سیستم‌عامل پیشرفته

مقدمه‌ای بر سیستم‌های توزیع‌شده

معماری

فرایندها

ارتباطات

نام‌گذاری 

همگام‌سازی

کلاس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت، استاد به‌نام و مترجم و نویسنده مشهور سیستم‌عامل و سیستم‌عامل پیشرفته کشور با 28 سال تجربه تدریس در دانشگاه‌ها و موسسات مختلف آموزش عالی به همه علاقه‌مندان این درس و داوطلبان کنکورهای دکترا مهندسی کامپیوتر گرایش نرم افزار و گرایش شبکه و رایانش اکیداً توصیه می شود. 

در جلسه نهم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، ادامه فصل دوم این درس با عنوان «معماری» ارائه می‌شود. در این جلسه دو معماری همتا به همتای ساخت‌یافته Chord و CAN مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. ابتدا مدیریت عضویت در Chord و سپس ترک کردن شبکه در Chord و بعد از آن روش ساخت Finger Table در Chord و سپس الگوریتم جستحوی یک آیتم داده در Chord مورد بحث و بررسی دقیق قرار می‌گیرند. در انتها جزئیات شبکه آدرس‌پذیر محتوایی (CAN: Contest Addressable Network) مورد مطالعه قرار می‌گیرند.



معماری همتا به همتای ساخت‌یافته Chord و CAN

درس سیستم‌عامل پیشرفته از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است. تعداد 15 سؤال که البته 7 سؤال آن به درس سیستم عامل کنکور ارشد تعلق دارد از مجموع 45 سؤال تخصصی، حاکی از اهمیت بالای سیستم‌عامل و سیستم‌عامل پیشرفته در کنکور دکترا است. در جلسه اول سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت با عنوان «مفاهیم اولیه سیستم‌های توزیع‌شده»، اهداف این درس، سر فصل‌ها، منابع درس و میزان اهمیت درس گفته می‌شود. همچنین سؤالات کنکورهای اخیر مورد بررسی قرار می‌گیرند تا سرفصل مطالب لازم برای مطالعه و منابع آنها مشخص شود. در ادامه با مرور تاریخچه سیستم‌های عامل، دلایل پیدایش سیستم‌های عامل شبکه‌ای (NOS)، سیستم‌های عامل توزیع‌شده (DOS) و سیستم‌های توزیع‌شده (DS) و میان‌افزارها (Middleware) مطرح می‌گردد. سپس مزایای یک سیستم توزیع‌شده نسبت به یک سیستم متمرکز و بعد از آن مزایای یک سیستم توزیع‌شده، (یا حتی شبکه‌ای) نسبت به PCهای مجزا (شبکه نشده) شرح داده می‌شوند. سپس چند مورد از جنبه‌های پیچیدگی دنیای NOS معرفی می‌شود. بعد از آن بررسی می‌شود که در DOS یا DS چگونه به سادگی دست می‌یابیم؟ مفاهیم پایه و کلمات کلیدی این درس مانند سادگی (Simplicity) که با نامرئی سازی (hide) پیچیدگی به دست می‌آید، شفافیت (Transparency)به معنای پنهان کردن پیچیدگی از دید کاربر، مفهوم وحدت (Unity) و انسجام (Coherency) و نیز مفهوم نگاه واحد و ایجاد تصویر تک سیستمی (SSI: Single System Image) تعریف و شرح داده می‌شود. همچنین علت منسوخ شدن ایده سیستم‌عامل توزیع شده (DOS) و راه حل آن در  سیستم‌های توزیع‌شده (DS) با ابداع میان‌افزارها (Middleware) مطرح می‌گردد. در انتها web به عنوان مثالی از یک سیستم توزیع‌شده شرح داده می‌شود.

مفاهیم اولیه سیستم‌های توزیع‌شده

در جلسه دوم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، جنبه‌های مختلف شفافیت و نیز معیار بازبودن به تفصیل مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. می‌دانیم 4 هدف اصلی یک سیستم توزیع شده عبارت است از 1) اشتراک ساده منابع 2) شفافیت 3) بازبودن و 4) مقیاس پذیری. در این جلسه ابتدا 7 جنبه شفافیت، یعنی Access Transparency (شفافیت دستیابی)، Location Transparency (شفافیت مکانی)، Migration Transparency (شفافیت مهاجرت)، Relocation Transparency (شفافیت جابه جایی)، Replication Transparency (شفافیت تکرار)، Concurrency Transparency (شفافیت همروندی) و Failure Transparency (شفافیت خرابی) به تفصیل شرح داده می‌شود و دو تست نیز در این زمینه با حل تشریحی ارائه می‌گردد. سپس مفهوم درجه شفافیت مورد بحث قرار می‌گیرد. آنگاه نوبت به هدف سوم سیستم‌های توزیع شده، یعنی بازبودن (Openness) می‌رسد و این هدف تحلیل و بررسی می‌شود. الزام استاندارد بودن سرویس‌ها از منظر نحو و معنا با مثال IDL شرح داده می‌شود. سپس دو شرط کامل و خنثی بودن برای هر استاندارد معرفی شده و ویژگی های خوب یک سیستم باز که استانداردهای کامل و خنثی بهره‌مند است مورد بررسی قرار داده می‌شود. این ویژگی ها عبارتند از 1) Interoperability و 2) Portability و 3) Extensibility و 4) Flexibility. سپس به مبحث جداسازی سیاست (Policy) از مکانیسم (Mechanism) با دو مثال یکی در سیستم‌های عامل متمرکز و یکی در سیستم‌های توزیع شده پرداخته می‌شود. در انتها نیز دو روش‌ برای تعیین سیاست (Policy) توسط کاربر ارائه می‌شود.

جنبه‌های شفافیت و باز بودن

در جلسه سوم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، هدف چهارم یک سیستم توزیع‌شده، یعنی مقیاس‌پذیری (Scalability) به تفصیل مورد بحث و بررسی قرار می‌گید. ابتدا مفهوم مقیاس‌پذیری مطرح شده و جنبه‌های مقیاس‌پذیری شامل 1) مقیاس‌پذیری از نظر اندازه 2) مقیاس‌پذیری از نظر جغرافیا 3) مقیاس‌پذیری از نظر راهبری مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. سپس مشکلات مقیاس‌پذیری مورد بحث قرار می‌گیرند. مهمترین مشکل مقیاس‌پذیری از نظر اندازه به تمرکز در سرویس‌ها، داده‌ها و الگوریتم‌ها بر می‌گردد. سپس مشکلاتی که تمرکز در یک سیستم توزیع‌شده به وجود می‌آورد، مورد بررسی قرار می‌گیرند که عبارتند از  الف) مشکل گلوگاه (Bottleneck) ب) مشکل تأخیر (Delay) ج) مشکل نقطه شکست واحد (SPF: Single Point of Failure).سپس الگوریتم LS به عنوان یک الگوریتم متمرکز مطرح و شرح داده می‌شود که مشکل بزرگ یک الگوریتم متمرکز این است که نیازمند اطالعات کامل سراسری (Global Information) و بنابراین پر هزینه است. آنگاه الگوریتم DV به عنوان مثالی از یک الگوریتم توزیع‌شده تشریح شده و نشان داده می‌شود که مزیت بزرگ یک الگوریتم توزیع‌شده این است که با اطلاعات محلی (Local Information) کار می‌کند و از این نظر کم هزینه است. سپس 4 ویژگی یک الگوریتم نامتمرکز ارائه می‌شود: 1) هیچ ماشینی اطلاعات سراسری و کامل ندارد 2) هر ماشین فقط بر اساس اطلاعات محلی و ناقص تصمیم می‌گیرد (در بخشی از تصمیم‌گیری شرکت می‌کند) 3) خرابی یک ماشین نباید الگوریتم را از کار بیاندازد (Fault Tolerance) 4) ساعت سراسری و دقیق توزیع‌شده نداریم (اختالف ساعت داریم و به ساعت اعتمادی نیست). در انتها در مورد عدم قطعیت در سیستم‌های توزیع‌شده صحبت شده و علاوه بر ساعت غیرقطعی و غیر دقیق بودن چند جنبه دیگر از یک سیستم توزیع‌شده مورد بحث قرار می‌گیرد، مانند کنترل خطا (تشخیص و تصحیح خطا)، قابلیت اطمینان، امنیت، Commit (تثبیت) و Consistency (سازگاری). به عبارت دیگر به این نتیجه می‌رسیم که به نظر می‌رسد که اصل عدم قطعیت در هر سیستمی وجود دارد.

