Tema1_introduccion

Tema 1Introduccin a los Sistemas Distribuidos

F. Garca-Carballeira, M. Soledad Escolar,

Luis Miguel Snchez, Fco. Javier Garca

Sistemas Distribuidos

Grado en Ingeniera Informtica

Universidad Carlos III de Madrid

Contenido

Evolucin de la informtica

Concepto de sistema distribuido

Ejemplos de aplicaciones distribuidas

Ventajas e inconvenientes de los sistemas distribuidos

Sistemas distribuidos vs. paralelos

F. Garca-Carballeira, M. Soledad Escolar, Luis Miguel Snchez, Fco. Javier Garca

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Principales desafos de diseo

Concepto de middleware

Paradigmas de computacin distribuida

Plataformas hardware para sistemas distribuidos

2

Evolucin de la Informtica

En los aos 70: Mainframes centrales

Sistemas de tiempo compartido

Recursos centralizados

Terminales simples

Interfaces de usuario poco amigables



Interfaces de usuario poco amigables

Aparecen las primeras redes

3

Evolucin de la Informtica

En los aos 80: PCs y estaciones de trabajo

Predominio de aplicaciones complejas ejecutadas localmente

Interfaces amigables

Redes de rea local (LAN)



Redes de rea local (LAN)

Aparecen los primeros sistemas operativos distribuidos Mach, Sprite, Chorus, ...

4


En los aos 90: Despegue de las aplicaciones cliente/servidor

Ms descentralizacin Aplicaciones ejecutadas localmente y en red

Enorme difusin de Internet gracias a la web

Nuevas necesidades y aplicaciones basadas en web



Nuevas necesidades y aplicaciones basadas en web Comercio electrnico

Multimedia

Sistemas de control

Aplicaciones mdicas

Supercomputacin en Internet

5


En los aos 2000: Nuevos paradigmas de computacin distribuida

Grid computing

Peer-to-Peer

Computacin ubicua

Dispositivos mviles



Dispositivos mviles

Aplicaciones para Internet basadas en Web

Tendencia: todas las aplicaciones en red

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AplicacionesPuestos de trabajo

Red


Infraestructura tradicional

Clientes



Servidores

7

LAN


Infraestructura tradicional Consolidacin de recursos

Clientes

LAN



Red dealmacenamiento

AlmacenamientoCompartido

8

Servidores

LANLAN

Evolucin de la tecnologa

La ley de Bell (1972): aparecer una nueva clase de computadoras (tecnologa) cada 10 aos

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La ley de Moore (1965): el nmero de transistores por chip se doblar cada18-24 meses

9

Infraestructura tradicional



Sistema Operativo

10

Mquinas Virtuales

SO1 SO2



MV1 MV2SO1 SO2

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Sistema Distribuido

Sistema formado por recursos de computacin (hardware y software) fsicamente distribuidos e interconectados a travs de una red, que comunican mediante paso de mensajes y cooperan para realizar una determinada tarea



12

Red

Otras definiciones

Un sistema distribuido es aquel en el que no puedes trabajar con tu mquina por el fallo de otra mquina que ni siquiera sabas que exista

-Leslie Lamport



Un sistema distribuido es aquel en el que los computadores localizados en una red comunican y coordinan sus acciones mediante paso de mensajes

-George Coulouris

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Conceptos previos

Un programa es un conjunto de instrucciones

Un proceso es un programa en ejecucin

Una red de computadores es un conjunto de computadores conectados por una red de interconexin



Sistema distribuido Un conjunto de computadores (sin memoria ni reloj comn) conectados por una red

Aplicaciones distribuidas: Conjunto de procesos que ejecutan en uno o ms computadores que colaboran y comunican intercambiando mensajes.

Un protocolo es un conjunto de reglas e instrucciones que gobiernan la comunicacin en un sistema distribuido, es decir, el intercambio de mensajes

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Ejemplos: red de rea local

Workstations

Red de realocal

PC



1 s

local

Servidores deficheros

Conexin al exterior Otros servidores

(impresin,...)

