11 Tipos de sistemas distribuidos - eafranco.com

11, 12 y 13 Tipos de Sistemas Distribuidos e Investigación 01

Estructuras de datos (Prof. Edgardo A. Franco)

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Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez http://computacion.cs.cinvestav.mx/~efranco [email protected]

http://computacion.cs.cinvestav.mx/~efranco

Contenido

• Introducción • Sistemas distribuidos de cómputo

• Sistemas de cómputo en clúster • Sistemas de cómputo en grid

• Sistemas distribuidos de información • Sistemas de procesamiento de transacciones • Integración de aplicaciones empresariales

• Sistemas distribuidos masivos (Embebidos) • Sistemas caseros • Sistemas electrónicos para el cuidado de la salud • Redes de monitoreo

• Investigación 01

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Introducción

• Una clasificación altamente reconocida para los sistemas distribuidos es:

• Sistemas distribuidos de cómputo

• Sistemas distribuidos de información

• Sistemas distribuidos masivos o embebidos

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Sistemas distribuidos de cómputo

• Clase de sistemas distribuidos utilizada para realizar tareas de cómputo de alto rendimiento.

• Computo en cluster

• Cómputo en malla (grid)

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• Sistemas de cómputo en cluster

• Los sistemas de cómputo en cluster adquirieron popularidad cuando mejoro la relación precio-rendimiento de las computadoras personales y las estaciones de trabajo.

• Se volvió económico la construcción de una supercomputadora usando tecnologías económicas y computadoras simples (homogeneas) ubicadas dentro de una red de alta velocidad.

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Sistemas distribuidos de cómputo • En virtualmente todos los casos, la computación

en cluster se utiliza para la ejecución de aplicaciones paralelas, donde un solo programa (de cálculo intensivo) corre paralelamente en múltiples máquinas.

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Aplicación de administración

SO local

Nodo maestro

SO local

Nodo de cómputo

Red estándar

Nodo de cómputo Nodo de cómputo

Bibliotecas en paralelo

Componente de la aplicación en

paralelo

SO local


paralelo

SO local


paralelo

Red de alta velocidad

…

Acceso remoto a la red


• Un ejemplo muy conocido de computadora cluster, es la formada por clústeres basados en distintas distribuciones de Linux (e.g. Beowulf *Hasta 2007).

• Cada cluster consta de una colección de nodos de cómputo controlados, y se accede a ellos mediante un solo maestro.

• El nodo maestro manipula la ubicación de las nodos para el programa paralelo i.e. mantienen una cola de procesamiento por lotes de trabajos enviados y proporciona una interface para los usuarios del sistema.

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• Realmente el nodo maestro ejecuta un middleware necesario para la ejecución de los programas y la administración del cluster.

• Una parte importante del middleware está formada por las bibliotecas necesarias para la ejecución de programas (bibliotecas de interfaz de paso de mensajes generalmente).

• También existen otro tipo de herramientas como MOSIX para intentar proporcionar una imagen de sistema único del cluster. *Investigación 01. 8

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• Sistemas de cómputo en grid

• Una característica de los clústeres es la homogeneidad (mismo sistema operativo conectadas a la misma red). Por el contrario los sistemas basados en grid tienen un alto grado de heterogeneidad (no se establecen características especificas de hardware, sistemas operativos, redes, dominios administrativos, políticas de seguridad, etc.)

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• El propósito de un sistema de cómputo en grid es reunir los recursos de diferentes organizaciones para permitir la colaboración de un grupo de personas o instituciones.

• Tal colaboración se realiza de en la forma de una organización virtual. La gente que pertenece a la misma organización virtual tiene derechos de acceso a los recursos que proporciona la organización.

• Los recursos generalmente constan de servidores (incluso supercomputadoras).

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• Facilidades de almacenamiento

• Bases de datos

• Cómputo de alto rendimiento

• Telescopios

• Sensores

• Etc.

