اصول سیستمهای عامل توزیع شده

در طول دو دهه اخیر، حصول پیشرفت در تکنولوژی میکروالکترونیک باعث در دسترس قرار گرفتن پردازنده‌های ارزان و سریع شده است. از سوی دیگر پیشرفت‌های موجود در تکنولوژی ارتباطات باعث به وجود آمدن شبکه‌های سریع تر و به صرفه‌تر شده است. از ترکیب پیشرفت‌ها در این دو میدان از تکنولوژی‌ها تکنولوژی ارزان‌تر و کاراتری به وجود آمده که در آن به جای این که از یک پردازنده خیلی سریع استفاده شود، از چند پردازنده معمولی که به هم متصل شده‌اند استفاده می‌شود.

از نظر معماری، کامپیوترهایی که از چندپردازنده متصل به هم تشکیل شده‌اند اساساً بر دو دسته تقسیم می‌شوند.

1- سیستم‌های جفت شده قوی

2- سیستم‌های جفت شده ضعیف

1- سیستم‌های جفت شده قوی:

در این سیستم‌ها یک حافظه اولیه (فضای آدرس) عمومی وجود دارد که میان همه پردازنده‌ها به اشتراک گذاشته شده است. اگر برای مثال، پردازنده‌ای در محل × از حافظه مقدار 100 را بنویسد هر پردازنده دیگری که بلافاصله از همان آدرس × بخواند مقدار 100 را دریافت خواهد کرد. بنابراین در این سیستم‌ها هر نوع تبادل میان پردازنده‌ها از طریق حافظه مشترک صورت می‌گیرد

سیستم‌های جفت شده ضعیف:

در این معماری پردازنده‌ها حافظه را به اشتراک نمی‌گذارند و هر پردازنده فضای آدرس‌دهی محلی مختص به خود را دارد. برای مثال اگر پردازنده‌های در محل × از حافظه مقدار 100 را بنویسد این عمل فقط محتویات حافظه محلی را عوض خواهد کرد و تاثیری در محتوای حافظه پردازنده های دیگر نخواهد داشت. بنابراین اگر هر پردازنده دیگری از محل× از حافظه را بخواند هرچیزی که قبلاً در آن محلی از حافظه‌ محلی آن بوده به تحویل داده خواهد شد. در این نوع سیستم‌ها هرگونه تبادل میان پردازنده‌ها از طریق شبکه‌ای که پردازنده‌ها را به هم متصل کرده و توسط انتقال پیغام انجام می‌گیرد.

معمولاً به سیستم‌های جفت شده قوی، سیستم‌های پردازش موازی اطلاق می گردد و به سیستم‌های جفت شده ضعیف «سیستم‌های محاسبات توزیع شده» یا به طور ساده‌تر «سیستم‌های توزیع شده» اطلاق می‌شود.

در این مقاله منظور از جمله سیستم توزیع شده» همان سیستم‌های توزیع شده واقعی یا «سیستم‌های محاسبات توزیع شده» است که از سیستم عامل‌های توزیع شده استفاده می‌کنند.

در این مقاله عبارت «سیستم‌های محاسبات توزیع شده» برای سیستم‌های جفت شده ضعیف به کار برده خواهد شد. در مقایسه با سیستم های جفت شده قوی، پردازنده‌های سیستم‌های محاسبات توزیع شده می‌توانند خیلی دور از هم قرار گرفته باشند تاحدی که یک ناحیه جغرافیایی را تحت پوشش قرار دهند. بعلاوه، در سیستم‌های جفت شده قوی، تعداد پردازنده‌هایی که به طور موثر می‌توانند مورد استفاده قرارگیرند مواجه با محدودیت ناشی از پهنای باند حافظه مشترک است، در حالی که در سیستم‌های محاسبات توزیع شده چنین حالتی وجود ندارد و تقریباً به طور کامل آزادی داریم که هر تعداد که دلمان خواست پردازنده داشته باشیم. یعنی محدودیتی در مورد تعداد پردازنده‌ها در «سیستم‌های محاسبات توزیع شده» وجود ندارد.

به طور خلاصه یک سیستم‌ محاسبات توزیع شده اساساً مجموعه‌ای است از پردازنده‌هایی که توسط یک شبکه ارتباطی به هم متصل شده‌اند که هر پردازنده حافظه محلی و دستگاههای جانبی خود را دارد و ارتباط میان هر دو جفت پردازنده از سیستم از طریق عبور پیغام از شبکه ارتباطی صورت می‌گیرد. برای هر پردازنده، منابع آن «محلی» هستند و این در حالی است که پردازنده‌های دیگر و منابع آن‌ها «دور» هستند به پردازنده و منابع آن به طور معمول «گره»، «سایت» یا «ماشین» سیستم عامل توزیع شده اطلاق می‌شود.

