INTRODUCCIÓN Sistemas Informáticos Abiertos Y Distribuidos Aplicados al Mundo Industrial

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1 INTRODUCCIÓN Sistemas Informáticos Abiertos Y Distribuidos Aplicados al Mundo Industrial UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 1 Definición Un sistema distribuido es una colección de computadoras independientes que aparece ante los usuarios del sistema como una única computadora. Uso (aplicaciones) Gestión Ejemplo: Google No es un sistema distribuido Es una aplicación montada sobre un sistema distribuido Yo como usuario desconozco Máquina o máquinas en las que se realiza la búsqueda Lugares donde están ubicadas esas máquinas Tipos de comunicación que se utiliza Equipos que intervienen Forma de realizar la búsqueda Qué se ejecuta en mi máquina y qué no se ejecuta Casi siempre funciona correctamente UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 2

2 Ejemplo de sistema distribuido ISP intranet backbone satellite link desktop computer: server: network link: UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 3 Más detalle sobre el hardware Inter-exchange Carrier (IXC) Point of Presence Local Exchange Carrier (LEC) Local Ingress Switch Local Egress Switch Long- Distance Network Tandem Switch Packet Network Dial-Up ISP DNS Router Customer Premises Telephone Network Backbone Provider 1 Router Exchange Point Server INTERNET Internet Service Providers Internet backbones Backbone Provider 2 Router Remote ISP Local Loop Content Provider Router Analog Modem xdsl Modem Cable Modem Headend Cable Network Corporate LAN Firewall UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 4

3 Telefonía móvil en un sistema distribuido DSL Always on Cable Head Ends Cingular NAP NAP ISP Cell Cell Cell Sprint AOL LAN LAN LAN Dial-up UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 5 Historia de Internet: ARPANET ARPANet: 2 Septiembre 1969: UCLA primer nodo de ARPANET en UCLA Diciembre 1969: 4 nodos conectados por línea telefónica. SRI 940 UCSB IBM 360 UCLA Sigma 7 IMPs Utah PDP 10 UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 6

4 Evolución de Internet UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 7 Internet actualmente Septiembre 2002: Más de direcciones ip para hosts Más de usuarios Growth of Internet Hosts * Sept Sept ,000, ,000,000 No. of Hosts 150,000, ,000,000 50,000, /69 01/71 01/73 01/74 01/76 01/79 08/81 08/83 10/85 11/86 07/88 01/89 10/89 01/91 10/91 04/92 Time Period 10/92 04/93 10/93 07/94 01/95 01/96 01/97 01/98 01/99 01/01 08/02 UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 8

5 Ejemplo: Explotación resultados CERN Tier 1 There is a bunch crossing every 25 nsecs. There are 100 triggers per second Each triggered event is ~1 MByte in size France Regional Centre ~PBytes/sec Online System ~622 Mbits/sec or Air Freight (deprecated) Germany Regional Centre 1 TIPS is approximately 25,000 ~100 MBytes/sec SpecInt95 equivalents Offline Processor Farm ~20 TIPS ~100 MBytes/sec Tier 0 Italy Regional Centre CERN Computer Centre FermiLab ~4 TIPS ~622 Mbits/sec ~622 Mbits/sec Tier 2 Caltech ~1 TIPS Tier2 Centre Tier2 Centre Tier2 Centre Tier2 Centre ~1 TIPS ~1 TIPS ~1 TIPS ~1 TIPS Physics data cache Institute Institute ~0.25TIPS Physicist workstations Institute ~1 MBytes/sec Institute Tier 4 Source Harvey Newman, Caltech Physicists work on analysis channels. Each institute will have ~10 physicists working on one or more channels; data for these channels should be cached by the institute server UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 9 Ejemplo: Control Sistema Eléctrico ( centralizado?) Generation ISO Traders Monitoring and Trading Services Transmission Substation Transmission Subtransmission Substation Distribution Distribution Substation Customers (Create load) Residential Commercial Industrial UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 10