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Ejemplo: Web

http://www.uc3m.es

Pgina Web



navegador www.uc3m.es

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Ejemplos de aplicaciones y sistemas distribuidos

Correo electrnico (IMAP, POP)

Transferencia de ficheros (FTP)

Servicios de News

WorldWideWeb (WWW)

Sistemas de control de trfico areo

Aplicaciones bancarias



Aplicaciones bancarias

Comercio electrnico

Aplicaciones multimedia (videoconferencias, vdeo bajo demanda , etc.)

El ancho de banda en estas aplicaciones es un orden de magnitud mayorque en otras

Requieren calidad de servicio (QoS)

Aplicaciones mdicas (transferencia de imgenes)

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Objetivos de los SSDD

Sistemas distribuidos Objetivo: compartir recursos y colaborar Redes de computadoras



18

Sistemas distribuidos y paralelos

Sistemas distribuidos Objetivo: compartir recursos y colaborar Redes de computadoras

Sistemas paralelos Objetivo:

Alto rendimiento (speedup)



Alto rendimiento (speedup) Alta productividad

Mquinas paralelas (arquitecturas dedicadas) Multiprocesadores Multicomputadores

Redes de estaciones de trabajo trabajando como un multicomputador (cluster)

Grid Computing (www.gridcomputing.com)

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Ventajas que pueden ofrecer los SSDD

Compartir recursos (HW, SW, datos) Acceso a recursos remotos.

Modelo cliente-servidor

Modelo basado en objetos

Ofrecen una buena relacin coste/rendimiento

Capacidad de crecimiento (escalabilidad)



Capacidad de crecimiento (escalabilidad)

Tolerancia a fallos, disponibilidad Replicacin

Concurrencia: servicio a mltiples usuarios simultneamente

Velocidad: capacidad global de procesamiento disponible para: Ejecucin paralela de una aplicacin

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Desventajas de los sistemas distribuidos

Interconexin Coste

Fiabilidad, prdida de mensajes

Saturacin

Comunicaciones inseguras



Software ms complejo

Potencia de cada nodo no adecuada

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Topologas de red

Grid o malla rbol

Lineal



22

Sistemas DistribuidosDesafos de diseo

Heterogeneidad de los componentes Nombrado Comunicacin y sincronizacin Rendimiento Concurrencia



Concurrencia Capacidad de crecimiento Estructura de software Fiabilidad Calidad de servicio (QoS) Transparencia

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Heterogeneidad

Heterogeneidad de los SSDD:

Es la variedad y diferencia de los siguientes componentes:

Redes

HW de computadores

Sistemas operativos

Lenguajes de programacin



Lenguajes de programacin

Aplicaciones

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Cmo resolver la heterogeneidad?

Empleo de sistemas abiertos (es la caracterstica del sistema que determina si el sistema puede ser extendido y re-implementado) Especificaciones e interfaces de acceso pblicas (ej. RFCs) Mecanismos de comunicacin uniformes Se pueden construir sobre SW y HW heterogneo



Ejemplos de sistemas abiertos: TCP/IP NFS CORBA (www.omg.org) Globus (www.globus.org) Web services

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Nombrado

Los usuarios designan a los objetos mediante un nombre (ej. www.uc3m.es)

Los programas designan a los objetos mediante unidentificador (ej. 163.117.131.31)

Resolver un nombre implica obtener el identificador a partir del nombre



del nombre

Objetivo importante: los nombres deben ser independientes de su localizacin

Consideraciones de diseo a tener en cuenta: El espacio de nombres (tamao, estructura, jerarqua, ...)