مقیاس‌پذیری (Scalability)

در جلسه چهارم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، تکنیک‌های مقیاس‌پذیری (Scalability) به تفصیل مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. ابتدا سه تکنیک مقیاس‌پذیری از نگاه (Neuman (1994 مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرند: 1) تکرار (Replication) 2) توزیع (Distribution) 3) پنهان کردن تاخیر ارتباطات و برنامه‌نویسی آسنکرون و تکنیک‌های سرکشی، مبتنی بر وقفه و چندنخی. سپس تکنیک‌های دیگری مانند کاهش تعداد ارتباطات و نیز  تکنیک‌های مربوط به سیستم‌های مقیاس‌پذیر از منظر راهبری (Administratively Scalable) مورد بحث قرار می‌گیرند. در انتها خطرات (pitfalls) تهدید کننده پروژه‌های توزیع‌شده مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد و در مورد مباحثی که در طی درس و فصول مختلف برای بر طرف شدن آنها ارائه خواهد شد گفتگو می‌شود.

تکنیک‌های مقیاس‌پذیری (Scalability)

در جلسه پنجم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، انواع سیستم‌های توزیع شده به تفصیل مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرند. سه نوع مهم از سیستم‌های توزیع شده : 1) سیستم‌های توزیع شده محاسباتی (Distributed Computing Systems) که مباحث مربوط به محاسبات خوشه‌ای، محاسبات توری و محاسبات ابری را در بر می‌گیرد 2) سیستم‌های توزیع شده اطلاعاتی (Distributed Information Systems) که مباحث مربوط به سیستم‌های مدیریت پایگاه‌های داده توزیع شده (DDBMS: Distributed Database Management Systems) و مباحث مربوط به تراکنش‌های توزیع شده (Distributed Transactions) را شامل می‌شود 3) سیستم‌های توزیع شده فراگیر (Distributed Pervasive Systems) که مباحث مربوط به شبکه‌های موردی سیار، شبکه‌های حسگر بی‌سیم و غیره  (MANET/VANET, WSN, IoT, Fog, Edge and Mobile Computing) را در بر می‌گیرد، همگی به طور مفصل مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرند.


انواع سیستم‌های توزیع شده

در جلسه ششم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، فصل دوم این درس با عنوان «معماری» آغاز می‌شود. در این جلسه معماری نرم‌افزار و سبک‌های آن مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. ابتدا در مورد چرایی معماری سخن به میان می‌آید. سپس در این مورد بحث می‌شود که در معماری نرم‌افزار (Software Architecture) سه چیز باید مشخص شود: 1) سیستم توزیع‌شده از چه مؤلفه‌هایی (شی، لایه، فرایند و غیره) تشکیل می‌شود. 2) این مؤلفه‌ها چگونه با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. 3) مؤلفه‌ها چگونه در کنار هم قرار می‌گیرند و کدام مؤلفه‌ها با کدام مؤلفه‌ها ارتباط دارند. بنابراین سه مفهوم در یك معماری وجود دارد: 1) مؤلفه‌ها (components) که اجزای مجزا، مستقل و قابل جایگزینی (حذف، اضافه، تغییر) سیستم هستند. 2) اتصال‌دهنده‌ها (connectors) که مکانیسمی است که نحوه ارتباط، هماهنگی و همگام‌سازی مؤلفه‌ها را تعیین می‌کند. 3) سازماندهی (Organization) که نظم و ساختار مؤلفه‌ها و جایگاه هر مؤلفه در سیستم را مشخص می‌کند و اینکه کدام مؤلفه‌ها با هم در ارتباط هستند. سپس سبك‌های معماری نرم افزار به تفصیل و با جزئیات کامل مورد بحث قرار می‌گیرند و در مورد هر سبک، مؤلفه‌ها، اتصال‌دهنده‌ها و نحوه سازماندهی سیستم معرفی و تشریح می‌شوند. این سبک‌ها به ترتیب عبارتند از: 1) لایه‌ای (Layered) 2) مبتنی بر شیء (Object-based) 3) داده محور (Data-Centric) 4) مبتنی بر رویداد (Event-based) 5) فضای داده اشتراکی (Shared Data Space) که ترکیب سبک‌های داده محور و مبتنی بر رویداد است.


معماری نرم‌افزار و سبک‌های آن

در جلسه هفتم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، ادامه فصل دوم این درس با عنوان «معماری» ارائه می‌شود. در این جلسه معماری سیستم (System Architecture) و انواع آن معرفی شده و معماری سیستم متمرکز client / Server مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. می‌دانیم معماری سيستمی پياده سازی نهایی معماری نرم افزاری در بستر فيزیکی سخت افزار و شبکه است و به سه دسته تقسیم می‌شود: 1) متمرکز (Centralized) مانند Client Server که مبحث این جلسه است. 2) معماری سیستمی نامتمرکز (Decentralized) مانند Peer to Peer (همتا به همتا) 3) تلفيقی (متمرکز + نا متمرکز) مانند C/S+P2P که موضوع جلسات آینده هستند. ابتدا ارتباط بين مشتری و سرور با تبادل پيام همگام (سنکرون) بررسی می‌شود. درخواست های همانی و غیر همانی مورد بحث قرار می‌گیرند و مقایسه می‌شوند و ارتباطات مطمئن و غیر مطمئن در این رابطه مورد مطالعه قرار می‌گیرند. سپس سطوح (لایه‌های) برنامه‌های کاربردی Client/Server بررسی می‌شوند. می‌دانیم از نظر منطقی سيستم‌های C/S از سه لایه(Layer) یا سطح (Level) تشکيل می‌شوند: 1) User Interface (واسط کاربر) 2) Process (پردازش) 3) Data (داده). این سه سطح با مثال موتور جستجو مورد بحث و بررسی دقیق قرار گرفته و جزئیات مربوطه ارائه ی‌شود. سپس مفهوم Multi-tier (چندردیفی) تشریح می‌شود. جایگاه 3 لایه فوق در دو ردیف مشتری و سرور مورد بررسی قرار می‌گیرد و رویکرد مشتری لاغر (Thin Client) با سه دلیل توجیه می‌شود. در انتها یک معماری 3 ردیفه مطرح و در مورد آن صحبت می‌شود.

معماری سیستمی  متمرکز (C/S: Client Server)

در جلسه هشتم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، ادامه فصل دوم این درس با عنوان «معماری» ارائه می‌شود. در این جلسه معماری سیستمی نامتمرکز  (P2P: Peer to Peer) مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. ابتدا مفهوم معماری سیستمی نامتمرکز همتا به همتا مورد بررسی قرار گرفته و دو مزیت مهم آن و نیز سه مسئله و چالش مهم در آن مورد بحث قرار می‌گیرد. سپس انواع معماری سیستمی نامتمرکز (انواعP2P) شامل 1) ساخت‌یافته (Structured) مثل Chord یا CAN و 2) غيرساخت‌یافته (Unstructured) مثل Partial view و 3) ترکیبی معرفی می‌شوند. آنگاه انواع شبکه مثل شبکه‌های کامپیوتری، شبکه‌های اجتماعی و شبکه‌های روگستر یا همپوشان (Overlay) معرفی و شبکه‌های روگستر مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. در انتها معماری ساخت‌یافته Chord که توسط Stoica و همکارانش در سال 2003 مطرح شده است معرفی و جزئیات DHT (Distributed Hash Table) و نحوه تخصیص id تصادفی به فرایندها و key تصادفی به آیتم‌های داده توسط DHT شرح داده می‌شود. در این راستا ساختار حلقوی Chord و مفهوم Succ و Pred و گره مسئول و گره‌های مالک آیتم‌های داده شرح داده می‌شود. همچنیم مفهوم Lookup و مرتبه زمانی جستجو در Ring ساده و پیشرفته Chord تدریس می‌شود.