6 Ejemplo: Operación sistema eléctrico IEC EMS EC, EDI ISO 9735 Server IEC DMS Control Centre 1 IEC Substation PU IEC TR IEC , -104, IEC (TASE.2), IEEE P1525, ELCOM90, DNP3 IEC , IEC , IEEE P1525, DNP3 IEC61850 IEEE P1525 IEC Pole-Top Market Participant IEC (TASE.2), ELCOM90, DNP3, IEC , -104 PU IEC IEC IEC Substation Control Centre 2 IEC , -104, IEC (TASE.2), ELCOM90, DNP3 Distribution, Customer: Metering Billing Power Plant UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 11 Ejemplo: Operación subestación IEC 61850, IEEE-SA TR 1550 (UCA.2), IEEE P1525 SU IEC HMI IEC , IEEE 1379, IEEE P1525, Profibus, IEC , -104, Modbus, LON, UCA.2 ComU SB PU CU C/P Filter C/P CT 1A/5A VT 100V CT VT SG P B CT VT CT VT SG IEC IEC IEC IEC SU - Station Unit C/P - Control/Protection Unit SB - Station Bus PU - Protection Unit CT/VT - Instrument Transformer PB - Process Bus CU - Control Unit ComU - Communication Unit SG - Switchgear UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 12

7 Intercambio energía eléctrica en Europa: distribuido UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 13 Detalle control intercambio de energía (REE) MO Market results Best Available Model Best Available Model Market results MO SO Network Information EXaMINE EXaMINE Network Information SO Historic Data Base Historic Data Base Market results Communications System Market results Network Information EXaMINE EXaMINE Network Information Historic Data Base Best Available Model Best Available Model Historic Data Base UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 14

8 Ejemplo: Fabricación integrada WWW Firewall IDA Administration Intranet Ethernet TCP/IP Vertical Integration Intranet Ethernet TCP/IP ERP-MES-PPS Router Production Ethernet TCP/IP UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 15 Ejemplo: Boeing componentes por avión Cada avión tiene una configuración diferente Hay que guardar información sobre todos los componentes Producción: 500 aviones al año. La base de datos crece cada año con información correspondiente a 1500 millones de componentes. Vida de cada avión: 30 años ingenieros accediendo on-line. 20 servidores para datos de ingeniería 200 servidores para aplicaciones UNIX Estaciones NT y UNIX UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 16

9 Ejemplo: Bolsa UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 17 Ejemplo: Automóvil, avión Control del sistema de un automóvil Un Mercedes clase S está equipado con más de 50 procesados empotrados Conectados entre sí mediante una red local UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 18

10 Más ejemplos de sistemas distribuidos Gestión integral de un edificio Climatización, seguridad, energía administrados de forma inmediata. Gestión de las máquinas expendedoras La máquina avisa a la central de su estado actual Agotada Stock actual Averías Vandalismo Grandes compañías utilizan las horas no productivas de los ordenadores personales Descargar a los servidos especialmente a final de mes. Vender horas de procesamiento Alojamiento de servidores web UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 19 Futuro: Programa IST de la Comunidad Europea Software & Systems Technologies Global Satellite Suburban Urban Micro-Cell In- Building Home-Cell Macro-Cell Pico-Cell Seamless & Rich Connectivity (fixed optical & wireless communications) Anthropocentric Interfaces Intelligent Environments UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 20

11 Arquitectura general de un Sistema Distribuido UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 21 Más detalle End Users Consumption Developers Service Providers Connection Content Providers Connection User Interface Applications Rich Call Browsing Msg OS Middleware Network Hardware Application Gateways Rich Call Browsing Msg OS Middleware Network Hardware Applications Rich Call Browsing Msg OS Middleware Network Hardware UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 22