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• Arquitectura en capas para sistemas de cómputo en grid

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Capa de fabricación

Capa de recursos Capa de conectividad

Capa colectiva

Aplicaciones

Middleware


• Capa de fabricación: Proporciona interfaces para recursos locales ubicados en un sitio especifico. (Consultar estado y capacidades de un recurso)

• Capa de conectividad: Consiste en protocolos de comunicación para dar soporte a las transacciones del grid que abarca el uso de múltiples recursos. (Protocolos necesarios para transferir datos

entre los recursos o acceder a un recurso remotamente)

• Capa de recursos: Es responsable de la administración de un solo recurso. (Control de

acceso, autentificación creación de procesos de lectura y escritura) 13

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• Capa de colectiva: Se encarga de manipular el acceso a múltiples recursos y, por lo general consta de servicios para descubrir recursos, ubicación y calendarización de tareas dentro de múltiples recursos y replicación de datos. (Protocolos para la organización virtual de los recursos)

• Capa de aplicaciones: Consta de aplicaciones que operan dentro de una organización virtual y hacen uso del ambiente de cómputo en grid.

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• Por lo general, las capas colectiva, de conectividad, y de recursos forman el núcleo de lo que podríamos llamar una capa grid middleware. Juntas, estas capas proporcionan acceso y administración de los recursos que están potencialmente dispersos a través de muchos sitios. (Idea de un solo sitio o unidad de administración común).

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• El cómputo grid se basa en Arquitecturas orientadas a servicios SOA

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• Ejemplos de cómputo grid (*Investigación 01)

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http://setiathome.berkeley.edu/sah_donate.php

Sistemas distribuidos de información • Son sistemas organizacionales y corporativos,

los cuales implican la conjunción de aplicaciones que inter-operan gracias a una red.

• Inicialmente los sistemas constaban de un equipo que ejecutaba un servidor (con frecuencia servidor de base de datos) y de programas remotos llamados clientes. Dichos clientes son capaces de enviar peticiones y recibir respuesta de servidor.

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Sistemas distribuidos de información

• La integración a nivel más bajo y sencillo se realizaba registrando en los programas cliente cierto número de peticiones dirigidas a distintos servidores y dentro de una petición más grande ejecutarla como una transacción distribuida. La idea clave era que todas, o ninguna pudiera ser ejecutada.

• Mientras más sofisticadas se hicieron las aplicaciones, se fueron separando de manera gradual en componentes independientes (distinguiendo entre los componentes de base de datos y los componentes de proceso).

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Sistemas distribuidos de información • La integración de los componentes de bases

de datos y de procesos implica que no obstante que se encuentran separados, existe comunicación entre los componentes.

• Lo anterior a generado una industria de sistemas que se concentra en la integración de sistemas empresariales.

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Sistemas distribuidos de información • Las nuevas plataformas informáticas • Uno de los grandes impulsores de la creciente diversidad de herramientas

para la gestión de la empresa, han sido y son las nuevas formas de interaccionar entre diversas plataformas informáticas heterogéneas, lo que se denomina como arquitectura orientada a servicios (Middleware).

• Estas posibilitan que los sistemas de gestión empresariales puedan estar segmentados por módulos, cada uno de ellos con una funciones específicas y programados con los lenguajes más adecuados para su trabajo.

"El gran reto de la informática de los inicios del siglo XXI es poder interaccionar o intercambiar información con cualquier elemento fijo o movible, a gran

velocidad y poder tomar decisiones on Edge y sin intervención humana. La introducción de datos en los sistemas informáticos no aportan valor al

producto."

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• Sistemas de procesamiento de transacciones

• Gran parte de los sistemas distribuidos de información se caracterizan por la necesidad de realizar operaciones transaccionales.

• Programar utilizando transacciones requiere primitivas de transacción especiales que deben ser proporcionadas ya sea por el sistema distribuido subyacente o por un lenguaje del sistema en tiempo de ejecución.


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• Ejemplo de primitivas de transacción

Primitiva Descripción

BEGIN_TRANSACTION Marca el inicio de una transacción

END_TRANSACTION Termina la transacción e intenta continuar

ABORT_TRANSACTION Finaliza la transacción y restablece los viejos valores

READ Lee los datos desde un archivo una tabla, u otra fuente

WRITE Escribe los datos en un archivo una tabla, o en otra fuente

BEGIN_TRANSACTION y END_TRANSACTION • Delimitan el alcance

de una transacción Una característica de una transacción es que se ejecutan todas sus operaciones o no se ejecutan. (Atómica)


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• La propiedad todo o nada de una transacción es una de las cuatro características que tienen las transacciones. (ACID) 1. Atómicas: para el mundo exterior, la transacción es

indivisible. 2. Consistentes: la transacción no viola sistemas

invariantes. (E.g. sistema bancario "Ley de conservación del dinero" . Por un momento al realizar la transacción se viola pero una vez afuera de ella la cantidad de dinero se conserva)

3. Aisladas o en serie: las transacciones concurrentes no interfieren entre sí. (i.e. si dos o mas transacciones se están ejecutando al mismo tiempo, para cada una de ellas y para otros procesos, el resultado final luce como si las transacciones se hubieran realizado en secuencia "con orden según el sistema")

4. Durables: una vez que se confirman una transacción, los cambios son permanentes.


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• Una transacción anidada se construye a partir de cierta cantidad de subtransacciones.