معماری سیستمی نامتمرکز  (P2P: Peer to Peer)

در جلسه دهم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، ادامه فصل دوم این درس با عنوان «معماری» ارائه می‌شود. در این جلسه معماری نامتمرکز غیر ساخت‌یافته با روش Partial View (دید جزئی) مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. مفهوم Partial View، روش تصادفی ایجاد آن و نحوه تبادل آن با یکی از همسایگان تصادفی مورد بحث و بررسی دقیق قرار می‌گیرد. سپس شبه‌کد نخ فعال و غیر فعال هر گره در این روش خط به خط شرح داده می‌شود. آنگاه یک تست کنکور دکترا در این خصوص مطرح و حل تشریحی آن ارائه می‌گردد. در انتها نوبت به مدیریت توپولوژی شبکه‌های روگستر می‌رسد و توپولوژی‌های ترکیبی خاصی از شبکه‌های روگستر با دو لایه متشکل از سیستم‌های همتا به همتای ساخت‌یافته و غیر ساخت‌یافته مورد بحث و بررسی قرار داده می‌شوند. در این خصوص مفاهیم حفظ نزدیکی معنایی (semantic proximity) و ساخت شبکه‌های روگستر معنایی (semantic overlay networks) مورد توجه قرار می‌گیرند.

معماری نامتمرکز غیر ساخت‌یافته Partial View

در جلسه یازدهم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، ادامه فصل دوم این درس با عنوان «معماری» ارائه می‌شود. در این جلسه معماری‌های تلفیقی (ترکیب متمرکز و نامتمرکز) مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرند. ابتدا به عنوان اولین مثال از معماری تلفیقی مفهوم سوپر همتاها (superpeers) مورد بحث و بررسی دقیق قرار می‌گیرد. سپس سيستم‌های سرويس‌دهنده لبه‌ای (edge-server systems) شرح داده می‌شوند. آنگاه نوبت به سيستم‌های توزيع‌شدۀ همكار می‌رسد که سيستم‌های همكار در سيستم اشتراک فايل BitTorrent مورد بحث و بررسی قرار داده می‌شود. در انتها سيستم‌های همكار در شبكۀ توزيع محتوای Globule مورد بررسی قرار می‌گیرد.

معماری‌های تلفیقی (ترکیب متمرکز و نامتمرکز)

در جلسه دوازدهم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، ادامه فصل دوم این درس با عنوان «معماری» ارائه می‌شود. در این جلسه معماری میان‌افزارها مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرند. میان‌افزار لايه‌ای میان برنامه‌های کاربردی و بسترهای توزيع‌شده است و يکی از اهداف مهم آن، فراهم سازی درجه‌ای از شفافیت توزيع است که به اندازه کافی توزيع داده‌ها، فرايندها و کنترل را از برنامه کاربردی پنهان نمايد. معمولاً سیستم‌های میان‌افزار، هر کدام از يک سبک معماری خاصی پیروی می‌کنند. برای مثال بسیاری از راه‌حل‌های میانافزاری مانند CORBA، سبک معماری مبتنی بر شئ را  پذيرفته‌اند يا مثلاً TIB/Rendezvous میان‌افزاری را ارائه مي‌دهند که از سبک معماری مبتنی بر رويداد تبعیت می‌کند. داشتن میان‌افزاری که بر اساس يک سبک معماری خاصي شکل گرفته است دارای اين مزيت است  که طراحی برنامه‌های کاربردی را ساده‌تر می‌سازد. با اين وجود، نقطه ضعف آشکارش نیز اين است که میان‌افزار ممکن است ديگر برای آنچه سازنده برنامه کاربردی در ذهن خويش دارد، بهینه نباشد. حال مسئله اين است که چه کنیم که ضمن حفظ وحدت رويه و سبک واحد معماری نرم‌افزاری در میان‌افزار، نیازهای برنامه کاربردی را هم در نظر بگیريم و با نیازهای متنوع آنها نیز منطبق باشیم. روشی که معمولاً بهتر به نظر می‌رسد اين است که سیستم‌های میانافزار را طوری بسازيم که پیکربندی (Configuration)، وفقپذيری (Adoptability) و سفارشی کردن (customize)برای يک برنامه کاربردی، در هنگام لزوم آسان باشد. به عنوان اولین راهبرد، راه‌بند (Interceptor) شرح داده می‌شود که يک سازه نرم‌افزاری است که جريان عادی کنترل را قطع می‌کند و يک کد ديگر را که خاص آن کاربرد است (و با استايل معماری منتخب همخوانی ندارد) در خارج از روال عادی انجام می‌دهد و دوباره کنترل به روال عادی بر می‌گردد. راه‌بندها در دو سطح پیاده‌سازی می‌شوند: 1) راه‌بند سطح درخواست (Request Level Interceptor) و 2)  راه‌بند سطح پیام (Message Level Interceptor). پس از شرح این دو نوع راه‌بند، در ادامه سه راهکار عمومی برای وفق‌پذيری نرم‌افزار ارائه می‌شود. McKinley و همکاران (2004)سه تکنیک اساسی را برای وفق‌پذيری نرم‌افزار مطرح کردند: 1) تفکیک وظائف (Separation of concerns) 2) انعکاس محاسباتی (Computational reflection) 3) طراحی مبتنی بر مؤلفه (Component-based design). این سه روش به تفصیل مورد بحث و بررسی قرار داده می‌شوند. در انتها یک بحث مفصل فلسفی در مورد مفهوم عمیق سادگی، وحدت و جاودانگی در سیستم‌های توزيع شده ارائه می‌شود و مفاهیم مهمی همچون Self Similarity و Fractal Components و مفهوم تکرار یک چیز ساده به تفصیل مورد بحث قرار می‌گیرد.


معماری میان‌افزارها

در جلسه سیزدهم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، آخرین بخش فصل دوم این درس با عنوان «معماری» ارائه می‌شود. در این جلسه سیستم‌های خودگردان و حلقه کنترل بازخورد مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرند. در اين مبحث نیز برای دستیابی به وفق‌پذيری خودكار سیستم‌های توزيع‌شده با تغییرات محیط از مکانیسم كنترل بازخورد سطح بالا استفاده می‌كنیم. اين پديده به نام محاسبات خودمختار (autonomic computing) يا سیستم‌های خود-ستاره (self-star systems) نیز شناخته می‌شود. همان مبنای داستان انعکاس محاسباتی جلسه قبل، يعنی فیدبک، باز هم اساس بحث سیستم‌های خودگردان است. همه چیز در مبحث خودگردان ياخود-ستاره مبتنی بر اصل بازخورد (Feedback) و مدل حلقه كنترل بازخورد (Feedback Control Loop) است. ابتدا سه بخش مهم این حلقه شامل 1) نظارت (مشاهده + تخمین معیار) 2) تحلیل (مؤلفه تحلیل بازخورد) که قلب سیستم فیدبک است 3) تصحیح (تنظیم پیکربندی جدید) شرح داده می‌شود. سپس سه مثال Astrolabe و Globule و Jade به طور دقیق با جزئیات کامل شرح داده می‌شود.