12 Pilares de los sistemas distribuidos Ordenadores Hardware ordenadores convencionales Procesadores empotrados Comunicaciones Conectar sistemas entre sí Software Sistemas operativos Middleware Aplicaciones Metodologías de programación Programación orientada a objetos Ingeniería del software Da la talla? UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 23 Razones crecimiento de los Sist. Distribuidos Desarrollo tecnología de microprocesadores Relación potencia/coste que baja constantemente. Aumento de la potencia en términos absolutos Desarrollo de las tecnologías de comunicaciones Relación ancho de banda/coste que baja constantemente Control distribuido por telefonía móvil Nivel físico Protocolos de comunicaciones. Redes de área local (LAN): Coste y prestaciones. Internet Factores comerciales: Si las empresas no ganasen dinero con los sistemas distribuidos no avanzarían. Punto.com Desarrollo UMTS Comercio electrónico: e-comerce. Información distribuida (WWW). Reducción de costes (potencia equivalente a 100 procesadores sobre un solo procesador es 10 veces más cara, si se puede construir) UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 24

13 Resumen de crecimiento según tecnología Relaciones de Moore (Intel) Capacidad Velocidad (latencia) Lógica x2 en 3 años x2 en 3 años SPEC x2 en 1.5 años DRAM x4 en 3 años x2 en 10 años Disco x4 en 3 años x2 en 10 años Si un estudiante tarda 6 años en realizar su carrera: Velocidad CPU X 16 Tamaños disco y memoria UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 25 Objetivos del curso Sist. Inf. Abiertos y Distribuidos Conocer las metodologías y las tecnologías utilizadas para construir sistemas distribuidos. Teoría general Qué se aplica en la realidad? Conocer los problemas principales en el diseño de los sistemas distribuidos Cuellos de botella actuales en el desarrollo de los sistemas distribuidos Sistema distribuido es aquel que consigue que no puedas trabajar en tu ordenador porque está funcionando mal una máquina que ni siquiera sabías que existía. (Leslie Lamport 1987) Concretar en el mundo industrial Evolución de una arquitectura centralizada y rígida hacia otra más abierta y distribuida. UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 26

14 Índice Conceptos Comunicación en sistemas distribuidos Sistemas de ficheros distribuidos y servicios de directorio. Sincronización y coordinación Sistemas de memoria distribuida Gestión de procesos Seguridad en sistemas distribuidos Ejemplos generales: Corba Jini Tibco Sistema distribuidos industriales SCADAs UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 27 Bibliografía Libros Andrew S. Tanenbaum, Marten van Steen Distributed Systems: Principles and Paradigms, 2 rd Edition, Prentice-Hall, 2002 George Coulouris, Jean Dollimore, Tim Kindberg - Distributed Systems: Concepts and Design, 3 rd Edition, Addison-Wesley, 2001 WWW Concretas en cada capítulo Evaluación Trabajo (50%-60%) Teórico (20 y 50 páginas por una cara) Práctico (10 y 20 páginas) Exposición sobre el trabajo (30%-40%) Último día de clase Tests (marcha de la clase) UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 28

15 Trabajos Teóricos: Sistemas distribuidos aplicados al automóvil Sistemas distribuidos aplicados al avión Sistemas distribuidos aplicados al tren Dentro del tren Dar servicio al tren GRID computing Economía de los sistemas distribuidos (No IT en general) Prácticos Pequeña aplicación en: Corba/JAVA - C++ Jini/JAVA Tibco UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 29 Objetivos y desafíos de los sistemas distribuidos Son a la vez características de los sistemas distribuidos: Distribución de aplicaciones En una red de ordenados o de microprocesadores empotrados. Heterogeneidad Sistema Abierto Seguridad Más que una característica es una desventaja Escalables Fiabilidad/Manejo de fallos Concurrencia Paralelismo Transparencia Administración Se resumen en dos Compartir recursos/acceder de forma uniforme Crecer sin sobresaltos UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 30

