Tópicos em redes e sistemas distribuídos

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1 Tópicos em redes e sistemas distribuídos
Carlos Oberdan Rolim Ciência da Computação Sistemas de Informação

2 em sistemas distribuídos
Aspectos de projeto em sistemas distribuídos [C1,T1.1,T1.2,T1.3,T1.4] (40 p.)

3 Conceitos e Arquiteturas
3

4 Sistemas Centralizados
Motivação Computadores com grande capacidade de processamento (mainframes) Terminais sem capacidade de processamento (“burros”) Grande porte físico  limitações para acomodação Grande consumo de energia  sala especial, refrigeração SO único  dependência do fabricante ...passado 4

5 A realidade dos últimos tempos...
Sistemas em Rede Motivação A realidade dos últimos tempos... Computadores diversos, todos com capacidade de processamento Portes diversos SOs diversos Redes diversas (Ethernet, ATM, com fio, sem fio...) Internet 5

6 Distribuição de sistemas
Motivação Dividindo para conquistar!!! Programa modularizado A B distribuir C D Execução sequencial ou concorrente (threads) 6

7 Dividindo para conquistar!!!
Motivação Dividindo para conquistar!!! Programa modularizado A A B B Distribuindo... C C D D 7

8 Dividindo para conquistar!!!
Motivação Dividindo para conquistar!!! Programa distribuído Componentes interligados (comunicação) Processamento (computação) distribuído ou paralelo A B C D 8

9 Potencial para ser mais poderoso do que um sistema centralizado, convencional
Pode ser mais confiável: toda função pode ser replicada Quando um processador falha, outro pode continuar o trabalho Se um disco dá crash, arquivos gravados também em outros discos não são perdidos Várias computações podem ser realizadas em paralelo: um sistema distribuído pode realizar mais na mesma quantidade de tempo Pode-se considerar tolerância a falha e possibilidade de paralelismo como as propriedades fundamentais de um sistema distribuído 9

10 Definições Lamport: “Um sistema distribuído é aquele que faz você parar de ter o trabalho realizado quando uma máquina da qual você nunca ouviu falar falha” Mais seriamente, Tanenbaum e van Renesse (1985): Um sistema (operacional) distribuído é aquele que aparece para os usuários como um sistema (operacional) centralizado ordinário, mas que executa em múltiplas CPUs independentes. O conceito chave é transparência, ou seja, o uso de múltiplos processadores deve ser invisível (transparente) para o usuário. Pode-se dizer que o sistema é visto como um “uniprocessador virtual”, e não como uma coleção de máquinas distintas. 10

11 Definições mais recentes
“Coleção de computadores independentes que aparecem para os usuários do sistema como um único computador.” (Tanenbaum & van Steen) “Uma coleção de elementos de processamento interconectados, tanto logicamente como fisicamente, para execução cooperativa de programas de aplicação com o controle geral dos recursos centralizado.” (M. Eckhouse) “Um sistema em que componentes de hardware e software localizados em computadores em rede se comunicam e coordenam suas ações por passagem de mensagens.” (Coulouris et al) Vários componentes Conectados via uma rede Compartilhando recursos Transparência 11

12 Por que construir SDs? Pessoas são distribuídas, informação é distribuída Desejo de comunicar e compartilhar informações e recursos Relação desempenho/custo Modularidade Expansibilidade Sistemas distribuídos são capazes de crescimento incremental Disponibilidade SDs têm capacidade de replicação e redundância 12

13 Por que construir... (cont)
Escalabilidade Idealmente, sistemas distribuídos não devem ter qualquer componente centralizado (cuja capacidade impõe limites para o tamanho máximo de um sistema), tal que a restrição ao crescimento não deve existir Confiabilidade Disponibilidade é apenas um aspecto de confiabilidade O sistema deve ser capaz de se recuperar de falhas 13