سیر تکامل سیستم های عامل توزیع شده

در ابتدا کامپیوترها خیلی گران (در حد میلیون دلار) بودند و جای زیادی را اشغال می کردند (در حد یک اتاق بزرگ) تعداد کمی کامپیوتر وجود داشت و آنها در لابراتوارهای تحقیقاتی دانشگاه‌ها و مراکز صنعتی بود. این کامپیوترها از یک کنسول و بوسیله یک اپراتور قابل استفاده بودند وکاربران عادی نمی‌توانستند از آن استفاده کنند. برنامه نویسان، برنامه‌های خود را می‌نوشتند و آن را روی رسانه‌ی خاصی مثل کارت پانچ شده به مرکز کامپیوتر تحویل می‌دادند تا مورد پردازش قرار گیرند. قبل از پردازش یک برنامه، اپراتور باید محیط لازم برای پردازش را آماده سازی می کرد. این آماده سازی شامل سوار کردن نوارها و بارگذاری کارت‌های پانچ شده در کارت خوان و … بود. برنامه اجرا می‌شود و نتایج اجرای برنامه به صورت پرینت شده به برنامه نویس برگشت داده می‌شد.

آماده سازی کار در کامپیوترهای اولیه یک مشکل اساسی بود و بسیاری از وقت CPU را هدر می‌داد. در سالهای 1950 تا 1960 مفاهیم جدیدی برای بهینه سازی صرف وقت CPU ارائه شده که از میان آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

سیستم عامل

سیستم عامل چیست ؟

سیستم عامل مهمترین برنامه ای است که بر روی یک کامپیوتر اجراء می گردد و امکانات لازم به منظور اجرای هر نوع برنامه دیگر را فراهم می نماید .

سیستم عامل

سیستم عامل (به انگلیسی: Operating System) با حروف اختصاری OS اساسی ترین برنامه سیستمی است که مدیریت کلیه منابع سیستم را به عهده گرفته و زمینه ای را فراهم می سازد که برنامه های کاربردی می توانند بر روی آن نوشته شوند .

پالم (سیستم عامل)

سیستم عامل ‍Palmسیتم عامل palm یک سیستم عامل است که بوسیله palmsource,inc برای دستیار (دستیار دیجیتال شخصی)pda .

تاریخچه برنامه های روی سیستم عامل palm به صورت آیکن نمایش داده می‌‌شوند ،سیستم عامل palm توسط jeff Howkins برای استفاده در pda‌ها بوسیله us roboticsنسخه 1.0 تهیه شده بود برای pilot اصلی 1000,5000 ونسخه 2.0 برای palm pilot شخصی و پیشرفته . با وارد شدن palm III نسخه 3.0 از سیستم عامل با بالا بردن با اومردن درجه و با رهاکردن نسخه های 3.1و3.3و3.5و اضافه کردن پشتیبانی برای رنگ و چندین پورت افزایشی و پردازشگرهای جدید و قابلیتهای زیاددیگر.

دلایل ایجاد سیستم عامل

یک سیستم کامپیوتری پیشرفته از یک یا چند پردازنده ، مقداری حافظه اصلی ، دیسک ها ، چاپگر ها ، صفحه کلید ، صفحه نمایش ، واسط های شبکه ای و دیگر دستگاه های ورودی و خروجی تشکیل شده است . این اجزا در کنار یکدیگر یک سیستم پیچیده را به وجود آورده اند . نوشتن برنامه هایی که تمامی این عناصر را مدیریت کرده و از آنها به طور صحیح ، بهینه و کارآمد استفاده نماید ، کار بسیار مشکلی است . اگر هر برنامه نویس مجبور باشد با مفاهیمی نظیر نحوه کار دستگاه های ورودی خروجی گوناگون آشنا باشد ، بسیاری از برنامه ها هرگز نوشته نخواهد شد . به همین دلیل ، از سالها قبل به وضوح مشخص بود که باید روش هایی یافت که برنامه نویسان را از پیچیدگی های سخت افزار دور نگه دارد . تلاش های گسترده ، منجر به ایجاد یک لایه نرم افزاری روی سخت افزار شد که همه اجزای سیستم را کنترل نموده و کار برنامه نویسان را راحت تر کند . به این لایه نرم افزاری سیستم عامل می گویند.

وظایف سیستم عامل

سیستم عامل دو کار عمده انجام می‌دهد :

در نگرش پایین به بالا ، منابع منطقی ( مانند فایل ها ) و منابع فیزیکی ( مانند دستگاه های سخت افزاری ) رایانه را مدیریت و کنترل می‌کند .

در نگرش بالا به پایین ، وظیفه سیستم عامل این است که یک ماشین توسعه یافته ( Extended Machine ) یا ماشین مجازی ( Virtual Machine ) را به کاربران ارائه کند تا آنها بتوانند آسان تر برنامه نویسی نمایند و درگیر پیچیدگی های سخت افزاری رایانه نشوند .

آشنایی با شبکه های کامپیوتری

یک شبکه شامل مجموعه­ای از دستگاهها (کامپیوتر، چاپگر و ...) بوده که با استفاده از یک روش ارتباطی (کابل، امواج رادیوئی، ماهواره) و به منظور اشتراک منابع فیزیکی (چاپگر) و اشتراک منابع منطقی (فایل) به یکدیگر متصل می­گردند. شبکه­ها می­توانند با یکدیگر نیز مرتبط شده و شامل زیر شبکه­هائی باشند.

