清华大学分布式操作系统课件.pptx

清华大学分布式操作系统课件欢迎参加清华大学分布式操作系统课程！本课程将深入探讨分布式系统的核心概念、设计原则与实现技术，帮助学生掌握现代大规模分布式系统的关键知识。在信息技术快速发展的今天，分布式系统已成为支撑互联网、云计算和大数据处理的基础架构。通过本课程的学习，你将了解分布式系统的架构模式、通信机制、一致性算法以及容错技术等内容，为未来参与设计和开发大型分布式系统打下坚实基础。cL作者：cedricLi

课程简介与学习目标掌握基础理论理解分布式系统的核心概念、特性和设计原则，建立完整的知识体系培养实践能力通过实验和项目实践，掌握分布式系统的设计、实现和调试技能提升解决问题能力能够分析和解决分布式系统中的常见问题，如一致性、容错和可扩展性建立工程思维培养系统性思考和工程化设计能力，为投身相关研究和工业实践奠定基础

分布式系统的定义与特征定义分布式系统是一组通过网络互联的计算机系统，它们协同工作实现共同目标，但对用户来说表现为单一系统。每个节点可独立执行计算任务，并通过消息传递进行协作。主要特征分布性：组件分布在网络中的不同位置自治性：各节点可以独立运行和决策并发性：系统中多个组件同时执行可扩展性：能够方便地增加系统规模设计挑战异构性：不同硬件和软件环境的集成透明性：对用户隐藏系统的复杂性开放性：支持不同系统之间的互操作安全性：保护系统免受恶意攻击

分布式操作系统的发展历程早期阶段（1970-1980年代）网络操作系统出现，主要关注资源共享和远程访问，代表系统有早期的UNIX网络版本和NovellNetWare发展阶段（1990年代）分布式操作系统逐渐成型，Amoeba、Chorus和Mach等系统开始尝试提供全局资源管理和透明访问成熟阶段（2000年代）分布式计算模型普及，网格计算和云计算出现，虚拟化技术广泛应用，资源池化管理成为主流当代阶段（2010年至今）容器技术、微服务架构崛起，边缘计算、雾计算等新范式出现，分布式系统朝着更灵活、弹性的方向发展

分布式系统与单机系统的区别单机系统资源集中在单一计算机中组件间通信通过内存或总线进行全局状态易于维护和访问系统时钟统一故障通常导致整个系统不可用扩展能力受单机硬件限制安全边界明确分布式系统资源分布在多个计算节点上组件间通过网络进行消息传递全局状态难以维护和一致性保证各节点有独立的时钟，需同步部分故障普遍存在，需设计容错机制通过增加节点可水平扩展安全问题更加复杂理解这些根本差异对设计分布式系统至关重要，因为许多单机系统的假设在分布式环境中不再成立，需要采用全新的设计思路和技术解决方案。

分布式系统的优势与挑战优势高可用性：部分失效不影响整体服务高可扩展性：能够方便地扩充系统规模资源共享：充分利用分布式资源成本效益：可使用普通硬件构建高性能系统地理分布：跨地域部署提高用户体验挑战一致性保证：难以在分布环境中保持数据一致性部分失效：节点可能独立失效且难以检测网络不可靠：延迟、分区等问题不可避免时钟同步：物理时钟难以精确同步复杂的调试和测试：问题难以重现和定位设计取舍一致性vs可用性：CAP理论的基本权衡性能vs可靠性：提高可靠性通常会降低性能简单性vs功能性：增加功能会增加系统复杂度中心化vs去中心化：控制与自治的平衡

分布式系统的基本架构用户界面层用户交互接口，包括Web界面、移动应用等应用服务层业务逻辑实现，包括各类应用服务和功能模块中间件层提供通信、协调和服务发现等基础功能资源层包括分布式文件系统、数据库等底层资源5物理网络层底层硬件设施和网络连接分布式系统通常采用分层架构，每一层专注于特定功能，通过明确的接口与相邻层交互。这种架构提高了系统的模块化程度，使各层可以独立演化，同时降低了系统整体的复杂性。架构设计需要考虑水平与垂直扩展能力，以及各层之间的解耦与协作机制。

客户端-服务器模型客户端发起请求的一方，通常运行于用户设备上负责用户界面呈现发送服务请求处理服务器响应服务器响应请求的一方，提供特定服务接收并处理请求执行业务逻辑返回处理结果通信机制客户端与服务器间的交互方式请求-响应模式基于消息传递通常使用HTTP等协议3负载均衡在多服务器环境中分配客户端请求提高系统吞吐量优化资源利用增强系统可靠性

对等模型（P2P）去中心化结构P2P网络中的节点既是服务提供者也是服务消费者，没有中央服务器的概念。每个节点地位平等，可以直接相互通信，形成一个自组织、自维护的网络结构。资源共享机制节点间直接共享计算资源、存储空间和网络带宽。通过分布式哈希表（DHT）等技术，实现高效的资源定位和访问，即使在大规模网络中也能保持良好的性能。容错与韧性由于没有中央节点，系统对单点故障有较强的抵抗力。节点可以动态加入或离开网络，系统会自动调整以维持整体功能，展现出极强的自适应能力。应