14 Complexidade Complexidade limita o que pode ser construído
Schroeder chama os problemas causados pela complexidade de problemas de sistema: Interconexão: um grande número de problemas de sistemas acontece quando componentes que antes operavam independentemente são interconectados Interferência: dois componentes de um sistema, cada um com comportamento razoável quando observados em isolamento, podem exibir comportamento indesejável quando combinados Propagação de efeito: “efeito cascata” de falhas pode derrubar um sistema inteiro se não houver cuidados no projeto 14

15 Problemas de sistema (cont)
Efeitos de escala: um sistema que funciona bem com 10 nós pode falhar se crescer para centenas de nós Falha parcial Grande diferencial de sistemas distribuídos em relação a sistemas centralizados, tradicionais Fonte considerável de complexidade no projeto de aplicações tolerantes a falhas 15

16 Requisitos não-/funcionais como fonte de complexidade
Sistemas distribuídos são complexos porque o que eles têm que fazer é complexo Exemplos: Gerenciamento do escalonamento de trens em uma rede em que passageiros têm que trocar de trens para chegar em seus destinos – o problema da sincronização Sistema de arquivos distribuídos É preciso prever aspectos como autenticação, controle de acesso, controle de concorrência etc. Complexidade ainda maior quando há os requisitos de alta disponibilidade e tolerância a falhas Aspectos como mecanismos de localização de arquivo, coordenação de estado de servidor replicado, mecanismos de recuperação de falhas parciais etc. 16

17 Necessidade econômica como fonte de complexidade
A solução simples nem sempre pode ser usada – às vezes é cara demais! Exemplo: Em uma rede de longa distância, interconectar todos os pontos (nós) seria a solução mais simples, porém extremamente cara! A solução mais barata é fazer uma rede em que todos os nós são alcançáveis, porém não necessariamente de forma direta O custo dessa solução é mais baixo, porém a complexidade é bastante aumentada: são necessários algoritmos de roteamento, “buferização” para gerenciar o tráfego multiplexado, mecanismos de controle de fluxo para prevenir congestionamento etc. 17

18 Conceito-chave Distribuição Comunicação Transparência Complexidade
Heterogeneidade Transparência demandam 18

19 Resumo A maioria dos (grandes) sistemas (reais) de hoje precisam de comunicação Os sistemas precisam ser modularizados para melhor legibilidade e menor complexidade no desenvolvimento Do ponto de vista do usuário e do programador de aplicação, é preciso transparência Tolerância a falha e possibilidade de paralelismo são propriedades fundamentais de um sistema distribuído Boa relação desempenho/custo é um desafio alcançável Continua... 19

20 Resumo (cont) Características-chave:
Escalabilidade Confiabilidade (disponibilidade, tolerância a falhas, segurança,...) Falha parcial é um grande diferencial de sistemas distribuídos em relação a sistemas centralizados/tradicionais, mas também é fonte considerável de complexidade Do ponto de vista de software, é preciso agregar outras funcionalidades às que os sistemas operacionais convencionais oferecem para dar suporte adequado a sistemas distribuídos 20

21 Sistemas Distribuídos
Características, Objetivos e Modelos Arquiteturais 21

22 Características Ausência de relógio global Ausência de estado global
Conjunto de máquinas autônomas Interconectadas por canais de comunicação Comunicando-se por troca de mensagens Independência de falhas (falhas parciais) Ausência de relógio global Ausência de estado global Estado compartilhado da aplicação (através de comunicação) 22

23 Objetivos Conexão de usuários e recursos Transparência
Desejo de comunicar e compartilhar informações e recursos Transparência Escalabilidade (scalability) Abertura (openness) 23

24 Objetivos de um Projeto de SD
Eficiência – desempenho produtivo Conveniência – utilidade e aplicabilidade Robustez – resistência a falha Disponibilidade: o sistema está no ar quando preciso (instante de tempo) Confiabilidade: o sistema não falha por um longo período de tempo E quando falha, a falha não provoca uma “catástrofe” Consistência – mesma visão de dados Transparência 24