تفسیم بندی شبکه ها

شبکه­های کامپیوتری را بر اساس مولفه­های متفاوتی تقسیم بندی می­نمایند. در ادامه به برخی از متداولترین تقسیم­بندی های موجود اشاره می­گردد .

تقسیم بندی بر اساس نوع وظایف

کامپیوترهای موجود در شبکه را با توجه به نوع وظایف مربوطه به دو گروه عمده: سرویس­دهندگان (Servers) و یا سرویس­گیرندگان (Clients) تقسیم می­نمایند. کامپیوترهائی در شبکه که برای سایر کامپیوترها سرویس ها و خدماتی را ارائه می نمایند، سرویس­دهنده نامیده می­گردند. کامپیوترهائی که از خدمات و سرویس­های ارائه شده توسط سرویس­دهندگان استفاده می کنند، سرویس گیرنده نامیده می­شوند. در شبکه­های Client-Server، یک کامپیوتر در شبکه نمی­تواند هم به عنوان سرویس­دهنده و هم به عنوان سرویس­گیرنده، ایفای وظیفه نماید.

در شبکه­های Peer-To-Peer، یک کامپیوتر می­تواند هم بصورت سرویس­دهنده و هم بصورت سرویس­گیرنده ایفای وظیفه نماید.

یک شبکه LAN در ساده ترین حالت از اجزای زیر تشکیل شده است:

• دو کامپیوتر شخصی. یک شبکه می­تواند شامل چند صد کامپیوتر باشد. حداقل یکی از کامپیوترها می­بایست به عنوان سرویس­دهنده مشخص گردد. (در صورتی که شبکه از نوع Client-Server باشد). سرویس­دهنده، کامپیوتری است که هسته اساسی سیستم عامل بر روی آن نصب خواهد شد.
• یک عدد کارت شبکه (NIC) برای هر دستگاه. کارت شبکه نظیر کارت­هائی است که برای مودم و صدا در کامپیوتر استفاده می­گردد. کارت شبکه مسئول دریافت، انتقال، سازماندهی و ذخیره­سازی موقت اطلاعات در طول شبکه است. به منظور انجام وظایف فوق کارت­های شبکه دارای پردازنده، حافظه و گذرگاه اختصاصی خود هستند.

تقسیم بندی بر اساس توپولوژی

الگوی هندسی استفاده شده جهت اتصال کامپیوترها، توپولوژی نامیده می­شود. توپولوژی انتخاب شده برای پیاده­سازی شبکه­ها، عاملی مهم در جهت کشف و برطرف نمودن خطاء در شبکه خواهد بود. انتخاب یک توپولوژی خاص نمی­تواند بدون ارتباط با محیط انتقال و روش های استفاده از خط مطرح گردد. نوع توپولوژی انتخابی جهت اتصال کامپیوترها به یکدیگر، مستقیما" بر نوع محیط انتقال و روش­های استفاده از خط تاثیر می­گذارد. با توجه به تاثیر مستقیم توپولوژی انتخابی در نوع کابل کشی و هزینه­های مربوط به آن، می­بایست با دقت و تامل به انتخاب توپولوژی یک شبکه همت گماشت. عوامل مختلفی جهت انتخاب یک توپولوژی بهینه مطرح می­شود. مهمترین این عوامل بشرح ذیل است:

- هزینه. هر نوع محیط انتقال که برای شبکه LAN انتخاب گردد، در نهایت می­بایست عملیات نصب شبکه در یک ساختمان پیاده­سازی گردد. عملیات فوق فرآیندی طولانی جهت نصب کانال­های مربوطه به کابل ها و محل عبور کابل ها در ساختمان است. در حالت ایده­آل کابل­کشی و ایجاد کانال­های مربوطه می­بایست قبل از تصرف و بکارگیری ساختمان انجام گرفته باشد. بهرحال می­بایست هزینه نصب شبکه بهینه گردد.

- انعطاف پذیری . یکی از مزایای شبکه های LAN، توانائی پردازش داده­ها و گستردگی و توزیع گره­ها در یک محیط است. بدین ترتیب توان محاسباتی سیستم و منابع موجود در اختیار تمام استفاده­کنندگان قرار خواهد گرفت. در ادارات همه چیز تغییر خواهد کرد. (لوازم اداری، اتاقها و ...). توپولوژی انتخابی می­بایست بسادگی امکان تغییر پیکربندی در شبکه را فراهم نماید. مثلا" ایستگاهی را از نقطه­ای به نقطه دیگر انتقال و یا قادر به ایجاد یک ایستگاه جدید در شبکه باشیم.

سه نوع توپولوژی رایج در شبکه­های LAN استفاده می گردد:

• BUS
• STAR
• RING

توپولوژی BUS

یکی از رایجترین توپولوژی­ها برای پیاده­سازی شبکه­های LAN است. در مدل فوق از یک کابل به عنوان ستون فقرات اصلی در شبکه استفاده شده و تمام کامپیوترهای موجود در شبکه (سرویس دهنده، سرویس­گیرنده) به آن متصل می­گردند.