• La transacción de más alto nivel puede dividirse en subprocesos hijos que se ejecutan en paralelo entre sí, en diferentes máquinas, para mejorar el rendimiento o simplificar la programación.

Transacción anidada

Substrasacción Substrasacción

Base de datos de la aerolínea

Base de datos del hotel

Dos bases de datos diferentes (independientes)


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• Las subtransacciones dan lugar a un problema: • Una transacción inicia diversas

subtransacciones en paralelo. • Una de ellas se confirma. • La transacción padre aborta y restablece todo

el sistema en el estado que tenía antes. • "Los resultados de la subtransacción

confirmada deben de deshacerse"

• "Es necesaria una buena administración para lograr que todo salga bien"


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• En los sistemas distribuidos, las subtransacciones anidadas son importantes para que se proporcionen una forma natural de distribuir un transacción a través de varias maquinas.

• Las transacciones anidadas siguen una división lógica del trabajo de la transacción original.


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• En los inicios de los sistemas middleware empresariales, el componente que manejaba transacciones distribuidas (o anidadas) conformaba la parte central para integrar aplicaciones al nivel servidor o de base de datos, se le llamaba monitor de procesamiento de transacciones o monitor TP. Su tarea principal era permitir el acceso a multiples servidores/base de datos ofreciendo un modelo de programación transaccional.


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Transacción

Rol de un monitor TP en sistemas distribuidos

Servidor

Servidor

Servidor

Monitor TP Aplicación cliente

Respuesta

Peticiones

Respuesta

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Petición

Petición

Petición

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• Integración de aplicaciones empresariales

• Conforme las aplicaciones fueron desligándose de las bases de datos, la necesidad de integrar aplicaciones independientes de sus bases de datos se volvió más evidente.

• Los componentes de las aplicaciones debían ser capaces de comunicarse entre sí de manera directa y no sólo mediante un comportamiento de petición-respuesta.


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Middleware como facilitador de la comunicación al integrar aplicaciones empresariales

Aplicación del lado servidor

Aplicación cliente

Aplicación cliente



Comunicación middleware


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• Existen diversos tipos de comunicación middleware

• Llamadas a procedimiento remotos (RPC)

• Invocaciones a métodos remotos (RMI)

• Middleware orientado a mensajes (MOM) *Publicación-suscripción (*Investigación 01)

Sistemas distribuidos masivos (embebidos)

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• Los tipos de sistemas distribuidos previos se caracterizan por su estabilidad (nodos fijos, conexión más o menos permanente y fija a una red).

• Con los dispositivos de cómputo móviles y embebidos. Ahora nos enfrentamos a con sistemas distribuidos en los cuales la inestabilidad es el comportamiento predeterminado.

• Este tipo de sistemas entra dentro del tipo de masivos o embebidos.


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• Tal como lo sugiere su nombre, un sistema móvil distribuido es parte de nuestro entorno (y como tal, está inherentemente distribuido). Una característica importante es su carencia general de control administrativo humano. En el mejor de los casos, los dispositivos son configurados por sus propietarios, ya que de otro modo necesitan descubrir automáticamente su ambiente y "adaptarse" de la mejor manera posible.


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• Requerimientos de las aplicaciones móviles • Incluir cambios contextuales: El dispositivo

mantiene una lógica que le indica que su ambiente puede cambiar en cualquier momento. (e.g. el usuario se mueve de estaciones base)

• Fomentar composiciones a la medida: Los dispositivos se utilizaran de forma distinta por los usuarios. (i.e. suites sencillas de configurar)

• Reconocer el intercambio como algo común: Debido al intermitente y cambiante conectividad de los dispositivos, el espacio donde reside la información accesible muy probablemente cambiará en cada momento.


