18 y 19 Sistemas de Archivos Distribuidos y Tarea 05

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1 18 y 19 Sistemas de Archivos Distribuidos y Tarea 05 Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez Estructuras de datos (Prof. Edgardo A. Franco) 1

2 Contenido Contenido Introducción Requisitos Aspectos de Diseño Servicios de archivos Servicios de directorios Módulo cliente Semántica de archivos compartidos Uso de Archivos Estructura del Sistema Caching Réplicas Tarea 05 2

3 Introducción Introducción Un sistema de archivos distribuidos permite a los procesos el acceso transparente y eficiente de archivos que permanecen en servidores remotos. Son útiles en Intranets, redes locales y sistemas distribuidos Son responsables de la organización, almacenamiento, recuperación, nominación, compartimiento y protección de los archivos. Proporcionan una interfaz de programación que abstrae a los programadores de los detalles de localización y asignación del almacenamiento. 3

4 Introducción Introducción Servicios de Archivos Especificación de los servicios que el servidor de archivos (SA) ofrece a sus clientes. Especificación de la interfaz del SA con los clientes Describe las primitivas disponibles con sus parámetros y acciones. Servidor de archivos: Proceso que se ejecuta en alguna máquina y ayuda a implantar el servicio de archivos. Corre en el espacio de usuario, por lo que el sistema puede contener varios SA con servicios de archivos diferentes. Puede haber 1 o más SA, pero debe ser transparente a los clientes. 4

5 Requisitos Requisitos Transparencia: De acceso: permite el acceso a los archivos de la misma forma que como un sistema de archivo local. De localización: se desconoce la ubicación exacta de los archivos De movilidad: la ubicación de los archivos puede ser cambiada. De prestaciones: continúa funcionando mientras la carga del servicio varíe en un rango De escalabilidad: Es posible incrementar la capacidad del sistema y usuarios de este de manera relativamente sencilla. Actualizaciones concurrentes: soporta varios clientes modificando los mismos datos de manera concurrente 5

6 Requisitos Requisitos Replicación de archivos: puede ser implementada por redundancia o caching. Heterogeneidad: del hardware y sistema de operación Tolerancia a fallas: se mantiene la operación del sistema aún con fallas de algunos nodos Consistencia: define la semántica de actualización de una copia Seguridad: mecanismos de control de acceso y autenticación Eficiencia: el desempeño debe ser similar a sistemas de archivos locales. 6

7 Aspectos de diseño Aspectos de diseño Un sistema de archivos distribuido generalmente tiene tres componentes importantes: servicio de archivos, servicio de directorios y módulo cliente 1. Servicio de archivos: Ofrece operaciones sobre archivos individuales: leer, escribir, agregar. Aspectos importantes: Administración de los atributos (información que no es parte de el archivo en si mismo) Responsable de la protección contra accesos no permitidos, a través de capacidades o listas de control de acceso. 7

8 Aspectos de diseño Aspectos de diseño Responsable del modelo de acceso: por carga/descarga o por acceso remoto. Carga/descarga Acceso remoto cliente servidor cliente servidor 8

9 Aspectos de diseño Aspectos de diseño 2. Servicio de directorios: Ofrece operaciones sobre directorios: crear y borrar directorios, copiar y mover archivos entre directorios. Aspectos importantes: Responsable de resolver el nombre de los archivos. Debe proveer transparencia de los nombres con respecto a la localización. Ofrecer nombres de dos niveles: nombres simbólicos y nombres binarios Administra la organización de los archivos: sistema jerárquico de archivos. Maneja los enlaces lógicos y físicos 9

10 Aspectos de diseño Aspectos de diseño 3. Módulo cliente: se ejecuta en cada máquina cliente Aspectos importantes: Integra y extiende las operaciones de los servicios de archivos y de directorios a través de una interfaz sencilla Se ejecuta a nivel de usuario Mantiene información sobre las ubicaciones de los servidores de archivos y de directorios. Maneja el caching y buffering en el cliente 10

11 Aspectos de diseño Aspectos de diseño Un aspecto de diseño importante se refiere a la semántica del sistema de archivos Semántica de archivos compartidos Semántica de sesión Otros aspectos del diseño a considerar son: Archivos inmutables Transacciones atómicas 11

12 Aspectos de diseño Aspectos de diseño Semántica de archivos compartidos: Se refiere a cómo secuencializar los reads y writes sobre archivos compartidos de manera tal que no se lean valores obsoletos o se pierdan actualizaciones. Semántica (E.g. en Unix): Impone en todas las operaciones un orden absoluto en función del tiempo y ante el read retorna el valor más reciente del dato. Cada operación en un archivo es visible a todos los procesos en forma instantánea. El desempeño de este método es pobre. 12

