Sistemas Distribuídos Distribuidos... · Sistemas Distribuídos Conceitos “Um sistema...

Sistemas Distribuídos

● Conceito

● Aplicações

● Exemplos de sistemas distribuídos

● Relação dos sistemas distribuídos e as redes

● Tipos de Sistemas Distribuídos

Fonte: https://sites.google.com/site/firsistemasdistribuidos/

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Sistemas Distribuídos

● Conceitos

● “Um sistema distribuído consiste de um

conjunto de computadores autônomos que

trabalham juntos para dar aparência de um

único sistema coerente”

● O objetivo principal é oferecer ao usuário uma

visão transparente e independente da estrutura

de rede e de hardware

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Conceitos

● Comumente uma camada de software é responsável por obter

essa transparência.

● O usuário destes sistemas comumente vê apenas uma

aplicação executando remotamente

● O desenvolvedor dessa aplicação vê um recurso de rede que

pode ser utilizado

● Esse recurso pode ser

● Processamento

● Armazenamento

● Largura de Banda

● Serviços de banco de dados

● Serviços WEB 3

Histórico

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Redes x Sistemas Distribuídos

● Redes de Computadores

● Sistemas interconectados, que utilizam um protocolo de

comunicação

● Podem ser ad hoc ou cliente/servidor

● LANs, MANs, WANs, PANs

● Sistemas Distribuídos

● Foco nas aplicações (ex: onde vamos utilizar?)

● Utiliza serviços oferecidos pelas redes de

computadores

● Rede de computadores descentralizada5

Aplicações

● É comum o uso de sistemas distribuídos em

aplicações que exigem grande poder de

processamento

● Historicamente os grandes centros de

processamento eram máquinas enormes

construídas para um único fim

● Hoje a maioria dos super-computadores é um

aglomerado de várias máquinas de médio porte

● Esses aglomerados são conhecidos como

clusters 6

Aplicações

● Os sistemas distribuídos permitem agrupar em

um único sistema, várias aplicações que

executam em computadores diferentes

● O crescimento das redes de computadores hoje

é exponencial, a cada dia agrega-se mais

serviços à rede

● Com um SD bem planejado é possível expandir

a capacidade dessa rede mais facilmente, sem

alterações nas aplicações atuais

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Classes de Aplicações Distribuídas

8

Classes de Aplicações Distribuídas

9

Aplicações distribuídas para

aumento de desempenho

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11



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Cluster x Grid

Computação em Cluster Computação em Grid

Computadores fortemente acoplados

Computadores fracamente acoplados

Imagem de um sistema único Não há uma imagem única do sistema

Gestão centralizada Gestão distribuída

Usado para computação de alto desempenho e alta disponibilidade

Usado tanto para high-throughput computing (HTC) como para high-performance computing (HPC).

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Exemplos de SDs

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● Computação Móvel, Pervasiva e Ubíqua

● A computação móvel (ou nômade) é a execução de tarefas

computacionais enquanto o usuário está se deslocando de um

lugar a outro, ou visitando lugares diferentes de seu ambiente

usual.

● A computação pervasiva é a utilização de vários dispositivos

computacionais pequenos e baratos, que estão presentes nos

ambientes físicos dos usuários, incluindo suas casas, escritórios e

até na rua.

● A computação ubíqua é a junção da computação móvel com a

computação pervasiva, permitindo a comunicação à distância,

sem fio, com dispositivos que o usuário pode “vestir” (Ex: Google

Glass)

Exemplos de SDs:

Computação Pervasiva e Ubíqua

• Ubíqua: Aparelhos acoplados

ao corpo, como relógios de

pulso inteligente, com

funcionalidade semelhante à

de um PDA (Smartphone)