سیستم‌های خودگردان و حلقه کنترل بازخورد

در جلسه چهاردهم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، فصل سوم این درس با عنوان «فرایندها» آغاز می‌شود. يک مفهوم كليدی در كليه سيستم‌هاي عامل، فرايند (Process) است. فرايند، اساساً يک برنامه در حال اجرا است. منظور از برنامه در حال اجرا، كاري است كه توسط زمانبند كار انتخاب و وارد گردونه اجرا شده است؛ ولي هنوز پايان نيافته و از سيستم خارج نشده است؛ اما لزوماً در حال حاضر CPU را در اختيار ندارد. در این جلسه که مروری بر دو مفهوم فرایند و نخ از مباحث سیستم عامل (1) است، ابتدا مفهوم فرایند و وضعیت‌های آن و Text (Code) و Data و Heap و Stack آن در تصویر حافظه اش شرح داده می‌شود. سپس نخ‌ها (Threads) و فرايند چندنخی (Multithread) شرح داده می‌شود. در يک فرايند چندنخی (Multithread)، برنامه به چندين نخ تقسيم می‌شود كه اين نخ‌ها می‌توانندبر روی چند CPU به طور موازی و همزمان يا بر روی يک CPU به طور شبه موازی (شبه همزمان) به كمک اشتراک زمانی اجرا شوند. سپس در مورد چیستس و چرایی نخ صحبت می‌شود و اهداف و کاربردهای چندنخی به طور کامل شرح داده می‌شود. در انتها پیاده‌سازی نخ مورد مطالعه قرار می‌گیرد و دو مدل نخ‌های سطح کاربر و نخ‌های سطح هسته به تفصیل و با مثال‌های کافی شرح داده می‌شود. مدل ترکیبی و LWP‌ها در جلسه آینده شرح داده خواهند شد.

فرایندها و نخ‌ها

در جلسه پانزدهم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، ادامه فصل سوم این درس با عنوان «فرایندها» تدریس می‌شود. در جلسه قبل، نخ‌ها (Threads) و فرايند چندنخی (Multithread) شرح داده شد. در مورد چیستی و چرایی نخ صحبت شد و اهداف و کاربردهای چندنخی به طور کامل شرح داده شد. همچنین پیاده‌سازی نخ مورد مطالعه قرار گرفت و دو مدل نخ‌های سطح کاربر و نخ‌های سطح هسته شرح داده شد. در این جلسه مدل ترکیبی و LWP‌ها  شرح داده می‌شوند و پس از آن کاربرد نخ‌ها در سیستم‌های توزیع‌شده مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرند. ابتدا دلایل ایجاد فرایندهای سبک وزن (LWP: Light Weight Processes) شرح داده می‌شود. در این مدل چند به چند (Many to Many) چندین نخ سطح کاربر به تعداد کمتر یا مساوی از نخ‌های سطح هسته (LWPها) نگاشت می‌شوند. تعداد نخ‌های سطح هسته هر فرایند به دو چيز بستگی دارد: 1) نوع کاربرد (ميزان I/O Limited یا CPU Limited بودن آنها) 2) تعداد پردازنده‌ها یا هسته‌های موجود. سپس در مورد مسدود شدن نخ‌های سطح کاربر، مسدود شدن LWP ها و مسدود شدن کل فرایند صحبت می‌شود. نخ‌ها به دو صورت ممكن است مسدود شوند. یكی با فراخوان سيستمی و توسط هسته و دیگری بافراخوان تابعی از کتابخانه سطح کاربر برای خوابيدن. سپس در مورد Upcall  مفهوم مهم Scheduler Activation (فعال‌سازی زمان‌بند) صحبت می‌شود. بعد از آن چندنخی همگام (Synchronous Multithreading) و چندنخی ناهمگام (Asynchronous Multithreading) توضیح داده می‌شود. سپس کاربرد نخ‌ها در سیستم‌های توزيع‌شده تشریح می‌شود. ابتدا کاربرد نخ‌ها در مشتری‌های چندنخی و بعد از آن کاربرد نخ‌ها در سرورهای چندنخی مورد بررسی قرار می‌گیرند. سه نوع پیاده‌سازی سرورها در سیستم‌های توزیع شده شرح داده می‌شود: 1) تک نخی تکرار شونده 2) همروند چندنخی 3) ماشین حالت متناهی (FSM: Finite State Machine).

LWPها و کاربرد نخ‌ها در سیستم‌های توزیع‌شده

در جلسه شانزدهم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، ادامه فصل سوم این درس با عنوان «فرایندها» تدریس می‌شود. موضوع این جلسه مجازی‌سازی (Virtualization) است. ابتدا سه نوع هایپروایزر (Hypervisor) یا VMM (Virtual Machine Manager) مورد بحث و بررسی قرار گرفته و تفاوت‌ها و کاربردهای هر یک مطرح می‌شوند. اول از همه Type 0 Hypervisor  شرح داده می‌شود که در Firmware سرورهای بزرگ IBM و Oracle تعبیه می‌شوند. سپس Type 1 Hypervisor ارائه می‌شوند که شبه سيستم‌عاملی هستند و بر روی سخت‌افزار خام كامپيوتر را Boot كرده و سپس به ايجاد ماشين‌های مجازی مجزا و مستقل برای اجرای چند سيستم عامل می‌پردازند. بر خلاف Hypervisor نوع 2 شركت VMWare، كه بر روی يك سيستم عامل ميزبان مثل Windows اجرا می‌شد، VMMهايی مانند VMWare ESXو Cirix XenServer و Joyent SmartOS ديگر بر روی سيستم‌عامل ميزبان اجرا نمی‌شوند، بلكه خودشان به گونه‌ای شبه‌سيستم‌عامل ميزبان محسوب می‌شوند كه خدمات و مديريت منابع را برای ماشينهای مجازی فراهم می‌كنند. پس از آن  Type 2 Hypervisor مطرح می‌شوند که این  نوع ازVMMها(شبه)برنامه‌های كاربردی خاصی هستند كه بر روی يک سيستم عامل ميزبان معمولی مثل Windows اجرا شده و به ساخت و اداره ماشين مجازی می‌پردازند. مثلاً VMware Workstation و Fusion و Parallels Desktop و نيز Oracle Virtual Box از اين دسته‌اند. در ادامه پارا-مجازی سازی (Paravirtualization) ارائه می‌شود که تكنيكی است كه در آن سيستم عامل ميهمان به گونه‌ای تغيير می‌كند كه با VMMهمكاری نمايد تا كارآيی بالاتری حاصل شود. بعد از آن مجازی سازی محيط برنامه نويسی (Programming-environment Virtualization) ارائه می‌گردد که تكنيكی است كه در آن VMMها سختافزار واقعی را مجازی سازی نمی‌كنند و اصلاً قصد اجرای يک سيستم‌عامل ميهمان را ندارند، بلكه با هدف قابليت حمل (Portability) برنامه‌ها بر روی ماشين‌های گوناگون با معماری سخت‌افزاری و سيستم‌عامل‌های مختلف، يک سيستم زمان اجرای (Runtime System) مجازی بهينه را ايجاد می‌كنند و بر روی سيستم‌عامل مقصد نصب و اجرا می‌كنند تا برنامه كامپايل شده برای CPU واقعی يا فرضی مبدأ بتواند بر روی بستر متفاوت مقصد نيز اجرا شود. اين ويژگی را مستقل بودن از بستر (Platform Independent) نيز می‌گويند. اين فناوری ابتدا توسط Oracle Java و بعد توسط Microsoft .Net ارائه شد. سپس Emulation و Virtualization با هم مقایسه می‌شوند تا دانشجویان مفهوم همانند سازی را درک نمایند. برابرسازی يا همانندسازی (Emulation) شبيه‌سازی سخت‌افزار يک كامپيوتر در نرم‌افزار است. اين شبيه‌سازی نرم‌افزاری وقتی مورد استفاده قرار می‌گيرد كه بخواهيم برنامه‌های كامپايل شده برای CPUمبدأ را عيناً بر روی CPU مقصد با معماری و مجموعه دستورالعمل‌های متفاوت به اجرا در آوريم. بعد از آن جداسازی و بازداری برنامه‌های کاربردی (Application Containment) مورد بررسی قرار می‌گیرد. اين تكنيک در واقع مجازی‌سازی ماشين محسوب نمی‌شود بلكه ويژگی‌هايی شبيه مجازی‌سازی را فراهم می‌كند تا برنامه‌های كاربردی را از سيستم عامل جدا و تفکیک (Segregation) نمايد (مثل Docker). در انتها چهار نوع مختلف از واسط ها در چهار سطح متفاوت معماری ماشین مورد مطالعه قرار می‌گیرند.