13 Aspectos de diseño Aspectos de diseño Se logra fácilmente si sólo existe un servidor de archivos y los clientes no hacen caching de sus archivos. En este caso todas las operaciones read y write pasan directamente por el servidor de archivos y las procesa en forma secuencial. Para mejorar el desempeño se puede permitir a los clientes tener copias locales de los archivos de uso frecuente en sus caches. Pero hay problemas de lecturas obsoletas. Para evitar el problema de lecturas obsoletas se puede: Propagar inmediatamente las modificaciones al servidor Relajar la semántica de compartimiento. 13

14 Aspectos de diseño Aspectos de diseño Semántica de sesión (E.g. en Unix): Ningún cambio es visible a otros procesos hasta que el archivo se cierre. No todos los reads retornan el valor más reciente del dato. Si dos procesos tienen copias locales del mismo archivo y lo modifican al mismo tiempo, el resultado final depende de quién lo cierre más rápido. 14

15 Aspectos de diseño Aspectos de diseño Archivos inmutables: No existen actualizaciones, es más fácil compartir y replicar. Las únicas operaciones permitidas son create y read. Se pueden actualizar los directorios y reemplazar los archivos en forma atómica. Qué sucede si dos procesos intentan reemplazar el mismo archivo a la vez? Qué sucede si un proceso reemplaza un archivo mientras otro lo está leyendo? Transacciones atómicas 15

16 A la hora de realizar una implementación de un sistema de archivos distribuidos es necesario considerar el uso de los archivos, la estructura del sistema, la operación de los servidores, el caching de los archivos así como la manera de crear y mantener las replicas de los archivos. 16

17 Uso de archivos: Mediciones dinámicas: El mismo servidor de archivos registra en una bitácora ( log ) todas las operaciones que realiza, para ser analizadas posteriormente. Esto revela: Frecuencia de las operaciones Número de archivos abiertos Cantidad de archivos compartidos 17

18 Uso de archivos: Si existiera un estudio donde se demostrará que: La mayoría de los archivos está por debajo de 10K. Esto hace suponer que es mejor transferir entre cliente-servidor archivos completos en lugar de bloques de disco. La mayoría de los archivos tienen vida corta. Esto supone que es mejor crear el archivo en el cliente y mantenerlo ahí hasta su eliminación, disminuyendo tráfico entre cliente-servidor. Es poco usual compartir archivos. Es mejor usar semántica de sesión y hacer caching de los archivos en el cliente. 18

19 Uso de archivos: Si existiera un estudio Existen distintas clases de archivos con propiedades diferentes. Esto hace suponer que deben existir diferentes mecanismos para manejar diferentes clases de archivos: La lectura es más común que la escritura. Favorece a la semántica de sesión. La lectura y escritura son secuenciales. No es común el acceso aleatorio. 19

20 Estructura del sistema: Se refiere a la organización interna de archivos y directorios. Cómo estructurar el servicio de archivos y directorios? Combinados en un mismo servidor: Las operaciones son directas. Separarlos: Abrir un archivo implica ir al Servidor de directorios, localizar el archivo y luego ir al Servidor de Archivos para llevar a cabo la lectura o escritura. Requiere mayor comunicación. Pero es más flexible y el software es más sencillo. 20

21 Cliente Nombre simbólico Servidor de directorio Nombre binario Servidor de archivos Acceso a archivos con servidores de directorios y archivos separados 21

22 Considerar si los servidores de archivos y directorios deben contener la información de estado de los clientes. Servidores sin estado ( stateless ) Cuando un cliente envía una solicitud a un servidor, éste la lleva a cabo, envía la respuesta y elimina de sus tablas internas toda la información relativa a dicha solicitud. No guarda información del cliente entre solicitudes. Cada solicitud debe ser autocontenida. 22

23 Servidores con estado Los servidores guardan información del estado de los clientes entre solicitudes: tabla que asocia los descriptores de archivos con los archivos propiamente dichos. 23

24 Ventajas de los servidores sin estado Tolerantes a fallas No se desperdicia espacio No existe límite para el número de archivos abiertos. No hay problema si un cliente Falla Desventaja de los servidores con estado La recuperación quedará a cargo del cliente. Se pueden desbordar las tablas y no se podrán abrir más archivos Si un cliente falla después de abrir un archivo, el servidor esta ante un dilema: Sus tablas se llenan de basura Eliminar archivos innecesarios 24

