Tema 1 - OCW - Universidad Carlos III de Madrid

Tema 1
Introducción a los Sistemas Distribuidos
F. García-Carballeira, Mª. Soledad Escolar,
Luis Miguel Sánchez, Fco. Javier García
Sistemas Distribuidos
Grado en Ingeniería Informática
Universidad Carlos III de Madrid
Contenido
Evolución de la informática
Concepto de sistema distribuido
Ejemplos de aplicaciones distribuidas
Ventajas e inconvenientes de los sistemas distribuidos
Sistemas distribuidos vs. paralelos
Principales desafíos de diseño
Concepto de middleware
Paradigmas de computación distribuida
Plataformas hardware para sistemas distribuidos
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Evolución de la Informática
En los años 70:
Mainframes centrales
Sistemas de tiempo compartido
Recursos centralizados
Terminales simples
Interfaces de usuario poco amigables
Aparecen las primeras redes
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Evolución de la Informática
En los años 80:
PCs y estaciones de trabajo
Predominio de aplicaciones complejas
ejecutadas localmente
Interfaces amigables
Redes de área local (LAN)
Aparecen los primeros sistemas operativos distribuidos
Mach, Sprite, Chorus, ...
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Evolución de la informática
En los años 90:
Despegue de las aplicaciones cliente/servidor
Más descentralización
Aplicaciones ejecutadas localmente y en red
Enorme difusión de Internet gracias a la web
Nuevas necesidades y aplicaciones basadas en web
Comercio electrónico
Multimedia
Sistemas de control
Aplicaciones médicas
Supercomputación en Internet
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Evolución de la informática
En los años 2000:
Nuevos paradigmas de computación distribuida
Grid computing
Peer-to-Peer
Computación ubicua
Dispositivos móviles
Aplicaciones para Internet basadas en Web
Tendencia:
todas las aplicaciones en red
Red
Aplicaciones
Puestos de trabajo
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Evolución de la informática
Infraestructura tradicional
Clientes
LAN
Servidores
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Evolución de la informática
Infraestructura tradicional
Consolidación de recursos
Clientes
LAN
LAN
Red de
almacenamiento
Servidores
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Almacenamiento
Compartido
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Evolución de la tecnología
La ley de Bell (1972):
“aparecerá una nueva clase de
computadoras (tecnología)
cada 10 años”
log (people per
computer)
año
La ley de Moore (1965):
“el número de transistores por
chip se doblará cada
18-24 meses”
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Infraestructura tradicional
Sistema Operativo
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Máquinas Virtuales
SO1
MV1
SO2
MV2
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Sistema Distribuido
Sistema formado por recursos de computación (hardware y software)
físicamente distribuidos e interconectados a través de una red, que
comunican mediante paso de mensajes y cooperan para realizar una
determinada tarea
Red
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Otras definiciones
“Un sistema distribuido es aquel en el que no puedes
trabajar con tu máquina por el fallo de otra máquina que
ni siquiera sabías que existía”
-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 ejecución
Una red de computadores es un conjunto de computadores conectados
por una red de interconexión
Sistema distribuido Un conjunto de computadores (sin memoria ni reloj
común) conectados por una red
Aplicaciones distribuidas: Conjunto de procesos que ejecutan en uno o más
computadores que colaboran y comunican intercambiando mensajes.
Un protocolo es un conjunto de reglas e instrucciones que gobiernan la
comunicación en un sistema distribuido, es decir, el intercambio de
mensajes
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Ejemplos: red de área local
Workstations
PC
Red de área
local
Conexión al
exterior
1s
Servidores de
ficheros
Otros servidores
(impresión,...)
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Ejemplo: Web
http://www.uc3m.es
Página Web
navegador
www.uc3m.es
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Ejemplos de aplicaciones y sistemas
distribuidos
Correo electrónico (IMAP, POP)
Transferencia de ficheros (FTP)
Servicios de News
World Wide Web (WWW)
Sistemas de control de tráfico aéreo
Aplicaciones bancarias
Comercio electrónico
Aplicaciones multimedia (videoconferencias, vídeo bajo demanda , etc.)