25 Tipos de Transparência
Localização: esconde onde o recurso está localizado Acesso: operações idênticas para acesso local e remoto Migração: esconde que um recurso pode se mover para outra localização Relocação: esconde que um recurso pode ser movido para outra localização enquanto está em uso Concorrência: compartilhamento de recursos sem interferência entre processos concorrentes Falha: esconde a falha e recuperação de um recurso Replicação: esconde de usuários ou programadores de aplicação a existência de réplicas de recursos 25

26 Abertura Capacidade de um sistema poder ser estendido (hw, sw) e de interoperar com outros sistemas Resulta da especificação de interfaces, de tornar as especificações públicas e de padronizá-las Especificações podem ser padrões estabelecidos por organização de padronização padrões estabelecidos pelo uso (de fato) 26

27 Limitações de escalabilidade: Exemplos
Conceito Exemplo Serviços centralizados Um único servidor para todos os usuários Dados centralizados Uma única lista telefônica on-line Algoritmos centralizados Roteamento baseado em informação completa 27

28 Escalabilidade Um sistema continuará eficaz mesmo havendo um aumento significativo no número de recursos e de usuários Desafios: Controlar o custo de recursos Controlar a perda de desempenho Prevenir que os recursos acabem (ex., endereços IP) 28

29 Desafios de SDs Heterogeneidade Transparência Tolerância a Falhas
Segurança Escalabilidade Concorrência Abertura 29

30 Modelos Arquiteturais
Cliente-Servidor Peer-to-Peer Objetos Distribuídos 30

31 O que é um modelo arquitetural?
Estrutura em termos de componentes especificados separadamente Inter-relações de componentes Divisão de responsabilidades entre componentes 31

32 Arquitetura Cliente-Servidor
Clients Clients Service Server invocation invocation Results Results … … invocation invocation Results Results Servidor Único Múltiplos Servidores 32

33 C/S: Aspectos positivos
Arquiteturas cliente-servidor fornecem uma infra-estrutura versátil que suporta a inserção de novas tecnologias mais rapidamente Arquiteturas de software cliente-servidor têm sido usadas desde os anos 80  maturidade 33

34 Objetos Distribuídos Uma aplicação distribuída pode ser vista como um conjunto de objetos Objetos: Consistem de dados + código Podem ser clientes, servidores ou ambos Interface esconde detalhes de implementação Modelar com objetos não implica no uso de programação orientada a objetos 34

35 Objetos Distribuídos Objeto remoto Interface local
Tanenbaum and van Steen. Distributed Systems: Principles and Paradigms © Prentice Hall 2002 Observe a separação entre interface e objeto 35

36 Peer processes (P2P) Coulouris, Dollimore and Kindberg Distributed Systems: Concepts and Design Edn © Addison-Wesley Publishers 2000 36

37 Escolhendo arquitetura...
Alguns tradeoffs devem ser considerados para selecionar a arquitetura mais apropriada, incluindo: O crescimento potencial do número de usuários, Custo e Homogeneidade do ambiente computacional futuro e do momento Cliente-servidor é um modelo-base Objetos distribuídos são uma evolução Há várias interpretações de P2P: “semi-P2P”, “P2P puro”, ... 37

38 Plataformas de Software
Infra-estruturas para Sistemas Distribuídos 38

39 Infra-estruturas de Software
Sistemas Operacionais Distribuídos Sistemas Operacionais de Rede Middleware 39

40 Introdução Hardware é importante para sistemas distribuídos...
Software é o que melhor diferencia sistemas distribuídos Sistemas distribuídos são como sistemas operacionais tradicionais Atuam como gerentes de recursos, permitindo que múltiplos usuários ou aplicações compartilhem CPUs, memórias, periféricos, rede e dados Tentam esconder a heterogeneidade e complexidade do hardware (remoto, principalmente) ao fornecer uma máquina virtual (software) onde aplicações podem ser executadas mais facilmente 40