مجازی‌سازی (Virtualization)

در جلسه هفدهم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، ادامه فصل سوم این درس با عنوان «فرایندها» تدریس می‌شود. موضوع این جلسه مشتری‌ها (Clients) است. در اين جلسه ساختار مشتری‌ها به دقت مورد بررسی قرار می‌گیرند. ابتدا واسط‌های کاربر شبکه‌ای برای تعامل کاربران با سرورهای راه دور مورد مطالعه قرار می‌گیرند. سيستم X Window و مشتری‌های لاغر در محاسبات شبکه‌ای مطرح و شرح داده می‌شود که رفتار همگام آن می‌تواند در شبکه‌های گسترده، به علت تأخيرهای طولانی، باعث کاهش کارایی شود. چندين راه حل برای اين مشکل وجود دارد، مانند روش‌های به کار رفته در  NX و THINC که در ادامه مورد بحث قرار می‌گیرند. سپس مبحث اسناد مرکب (Compound documents) تدریس می‌شود. در انتها جنبه های گوناگون شفافيت توزيع در نرم افزار طرف مشتری مورد بحث و بررسی دقیق قرار می‌گیرند.

مشتری‌ها (Clients)

در جلسه هجدهم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، ادامه فصل سوم این درس با عنوان «فرایندها» تدریس می‌شود. موضوع این جلسه سرورها (Servers) است. در اين جلسه ساختار سرورها به دقت مورد بررسی قرار می‌گیرند و نکات كلی طراحی سرويس‌دهنده‌ها بیان شده و به دنبال آن پيرامون خوشه‌های سرويس‌دهنده بحث خواهد شد. ابتدا روش‌های سازمان‌دهی سرویس‌دهنده‌ها مورد بحث و بررسی دقیق قرار می‌گیرند: 1) سرويس‌دهنده‌های تکراری (Iterative server) تک نخی (Single Thread) و 2) سرويس‌دهنده‌های همروند (Concurrent server) که خود بر سه نوع‌اند: الف) چندنخی (Multi-Thread) ب) چندفرايندی (Multi-process) ج) ماشين حالت متناهی (Finite State Machine). سپس سه روش شناسایی به نقطه انتهایی سرورها توسط مشتری‌ها شرح داده می‌شود: 1) انتساب سراسری نقاط انتهایی به سرويس‌های معروف 2) روش سوپر سرور (Super Server) 3) روش دیمن نقطه انتهایی (End point Daemon). در ادامه دو روش توقف سرورها شرح داده می‌شود. آنگاه به مسئله نگهداری اطلاعات وضعيت مشتری‌ها در سرورها پرداخته می‌شود و سه روش بدون حالت (Stateless) و حالت‌مند (Stateful) و حالت نرم (Soft State) شرح داده می‌شود و در مورد حالت نشست (Session state) (حالت موقت) و حالت پايدار (Permanent state) صحبت می‌شود و کوکی ها (Cookies) معرفی می‌شوند. سپس خوشه‌های سرويس‌دهنده و سازمان کلی آنها معرفی می‌شوند و خوشه‌های سرويس‌دهنده سه رديفی شرح داده می‌شوند. اصول پاس‌کاری TCP یا TCP Handoff شرح داده می‌شود و تفاوت سوئیچ‌های منطقی لایه انتقال و سوئیچ‌های آگاه از محتوای لایه کاربرد در ردیف اول خوشه‌های سرويس‌دهنده سه رديفی شرح داده می‌شود.

سرورها

در جلسه نوزدهم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، ادامه فصل سوم این درس با عنوان «فرایندها» تدریس می‌شود. موضوع این جلسه سرورهای توزیع‌شده (Distributed Servers) است. سرويس‌دهنده توزيع‌شده مجموعه‎‌ای پويا و (احتمالاً) قابل تغيير از ماشين‌ها با نقاط دسترسی (احتمالاً) متغير است که از ديدناظر خارجی به صورت يک ماشين واحد قدرتمند به نظر می‌رسد. ايده اصلی پشت سرويس‌دهنده توزيع‌شده اين است که مشتری از يک سرويس‌دهنده مستحکم (Robust)، بسيار کارا (High-performing) و پايدار (Stable) بهره‌مند شود. اين جلسه بر چگونگی ايجاد يک نقطه دسترسی پايدار در چنين سيستمی متمرکز است. پروتکل IP نسخه 6 سیار (MIPv6 : Mobile IP version 6) چنین نقطه دسترسی پايداری را فذاهممی‌کند. در این جلسه در مورد پروتکل مبتنی بر خانه (Home-based) MIPv6 صحبت می‌شود و مفاهیم Home Agent و Home Address و Foreign Agent و Care of Address و بهينه‌سازی مسير (Route optimization) به طور دقیق و با جزئیات کامل شرح داده می‌شود. سپس مديريت خوشه‌های سرويس‌دهنده مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد. در انتها مدیریت توزیع‌شده در مثال Planet Lab شرح داده می‌شود.

سرورهای توزیع‌شده

در جلسه بیستم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، آخرین جلسه از فصل سوم این درس با عنوان «فرایندها» تدریس می‌شود. موضوع این جلسه مهاجرت کد (Code Migration) است. تاكنون، سيستم‌های توزيع‌شده‌ای را بررسی كرديم كه در آنها ارتباطات، محدود به انتقال داده‌ها بود. اما، وضعيت‌هايی وجود دارد كه درآنها برنامه‌ها انتقال می‌يابند (مهاجرت کد)؛ گاهی حتی زمانی كه در حال اجرا هستند (مهاجرت فرایند). اين مهاجرت كُد می‌تواند طراحی سيستم‌های توزيع‌شده را آسان نمايد. در اين جلسه، ابتدا مفهوم مهاجرت كُد و دلایل مختلف آن به طور دقيق بررسی می‌شود. سپس به مرور روش‌های مختلف مهاجرت كُد از منظر انواع سیار بودن (قوی و ضعیف)، انواع آغاز کننده (فرستنده و گیرنده)، محل اجرای کد مهاجر (در فرایند مقصد یا فرایند جداگانه) و تفاوت بین Migration و Cloning پرداخته می‌شود. در ادامه، راجع به چگونگی برخورد با منابع محلی كه برنامۀ مهاجرت‌كننده در حال استفاده از آنها است، بحث خواهد شد. در انتها نیز مسئله یا مشکل مهاجرت كُد در سيستم‌های ناهمگن مطرح خواهد شد.

مهاجرت کد

در جلسه بیست و یکم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، فصل چهارم این درس با عنوان «ارتباطات» آغاز می‌شود. موضوع این جلسه «مبانی ارتباطات و انواع آن» می‌باشد. ارتباط بين فرايندها، در قلب همه سيستم های توزيع‌شده جای دارد. بنابراين مطالعه سيستم‌های توزيع شده، بدون بررسی دقيق چگونگی تبادل داده ميان فرايندهای موجود در ماشين‌های مختلف، موجب درک کاملی از اين سيستم‌ها نمی‌شود. ارتباطات در سيستم‌های توزيع شده همواره براساس روش تبادل پيام سطح پايين است که توسط شبکه زيرساخت ارائه می‌شود. ايجاد ارتباط از طريق تبادل پيام، سخت‌تر از به‌کارگيری اوليه‌های (primitives) مبتنی بر حافظه مشترک است که در بسترهاي غير توزيع‌شده استفاده می‌شود. سيستم‌های توزيع شده مدرن، اغلب دربرگيرنده هزاران يا حتی ميليون‌ها فرايندی است که در شبکه‌ای با ارتباطات نامطمئن، نظير اينترنت، گسترده شده‌اند. اگر امکانات ارتباطی اوليه شبکه‌های کامپيوتری باچيزهای (سطح بالاتر) ديگری جايگزين نشود، ساخت برنامه‌های کاربردی توزيع‌شده بسيار بزرگ، خيلي دشوار خواهد بود. در اين فصل چند مدل سطح بالای پرکاربرد برای ارتباطات بررسی می‌شوند. اين مدل‌ها شامل فراخوانی رويه راه دور (RPC: Remote Procedure Call) و ميان‌افزار پيام‌گرا (MOM: Message-Oriented Middleware)می‌باشند. همچنين مسئله ارسال همزمان داده به چند گيرنده، يعني چندپخشی (multicasting) نيز از مباحث این فصل است. در جلسه اول مروری بر پروتکل‌های ارتباطی شبکه زیرساخت در مدل لایه‌ای (7 لایه OSI و پنح لایه TCP/IP) خواهد شد، چون اين پروتکل‌ها پايه و اساس هر سيستم توزيع‌شده را تشکيل می‌دهند. همچنین جایگاه میان‌افزار در مدل لایه ای شبکه مشخص خواهد گردید. سپس از منظرهای متفاوت به دسته‌بندی انواع مختلف ارتباطات در سيستم‌های توزيع‌شده پرداخته خواهد شد.