El ancho de banda en estas aplicaciones es un orden de magnitud mayor
que en otras
Requieren calidad de servicio (QoS)
Aplicaciones médicas (transferencia de imágenes)
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Objetivos de los SSDD
Sistemas distribuidos
Objetivo: compartir recursos y colaborar
Redes de computadoras
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Sistemas distribuidos y paralelos
Sistemas distribuidos
Objetivo: compartir recursos y colaborar
Redes de computadoras
Sistemas paralelos
Objetivo:
Máquinas paralelas (arquitecturas dedicadas)
Alto rendimiento (speedup)
Alta productividad
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.
Ofrecen una buena relación coste/rendimiento
Capacidad de crecimiento (escalabilidad)
Tolerancia a fallos, disponibilidad
Modelo cliente-servidor
Modelo basado en objetos
Replicación
Concurrencia: servicio a múltiples usuarios simultáneamente
Velocidad: capacidad global de procesamiento disponible para:
Ejecución paralela de una aplicación
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Desventajas de los sistemas distribuidos
Interconexión
Coste
Fiabilidad, pérdida de mensajes
Saturación
Comunicaciones inseguras
Software más complejo
Potencia de cada nodo no adecuada
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Topologías de red
Grid o malla
Árbol
Lineal
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Sistemas Distribuidos
Desafíos de diseño
Heterogeneidad de los componentes
Nombrado
Comunicación y sincronización
Rendimiento
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 programación
Aplicaciones
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¿Cómo resolver la heterogeneidad?
Empleo de sistemas abiertos (es la característica del sistema
que determina si el sistema puede ser extendido y reimplementado)
Especificaciones e interfaces de acceso públicas (ej. RFCs)
Mecanismos de comunicación uniformes
Se pueden construir sobre SW y HW heterogéneo
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 un
identificador (ej. 163.117.131.31)
Resolver un nombre implica obtener el identificador a partir
del nombre
Objetivo importante: los nombres deben ser
independientes de su localización
Consideraciones de diseño a tener en cuenta:
El espacio de nombres (tamaño, estructura, jerarquía, ...)
El servicio de nombres que realiza la resolución (ej. DNS)
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Comunicación y sincronización (C y S)
Forma básica de C y S: paso de mensajes
Mecanismos síncronos
Mecanismos asíncronos
Comunicación entre procesos:
Las entidades que se comunican en distintas máquinas son procesos
Primitivas básicas de comunicación:
send
receive
Llamadas a procedimientos remotos
Invocación de objetos remotos
Comunicación en grupos
Multicast, broadcast
Útil para el trabajo en grupo, localizar el objeto, tolerancia a fallos,
mejorar el rendimiento (replicación), asegurar la consistencia
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Capacidad de crecimiento
Número de hosts
(milliones)
Un sistema posee capacidad de crecimiento o
escalabilidad si conserva su efectividad cuando se
incrementa significativamente el número de recursos o
usuarios.
Ejemplo: crecimiento de Internet
140
120
100
80
60
40
20
0
1965
Web
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
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2010
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Aspectos a considerar
Para que un sistema con n usuarios sea escalable, la cantidad
de recursos necesarios para soportarlo debería ser
proporcional a n ó O(n)
Empleo de algoritmos distribuidos
Evitar cuellos de botella (bottleneck) en el sistema
Algoritmos que usan estructuras jerárquicos mejor que lineales
Algoritmos descentralizados
Evitar el desbordamiento de los recursos SW
Ejemplo: 32 bits para las direcciones IP
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Estructura de software
Sistema centralizado
Estructura software típica de un sistema centralizado:
Aplicaciones
Lenguajes de programación
Sistema operativo
Hardware
El sistema operativo (SO):
Gestionar los recursos de hardware manera eficiente
Ofrecer servicios a las aplicaciones para el acceso y la gestión de los
recursos
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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
programación de aplicaciones distribuidas de una manera
fácil y transparente.