25 Ventajas de los servidores con estado Mensajes más cortos Mejor desempeño porque las tablas pueden estar en memoria principal o en cache. Es posible realizar lecturas adelantadas. Es fácil reconocer operaciones idempotentes Puede manejar el bloqueo de archivos. Desventaja de los servidores sin estado Mensajes autocontenidos más largos. Desempeño pobre No son posibles lecturas adelantadas Es difícil reconocer operaciones idempotentes Se requieren un servidor de "locks" especial. 25

26 Caching: Dónde mantener los archivos o parte de ellos. disco del servidor Memoria del servidor Memoria del cliente disco del cliente (opcional) red Guardarlo en el disco del servidor: Ventajas: Hay espacio, se requiere sólo una copia de cada archivo, archivos accesibles a todos los clientes, no hay problemas de consistencia. Problema: Bajo desempeño en la transferencia del archivo: Disco del servidor memoria del servidor red memoria del cliente 26

27 Ventajas: Mantiene las ventajas anteriores y mejora el desempeño. Problemas: Requiere determinar el tamaño de la unidad que administra el caché: todo el archivo o por bloques. Se necesita un algoritmo de reemplazo cuando el caché esté lleno (LRU). 27

28 Caching en el cliente: En disco es lento, en general más lento que el anterior. Es bueno cuando son muchos datos. En memoria principal: En el espacio de direcciones del cliente, administrado por librerías con llamadas al sistema. Cuando el proceso termina, los archivos modificados se actualizan en el servidor. En el kernel. La ventaja es que el caché sobrevive al proceso. La desventaja es que siempre hay que llamar al kernel. En un administrador de caché en espacio de usuario. Libera al kernel del sistema, fácil de programar, más flexible. 28

29 El caching en el servidor no tiene efectos en la semántica del sistema de archivos. El caching en el cliente ofrece mejor desempeño a costa de mayor complejidad y posible semántica más difusa. 29

30 Réplicas: Razones para el servicio de réplicas: Aumento de confiabilidad al disponer de respaldos independientes de cada archivo. Disponibilidad: permitir accesos aunque falle uno de los servidores. Desempeño: repartir carga de trabajo entre servidores. 30

31 Formas de creación de réplicas: 1. Réplica explícita: el cliente controla el proceso. Cuando crea un archivo lo hace en un servidor específico y adicionalmente puede crear copias en otros servidores. Se registran en el cliente las copias. Si quiere abrir de nuevo un archivo, busca la primera disponible. S1 archivo C S2 S3 prog.c

32 2. Réplica retrasada: el cliente crea el archivo en un servidor, luego en forma automática el servidor crea las copias sin conocimiento del cliente. El sistema es el encargado de la recuperación. S1 C S2 S3 C S1 S2 3. Uso de comunicación en grupo: S3 32

33 Protocolos de actualización: 1. Replicación con copia primaria: Un servidor es primario, el resto son secundarios. La actualización llega al servidor primario, éste realiza los cambios en forma local y después envía órdenes a los servidores secundarios para que realicen las mismas modificaciones. Las lecturas se ejecutan desde cualquier servidor. o Qué sucede si falla el primario antes de la actualización de los secundarios? o Si falla el primario, quién hace las actualizaciones? 33

34 2. Método del voto: - Los clientes solicitan y requieren permiso de varios servidores antes de leer o escribir en un archivo replicado. - Para leer de un archivo de N réplicas, un cliente necesita un quórum de lectura N r servidores o más. - Para modificar se requiere un quórum de escritura N w y se debe cumplir que N r + N w > N. - El voto consiste del número de la versión asociado al archivo. 34

35 2. Método del voto: N r =3, N w =10 N r =7, N w =9 N r =1, N w =12 A B C D A B C D A B C D E F G H E F G H E F G H I J K L I J K L I J K L escritura quorum de lectura quorum de Qué sucede si fallan muchos servidores y quedan menos de N w? o No se puede llegar a un acuerdo. 35

36 3. Voto con fantasmas: - Pretende aliviar el problema anterior. - La idea es crear un servidor fantasma sin espacio de almacenamiento para cada servidor real que falle. - En las lecturas no se permiten fantasmas. - Las escrituras sólo tienen éxito si al menos uno de los servidores es real. - Cuando se levante un servidor, obtiene un quórum de lectura para localizar la versión más reciente. 36

37 Tarea 05 Tarea 05 Realizar un mapa conceptual que contenga los conceptos de esta presentación (Clase 18 y 19) A más tardar se debe entregar el día sábado 27 de Noviembre de 2010 a las 23:59:59 hrs. Incluir portada. Recomendación: Usar Cmap Tools 37

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