مبانی ارتباطات و انواع آن

در جلسه بیست و دوم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، دومین جلسه از فصل چهارم این درس با عنوان «ارتباطات» تدریس می‌شود. موضوع این جلسه فراخوانی رویه از راه دور (RPC : Remote Procedure Call) می‌باشد. بسياری از سيستم‌های توزيع‌شده، براساس تبادل صريح پيام‌ها بين فرايندها بنا نهاده شده‌اند. اما مسئله اين است كه با وجود اهميت شفافيت دستيابی در سيستم‌های توزيع‌شده، رويه‌های send و receive، اصلاً ارتباطات را پنهان نمی‌كنند. اين مشكل، مدت ها پيش شناخته شد، ولی كار چندانی روی آن انجام نشد تا اينكه Birrell و Nelson  در سال 1984 مقاله‌ای منتشر كردند و در آن رويكرد كاملاً متفاوت فراخوانی رویه از راه دور (RPC : Remote Procedure Call) را برای اداره كردن ارتباطات مطرح نمودند. البته با وجود اينكه ايده پيشنهادی آنها در نگاه اول ساده به نظر می‌رسد، اما مفاهيم پيچيده‌ای در پشت آن خوابيده است. در اين جلسه، مفهوم پياده‌سازی و نقاط ضعف و قوت RPC بررسی خواهد شد. در يک کلام، ايده RPC این است كه برنامه‌ها اجازه فراخوانی رويه‌های موجود در ماشين ديگر را داشته باشند، درست همان گونه که فراخوانی رويه‌های معمولی (سنتی) انجام می‌شود. ابتدا سه مشکل نداشتن حافظه مشترک و همگن نبودن ماشین ها و خرابی ها در راه پیاده‌سازی RPC مطرح می‌شود. سپس انواع پاس کردن پارامترها در فراخوانی ها از جمله فراخوانی با مقدار (call-by-value) و فراخوانی با ارجاع (call-by-reference) و فراخوانی با كپی/بازيابی (call-by-copy/restore or call-by-value/result) و نقش پشته و حافظه مشترک در آنها بررسی خواهد شد. سپس stubهای مشتری و سرور (Client Stub and server stub) و نقش کامپایلرهای سیستم های توزیع شده در تولید آنها و نحوه پنهان کردتن ارتباطات توسط آنها ارائه خواهد شد. بعد از آن مراحل دقیق و جزئیات فراخوانی رويه راه دور ارائه می‌شود. سپس در مورد تبادل پارامترها با مقدار و بعد از آن درباره ارسال پارامترهای ارجاع از طریق تبدیل فراخوانی با ارجاع به فراخوانی با كپی/بازيابی به تفصیل بحث خواهد شد. همچنین موضوع ارسال ساختمان داده ها و گراف‌های پیچیده صحبت می‌شود. سپس انواع RPC ناهمگام شامل Asynchronous RPC و تركيب دو RPC ناهمگام یا RPC همگام معوقه (deferred synchronous RPC) و نیز RPC يك طرفه (one-way RPC) شرح داده خواهند شد. در انتها DCE RPC به عنوان یک مثال و case مورد مطالعه قرار خواهد گرفت. نقش کامپایلر IDL (Interface definition Language) در ایجاد stub های مشتری و سرور و نیز نحوه انقياد مشتری به سرور در DCE صحبت خواهد شد. نقش ديمِن DCE و سرور دايركتوری در این انقیاد مورد بررسی قرار خواهد گرفت. همچنین قابليت اطمينان در DCE بررسی خواهد شد.

فراخوانی رویه از راه دور (RPC : Remote Procedure Call)

در جلسه بیست و سوم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، سومین جلسه از فصل چهارم این درس با عنوان «ارتباطات» تدریس می‌شود. موضوع این جلسه ارتباطات مبتنی بر پیام می‌باشد. فراخوانی‌های رويه راه دور (RPC) و احضار اشيای راه دور (RMI)، نقش به سزایی در مخفی کردن ارتباطات در سيستم‌های توزيع‌شده دارند و بنابراين، شفافيت دستيابی را افزايش می‌دهند. متأسفانه، اين مکانيسم‌ها هميشه مناسب نيستند. مخصوصاً در شرايطی که نمی‌توان فرض کرد که گيرنده، هميشه در لحظه ارسال درخواست در حال اجرا است، به سرويس‌های ارتباطی جايگزين نيازمنديم. علاوه بر اين، گاهي لازم است طبيعت ذاتاً همگام RPCها که موجب می‌شود يک مشتری مسدود گردد تا درخواستش پردازش شود را با روش ديگری جايگزين نمائيم. در اين جلسه، انواع مختلفی از ارتباطات پيام‌گرا را در سيستم‌های توزيع‌شده مورد بحث قرار می‌دهيم: 1) ارتباطات گذرای همگام و سطح پايين با سوکت ها 2) ارتباطات گذرای متنوع‌تر (همگام و ناهمگام) و سطح بالاتر با MPI و 3) ارتباطات ماندگار با سيستم‌های صف‌بندی پيام.

ارتباطات مبتنی بر پیام

در جلسه بیست و چهارم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، آخرین جلسه از فصل چهارم این درس با عنوان «ارتباطات» تدریس می‌شود. موضوع این جلسه ارتباطات چندپخشی می‌باشد. يکی از عناوين مهم در ارتباطات سيستم‌های توزيع‌شده، پشتيبانی از ارسال داده‌ها به چندين گيرنده است که ارتباطات چندپخشی ناميده می‌شود. سال‌ها است که اين موضوع در حوزه پروتکل‌های شبکه قرار دارد و راه‌حل‌های متعددی در سطح شبکه و سطح انتقال برای آن پيشنهاد شده‌اند و همگی پياده‌سازی شده و مورد ارزيابی‌ قرار گرفته‌اند. موضوع اصلی در همه راه‌حل‌ها، برقراری مسيرهای ارتباطی برای انتشار اطلاعات بود. در عمل، اين کار  نيازمندتلاش‌های مديريتی فراوانی بود و در بسياری از موارد، لازم بود که بشر در آن مداخله کند. علاوه بر اين، تا زمانی که پيشنهادها همسو و همگرا نشده‌اند،ISPها تمايلی به پشتيبانی از چندپخشی نشان نمی‌دهند. با ابداع فناوری همتا به همتا و مخصوصاً مديريت روگستر ساخت‌يافته، برقراری مسيرهای ارتباطی آسان‌تر شد. با توجه به اينکه راه‌حل‌های همتا به همتا معمولاً در لايه کاربرد به‌کار می‌روند، تکنيک‌های چندپخشی سطح کاربرد گوناگونی معرفی شده‌اند. در اين درس، مروری بر چند نمونه از اين تکنيک‌ها خواهيم داشت. همانطور که در اين درس خواهيد ديد، ارتباط چندپخشی می‌تواند به روشی غير از برقراری مسيرهای ارتباطی صريح نيز صورت گيرد. انتشار اطلاعات مبتنی بر شايعه (gossip-based)، روش آسانی را برای چندپخشی فراهم می‌کند که البته کارآيی را کاهش می‌دهد.

