Реферат: Распределенные алгоритмы
Процессы, которые выполняются на одном компьютере, имеют доступ к одной физической памяти, отсюда – естественно использование этой памяти для коммуникации. Один процесс пишет в определенное место памяти, и другой процесс читает из этого места. Эта модель конкурирующих процессов была использована Дейкстрой [Dij68] и Овицким и Грайсом [OG76]. Проблемы, которые рассматривались в этом контексте, включают следующие.
(1) Атомичность операций с памятью. Часто предполагается, что чтение и запись одного слова памяти атомичны, т.е. чтение и запись выполняемые процессом завершается перед тем как другая операция чтения или записи начнется. Если структуры большие, больше чем одно слово обновляется, операции должны быть аккуратно синхронизированы, чтобы избежать чтения частично обновленной структуры. Это может быть осуществлено, например, применением взаимного исключения [Dij68] в структуре: пока один процесс имеет доступ к структуре, ни один другой процесс не может начать чтение или запись. Применение взаимного исключения с использованием разделяемых переменных усложнено из-за возможности нескольких процессов искать поле в этой структуре в это же время.
Условия ожидания, налагаемые доступом со взаимным исключением к разделяемым данным, могут понизить производительность процессов, например, если «быстрый» процесс должен ждать данные, в настоящее время используемые «медленным» процессом. В недавние годы внимание концентрировалось на применении разделяемых переменных, которые являются wait-free, что значит, что процесс может читать или писать данные без ожидания любых других процессов. Чтение и запись могут перекрываться, но только при тщательной проработке алгоритмов чтения и записи, которые должны обеспечить атомичность. Для обзора алгоритмов для wait-free атомичных разделяемых переменных см. Киросис и Кранакис [KK89].
(2) Проблема производитель-потребитель. Два процесса, один из которых пишет в разделяемый буфер и другой и которых читает из буфера, должны быть скоординированы, чтобы предупредить первый процесс от записи, когда буфер полон и второй процесс от чтения, когда буфер пуст. Проблема производитель-потребитель возникает, когда решение проблемы преобразования Конвея выработано; р1 производит промежуточный поток символов, и р2 потребляет его.
(3) Сборка мусора. Приложение, которое запрограммировано с использованием динамических структур данных может производить недоступные ячейки памяти, называемые мусором. Формально, приложение должно бы прерваться, когда у системы памяти кончается свободное место, для того чтобы позволить специальной программе, называемой сборщиком мусора, идентифицировать и вернуть недоступную память. Дейкстра и другие [DLM78] предложили сборщик мусора на-лету, который может работать как отдельный процесс, параллельно с приложением.
Требуется сложное взаимодействие между приложением и сборщиком, т.к. приложение может модифицировать структуры указателей в памяти, в то время как сборщик решает какие ячейки являются недоступными. Алгоритм должен быть тщательно проанализирован, чтобы показать, что модификации не обусловят ошибочный возврат доступным ячеек. Алгоритм для сбора мусора на-лету с упрощенным доказательством правильности был предложен Бен-Ари [BA84].
Решения проблем, перечисленных здесь, демонстрируют, что могут быть решены очень трудные проблемы взаимодействия процессов для процессов, которые сообщаются посредством разделяемой памяти. Однако, решения часто исключительно усложнены и иногда очень незначительное перемешивание шагов различных процессов дает ошибочные результаты для решений, которые кажутся правильными на первый и даже на второй взгляд. Поэтому, операционные системы и языки программирования предлагают примитивы для более структурной организации межпроцессовых коммуникаций.
(1) Семафоры. Семафор [Dij68] это неотрицательная переменная, чье значение может быть прочитано и записано за одну атомичную операцию. V операция приращает ее значение, а Р операция уменьшает ее значение, когда оно положительно ( и подвешивает выполнение процесса на этой операции, пока значение переменной нулевое).
Семафоры – подходящее средство для применения взаимного исключения над разделяемой структурой данных: семафор инициализируется в 1, и доступ к структуре предваряется операцией Р и завершается операцией V. Семафоры накладывают большую ответственность на каждый процесс за правильное использование; целостность разделяемых данных нарушается, если процесс манипулирует данными неправильно или не выполняет требуемых Р и V операций.
(2) Мониторы. Монитор [Hoa74] состоит из структуры данных и набора процедур, которые могут выполняться над этими данными, с помощью их вызова процессами способом, использующим взаимное исключение. Т.к. к данным доступ осуществляется полностью через процедуры, объявленные в мониторе, гарантируется правильное использование данных, если монитор объявлен корректно. Монитор, таким образом, предотвращает не позволенный доступ к данным и синхронизирует доступ различных процессов.
(3) Каналы. Канал [Bou83] это механизм, который передает поток данных от одного процесса к другому и синхронизирует два коммутирующих процесса; это заранее запрограммированное решение проблемы производитель-потребитель.
Канал это основной механизм коммуникаций в операционной системе UNIX. Если программа р1 выполняет процесс р1 преобразования Конвея и р2 выполняет р2 , команда UNIX р1 | р2 вызывает две программы и соединяет их каналом. Вывод р1 буферизируется и становится вводом р2 ; р1 подвешивается, когда буфер полон, и р2 подвешивается, когда буфер пуст.