• Pervasiva: Dispositivos

incorporados em aparelhos,

como máquinas de

lavar,aparelhos de som de

alta fidelidade, carros,

geladeiras, etc15

Exemplos de SDs:Compartilhamento de Recursos e Web

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Construção de SD

● Comumente existe uma camada de software

que oferece os serviços de um SD

● Essa camada de software se apresenta como

uma biblioteca para os desenvolvedores

● Ela pode também estar implementada no

próprio Sistema Operacional, o que permite

maior integração dos sistemas

● Quando a camada de software é separada é

comumente chamada de middleware17

Middleware

● O software que está no meio

18

Construção de um SD

● Criar um novo SD não é uma tarefa simples

● Como o objetivo é oferecer integração total dos

sistemas há muitos detalhes envolvidos:

● Sistemas Operacionais diferentes

● Representação de dados diferentes

● Padrões de codificação e comunicação diferentes

● Padrões e limitações da rede

● etc.

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Exemplos

● Google

● Twitter

● Skydrive

● Dropbox

● Yahoo

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Tipos de SD

● Há muitas classificações de Sistemas

Distribuídos

● Uma delas é como segue:

● Orientados a suporte de computação

● Orientados a processamento de informação

● Pervasivos

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Características dos SDs

• Heterogeneidade

• Abertura (openness)

• Segurança

• Escalabilidade

• Tratamento de Falhas

• Concorrência

• Transparência

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Características dos SDs:

Heterogeneidade

• Componentes heterogêneos devem ser

capazes de interoperar

• Sistemas Operacionais

• Arquiteturas de hardwares

• Arquiteturas de comunicação

• Linguagens de programação

• Interfaces de Software

• Medidas de segurança

• Representação da Informação

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Abertura (Openness)

• Um sistema que implementa suficientemente

especificações abertas para interfaces, serviços,

e outros padrões, de modo a possibilitar

portabilidade às aplicações com mínimas

alterações possíveis.

• Interfaces devem estar disponível publicamente

para que novos componentes possam ser

adicionados facilmente.

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Abertura (Openness)

• Diz-se que um sistema computacional é aberto

quando ele pode ser estendido e reimplementado

de várias maneiras.

• Determinada pelo grau com que novo serviços

podem ser adicionados e disponibilizados.

• Mecanismos de comunicação uniformes e

interfaces publicadas para acesso aos recursos

compartilhados.

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Segurança

• Os recursos são acessíveis aos usuários autorizados e

devem ser utilizados para a finalidade para a qual foram

projetados.

• Muitos recursos de informação que são mantidos em

sistemas distribuídos têm um alto valor intrínseco para

seus usuários, o que faz com que sua segurança seja de

extrema importância.

• A segurança de recursos de informação tem três

componentes

• Confidencialidade

• Integridade

• Disponibilidade.

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Segurança

• Confidencialidade

– Garantir que a informação seja acessível somente para aqueles que tenham a devida autorização

– Ex: ACLs (access control lists) para prover acesso autorizado às informações

• Integridade

– Qualidade de integro; estado do que não sofreu alteração ou degradação

– Garantir a precisão das informações e dos métodos de processamento aos quais ela é submetida

– Ex: Mudar o número da conta ou valor em dinheiro em um pedido27


Segurança

• Disponibilidade

– Garantir que os usuários autorizados tenham

acesso às informações e ativos associados

quando necessário.

– Ex: ataques de negação de serviço Não-repúdio

• Não-repúdio

– Conceito de que a autoria de determinada

ação/operação não possa ser negada pelo seu

executor

– Ex: Assinatura digital28


Segurança

• Mecanismos de Segurança

–Criptografia

• Ex: Blowfish, RSA

–Autenticação

• Ex: senha, autenticação de chave pública

–Autorização

• Ex: access control lists (ACL)

–Integridade

• Ex: SHA29


Escalabilidade

• O trabalho envolvido no processamento de

qualquer requisição de acesso a um recurso

compartilhado independe do tamanho da rede.

• O sistema deve trabalhar eficientemente em

diferentes escalas, desde uma pequena

intranet até toda a Internet.

• Um sistema é descrito como escalável se

permanece eficiente quando há um aumento

significativo no número de recursos e no número de usuários.