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Sistema operativo en red (SOR)
El usuario ve un conjunto de máquinas independientes
Se debe acceder de forma explícita a los recursos en otras
máquinas
No hay transparencia
Difíciles de utilizar para desarrollar aplicaciones distribuidas
Aplicaciones
Aplicaciones
Lenguajes de programación
Lenguajes de programación
Sistema operativo
Sistema operativo
Hardware
Hardware
Red de interconexión
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Sistema operativo distribuido (SOD)
Se comporta como un SO único:
Hace creer a los usuarios que trabajan con un único sistema centralizado
Distribución
Transparencia
Se construyen normalmente como micronúcleos que ofrecen servicios
básicos de comunicación
Restricción: todos los computadores deben ejecutar el mismo SOD
Ejemplos: Mach, Amoeba, Chorus
Aplicaciones
Lenguajes de programación
Sistema operativo distribuido
Hardware
Hardware
Red de interconexión
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Middleware y entornos distribuidos
Abstracción de programación 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
Ejemplos: DCE, CORBA, DCOM, WebOS, Globus, .NET
Aplicaciones
Lenguajes de programación
Middleware
Sistema operativo
Sistema operativo
Hardware
Hardware
Red de interconexión
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Fiabilidad
La probabilidad de que un sistema funcione o desarrolle
cierta función, bajo condiciones fijadas y durante un
período de tiempo
Para obtener fiabilidad hay que garantizar:
Tratamiento de fallos
Consistencia
Seguridad
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Tratamiento de fallos
Generalmente, en los SSDD se pueden producir fallos
parciales
Objetivo de un sistema distribuido: disponibilidad
Mide la proporción de tiempo que un sistema está disponible
para su uso
Técnicas para mejorar la disponibilidad:
Tolerancia a fallos
Detección de fallos
Enmascaramiento de fallos
Recuperación 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 replicación
Coherencia de caches
Coherencia ante fallos
Relojes consistentes
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Seguridad
Los recursos de información disponibles en los SSDD pueden
tener un valor importante para los usuarios (ej. información
bancaria)
La seguridad tiene tres componentes:
1.
Confidencialidad:
2.
Integridad
3.
protección contra la alteración o corrupción de los datos
Disponibilidad:
protección contra el descubrimiento de datos por individuos no autorizados
protección contra la interferencia en los procedimientos de acceso a los
recursos
Otros problemas de seguridad
Ataques de denegación de servicio
Seguridad del código móvil
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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
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 comunicación
Los servicios de comunicación empleados
El sistema operativo
El soporte para la programación de sistemas distribuidos
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Transparencia
Ocultación al usuario de los componentes que
conforman un sistema distribuido:
Acceso: acceso a recursos remotos y locales de igual forma
Posición: acceso a los recursos sin necesidad de conocer su situación
Concurrencia: acceso concurrente a recursos compartidos sin
interferencias
Replicación: acceso a recursos replicados sin conocimiento de que lo
son
Fallos: mantenimiento del servicio en presencia de fallos.
Migración: permite que los recursos y objetos se muevan sin afectar a
la operación de los programas.
Capacidad de crecimiento: facilidad para crecer sin afectar a la
estructura del sistema
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Paradigmas de computación
distribuida
Paso de mensajes
Cliente-servidor
Llamadas a procedimientos remotos
Peer-to-peer
Objetos distribuidos
Agentes móviles
Servicios en red
Aplicaciones colaborativas (groupware)
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Paso de mensajes
Paradigma fundamental para aplicaciones distribuidas
Un proceso emisor envía 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
Proceso A
Proceso B
m1
m2
Mensaje
m3
Paso de mensajes
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Paso de mensajes
Operaciones básicas:
Modelos de comunicación:
Enviar (send)
Recibir (receive)
Orientadas a conexión
Operaciones para conectar y desconectar
No orientadas a conexión
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
...