16 Desafío: Distribución de aplicaciones Dividir Dividir una aplicación en unidades que se puedan distribuir en una red de procesadores Igualdad en las unidades (resolución de una ecuación) Jerarquía en las unidades (sistema de control) Configuración Configurar cada uno de los sistemas que van a trabajar en la aplicación. Asignación Descargar los módulos en esos sistemas Distribuir la carga a lo largo de esos sistemas Estáticamente Dinámicamente (más interesante) Sistemas con diferente capacidad de procesamiento Recogida de datos UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 31 Simulación de la seguridad de un avión Wing Models Airframe Models Lift Capabilities Drag Capabilities Responsiveness Stabilizer Models Crew Capabilities - accuracy - perception - stamina - re-action times -SOP s Engine Models Human Models Braking performance Steering capabilities Traction Dampening capabilities Landing Gear Models Thrust performance Reverse Thrust performance Responsiveness Fuel Consumption UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 32

17 Desafío: Heterogeneidad Heterogeneidad: Infraestructuras de comunicación Hardware de los ordenadores o de los sistemas empotrados Software: sistemas operativos, diferente forma de establecer la comunicación UNIX sockets Winsock Lenguajes de programación diferentes Representación de la información Homogeneidad en la heterogeneidad El usuario no debe ver la heterogeneidad si no lo necesita. Enmascarar la heterogeneidad. UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 33 Desafío: Heterogeneidad Cómo? Middleware Todos los sistemas presentan una misma interfaz al nivel de aplicación Ejemplos CORBA, Java RMI, Microsoft DCOM Component Component 1 Component 1 Component n n Middleware Middleware Network Operating System Network Operating System Hardware Hardware Component 1 Component n Middleware Network Operating System Hardware Host 2 Network Host n-1 Component 1 Component n Middleware Network Operating System Hardware Host 1 Host n UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 34

18 Desafío: Heterogeneidad Cómo? Máquinas virtuales Código que puede migrar de una máquina a otra JAVA.NET Cada máquina ejecuta el código en su máquina virtual Solución dinámica Fuerza bruta Para cada máquina se prepara una interfaz ad-oc. Estática Native Code VB VC... Script IL Common Language Run-time Standard JIT Compiler Native Code UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 35 Desafio: Sistema abierto Asegurar la extensión y el mantenimiento Posibilidad de reimplementar Facilidad para añadir nuevos recursos Factores importantes: Especificación Documentación Interfaces públicas mejor estándar Problemas actuales No hay estándares Estándares difíciles de aplicar (Niveles OSI) Demasiados intereses contrapuestos:» Abrir mercado» Mantener el mercado cerrado Medios para verificar la conformidad de las interfaces UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 36

19 Estándar para operación de la red de distribución Utility Control IEC TC57 Working Group 14: Center System Interfaces For Distribution Management Distribution Automation Network Customer Expansion Inquiry Planning Network IEC Operation Compliant Interface Architecture Meter Reading & Control Utility Business Systems (ERP, Billing, Energy trading, other systems) Corporate LAN Substation Protection, Monitoring and Control Records & Asset Management Maintenance & Construction Operational Planning & Optimization RTU Communications UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 37 Desafío: Seguridad Fácil de acceder = Fácil de vulnerar? Tres componentes: Confidencialidad Protección ante accesos no autorizados Integridad Protección ante alteración o corrupción de los datos Disponibilidad Protección ante interferencias en el acceso a los recursos. Objetivo: Intercambiar información sensible de una manera segura y eficiente UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 38