41 Sistemas operacionais para computadores distribuídos
Fortemente acoplados Tentam manter visão única e global dos recursos gerenciados Fracamente acoplados Coleção de computadores, cada um executando seu próprio sistema operacional No entanto, estes sistemas operacionais trabalham juntos para tornar os serviços e recursos de uns disponíveis aos outros 41

42 SOD, SOR e Middleware Sistemas operacionais fortemente acoplados para sistemas (computadores e programas) distribuídos, geralmente, são chamados de sistemas operacionais distribuídos (SODs) – visão única e global dos recursos Sistemas operacionais fracamente acoplados são os sistemas operacionais de rede (SORs) – cada computador executando seu próprio SO, e vice-versa, um SO completo para cada computador Para melhor suporte à transparência de distribuição são necessários melhoramentos ou serviços adicionais aos serviços de SORs, principalmente Estes adicionamentos levaram ao chamado middleware 42

43 SOD, SOR e Middleware (cont.)
Sistema Descrição Principal objetivo SOD SO fortemente acoplado para multi- processadores e multicomputadores homogêneos Esconder e gerenciar recursos de hardware SOR SO fracamente acoplado para multicomputadores heterogêneos (LAN/WAN) Oferecer serviços locais para clientes remotos Middleware Camada adicional sobre um SOR Prover transparência de distribuição 43

44 Sistemas Operacionais Distribuídos
SODs 44

45 Relembrando sistema operacional uni-processador
Aplicações compartilham recursos e por isso precisam ser protegidas umas das outras Ex: sejam aplicações A e B executando ao mesmo tempo, A não pode alterar os dados de B simplesmente acessando a parte da memória onde os dados estão armazenados – conceito de espaço de endereçamento Aplicações têm que usar apenas facilidades oferecidas pelo SO Ex: uma aplicação não pode copiar mensagens diretamente para uma interface de rede. Em vez disso, o SO oferece primitivas de comunicação 45

46 Tipos de SODs Sistema operacional multi-processador Gerencia recursos de um multiprocessador Sistema operacional multi-computador Para multicomputadores homogêneos A funcionalidade de SODs é essencialmente a mesma de SOs tradicionais/convencionais, exceto que SODs manipulam múltiplas CPUs 46

47 SO Multi-processador Objetivo: alto desempenho através de múltiplos processadores – o número de CPUs deve ser transparente para a aplicação Suporte a múltiplos processadores com acesso a uma memória compartilhada Proteção contra acesso concorrente para garantir consistência, através de primitivas de sincronização Semáforo Monitor 47

48 SO Multi-computador Não há compartilhamento de memória, mas sim comunicação – comunicação confiável é um aspecto importante e complexo 48

49 Sistemas de memória distribuída compartilhada
Objetivo: emular memória compartilhada em multi- computadores Exemplo Páginas de espaço de endereçamento distribuídas em 4 máquinas Situação após CPU 1 fazer referência à página 10 Situação se página 10 é read-only e replicação é usada – cuidado: “réplicas” desatualizadas podem causar inconsistência 49

50 Sistemas Operacionais de Rede
SOR 50

51 Serviços Em SORs, serviços estão disponíveis em máquinas distintas 51

52 Serviços (cont.) Login remoto (rlogin) Cópia remota (rcp)
É preciso saber onde (máquinas) os arquivos se localizam... Pouca transparência! 52

53 Middleware 53

54 Ideal Escalabilidade e abertura – SORs
Transparência e uso mais fácil – SODs 54

55 Estrutura 55

56 Serviços Agregados Nomeação Persistência Transações Segurança .... 56

57 Abertura 57

58 Conclusões Sistemas heterogêneos Pouca transparência Escalabilidade
Sistemas homogêneos Transparência de distribuição Alto desempenho Memória compartilhada Controle de concorrência Sistemas heterogêneos Transparência de distribuição e comunicação Serviços Abertura Sistemas heterogêneos Pouca transparência Escalabilidade Comunicação 58