高级操作系统AdvancedOperatingSystem课件.ppt
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1、Click to add Text高级操作系统高级操作系统Advanced Operating System熊焰0551_3607394中国科学技术大学计算机系8/7/2022Advanced Operating System2/97第三章第三章 分布式路由算法分布式路由算法主要内容主要内容分布式路由算法导论一般类型网络的最短路径路由算法 特殊类型网络的单播算法特殊类型网络中的多播算法虚信道和虚网络 完全自适应和无死锁路由算法8/7/2022Advanced Operating System3/97第三章第三章 分布式路由算法分布式路由算法主要内容(主要内容(contd)几个自适应和无死锁路由
2、算法 容错单播的一般方法 网格和圆环中的容错单播算法超立方中的容错单播算法容错组播算法8/7/2022Advanced Operating System4/97第三章第三章 分布式路由算法分布式路由算法主要内容主要内容分布式路由算法导论分布式路由算法导论一般类型网络的最短路径路由算法 特殊类型网络的单播算法特殊类型网络中的多播算法8/7/2022Advanced Operating System5/97一、进程间通信类型二、通信延迟及其原因三、路由算法类型四、路由函数8/7/2022Advanced Operating System6/973.1分布式路由算法导论一、进程间通信类型一、进程间通
3、信类型有效的进程间通信对分布式系统的性能很重要根据目标个数的不同,本章讨论的进程间通信的类型有:一对一(单播)一对多(组播)一对所有(广播)8/7/2022Advanced Operating System7/973.1分布式路由算法导论:二、通信延迟及其原因二、通信延迟及其原因在基于消息传递的分布式系统中,消息一般在到达目标节点之前可能要通过一个或多个中间节点,故存在通信延迟。分布式系统中的通信延迟依赖于如下四个因素:网络拓扑、路由、流量控制、交换8/7/2022Advanced Operating System8/973.1分布式路由算法导论:二、通信延迟及其原因(二、通信延迟及其原因(c
4、ontd)1、网络拓扑,也叫互连网络通常用图表示,定义处理单元(PE)之间是如何连接的分类特殊类型的网络使用k元n维立方表示8/7/2022Advanced Operating System9/973.1分布式路由算法导论:二、通信延迟及其原因(二、通信延迟及其原因(contd)2、路由决定如何选择路径以便将消息传递到目的地。本章主要考虑路由8/7/2022Advanced Operating System10/973.1分布式路由算法导论:二、通信延迟及其原因(二、通信延迟及其原因(contd)3、流量控制流量控制决定在消息沿路径传递时如何分配网络资源网络资源包括:信道缓冲区8/7/2022
5、Advanced Operating System11/973.1分布式路由算法导论:二、通信延迟及其原因(二、通信延迟及其原因(contd)4、交换技术这是一个实际的机制,它决定消息如何从一个输入信道转到一个输出信道。8/7/2022Advanced Operating System12/973.1分布式路由算法导论:三、三、路由算法类型路由算法类型路由算法类型包括:1.特殊 vs.一般2.最短 vs.非最短3.确定型 vs.适应型4.源路由 vs.目标路由5.容错型 vs.非容错型6.冗余型 vs.非冗余型7.死锁避免型 vs.非死锁避免型8/7/2022Advanced Operatin
6、g System13/973.1分布式路由算法导论:1、一般型路由和特殊型路由、一般型路由和特殊型路由 一般型路由算法适合于所有类型的网络但是对于某种特定网络不是很有效特殊型路由算法只对特定的网络类型有效,如超立方、网格等这些算法由于利用了特定网络的拓扑属性,所以效率往往较高。8/7/2022Advanced Operating System14/973.1分布式路由算法导论:2、最短路由算法和非最短路由算法最短路由算法和非最短路由算法最短路径算法对给定的源-目标对,给出一个代价最小的路径路径的代价所有跳步(连接)代价的线性和。缺点:可能会导致网络某一部分的拥塞非最短路由算法可以将消息路由到一
