Das verteilte Betriebssystem ist ein spezielles Betriebssystem, bei dem es sich im Wesentlichen um ein Betriebssystem für mehrere Maschinen handelt und die Weiterentwicklung und Erweiterung des herkömmlichen eigenständigen Betriebssystems darstellt. Es unterteilt ein Computersystem in mehrere unabhängige Recheneinheiten (oder auch Knoten genannt). Diese Knoten werden auf jedem Computer bereitgestellt und dann über das Netzwerk verbunden, um einen kontinuierlichen Kommunikationsstatus aufrechtzuerhalten. In einem verteilten Betriebssystem kann jeder Knoten wie ein eigenständiges Betriebssystem unabhängig lokale Rechenaufgaben ausführen oder miteinander kombiniert werden, um größere Rechenaufgaben auf verteilte und koordinierte parallele Weise auszuführen. Dadurch erhalten Benutzer eine stärkere Rechenleistung, höhere Skalierbarkeit und redundante Fehlertoleranz.
In diesem Artikel wird das verteilte Betriebssystem LAXCUS als Beispiel verwendet, um das Konzept, die Eigenschaften und warum wir es benötigen, zu diskutieren.
1. Das Konzept des verteilten Betriebssystems
Ein verteiltes Betriebssystem unterteilt ein Computersystem in mehrere unabhängige Recheneinheiten (oder auch Knoten genannt). Diese Knoten werden auf jedem Computer bereitgestellt, sind über ein Netzwerk verbunden und behalten einen kontinuierlichen Kommunikationsstatus bei. In einem verteilten Betriebssystem kann jeder Knoten wie ein eigenständiges Betriebssystem unabhängig lokale Rechenaufgaben ausführen oder miteinander kombiniert werden, um größere Rechenaufgaben auf verteilte und koordinierte parallele Weise auszuführen. Dadurch erhalten Benutzer eine stärkere Rechenleistung, höhere Skalierbarkeit und redundante Fehlertoleranz. Das verteilte Betriebssystem soll außerdem die Flexibilität, Verfügbarkeit, Verwaltbarkeit und elastische Skalierbarkeit der Systemverteilung gewährleisten
Zweitens die Eigenschaften verteilter Betriebssysteme
Ein verteiltes Allzweck-Betriebssystem sollte die folgenden grundlegenden Merkmale aufweisen:
Modularität: Das verteilte Betriebssystem übernimmt eine modulare Designidee, die das System in mehrere Funktionsmodule unterteilt, und jedes Modul ist für die Erledigung einer bestimmten Aufgabe verantwortlich. Dieses Design erleichtert die Wartung und Aktualisierung des Systems.
Parallelverarbeitung: Verteilte Betriebssysteme unterstützen mehrere Parallelverarbeitungsmodelle, z. B. das Shared-Memory-Modell, das Message-Passing-Modell und das Client/Server-Modell. Diese Modelle können die Leistung von Multi-Core-Prozessoren voll ausnutzen und die Verarbeitungskapazität des Systems verbessern. Wird der Client/Server weiter erweitert und kombiniert, entsteht ein neuartiges Client/Cluster-Modell. Dies ist der grundlegende Grund, warum verteilte Betriebssysteme leistungsstarke Rechenfunktionen bereitstellen können.
Fehlertoleranz: Das verteilte Betriebssystem verfügt über eine hohe Fehlertoleranz und kann automatisch wiederhergestellt werden, wenn ein Knoten ausfällt. Dies hängt hauptsächlich vom redundanten Design sowie dem Fehlererkennungs- und Diagnosemechanismus im verteilten System ab.
Datenkonsistenz: Verteilte Betriebssysteme müssen die Datenkonsistenz zwischen Knoten gewährleisten. Dies wird normalerweise durch den Einsatz von Techniken wie Transaktionen, Sperren und Koordinatoren erreicht.
Ressourcenverwaltung: Verteilte Betriebssysteme müssen die Hardwareressourcen im System, einschließlich Speicher, Festplattenspeicher und CPU-Zeit, effektiv verwalten. Dies wird normalerweise durch den Einsatz von Techniken wie Ressourcenplanungsalgorithmen und Prioritätsplanungsrichtlinien erreicht.