Servidor
Cliente 1
Cliente 2
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Petición de servicio
Proceso cliente
Proceso servidor
Servicio
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Cliente-Servidor
Abstracción eficiente para facilitar los servicios de red
La asignación de roles asimétricos simplifica la sincronización
Implementación mediante:
Sockets
Llamada a procedimientos remotos (RPC)
Invocación de métodos remotos (RMI, CORBA, …).
Paradigma principalmente adecuado para servicios
centralizados
Ejemplos: servicios de Internet (HTTP, FTP, DNS, … )
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Llamadas a procedimientos remotos
Idea: hacer que el software distribuido se programe igual
que una aplicación no distribuida
Conceptualmente igual que la invocación de un
procedimiento local
Cualquier programa
funcion(1,2)
Proceso B
Proceso A
proc1(arg1, arg2)
proc2(arg1)
funcion(arg1,arg2)
….
return;
proc3(arg1,arg2,arg3)
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Invocación de métodos remotos
Modelo equivalente a las llamadas a procedimientos remotos
Proceso invoca un método local de otro proceso
Ejemplos: CORBA, RMI de Java, Microsoft COM, DCOM, Java
Beans, .NET Remoting
Proceso 2
Proceso 1
RMI
método1
método2
Objeto remoto
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Peer-to-Peer
Los procesos participantes en
la comunicación asumen el
mismo rol:
Proceso 1
Cliente y servidor
Los recursos y los servicios
son intercambiados entre los
computadores
Respuesta
Respuesta
Solicitud
Solicitud
Ejemplo:
Napster → intercambio de
ficheros
Proceso 2
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Agentes móviles
Un agente móvil es un programa
u objeto transportable
El agente se lanza desde un
determinado computador origen
y “viaja” de manera autónoma de
un ordenador a otro
En cada salto de la ruta, el agente
realiza las funciones necesarias
para completar su tarea
No intercambian mensajes
Problema de seguridad: código
móvil ejecutable podría ser
malicioso
Computador 2
Computador 1
Computador 3
Computador 4
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Servicios en red
Los procesos solicitantes acceden un servicio a través de una
referencia que le proporciona el servidor de directorio
Para publicar los servicios, éstos deben registrarse en el
servicio de directorio
Transparencia de localización
Servicio de directorio
Ejemplo: SOAP
1
2
Solicitante del servicio
3
Objeto de servicio
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Aplicaciones colaborativas (groupware)
Varios procesos participan en una sesión de trabajo colaborativo
Comunicación 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
mensaje
mensaje
groupware basado en mensajes
groupware basado en pizarra
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Comunicación de grupos
Utiliza mensajes multicast
Útil para:
Ofrecer tolerancia a fallos basado en servicios replicados
Localizar objetos en sistemas distribuidos
Mejor rendimiento mediante datos replicados
Actualizaciones múltiples
Operaciones colectivas en cálculo paralelo
emisor
receptor
IPC uno-a-uno
IPC grupo o multidifusión
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Arquitecturas paralelas
MPP (Massively parallel processing)
SMP (Symmetric multiprocessing)
Multiprocesador de memoria compartida
CC-NUMA (Cache-Coherent Non-Uniform Memory
Access)
Multiprocesador de memoria distribuida
Multiprocesador con una memoria de acceso no uniforme
Clusters
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Arquitecturas paralelas
P2
P1
C
C
P2
P1
Pn
$
C
C
Pn
$
network
bus
memory
memory memory
Memoria compartida
P0
memory
memory
Memoria compartida distribuida
NI
P1
memory
NI
Pn
...
NI
memory
interconnect
Memoria distribuida
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