ارتباطات چندپخشی

در جلسه بیست و پنجم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، فصل پنجم این درس با عنوان «نام‌گذاری» آغاز می‌شود. موضوع این جلسه «مفاهیم نام‌گذاری و نام‌گذاری تخت» می‌باشد. نام‌ها در تمامی سيستم‌های كامپيوتری، نقش بسيار مهمی بر عهده دارند. نام‌ها برای اشتراك منابع، شناسایی يكتای نهادها، ارجاع به مكان‌ها و مانند آن، به كار می‌روند. يک مطلب مهم در نام‌گذاری اين است كه هر نام، به نهاد (entity) يا موجوديتی تحليل (resolve) می‌شود كه به آن ارجاع دارد. تحليل نام به فرايند امكان می‌دهد تا به يک نهاد نام‌گذاری شده، دست يابد. برای تحليل نام‌ها بايد يک سيستم نام‌گذاری (Naming system) را پياده‌سازی كنيم. تفاوت ميان نام‌گذاری در سيستم‌های توزيع‌شده با سيستم‌های غير توزيع‌شده، در روش پياده‌سازی سيستم‌های نام‌گذاری نهفته است. پياده‌سازی سيستم نام‌گذاری در سيستم‌های توزيع‌شده، اغلب خودش روی چندين ماشين توزيع می‌شود. چگونگی انجام اين توزيع، نقش كليدی در كارایی و مقياس‌پذيری سيستم نام‌گذاری ايفا می‌كند. در اين فصل به سه روش مختلف و مهم به‌كارگيری نام‌ها در سيستم‌های توزيع‌شده می‌پردازيم: 1) نام‌گذاری تخت (Flat Naming): ويژگی مهم چنين نامی اين است كه فاقد هرگونه اطلاعاتی درباره چگونگی يافتن نقطه دستيابی نهاد (موجودیت) مربوطه‌اش است. 2) نام‌گذاری ساخت‌يافته (Structured Naming): نام‌های تخت برای ماشين‌ها مناسب هستند، اما برای استفاده انسان‌ها چندان مناسب نيستند. به جای آنها،  سيستم‌های نام‌گذاری عموماً از نام‌های ساخت‌يافته پشتيبانی می‌كنند كه تركيبی از نام‌های ساده و انسان‌پسند می‌باشند. اين نام‌ها ساختاری دارند كه حاوی اطلاعاتی درباره چگونگی يافتن نقطه دستيابی نهاد مربوطه است. نام‌گذاری فايل و نام‌گذاری ميزبان در اينترنت (URL) از اين روش بهره می‌گيرد. 3) نام‌گذاری مبتنی بر مشخصه (Attribute-based Naming): انسان‌ها گاهی ترجيح می‌دهند نهادها را با ويژگی‌های آنها توصيف كنند. به کمک اين مطلب می‌توان توصيفی از مشخصات نهاد را به نهاد دارنده آن مشخصات تحليل كرد. اين نوع از تحليل نام، بسيار مشكل است. در این جلیه پس از تعریف مفاهیم پایه نام‌گذاری، سیستم های نام گذاری تخت تدریس می‌شوند. ابتدا مفهوم نام‌ها، شناسه‌ها و آدرس‌ها و نقاط دسترسی و مفهوم نام انسان پسند و نام مستقل از مکان شرح داده می‌شود. سپس در نام‌گذاری تخت اواع روش‌ها مورد مطالعه قرار می‌گیرند: 1) همه‌پخشی (multicasting) و چندپخشی (broadcasting) 2) اشاره‌گرهای هدايت كننده (forwarding pointers) 3) روش‌های مبتنی بر مكان خانگی (home-based approaches) 4) جداول درهم‌سازی توزيع شده (DHT) 5) بهره‌برداری از مجاورت شبكه با سه تکنیک الف) انتساب شناسه ها گره مبتنی بر توپولوژی ،(topology-based assignment of node identifiers) ب) مسيريابی مجاورتی (proximity routing) ج) انتخاب همسايه مجاور (proximity neighbor selection) و 6) روش‌های سلسله مراتبی (hierarchical approaches).

مفاهیم نام‌گذاری و نام‌گذاری تخت

در جلسه بیست و ششم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، ادامه فصل پنجم این درس با عنوان «نام‌گذاری» تدریس می‌شود. موضوع این جلسه «نام‌گذاری ساخت‌یافته (Structured Naming)» می‌باشد. در جلسه قبل گفته شد که سه نوع مختلف از سیستم‌های نام‌گذاری وجود دارند: 1) نام‌گذاری تخت (Flat Naming) که در جلسه قبل تدریس شد. 2) نام‌گذاری ساخت‌يافته (Structured Naming) که موضوع بحث این جلسه است که این نام‌های ساخت‌يافته، تركيبی از نام‌های ساده و انسان‌پسند می‌باشند. اين نام‌ها ساختاری دارند كه حاوی اطلاعاتی درباره چگونگی يافتن نقطه دستيابی نهاد مربوطه است. نام‌گذاری فايل و نام‌گذاری ميزبان در اينترنت (URL) از اين روش بهره می‌گيرد و 3) نام‌گذاری مبتنی بر مشخصه (Attribute-based Naming) که موضوع بحث جلسه بعدی است. موضوعاتی که در ابتدای این جلسه مورد بحث قرار می‌گیرند عبارتند از فضاهای نام (Name Space)، گره برگ (leaf node)، گره دايركتوری (directory node) و نام مسير (path name)، نام مسير مطلق (absolute path name) و نام مسير نسبی (relative path name) و نام سراسر (global name) و نام محل (local name). سپس سیستم فایل یونیکس و مفاهیم بلاک راه‌انداز (boot block) و سوپر بلاک (super block) و گره‌های شاخص یا انديس (index nodes) كه inode ناميده می‌شوند و بلاک‌های داده معرفی می‌شوند و نحوه تحلیل دقیق نام در آن (name resolution) شرح داده شده و مفهوم مكانيسم دريچه ورود(closure mechanism) در آن آموزش داده می‌شود. سپس پيوندزدن (linking) و نصب كردن (mounting) و دو روش پيوند سخت(hard link) و پيوند نمادين (symbolic link) برای تشریح نام‌های مستعار (aliases) در مقابل نام های اولیه یا اصلی یا استاندارد یا کانونی توضیح داده می‌شود. سپس نصب فضای نام خارجی در سيستم توزيع‌شده، بر اساس سه اطلاعات نام پروتكل دستيابی و نام سرور و نام نقطة نصب شده در فضای نام خارجی شرح داده می‌شود و پروتکل سیستم نام شبکه‌ای (NFS: Network File System) در این مورد با یک مثال دقیقاً شرح داده می‌شود. سپس پياده‌سازی فضای نام و توزيع فضای نام در سه لایه سراسری (global layer) و لایه راهبری (administrational layer) و لایه مدیریتی (managerial layer) با جزئیات و مقایسه لایه ها ومقايسه سرورهای نام در يک فضای نام بزرگ با سه لايه سراسری، راهبری و مديريتی شرح داده می‌شود. در انتها پياده‌سازی تحليل نام به دو روش تحليل نام تكراری (iterative name resolution) و تحليل نام بازگشتی (recursive name resolution) و مقایسه آنها شرح داده می‌شود.