El servicio de nombres que realiza la resolucin (ej. DNS)

26

Comunicacin y sincronizacin (C y S) Forma bsica de C y S: paso de mensajes

Mecanismos sncronos Mecanismos asncronos

Comunicacin entre procesos: Las entidades que se comunican en distintas mquinas son procesos Primitivas bsicas de comunicacin:



send receive

Llamadas a procedimientos remotos Invocacin de objetos remotos

Comunicacin en grupos Multicast, broadcast til para el trabajo en grupo, localizar el objeto, tolerancia a fallos, mejorar el rendimiento (replicacin), asegurar la consistencia

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Capacidad de crecimiento

Un sistema posee capacidad de crecimiento o escalabilidad si conserva su efectividad cuando se incrementa significativamente el nmero de recursos o usuarios.

Ejemplo: crecimiento de Internet



020406080

100120140

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

N

m

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Web

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Aspectos a considerar

Para que un sistema con n usuarios sea escalable, la cantidad de recursos necesarios para soportarlo debera ser proporcional a n O(n)

Empleo de algoritmos distribuidos Algoritmos que usan estructuras jerrquicos mejor que lineales



Algoritmos que usan estructuras jerrquicos mejor que lineales

Evitar cuellos de botella (bottleneck) en el sistema Algoritmos descentralizados

Evitar el desbordamiento de los recursos SW Ejemplo: 32 bits para las direcciones IP

29

Estructura de softwareSistema centralizado

Estructura software tpica de un sistema centralizado:

Sistema operativoLenguajes de programacin

Aplicaciones



El sistema operativo (SO): Gestionar los recursos de hardware manera eficiente Ofrecer servicios a las aplicaciones para el acceso y la gestin de los recursos

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Sistema operativoHardware

Estructura de software

Sistema Distribuido

Existen tres posibilidades para estructurar el software de un sistema distribuido Emplear sistemas operativos en red

Utilizar un sistema operativo distribuido

Utilizar middlewares o entornos distribuidos



Lo importante es ofrecer un soporte para la programacin de aplicaciones distribuidas de una manera fcil y transparente.

31

Sistema operativo en red (SOR)

El usuario ve un conjunto de mquinas independientes

Se debe acceder de forma explcita a los recursos en otras mquinas

No hay transparencia

Difciles de utilizar para desarrollar aplicaciones distribuidas



32


Aplicaciones

Red de interconexin

Hardware


Aplicaciones

Hardware

Sistema operativo distribuido (SOD)

Se comporta como un SO nico: Hace creer a los usuarios que trabajan con un nico sistema centralizado Distribucin Transparencia

Se construyen normalmente como microncleos que ofrecen servicios bsicos de comunicacin

Restriccin: todos los computadores deben ejecutar el mismo SODEjemplos: Mach, Amoeba, Chorus



Ejemplos: Mach, Amoeba, Chorus

Sistema operativo distribuidoLenguajes de programacin

Aplicaciones

Red de interconexin

Hardware Hardware

33

Middleware y entornos distribuidos

Abstraccin de programacin que permite enmascarar la heterogeneidad de las redes subyacentes, HW, SO y LP

Servicios y protocolos estandarizados: sistemas abiertos Ofrecen servicios no incluidos en el SO (servicios de ficheros distribuidos, servicios de nombres, ...)

Facilitan el desarrollo de aplicaciones distribuidas Independientes del HW y del SO subyacente



Independientes del HW y del SO subyacente Ejemplos: DCE, CORBA, DCOM, WebOS, Globus, .NET

Sistema operativoMiddleware

Lenguajes de programacinAplicaciones

Red de interconexin

HardwareSistema operativo

Hardware

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Fiabilidad

La probabilidad de que un sistema funcione o desarrolle cierta funcin, bajo condiciones fijadas y durante un perodo de tiempo

Para obtener fiabilidad hay que garantizar:



Tratamiento de fallos

Consistencia

Seguridad

35

Tratamiento de fallos

Generalmente, en los SSDD se pueden producir fallosparciales

Objetivo de un sistema distribuido: disponibilidad Mide la proporcin de tiempo que un sistema est disponible para su uso