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• Los equipos móviles deberán de ser capaces de descubrir eficientemente servicios, y de reaccionar en consecuencia (la transparencia en la distribución en realidad no sucede en los sistemas masivos *No es posible mostrar a los usuarios que se trata de una sola computadora).

• La distribución de datos, procesos y control es inherente a estos sistemas, razón por la cuál se expone en lugar de ocultarla.


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• Algunos ejemplos de sistemas masivos

• Sistemas caseros

• Sistemas electrónicos para el cuidado de la salud

• Redes de monitoreo


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• Sistemas caseros • Consisten de una o más computadoras personales e

integran aparatos personales como televisores, equipos de audio y video, teléfonos inteligentes, cámaras de vigilancia, etc.

• En estos sistemas existen retos a vencer: • Autoconfiguración & autoadministración

• Plug and Play universal *Falta criterios de actualización del firmware y compatibilidad

• La domótica aún se mantiene aislada según un objetivo particular.

• Asesores • Programas que consultan información de otros usuarios

para identificar gustos similares y adaptarse.


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• Sistemas electrónicos para el cuidado de la salud

• Sistemas pensados para dar seguimiento al bienestar de las personas con el fin de que se pongan en contacto automáticamente con los médicos en caso de ser necesario.

• Frecuentemente se trata de sistemas organizados en una BAN (body-area network).


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• BAN (body-area network)


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• Redes de monitoreo • Se utilizan para procesar información. • Colecciones de nodos fijos que se comunican a

través de nodos inalámbricos y generalmente alimentados por baterías.

• Nodos equipados con algún tipo de sensor y limitados recursos.

• Sus restringidas capacidades de comunicación, y su consumo de energía, demandan alta eficiencia.

• La relación con los sistemas distribuidos se debe a que se consideran sistemas que modelan bases de datos distribuidas. (Es necesario almacenar y comunicar datos de medición y vigilancia)


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• Este tipo de redes solían operar de dos maneras. 1. Los sensores no cooperan, solo envían la

información a una base de datos centralizada en el operador. (Alta demanda de comunicaciones)

2. El operador realiza consultas a sensores importantes y espera las respuesta que calcule cada sensor. (Se pierden datos)

• Ninguna de estas dos soluciones es atractiva, por lo que en la actualidad se desea procesamiento de datos dentro de la red.


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Lugar del operador La información del sensor se envía directamente al operador


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Lugar del operador

Los sensores solo envían respuestas

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• Se envía una consulta a todos los nodos sensores, a lo largo de un árbol lógico que comprenda todos los nodos, y posteriormente, los resultados se van agregando y propagando de regreso a la raíz.

• ¿Cómo configurar dinámicamente el árbol?

• ¿Cómo se realiza la agregación de resultados?

• ¿Qué sucede cuando los vínculos de la red fallan?


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• TinyDB implementa una interfaz declarativa (base de datos) hacia redes de sensores inalámbricos. Incluye algoritmos basados en arboles.

• Un nodo intermedio recopilará y agregará los resultados de sus hijos, junto con sus propios resultados, y los enviara hacia la raíz. Generalmente implementa algoritmos cortos para ahorrar energía y mantener la eficiencia. *Investigación 01


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• Retos de los sistemas distribuidos masivos

• ¿Dónde y como almacenar la información monitoreada?

• ¿Cómo evitar la perdida de información crucial?

• ¿Infraestructura para generar y propagar alertas?

• ¿Cómo enmascarar el comportamiento no deseado?

• ¿Cómo manejar las latencia en la comunicación?

• ¿Qué nivel de seguridad debe tener la red?

• ¿Cómo monitorear los fallos?

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• Investigar:

• ¿Qué es? ¿Cómo funciona? ¿Para que sirve? ¿Ejemplo? ¿Beneficios? ¿Complejidad?

• MOSIX

• SETI@HOME

• FOLDING@HOME

• Modelo Publicación-Subscripción

• Domótica

• Red de monitoreo implementada en la actualidad

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• Fecha de entrega

• A mas tardar el lunes 04 de Octubre de 2010 a las 23:59:59 horas a través de la página Web.

• Incluir referencias (Formato IEEE)

• Imágenes

• Portada e índice (Hasta títulos de 3er nivel)

• Conclusiones

• Investigación personal http://computacion.cs.cinvestav.mx/~efranco/?p=recepcion_trabajos/index.php

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11 Tipos de sistemas distribuidos - eafranco.com

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