7、个更长的路径从而避免拥塞。在某些情况下,随机路由可能是有效的。8/7/2022Advanced Operating System15/973.1分布式路由算法导论:3、确定型路由和适应型路由确定型路由和适应型路由确定型路径算法(静态)路由路径只在网络的拓扑发生改变时才发生变化而且不使用任何有关网络状态的消息。适应型路由算法(动态)路径根据网络流量而改变。8/7/2022Advanced Operating System16/973.1分布式路由算法导论:5、容错型路由和非容错型路由容错型路由和非容错型路由容错型路由算法即使出现错误,被路由消息也能保证送到。非容错型路由算法假定路由不会出错路由算
8、法不必动态调整自己的活动。8/7/2022Advanced Operating System17/973.1分布式路由算法导论:6、冗余型路由和非冗余路由冗余型路由和非冗余路由冗余型路由算法用几个边分离(或节点分离)的路径向同一个目标发送多个拷贝。只要这些路径中的一个是好的,则至少有一个消息拷贝能到达目标。必须保证有且只有一个拷贝被接收非冗余型路由算法对每个目标只需转发消息的一个拷贝。8/7/2022Advanced Operating System18/973.1分布式路由算法导论:7、死锁避免型路由和非死锁避免型路由、死锁避免型路由和非死锁避免型路由死锁避免型路由算法通过仔细设计的路由算法
9、,保证不发生死锁。非死锁避免型路由算法没有特别的设施来预防或避免死锁。可能发生死锁,也可能不发生死锁。8/7/2022Advanced Operating System19/973.1分布式路由算法导论:四、路由函数四、路由函数路由函数定义一个消息如何从源节点路由到目标节点每个PE在收到一个消息以后,都将决定:1)把这条消息传送到本地存储器,还是2)转发到一个邻接的PE有许多不同的路由函数的定义,例如依赖于目标的、依赖于输入的、依赖于源的、依赖于路径的等等一般而言,路由函数参考的信息越多,效果可能就越好本章仅使用依赖于目标的路由函数仅仅依赖于当前和目标节点依赖于当前、目标节点,以及输入的邻接节
10、点依赖于源、当前、目标节点依赖于目标节点和从源节点到当前节点的路径8/7/2022Advanced Operating System20/97第三章第三章 分布式路由算法分布式路由算法主要内容主要内容分布式路由算法导论一般类型网络的最短路径路由算法一般类型网络的最短路径路由算法 特殊类型网络的单播算法特殊类型网络中的多播算法8/7/2022Advanced Operating System21/973.2 一般类型网络的最短路径路由算法一般类型网络的最短路径路由算法许多分组交换网,如法国的Transpac或美国的ARPAnet都使用最短路径路由这里介绍三个一般类型网络的最短路径路由算法:1.D
11、ijkstra集中式算法2.Ford分布式算法3.ARPAnet路由算法8/7/2022Advanced Operating System22/973.2 一般类型网络的最短路径路由算法:一般类型网络的最短路径路由算法:预备、分布式系统图示预备、分布式系统图示一般地,一个分布式系统可以用图来表示:节点代表PE(处理单元);边代表通信链接;每个链接的数字代表链接代价。例:8/7/2022Advanced Operating System23/97三个一般类型网络的最短路径路由算法:1.Dijkstra集中式算法集中式算法2.Ford分布式算法3.ARPAnet路由算法8/7/2022Advanc
12、ed Operating System24/973.2.1 Dijkstra集中式算法集中式算法第一种类型的算法以集中式的风格进行路由Dijkstra集中式算法可以发现一个源节点到所有其他节点的最短路径。算法需求:需要了解给定网络的全局拓扑消息,即:1、网络中所有其它节点的列表;2、节点之间的所有链接;3、每个链接的代价。8/7/2022Advanced Operating System25/97设D(v)是从源s到节点v的距离(沿给定路径的链接的代价的和)l(v,w)是节点v和w之间的代价Dijkstra算法如下:1.设N=s;对不在N中的每一个节点v,令D(v)=l(s,v)。对那些没有连