Tcnicas para mejorar la disponibilidad:



Tcnicas para mejorar la disponibilidad: Tolerancia a fallos

Deteccin de fallos

Enmascaramiento de fallos

Recuperacin ante fallos

Redundancia

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Consistencia

El problema de la consistencia (coherencia) surge cuando varios procesos acceden y actualizan datos de forma concurrente Coherencia de las actualizaciones

Coherencia de la replicacin

Coherencia de caches



Coherencia de caches

Coherencia ante fallos

Relojes consistentes

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Seguridad

Los recursos de informacin disponibles en los SSDD pueden tener un valor importante para los usuarios (ej. informacin bancaria)

La seguridad tiene tres componentes:1. Confidencialidad:

proteccin contra el descubrimiento de datos por individuos no autorizados

2. Integridad



2. Integridad proteccin contra la alteracin o corrupcin de los datos

3. Disponibilidad: proteccin contra la interferencia en los procedimientos de acceso a los recursos

Otros problemas de seguridad Ataques de denegacin de servicio Seguridad del cdigo mvil

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Calidad de servicio (QoS)

Es la habilidad de satisfacer los requerimientos de tiempo cuando se transmiten y procesan flujos de datos multimedia en tiempo real

Rendimiento de un sistema: Tiempo de respuesta adecuado

Latencias



Latencias

Tasa de transferencia de datos Velocidad en la cual los datos pueden ser transferidos entre dos computadoras de la red, usualmente medido en bits por segundo (bps)

El rendimiento viene determinado por: La red de comunicacin Los servicios de comunicacin empleados El sistema operativo El soporte para la programacin de sistemas distribuidos

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Transparencia

Ocultacin al usuario de los componentes que conforman un sistema distribuido: Acceso: acceso a recursos remotos y locales de igual forma Posicin: acceso a los recursos sin necesidad de conocer su situacin Concurrencia: acceso concurrente a recursos compartidos sin interferencias

Replicacin: acceso a recursos replicados sin conocimiento de que lo



Replicacin: acceso a recursos replicados sin conocimiento de que loson

Fallos: mantenimiento del servicio en presencia de fallos. Migracin: permite que los recursos y objetos se muevan sin afectar a la operacin de los programas.

Capacidad de crecimiento: facilidad para crecer sin afectar a la estructura del sistema

40

Paradigmas de computacindistribuida

Paso de mensajes

Cliente-servidor

Llamadas a procedimientos remotos

Peer-to-peer



Peer-to-peer

Objetos distribuidos

Agentes mviles

Servicios en red

Aplicaciones colaborativas (groupware)

41

Paso de mensajes

Paradigma fundamental para aplicaciones distribuidas

Un proceso emisor enva un mensaje de solicitud

El mensaje llega al proceso receptor, el cual procesa la solicitud y devuelve un mensaje en respuesta

Esta respuesta puede originar posteriores solicitudes por parte del proceso emisor



m1m2

m3

Proceso A Proceso B

Mensaje

Paso de mensajes

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Paso de mensajes

Operaciones bsicas: Enviar (send)

Recibir (receive)

Modelos de comunicacin: Orientadas a conexin



Operaciones para conectar y desconectar No orientadas a conexin

Ejemplo: sockets

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Cliente-Servidor

Asigna roles diferentes a los procesos que comunican: cliente y servidor

Servidor:

Ofrece un servicio

Elemento pasivo: espera la llegada de peticiones

Cliente:

Solicita el servicio

Elemento activo: invoca peticiones



Elemento activo: invoca peticiones

.

.

.