(4) Передача сообщений. Некоторые языки программирования, такие как OCCAM и ADA, обеспечивают передачу сообщений, как механизм для межпроцессовой коммуникации. Проблемы синхронизации относительно легко решаются с использованием передачи сообщений; т.к. сообщение не может быть получено до его передачи, возникает временное отношение между событиями благодаря обмену сообщениями.
Передача сообщений может быть выполнена с использованием мониторов или каналов, и это естественные средства для систем коммуникации, которые используются в аппаратуре распределенных систем (без разделяемой памяти). В самом деле, языки OCCAM и ADA были разработаны с идеей использования их для физически распределенных приложений.
Рис 1.4 Слоеная сетевая архитектура
Программное обеспечение для выполнения компьютерных сетей связей очень усложнено. В этом разделе объяснено, как это программное обеспечение обычно структурируется в ациклически зависимых модулях названных уровнями (Подраздел 1.2.1). Мы обсуждаем два стандарта с сетевой архитектурой, а именно, модель МЕЖДУНАРОДНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ Соединения Открытых систем, стандарт для глобальных сетей, и дополнительного стандарта IEEE для локальных сетей (Подразделы, 1.2.2 и 1.2.3). Также языки, используемые для программирования распределили системы, кратко обсуждены (Подраздел 1.2.4).
Сложность задач, выполняемых подсистемой связи распределенной системы требует, чтобы эта подсистема была разработана высоко структурированным способом. К этому моменту, сети всегда организовываются как совокупность модулей, каждое выполнение очень специфическая функция и основывающаяся на услугах, предлагаемых другими модулями. В сетевых организациях имеется всегда строгая иерархия между этими модулями, потому что каждый модуль исключительно использует услуги, предлагаемые предыдущим модулем. Модули названы уровнями или уровнями в контексте сетевой реализации; см. 1.4 Рисунок. Каждый уровень осуществляет часть функциональных возможностей, требуемых для реализации сети и полагается на уровень только ниже этого. Услуги, предлагаемые i уровнем i + 1 уровню точно описаны в интерфейсе i уровня и i + 1 уровня (кратко, i / (i + 1) интерфейс). При проектировании сети, в первую очередь, нужно определить число уровней и интерфейсов между последующими уровнями.
Функциональные возможности каждого уровня должны быть выполнены распределенным алгоритмом, таким, что алгоритм для i уровня решает "проблему", определенную i / (i + 1) интерфейсом, согласно "предположениям", определенным в (i — l) /i интерфейсе. Например, (i — 1) /i интерфейс может определять, что сообщения транспортируются из узла p к узлу q, но некоторые сообщения могут быть потеряны, в то время как i / (i + 1) интерфейс определяет, что сообщения передаются от p до q надежно. Алгоритмическая проблема для i уровня затем - выполнить надежное прохождение сообщения, используя ненадежное прохождение сообщения, что обычно делается с использованием подтверждения и перепередачи потерянных сообщений (см. Подраздел, 1.3.1 и Главу 3). Решение этой проблемы определяет тип сообщений, обменянных процессами i уровня и значение этих сообщений, т.е., как процессы должны реагировать на эти сообщения. Правила и соглашения, используемые в "сеансе связи" между процессами i уровня упоминаются как layer-i протокол. Самый низкий уровень иерархии (уровень 0 на Рисунке 1.4) - всегда аппаратный уровень. Интерфейс 0/1 описывает процедуры, которыми уровень i может передать необработанную информацию через соединяющие провода, и описание уровня непосредственно определяет то, какие типы провода используются, сколько вольт представляют единицу или ноль, и т.д. Важное наблюдение - то, что изменение в реализации уровня 0 (замена проводов другими проводами или спутниковыми подключениями) не требует, чтобы интерфейс 0/1 был изменен. Те же самые условия в более высоких уровнях: интерфейсы уровня служат экраном от реализация уровня для других уровней, и реализация может быть изменена без того, чтобы воздействовать на другие уровни. Под сетевой архитектурой мы понимаем совокупность уровней и сопровождающих описаний всех интерфейсов и протоколов. Поскольку сеть может содержать узлы, произведенные различными изготовителями, программируемые программным обеспечением, написанным различными компаниями, важно, чтобы изделия различных компаний являлись совместимыми. Важность совместимости была признана во всем мире и следовательно стандартные сетевые архитектуры были разработаны. В следующем подразделе два стандарта обсуждаются, что получило "официальное" статус, потому что они приняты влиятельными организациями (МЕЖДУНАРОДНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ, и Институт Электрических и Электронных Инженеров, IEEE). Протокол управления передачей / internet протокол (TCP/IP) - совокупность протоколов, используемых в Internet. TCP/IP - не официальный стандарт, но используется настолько широко, что стал фактическим стандартом. Семейство протоколов TCP/IP (см. Davidson [Dav88] для введения) структурирован согласно уровням OSI модели, обсужденной в следующем подразделе, но протоколы могут использоваться в глобальных сетях также как в локальных сетях.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105