13、接到s的节点赋值为。2.找到不在N中的一个节点w,使D(w)最小并将w加入N;然后对所有不在N中的其它节点计算并更新D(v):D(v):=minD(v),D(w)+l(w,v)重复步骤2,直到所有节点都在N中N3.2.1 Dijkstra集中式算法:集中式算法:一、算法描述一、算法描述svwD(v)D(w)N?即与s相邻的节点8/7/2022Advanced Operating System26/973.2.1 Dijkstra集中式算法:集中式算法:二、算法举例二、算法举例上述算法作用于如图所示的网络:以P5为源节点1、集合N只包含源节点P5即N=P5。对不在N中的节点P1,P2,P3,P4
14、计算:D(1)=D(2)=;(由于P1和P2不与P5直接相连)D(3)=l(P5,P3)=20D(4)=l(P5,P4)=2=2=20=8/7/2022Advanced Operating System27/973.2.1 Dijkstra集中式算法:集中式算法:二、算法举例(二、算法举例(contd)2、取D(1),D(2),D(3),D(4)中具最小值的对应节点P4加入到集合N中,N=P5,P4,对不在N中的其它节点P3,P2,P1更新D(1)=minD(1),D(4)+l(4,1)=min,2+=,D(2)=minD(2),D(4)+l(4,2)=min,2+1=3,D(3)=minD(
15、3),D(4)+l(4,3)=min20,2+2=4。=2=20=4=3 8/7/2022Advanced Operating System28/973.2.1 Dijkstra集中式算法:集中式算法:二、算法举例(二、算法举例(contd)3、取D(1),D(2),D(3)中具最小值的对应节点P2加入到集合N中,N=P5,P4,P2,对不在N中的其它节点P3,P1更新D(1)=minD(1),D(2)+l(2,1)=min,3+4=7D(3)=minD(3),D(2)+l(2,3)=min4,3+3=4。=2=4=3=78/7/2022Advanced Operating System29/
16、97 3.2.1 Dijkstra集中式算法:集中式算法:二、算法举例(二、算法举例(contd)4、取D(1),D(3)中具最小值的对应节点P3加入到集合N中,N=P5,P4,P2,P3对不在N中的其它节点P1更新D(1)=minD(1),D(3)+l(3,1)=min7,4+5=7=2=4=3=78/7/2022Advanced Operating System30/973.2.1 Dijkstra集中式算法:集中式算法:二、算法举例(二、算法举例(contd)5、取D(1)中具有最小值的对应节点P1加入到集合N中,N=P5,P4,P2,P3,P1,此时,节点都在N中,算法结束。8/7/2
17、022Advanced Operating System31/973.2.1 Dijkstra集中式算法:集中式算法:连续的步骤,如下表:连续的步骤,如下表:8/7/2022Advanced Operating System32/973.2.2Ford分布式算法分布式算法第二种类型的路由算法采用分散式的方法进行路由分布式算法每个节点和其邻节点交换代价和路由信息,直到这些节点的路由表到达最短路径的要求为止8/7/2022Advanced Operating System33/973.2.2Ford分布式算法(分布式算法(contd)Ford分布式算法也包括两个部分:一个初始步骤一个最短距离计算的
18、步骤这里,最短距离指一个给定节点和目标节点之间的距离当所有节点都带有1)一个表示它们到目标节点距离的标记以及2)沿着最短路径到达目标节点要经过的下一个节 点的标记时,算法结束。8/7/2022Advanced Operating System34/973.2.2Ford分布式算法:分布式算法:一、算法描述一、算法描述每个节点v,都有(n,D(v)的标记。D(v)代表该节点到目标节点的最短距离的当前值;n是截至目前得到的最短路径上的下一个节点。1.初始步骤:设d是目标节点。令D(d)=0,将所有其它节点标记为(.,)8/7/2022Advanced Operating System35/973.