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Escalabilidade

• O projeto de sistemas distribuídos escaláveis

apresenta os seguintes desafios:

– Controlar os custos dos recursos físicos

• O custo deve crescer linearmente com o tamanho do

sistema

– Controlar a perda de desempenho

– Impedir que os recursos de software se esgotem: IP de

32bits para IP de 128 bits

– Evitar gargalos de desempenho

• Utilizar algoritmos descentralizados (DNS centralizado para

o descentralizado)

• Técnicas: replicação, caching, servidores múltiplos31


Tratamento de falhas• As falhas em um sistema distribuído são parciais, isto é,

alguns componentes falham, enquanto outros continuam

funcionando.

• Portanto, o tratamento de falhas é particularmente difícil,

e envolve as seguintes técnicas:

– Detecção de falhas

• Checksums, …

– Mascaramento de Falha

• Retransmissão de mensagem corrompidas, …

32


Tratamento de falhas

• Técnicas:

– Tolerância a falhas

• Tratamento de exceções, timeouts,…

– Recuperação de falhas

• Mecanismos de Rollback,…

• Recuperação por software: manter dados permanentes

consistentes

– Redundância

• Redundância de hardware (Ex: banco de dados replicado em

diversos servidores)

• OBS: O assunto “Tratamento de Falhas será melhor abordado

em aulas subsequentes... 33


Concorrência

• Tanto os serviços como os aplicativos fornecem

recursos que podem ser compartilhados pelos

clientes.

• O processo que gerencia um recurso compartilhado

poderia aceitar e tratar um pedido de cliente por vez,

mas isso limitaria o desempenho do tratamento de

pedidos.

• Portanto, os serviços e aplicativos geralmente

permitem que vários pedidos de cliente sejam

processados concorrentemente. 34


Concorrência• Mais de um processo em execução a cada instante

– Utilização de Threads

– Atividades separadas de usuários

– Independência de recursos

– Localização de processos servidores em computadores distintos

• Acesso concorrente a recursos compartilhados requer

sincronização

• Prover e gerenciar acesso concorrente aos recursos

compartilhados:

– Escalonamento justo (Fair scheduling)

– Evitar deadlocks• OBS: O assunto “Concorrência será melhor abordado em aulas subsequentes...

35


Transparência

• Esconder do usuário e do programador de aplicações a

separação de componentes em um sistema distribuído, tal

que este seja visto como um sistema centralizado

• Formas de transparência

– Acesso

– Localização

– Concorrência

– Replicação

– Falha

– Mobilidade

– Desempenho

– Escala36


Transparência

• Transparência de Acesso

– Operações de acesso a objetos de informação são idênticas para

objetos locais e remotos.

– Exemplo: Operação de envio de uma mensagem eletrônica

especificando o destinatário através de seu endereço Internet.

• Transparência de Localização

– Acesso a um objeto ocorre sem que seja necessário o

conhecimento de sua localização.

– Exemplo: Operação de envio de uma mensagem eletrônica

especificando o destinatário através de seu endereço Internet.

37


Transparência

• Transparência de Concorrência

– Processos operam concorrentemente usando objetos de

informação comuns sem interferência entre eles.

– Sistemas Centralizados (paralelismo lógico) e

Distribuídos (paralelismo físico).

• Transparência de Replicação

– Várias instâncias de um objeto de informação são usadas

sem requerer o conhecimento das réplicas pelos usuários

e aplicações.

– Exemplo: Lotus Notes38


Transparência

• Transparência de Falha

– Mascaramento de falhas de hardware e software.

– Exemplo: retransmissão de mensagens, falha em nodo

do Web Server não deve derrubar todo Website.

• Transparência de Mobilidade

– Permite o movimento de recursos e clientes no sistema

sem afetar as operações dos usuários e aplicações

– Exemplo:Troca de servidor por outro em tempo de

execução; migração de processo de nodo para outro39


Transparência

• Transparência de Desempenho

– Reconfiguração do sistema para melhorar o desempenho

conforme a carga varia.