Nehmen wir als Beispiel das verteilte Betriebssystem LAXCUS, um dies kurz zu erläutern.
Bezugnehmend auf die obige Abbildung ist das System im verteilten LAXCUS-Betriebssystem in drei Dimensionen unterteilt: die Kernschicht, die Geschäftsschicht und die aufrufende Schicht. Die Kernschicht besteht aus einem lokalen Kern und einem verteilten Framework. Der lokale Kern umfasst einen lokalen Kernel und eine lokale Shell. Seine Designidee ähnelt Unix/Linux. Der Unterschied liegt im verteilten Framework, das eine wichtige Technologie von ist LAXCUS verteiltes Betriebssystem. Innovation: Aufgrund seiner Existenz kann LAXCUS als „verteiltes Betriebssystem“ bezeichnet werden, das ein Multimode-Kommunikationsnetzwerk, eine lose gekoppelte Architektur und eine verteilte Shell umfasst. Unter anderem akzeptiert die verteilte Shell die verteilten Anweisungen des Benutzers (Benutzeranweisungen und Systemplanungsanweisungen) und analysiert diese verteilten Anweisungen. Die lose gekoppelte Architektur von LAXCUS ist eine wichtige technologische Innovation. Sie wurde in früheren Artikeln vorgestellt, z. B. Parallelverarbeitungsfunktionen, fehlertolerante Verarbeitungsfunktionen, Datenkonsistenz, Ressourcenverwaltungsfunktionen und Planungsfunktionen. Die Kombination dieser Technologien kann zu Ergebnissen führen Der verteilte kollaborative Betrieb mehrerer Maschinen wird möglich. Eine detailliertere Einführung in die lose gekoppelte Architektur des verteilten Betriebssystems LAXCUS finden Sie in den entsprechenden Artikeln, die hier nicht wiederholt werden. Ein Multimode-Kommunikationsnetzwerk ist eine Kombination verschiedener Netzwerkkommunikationstechnologien, von denen die wichtigste eine MASSIVE-MIMO-Technologie ist, die 5G-Netzwerken ähnelt. Aufgrund ihrer Existenz basieren groß angelegte Kommunikation und ultragroße Kommunikation auf physischen Netzwerken realisiert werden kann. Die Realisierung ist auch eine der zentralen Grundfunktionen des verteilten Betriebssystems LAXCUS.
Lassen Sie uns den laufenden Prozess des verteilten Betriebssystems LAXCUS simulieren.
Im verteilten Betriebssystem LAXCUS ist der Client-Computer ein grafischer Desktop, auf dem verschiedene Anwendungssoftware ausgeführt wird. Diese Anwendungssoftware liegt in Form einer grafischen Oberfläche oder eines Zeichenfelds vor. Im Gegensatz zur Anwendungssoftware des eigenständigen Betriebssystems, die nur lokal läuft, ist die verteilte Anwendungssoftware von LAXCUS nicht nur mit dem lokalen Betrieb kompatibel, sondern läuft vor allem verteilt auf mehreren Computern im Computercluster parallel und gewährleistet so leistungsstarke Verarbeitungsmöglichkeiten.
Von der verteilten LAXCUS-Anwendungssoftware wird eine verteilte Anweisung gesendet, über die aufrufende Schicht und die Geschäftsschicht an die Kernschicht weitergeleitet, entkoppelt, in mehrere parallele Computeranweisungen aufgeteilt und zur Verarbeitung an das Multimode-Kommunikationsnetzwerk übergeben. Das Multimode-Kommunikationsnetzwerk überträgt jede parallele Anweisung an den entsprechenden Computerknoten, und die lokale Shell auf dem Knoten analysiert sie und übergibt sie zur Verarbeitung an den Systemkernel. Nach Abschluss der Verarbeitung wird sie aggregiert und gemäß dem ursprünglichen Pfad zurückgegeben , wodurch eine verteilte Computerarbeit abgeschlossen wird.