19、2.2Ford分布式算法:分布式算法:一、算法描述(一、算法描述(contd)2.最短距离计算步骤:对所有节点的最短路径做标记:对每个节点vd:考虑v的每个邻节点w,根据当前D(w),计算D(w)+l(w,v),令D(v):=minD(v),D(w)+l(w,v)更新v的标记:用使上述表达式取值最小的邻接节点代替n,并用新值代替D(v)。对每个节点重复上述操作,直到不再有改变8/7/2022Advanced Operating System36/973.2.2Ford分布式算法:分布式算法:二、举例二、举例上述算法作用于如图所示的网络:以P5为目标节点初始:令D(5)=0,将其他节点P1,P2
20、,P3,P4都标记为(.,)8/7/2022Advanced Operating System37/973.2.2Ford分布式算法:分布式算法:二、举例:第一轮二、举例:第一轮对于P1,邻节点为P2,P3,由当前标记可知P2,P3距离P5都为,则P1不能通过任何节点到达P5,P1仍标记为(.,)同理,P2仍标记为(.,)对于P3,邻节点为P1,P2,P4,P5,其中D(1)=D(2)=D(4)=,D(5)=0由于P3到P5的距离20+D(5)为20小于当前D(3)=,表明P3经P5有最短路径可达P5故P3标记为(P5,20)同理,P标记为(P5,2)。8/7/2022Advanced Ope
21、rating System38/973.2.2Ford分布式算法:分布式算法:二、举例:第二轮二、举例:第二轮对于P1,邻节点为P2,P3,由当前标记可知P5距离P2为,距离P3为20,则P1通过P3有最短路径到达P5,D(1)为P1到P3的距离与P3到P5的距离之和为5+20=25,故P1标记为(P3,25);对于P2,邻节点为P1,P3,P4,计算P2到Pi(i=1,3,4)的距离与当前D(i)之和,并取最小值,可见计算P2到P4的距离与当前D(4)之和最小为3,说明P2经P4有最短路径到达P5,故P2标记更新为(P4,3);同理,更新P3和P4的标记为(P4,4),(P5,2)8/7/2
22、022Advanced Operating System39/973.2.2Ford分布式算法:分布式算法:二、举例:第三轮二、举例:第三轮按同样方法更新P1,P2,P3,P4的标记为:(P2,7),(P4,3),(P4,4),(P5,2);由于此后再重复以上算法试图更新每一个节点的标记都不会改变其标记,算法结束。8/7/2022Advanced Operating System40/973.2.2Ford分布式算法:分布式算法:举例小结举例小结(.,)(.,)(.,)(.,)(.,0)(P5,20)(P5,2)(P3,25)(P4,3)(P4,4)(P2,7)8/7/2022Advanced
23、 Operating System41/973.2.2Ford分布式算法(分布式算法(contd)上例中,所有节点的行为在经过3轮之后都被同步了上述同步方法仅仅是为了便于演示同步方法是指所有节点在每一轮中都更新一次标记Ford算法也适用于异步系统,其中每个节点以随机的速率更新其D(v)值。8/7/2022Advanced Operating System42/973.2.3 ARPAnet路由算法路由算法ARPAnet的路由算法是一个可靠、实用的分布式路由算法,也是今天流行的Internet 路由算法的前身。与Ford算法比较相似不同的是算法中的节点都维护一个一般化的路由表,以便记录通过不同邻
24、接节点的最短路径。这个路由表包含从这个节点到所有其它节点的最优路径的延迟。每隔固定的时间间隔,路由表就被传送到它的所有邻接节点,直到最小延迟表在某一点达到稳定为止。8/7/2022Advanced Operating System43/973.2.3 ARPAnet路由算法:路由算法:举例举例举例说明:用ARPAnet路由算法时,P1,P2,P3,P4的一般路由表,仍以P5为目标节点每个表格都包含通过每个邻居到达P5的最短距离假设在时刻0前已经达到了一个稳定点即网络延迟表如右图P27P39P111P37P43P112P26P44P520P24P36P52想一想,从每个节点的路由表上,可以看出最
25、短路由的问题么?8/7/2022Advanced Operating System44/973.2.3 ARPAnet路由算法:路由算法:举例(举例(contd)假设0时刻,P4与P5之间链接失效,则P4更新其路由延迟表,并传输给其所有邻节点,从而使那些节点的路由延迟表发生变化,直到产生一个新的稳定点想一想,新的稳定点可能是怎样的?P27P39P111P37P43P112P26P44P520P24P36P528/7/2022Advanced Operating System45/973.2.3 ARPAnet路由算法:路由算法:举例(举例(contd)P27P39P111P37P435P112
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