– Exemplo: Adição/deleção dinâmica de componentes,

comutando de estruturas lineares para estruturas

hierárquica quando o número de usuários aumenta.

• Transparência de Escala

• – O sistema e as aplicações podem expandir em

escala sem requerer modificações na estrutura do

sistema ou nos algoritmos das aplicações. 40

Vantagens dos SDs

• Separação funcional

– Computadores com diferentes capacidades e

funcionalidades

• Ex: Armazenamento de dados e processamento de dados.

• Distribuição de recursos

– Informação

• Informações são criadas e mantidas por diferentes pessoas.

– Pessoa

• Computadores suportam trabalho colaborativo (equipes virtuais,

engenharia, cirurgia virtual)41

Vantagens dos SDs

• Balanceamento de carga

– Computação distribuída por diferentes computadores.

• Economia

– Melhor relação custo x benefício quanto ao desempenho

(supercomputador virtual).

• Tolerância a falhas

– Um problema em uma máquina não necessariamente

pára todo o sistema.

• Normalização

– Necessária à integração.42

Vantagens dos SDs

• Compartilhamento de recursos

– Base de dados e periféricos podem ser compartilhados.

• Disponibilidade e Confiabilidade

– Se uma máquina falha, o sistema permanece funcional.

– Backup de dados em diferentes locais (replicação).

• Escalabilidade

– Poder computacional adicionado de forma incremental.

43

Desvantagens dos SDs

• Desenvolvimento de aplicações é mais complexo

– 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.44



– Propagação de efeito

• “Efeito cascata” de falhas pode derrubar um sistema

inteiro se não houver cuidados no projeto.

– Escala

• Um sistema que funciona bem com 10 nós pode falhar

se crescer para centenas de nós.

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– Propagação de efeito

• “Efeito cascata” de falhas pode derrubar um sistema

inteiro se não houver cuidados no projeto.

– Escala

• Um sistema que funciona bem com 10 nós pode falhar

se crescer para centenas de nós.

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• Pouca disponibilidade de ferramentas de suporte

(Ex: compiladores, middleware).

• Segurança: várias portas de entrada.

• Utilização de uma rede para comunicação

– Comunicação

• Tratamento e recuperação de mensagens.

– Segurança

• Compartilhamento de dados implica em esquemas especiais

para proteção de dados sigilosos.

47

Sistemas Distribuídos x

Sistemas Paralelos

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Sistemas Paralelos

• Paralelismo: vários processos executando simultaneamente

em vários computadores, compartilhando memória ou não.

• Pseudo-paralelismo: vários processos compartilhando um

processador ou outros recursos de um computador: ilusão

de vários programas rodando simultaneamente (multitarefa).

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Sistemas Paralelos:

Sistemas Multiprocessadores

• Sistemas Multiprocessadores baseados em

barramento

– Consiste em um número de CPUs (que pode ter alguma

memória local - cache) ligadas através de um barramento

– Memória compartilhada

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Sistemas Paralelos:

Sistemas Multiprocessadores

• Sistemas Multiprocessadores baseados em switch

– Memória compartilhada

– Memórias são localizadas de um lado e os processadores

do outro

– Número de switches pode tornar custo do sistema

proibitivo

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Sistemas Distribuídos:

Sistemas Multicomputadores

• Sistemas Multicomputadores baseado em

barramento

– Conjunto de CPUs com memória local trocando

mensagens através de um barramento

– Rede local ou CPUs conectadas com um barramento

rápido

– Sem memória compartilhada

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Sistemas Distribuídos:

Sistemas Multicomputadores

• Sistemas Multicomputadores baseado em switch

– CPUs tem um certo número de conexões para outras

CPUs e mensagens são trocadas através de CPUs que

intermediam a comunicação, quando necessário

– Sem memória compartilhada

– Grid (a) e Hipercubo (b)

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