Тонкий клиент (thin client) Логика приложения и обращения к базе данных Операции базы данных Файловые операции Сервер баз данных Компьютер 2 Компьютер 1 Интерфейс пользователя Логика приложения и обращения к базе данных Файловые операции Компьютер 2 Операции базы данных Толстый клиент (thick client)Сервер файлов Двухзвенные схемы Недостаточная масштабируемость и отсутствие отказоустойчивости, ограничение количества клиентов, простота обновления приложений. 2. Хорошая масштабируемость, рост сетевой нагрузки, необходимость обновления приложений на всех клиентских компьютерах Модели распределенных приложений

28 Операционные системы28 Интерфейс пользователя Логика приложения и обращения к базе данных 3. Операции базы данных Файловые операции Компьютер 1 Компьютер 2 Клиент Сервер 3. Оптимальное использование сильных сторон сервера и клиента Трехзвенные схемы Интерфейс пользователя Логика приложения и обращения к базе данных Операции базы данных Файловые операции Компьютер 1Компьютер 2Компьютер 3 Тонкий клиентСервер приложенийСервер баз данных Трехзвенная схема применяется для централизованной реализации в сети общих для распределенных приложений функций, отличных от файлового сервиса и управления базами данных. Программные модули, выполняющие эти функции,относятся к к классу middleware (промежуточному слою). Цель – позволить приложению (клиенту) получить доступ к различным серверным сервисам, не беспокоясь о различиях между серверами.

29 Операционные системы Передача сообщений в распределенных системах Межпроцессное взаимодействие в компьютерных системах осуществляется: 1) совместным использованием данных, помещенных в разделяемую память; 2) передачей данных в виде сообщений. Сообщение – это блок информации, отформатированный процессом-отправителем таким образом, чтобы он был понятен процессу-получателю. Сообщение состоит из заголовка (обычно фиксированной длины) и набора данных определенного типа переменной длины. Заголовок содержит: адреса процесса-отправителя и процесса-получателя и идентификатор сообщения (последовательный номер). Набор данных содержит: 1) поле типа данных, указывающего, какие данные передаются; 2) поле длины данных, определяющее длину передаваемых данных; 3) поле данных, содержащее передаваемые данные. Передачей сообщений в распределенных системах управляет транспортная подсистема сетевой операционной системы.

30 Операционные системы30 Компьютер 1 Приложение SendReceive TCP/UDP IP Ethernet Сетевой адаптер Подсистема передачи сообщений Компьютер 2 Способы реализации: внутренние процедуры ядра, системные вызовы, блокирующие или неблокирующие примитивы Подсистема передачи сообщений

31 Операционные системы31 Выполнение процесса- отправителя Send; приостановка выполнения Выполнение процесса- получателя Receive; приостановка выполнения Сообщение Возобновление выполнения Подтверждение Синхронное взаимодействие с помощью блокирующих примитивов Send и Receive. Достоинства – простота, надежность, необходимость только 1-го буфера. Недостатки – ограниченный параллелизм, возможность клинчей. Выполнение процесса- отправителя Сообщение Тест – результат отрицательный Тест – результат положит. Выполнение процесса- получателя Асинхронное взаимодействие с помощью неблокирующих примитивов Send и Receive. Достоинства – производительность. Недостатки: сложность, необходимость в большом буфере, возможность потерь данных, необходимость в управлении потоком данных. Тайм-аут для исключения блокировок процессов Подтверждение

32 Операционные системы Вызов удаленных процедур Вызов удаленных процедур (RPC) позволяет организовать взаимодействие программ в сети, например для организации сетевых распределенных вычислений. 1. Разными (разнесенными в пространстве) адресными полями компьютеров, что создает проблемы в передаче параметров и результатов, особенно если машины и ОС не идентичны. 2. Отсутствие разделяемой памяти означает, что значения параметров должны копироваться с одной машины на другую. 3. RPC использует нижележащую систему обмена сообщениями, однако это не должно быть явно видно ни в определении процедур, ни в самих процедурах. 4. В реализации RPC участвует как минимум два процесса, аварийное завершение любого из них может привести к проблемам. 5. Неоднородность языков программирования и операционных сред. Сложность реализации RPC по сравнению с вызовом локальных процедур обусловлена: Характерными чертами RPC являются: асимметричность (одна из сторон является инициатором взаимодействия), синхронность (выполнение вызывающей процедуры блокируется с момента выдачи запроса и возобновляется только после возврата из вызываемой процедуры).

33 Операционные системы33 Компьютер-клиентКомпьютер-сервер Процесс-клиент ReturnCall Return Процедура RPC Выполнение Клиентский стаб Распаковка параметров Упаковка параметров Серверный стаб Распаковка параметров Упаковка параметров Ядро ОС RPC Runtime Подсистема обмена сообщениями Receive Send Сообщение-вызов Сообщение-ответ Механизм RPC достигает прозрачности за счет использования клиентского и серверного стаба, организующих передачу параметров и возврат значения процедуры через сеть Сообщение: Имя, параметры Сообщение: Результат

34 Операционные системы Сетевые файловые системы Элементы сетевой файловой системы: 1.Локальные файловые системы. 2.Интерфейсы локальной файловой системы. 3.Серверы сетевой файловой системы. 4.Клиенты сетевой файловой системы (программы, работающие на компьютерах, подключенных к сети). 5.Интерфейс сетевой файловой системы. 6.Протокол клиент-сервер сетевой файловой системы Клиент и сервер сетевой файловой системы взаимодействуют друг с другом по сети по определенному протоколу. В случае совпадения интерфейсов локальной и сетевой файловых систем этот протокол будет достаточно простым (ретрансляция серверу запросов, принятых клиентом от приложения, например, с использованием механизма RPC).

35 Операционные системы35 Приложения Интерфейс сетевой ФС Клиент сетевой ФС Интерфейс сетевой ФС Клиент сетевой ФС Приложения Интерфейс локальной ФС Сервер сетевой ФС Локальная ФС Протокол клиент- сервер сетевой ФС Модель сетевой ФС

36 Операционные системы36 Клиент SMB Клиент NCP Клиент NFS Сервер SMB Сервер NCP Сервер NFS Интерфейс локальной файловой системы Локальная файловая система NTFS Протокол SMB (Server Message Block – MS, Intel, IBM). Работает на прикладном уровне, используя TCP/IP (NetBIOS, NetBEUI), IPX. Протокол NFS (UNIX) NCP – NetWare Control Protocol Доступ к одной локальной файловой системе с помощью нескольких протоколов клиент-сервер NetWare Control Protocol Network File System FAT 1. Отказ сервера сетевой ФС (локальные табл. открытых файлов). 2. Перегрузка сервера СФС (кэширование у клиента). 3. Нарушение целостности СФС (избыточность и репликация). 4. Аутентификация у клиента, авторизация на сервере. Проблемы: RAID-массивы Сообщение с запросом на установление соединения Подтверждение. Команды манипулирования файлами. Приложение