20 Desafío: Seguridad Cómo? Escenario 1: Acceder al texto de un examen en un servidor remoto de ficheros Autentificación: Cómo conocer que es el profesor quien quiere acceder a los datos. Escenario 2: Enviar el número de la tarjeta de crédito a través de Internet Confidencialidad: Ninguna otra persona debería acceder a leer los datos. Solución: Criptografía Problemas no resueltos Negación de servicio a un usuario correcto Bombardeo con mensajes Spam en menor medida Seguridad en los códigos que circulan entre máquinas Tipo scripts UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 39 Desafios: Escalabilidad Un sistema distribuido es escalable cuando permanece efectivo al aumentar el número de usuarios o de recursos. Desafíos: Controlar el coste de los recursos Debería incrementarse de forma lineal al aumentar el número de usuarios si se mantiene el rendimiento por usuario Controlar la pérdida de rendimiento Lineal Logarítmica: hacer una búsqueda entre n usuarios Controlar el funcionamiento correcto Todo sistema tiene un límite de funcionamiento 640KB del DOS, 32 bits del IPv4 Establecerlo lo más lejano posible No tener cuellos de botella Descentralizar Cachés/replicar UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 40

21 Desafío: Manejo de fallos Más fallos que un sistema centralizado Fallos de tipo parcial Manejo de fallos: Detección Checksum, CRC Difícil: servidor caído frente a servidor lento Enmascaramiento/Aislamiento Sistemas RAID en discos duros No siempre es posible: caída de todo el sistema de discos duros A los bancos se le pierden los datos? Tolerancia a fallos Caminos alternativos para dar servicio Importancia del servicio Recuperación Redundancia Objetivo: alta disponibilidad Proporción de tiempo que el sistema está disponible UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 41 Desafío: Concurrencia Manejar múltiples peticiones simultáneamente Sincronizar operaciones Ingresar dinero en una cuenta Reintegro Orden en el acceso a los recursos Evitar parálisis del sistema A no puede acceder porque B intenta acceder B no puede acceder porque A intenta acceder Cómo entenderlo? Dos personas que intentan cruzar una puerta estrecha a la vez. UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 42

22 Desafío: Transparencia Transparencia en el acceso Acceder a recursos locales o remotos de igual forma Transparencia en la localización Acceder a los recursos sin conocer su localización física: Transparencia en la concurrencia Varios procesos trabajan concurrentemente sin interferencias entre ellos. Transparencia en la replicación: El usuario no conoce que los servicio están replicados (fiabilidad y rendimiento. Transparencia a los fallos: Los fallos del sistema distribuido no afecta al usuario: caminos alternativos para transmitir un en caso de fallo. Transparencia a la movilidad: El usuario accede al sistema distribuido de igual forma e independientemente de cuál sea el punto de entrada. Transparencia al rendimiento: El sistema se reconfigura para aumentar las prestaciones sin afectar al usuario. Transparencia a la escalabilidad El sistema crece sin afectar al usuario. UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 43 Sistema de adquisición (Plug and Play) Beam Source Goniostat Status Local Store Image Frames to Struct. Analysis Sample Crystal Ctl Signals CCD Array CCD Data Collector Local DSP, Buffering Image Frames Image Frames from Local St Structure Analysis Munged Frames User Ctl User Ctl Scan Set Collaborative Visualization UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 44

23 Desafío: Administración Un sistema distribuido no tiene un punto central de administración Problemas: Recursos optimizados de forma local Muy difícil la optimización de forma global. Establecimiento del camino más corto No siempre es posible la optimización Los recursos no están en manos de una única organización. Host Ingress Router ISP m ER Host ER IR ISP 1 ISP n Egress Router IR ISP 2 UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 45 Resumen Sistema distribuido Conjunto de ordenadores/sistemas empotrados autónomos Interconectados entre sí Ofrecen una imagen única (servicio, administración, etc) Razones Compartir recursos Capacidad de crecimiento Desafíos/objetivos de los sistemas distribuidos Distribución de aplicaciones Heterogeneidad Sistema Abierto Seguridad Escalables Fiabilidad/Manejo de fallos Concurrencia Transparencia Administración UPCO ICAI Departamento de Electrónica y Automática 46

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