Peticin de servicio

Proceso servidorProceso cliente

Servicio

Servidor Cliente 1

Cliente 2

44

Cliente-Servidor

Abstraccin eficiente para facilitar los servicios de red

La asignacin de roles asimtricos simplifica la sincronizacin

Implementacin mediante:

Sockets

Llamada a procedimientos remotos (RPC)



Invocacin de mtodos remotos (RMI, CORBA, ).

Paradigma principalmente adecuado para servicios centralizados

Ejemplos: servicios de Internet (HTTP, FTP, DNS, )

45

Llamadas a procedimientos remotos

Idea: hacer que el software distribuido se programe igual que una aplicacin no distribuida

Conceptualmente igual que la invocacin de un procedimiento local

Proceso A Proceso BCualquier programa



proc1(arg1, arg2)

proc2(arg1)

proc3(arg1,arg2,arg3)

Proceso A Proceso BCualquier programa

funcion(1,2)

funcion(arg1,arg2).

return;

46

Invocacin de mtodos remotos

Modelo equivalente a las llamadas a procedimientos remotos

Proceso invoca un mtodo local de otro proceso

Ejemplos: CORBA, RMI de Java, Microsoft COM, DCOM, JavaBeans, .NET Remoting

Proceso 2



mtodo1mtodo2

Proceso 1Proceso 2

Objeto remoto

RMI

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Peer-to-Peer

Los procesos participantes en la comunicacin asumen el mismo rol: Cliente y servidor

Los recursos y los servicios

Proceso 1

RespuestaRespuesta



Los recursos y los servicios son intercambiados entre los computadores

Ejemplo: Napster intercambio de ficheros

48

SolicitudSolicitud

Proceso 2

Agentes mviles Un agente mvil es un programa u objeto transportable

El agente se lanza desde un determinado computador origeny viaja de manera autnoma de un ordenador a otro

En cada salto de la ruta, el agente

Computador 2

Computador 1 Computador 3



En cada salto de la ruta, el agente realiza las funciones necesarias para completar su tarea

No intercambian mensajes

Problema de seguridad: cdigo mvil ejecutable podra ser malicioso

49

Computador 4

Servicios en red

Los procesos solicitantes acceden un servicio a travs de una referencia que le proporciona el servidor de directorio

Para publicar los servicios, stos deben registrarse en el servicio de directorio

Transparencia de localizacin



Transparencia de localizacin

Ejemplo: SOAP

50

Solicitante del servicio

Servicio de directorio

Objeto de servicio

1

23

Aplicaciones colaborativas (groupware)

Varios procesos participan en una sesin de trabajo colaborativo Comunicacin unicast, multicast y broadcast Dos formas:

Basado en mensajes: usan mensajes para enviar datos a todos o parte del grupo Basado en pizarra: usan pizarras o tablones virtuales que permiten leer o escribir

datos sobre un espacio compartido

mensaje



51

mensaje

mensaje

mensaje

groupware basado en mensajes groupware basado en pizarra

Comunicacin de grupos

Utiliza mensajes multicast

til para: Ofrecer tolerancia a fallos basado en servicios replicados

Localizar objetos en sistemas distribuidos

Mejor rendimiento mediante datos replicados



Actualizaciones mltiples

Operaciones colectivas en clculo paralelo

52

emisor receptor

IPC uno-a-uno IPC grupo o multidifusin

Arquitecturas paralelas

MPP (Massively parallel processing) Multiprocesador de memoria distribuida

SMP (Symmetric multiprocessing) Multiprocesador de memoria compartida

CC-NUMA (Cache-Coherent Non-Uniform Memory



CC-NUMA (Cache-Coherent Non-Uniform Memory Access) Multiprocesador con una memoria de acceso no uniforme

Clusters

53

Arquitecturas paralelas

P1

bus

C

memory

P2

CPn

C

P1

network

C

memory

P2

$Pn

$

memory memory



memory memory memory

interconnect

P0

memory

NI

. . .

P1

memory

NI Pn

memory

NI

Memoria compartida Memoria compartida distribuida

Memoria distribuida54

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