نام‌گذاری ساخت‌یافته

در جلسه بیست و هفتم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، آخرین جلسه از فصل پنجم این درس با عنوان «نام‌گذاری» تدریس می‌شود. موضوع این جلسه «DNS و نام‌گذاری مبتنی بر مشخصه» می‌باشد. در دو جلسه قبل گفته شد که سه نوع مختلف از سیستم‌های نام‌گذاری وجود دارند: 1) نام‌گذاری تخت (Flat Naming) که در جلسه 25 تدریس شد. 2) نام‌گذاری ساخت‌يافته (Structured Naming) که موضوع بحث جلسه 26 بود و البته مثال DNS از نامگذاری ساخت‌یافته در این جلسه مطرح می‌شود و 3) نام‌گذاری مبتنی بر مشخصه (Attribute-based Naming) که موضوع بحث این جلسه، بعد از شرح مثال DNS است. ابتدا سيستم نام دامنه (DNS: Domain Name System) و فضای نام DNS مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد و انواع ركوردهای منبع (resource records) در DNS تشریح می‌شوند. سپس با یک مثال دقیق پياده‌سازی DNS به طور دقیق آموزش داده می‌شود. سپس نام‌گذاری مبتنی بر مشخصه (attribute-based naming) وزوج‌های (مشخصه،مقدار) تشریح می‌گردد. سپس سرويس‌های دايركتوری (directory services) و چارچوب كاری توصيف منبع (RDF: Resource Description Framework) شرح داده شده و سه‌تايی هايی تعريف می‌شوند كه شامل (subject, predicate, object)، يعنی (نهاد، گزاره و شئ) هستند. سپس پياده‌سازی سلسله مراتبی سرويس اكتيو دايركتوری مايكروسافت (Microsoft’s Active Directory service) با پروتکل دستيابی دايركتوری سبک وزن (LDAP: Lightweight Directory Access Protocol) با یک مثال دقیق شرح داده می‌شود و مفاهیم پايگاه اطلاعاتی دايركتوری (DIB: Directory Information Base) و نام متمايز نسبی (RDN: Relative Distinguished Name) و درخت اطلاعات دايركتوری (DIT: Directory Information Tree) شرح داده می‌شوند. همچنین انواع جستجو و نقش عامل‌های سرويس دايركتوری (DSA: Directory Service Agents) در آن در گاسخ به درخواست های عامل‌های كاربر دايركتوری (DUA: Directory User Agents) دقیقاً شرح داده می‌شود. در انتها سرويس‌دهنده شاخص (انديس) سراسری (global index server) یا كاتالوگ سراسری (global catalog) مورد بررسی قرار می‌گیرد و به دايركتوری جهانی و جامعيت اكتشاف (UDDI: Universal Directory and Discovery Integration) اشاره می‌شود.


DNS و نام‌گذاری مبتنی بر مشخصه

در جلسه بیست و هشتم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، فصل ششم این درس با عنوان «همگام‌سازی» آغاز می‌شود. موضوع این جلسه «همگام‌سازی ساعت (Clock Synchronization)» می‌باشد. در فصل های قبل، نگاهی به فرايندها و ارتباط بين فرايندها (Inter Process Communication)داشتيم. موضوعات همكاری (Cooperation) بين فرايندها و همگام‌سازی (synchronization) آنها نيز با اين مبحث، ارتباط نزديكی دارند. يكی از مهم‌ترين مباحث در همكاری گروهی از فرايندها يا نخ‌ها و همگام‌سازی آنها اين است كه امور طبق روال از قبل طراحی شده پيش برود و به ترتيب از قبل چيده شده انجام شود واز هم پيشی (سبقت) نگيرند. مبحث ديگر در همگام‌سازی فرايندها يا نخ‌ها اين مطلب مهم است كه فرايندهای مختلف به طور همزمان به يک منبع مشترک، همانند چاپگر دستيابی نداشته باشند، اما در عوض می‌توانند در جهت توافق برای دسترسی انحصاری موقت به آن منبع با يكديگر همكاری نمايند. اين مسئله انحصار متقابل (Mutual Exclusion) ناميده می‌شود. مثال ديگر اين است كه فرايندهای مختلف ممكن است گاهی نياز به توافق بر روی ترتيب رويدادها داشته باشند، مانند اينكه آيا فرايند P پيام m1 خود را قبل از پيام m2 فرايند Q فرستاده است يا بعد از آن؟ همانطور كه از اين مطلب نتيجه می‌شود، همگام‌سازی در سيستم‌های توزيع‌شده اغلب در مقايسه با همگام‌سازی در سيستم‌های تک پردازنده‌ای يا چندپردازنده‌ای خيلی دشوارتر می‌باشد. مسائل و راهكارهايی كه در اين فصل مورد بحث قرار می‌گيرند ماهيت نسبتاً كلی و عمومی داشته و در موقعيت‌های مختلفی در سيستم‌های توزيع‌شده كاربرد دارند. اين بحث را در همین جلسه با مسئله همگام‌سازی بر اساس زمان واقعی (ساعت فیزیکی) شروع كرده و بعد از آن (در جلسه بعد) به بررسی همگام‌سازی، درساعت‌های منطقی و برداری می‌پردازيم كه در آنجا ترتيب نسبی رويدادها به جای ترتيب مبتنی بر زمان مطلق اهميت دارد. در جلسه بعد از آن نیز به مسئله انحصار متقابل و الگوریتم‌های آن پرداخته خواهد شد. در بسياری از موارد، اين مطلب مهم است كه گروهی از فرايندها می‌توانند يک فرايند را به عنوان هماهنگ كننده (coordinator) تعیین كنند. اين کار به وسیله الگوريتم‌های انتخاب (راهبر یا هماهنگ كننده) انجام می‌شود که موضوع جلسه بعد از آن است.

همگام‌سازی ساعت

در جلسه بیست و نهم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، ادامه فصل ششم این درس با عنوان «همگام‌سازی» تدریس می‌شود. موضوع این جلسه «ساعت منطقی و ساعت برداری» می‌باشد. فرايندهای مختلف ممكن است گاهی نياز به توافق بر روی ترتيب رويدادها داشته باشند، مانند اينكه آيا فرايند P پيام m1 خود را قبل از پيام m2 فرايند Q فرستاده است يا بعد از آن؟ در این جلسه به بررسی همگام‌سازی، در ساعت‌های منطقی (Logical Clock) و ساعت‌های برداری (Vector Clock) می‌پردازيم كه در آنجا ترتيب نسبی رويدادها به جای ترتيب مبتنی بر زمان مطلق اهميت دارد. 

ساعت منطقی و ساعت برداری

در جلسه سی ام درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، ادامه فصل ششم این درس با عنوان «همگام‌سازی» تدریس می‌شود. موضوع این جلسه «انحصار متقابل (Mutual Exclusion)» می‌باشد. يكی از مهم‌ترين مباحث در همكاری گروهی از فرايندها يا نخ‌ها و همگام‌سازی آنها اين است كه امور طبق روال از قبل طراحی شده پيش برود و به ترتيب از قبل چيده شده انجام شود واز هم پيشی (سبقت) نگيرند. مبحث ديگر در همگام‌سازی فرايندها يا نخ‌ها اين مطلب مهم است كه فرايندهای مختلف به طور همزمان به يک منبع مشترک، همانند چاپگر دستيابی نداشته باشند، اما در عوض می‌توانند در جهت توافق برای دسترسی انحصاری موقت به آن منبع با يكديگر همكاری نمايند. اين مسئله انحصار متقابل (Mutual Exclusion) ناميده می‌شود. در این جلسه  به مسئله انحصار متقابل و الگوریتم‌های آن پرداخته خواهد شد. 

انحصار متقابل

در جلسه سی و یکم درس سیستم‌عامل پیشرفته دکتر حقیقت که از مهم‌ترین دروس تخصصی آزمون دکترای مهندسی کامپیوتر در گرایش نرم‌افزار و گرایش شبکه و رایانش است، آخرین جلسه فصل ششم این درس با عنوان «همگام‌سازی» تدریس می‌شود. موضوع این جلسه «الگوریتم‌های انتخاب (Election Algorithm)» می‌باشد. در بسياری از موارد، اين مطلب مهم است كه گروهی از فرايندها می‌توانند يک فرايند را به عنوان هماهنگ كننده (coordinator) تعیین كنند. اين کار به وسیله الگوريتم‌های انتخاب (راهبر یا هماهنگ كننده) انجام می‌شود که موضوع این جلسه است.

الگوریتم‌های انتخاب

دکتر ابوالفضل حقیقت

فیلم آموزشی سیستم عامل کنکور ارشد | جزوه سیستم عامل کنکور کامپیوتر | دکتر حقیقت | نکته و تست سیستم عامل