3. Warum brauchen wir ein verteiltes Betriebssystem?
Einfach ausgedrückt: Die Zeiten haben sich geändert.
Wenn wir auf die Geschichte zurückblicken, können wir erkennen, dass alles auf der Welt ein Prozess von Einfachheit zu Komplexität ist. Auch das Betriebssystem folgt dieser Regel, beispielsweise das frühe IBM 0S360-System und später UNIX, DOS, Windows, Macintosh, Linux, IOS und Android. Mit Ausnahme eines kleinen Teils dieser Betriebssysteme, bei denen es sich um Serversysteme handelt, sind die meisten davon persönliche Systeme, aber im Wesentlichen sind sie alle eigenständige Betriebssysteme. Vor dreißig Jahren waren unsere Anforderungen an Computer WORD, EXCEL, PPT, Musik und Video, die von normalen PCs und Mobiltelefonen erfüllt werden können. Dreißig Jahre später sind unsere Anforderungen an Computer Big Data, Cloud Computing, künstliche Intelligenz, groß angelegte ChatGPT, Hyperschall-Luftströmung und Kernfusionssimulation. Diese Aufgaben erfordern enorme Rechenressourcen, und Personalcomputer sind nicht mehr kompetent. Die unterste Schicht beginnt mit der Bereitstellung umfangreicher Basisrechner für Anwendungsdienste, was der Hauptgrund für die Entstehung verteilter Betriebssysteme ist. Wenn Sie sich auf das Bellsche Gesetz beziehen: „Etwa alle 10 Jahre oder so wird ein neuer Betriebssystemtyp auf der Welt erscheinen.“ Schlussfolgerung. Mit der Entwicklung der Zeit und den Veränderungen der Geschäftsanforderungen ist nun die Entstehung eines neuen Typs von Betriebssystemen unvermeidlich geworden: die Ära der verteilten Betriebssysteme.
Derzeit benötigen wir ein verteiltes Betriebssystem hauptsächlich aus folgenden Gründen:
Verbesserung der Leistung: Ein verteiltes Betriebssystem kann Rechenaufgaben zur Ausführung auf mehrere Knoten verteilen und dadurch die Verarbeitungskapazität des Systems verbessern. Insbesondere in den Bereichen der Datenverarbeitung im großen Maßstab und des Hochleistungsrechnens liegen die Vorteile verteilter Betriebssysteme deutlicher auf der Hand.
Verbessern Sie die Skalierbarkeit: Das verteilte Betriebssystem kann Knoten je nach Bedarf dynamisch vergrößern oder verkleinern, um den Erweiterungsanforderungen des Systems gerecht zu werden. Dadurch wird das System flexibler und kann sich an wechselnde Arbeitslasten anpassen.
Verbessern Sie die Fehlertoleranz: Das verteilte Betriebssystem verfügt über eine hohe Fehlertoleranz und kann automatisch wiederhergestellt werden, wenn ein Knoten ausfällt. Dies ist für geschäftskritische Systeme sehr wichtig und kann den stabilen Betrieb des Systems gewährleisten.
Verbessern Sie die Ressourcennutzung: Verteilte Betriebssysteme können Hardwareressourcen im System durch Ressourcenplanungs- und Verwaltungstechnologien effektiv nutzen, um Ressourcenverschwendung zu vermeiden. Dies trägt dazu bei, die Systemkosten zu senken und die Kapitalrendite zu steigern.
Förderung technologischer Innovationen: Die Entwicklung verteilter Betriebssysteme hat technologische Innovationen im Bereich der Informatik gefördert. Viele neue Technologien und Methoden wie Cloud Computing, Big Data und künstliche Intelligenz werden auf Basis verteilter Betriebssysteme entwickelt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das verteilte Betriebssystem eine Computertechnologie mit breiten Anwendungsaussichten ist. Mit der Entwicklung des Internets, des Internets der Dinge, von Big Data, künstlicher Intelligenz und anderen Bereichen wird die Nachfrage nach leistungsstarken, hochverfügbaren und skalierbaren Computersystemen immer dringlicher, und verteilte Betriebssysteme werden ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Computersysteme.