Tema 1 Introducción a los Sistemas Distribuidos

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1 Tema 1 Introducción a los Grupo ARCOS Grado en Ingeniería Informática Universidad Carlos III de Madrid

2 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 2

3 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. Internet ARPANET 3

4 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,... 4

5 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 5

6 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 6

7 Dispositivos de red en el futuro 7

8 Sensores y RFID 8

9 Evolución de la informática Infraestructura tradicional Clientes LAN Servidores 9

10 Evolución de la informática Infraestructura tradicional Consolidación de recursos Clientes LAN LAN Red de almacenamiento Servidores Almacenamiento Compartido 10

11 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 (1970): el número de transistores por chip se doblará cada 24 meses 11

12 Evolución de la tecnología Nº de transistores La ley de Moore: 12

13 Evolución de la tecnología Nº de transistores en procesadores Intel Doblar la densidad implica reducir las dimensiones de sus elementos en un 30% En 1971 el Intel 4004 tenía 2300 transistores con tamaños de 10 micrometros Hoy en día se consiguen chips con distancias de 45 nanometros Para cumplir la ley de Moore se necesita tecnología doblar el precio cada 4.4 años 13

14 Evolución de la tecnología Nº de transistores en procesadores Intel 14

15 Evolución de la tecnología Consumo de potencia en procesadores Intel 15

16 CPU/Memoria 16

17 Problema con el aumento de la frecuencia de reloj Power Density (W/cm 2 ) Nuclear Reactor Hot Plate Rocket Nozzle P6 Pentium Year Sun s Surface Source: Patrick Gelsinger, Intel

18 Arquitecturas multicore 18

19 Evolución de la tecnología Almacenamiento. Precio por MB 19

20 Infraestructura tradicional Sistema Operativo 20

21 Máquinas Virtuales SO1 MV1 SO2 MV2 21

22 Sistema Distribuido Sistema compuesto por recursos de computación (hardware y software) físicamente distribuidos e interconectados a través de una red, que son capaces de colaborar con el fin de realizar una determinada tarea Red 22

23 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 23

24 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 24

25 Ejemplos: red de área local Workstations PC Red de área local Conexión al exterior 1 s Servidores de ficheros Otros servidores (impresión,...) 25

26 Ejemplo: Web Página Web navegador 26

27 Ejemplos de aplicaciones y sistemas distribuidos Correo electrónico (IMAP, POP) Transferencia de ficheros (FTP) Servicios de News WorldWideWeb (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) 27

28 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 relación coste/rendimiento Capacidad de crecimiento (escalabilidad) Tolerancia a fallos, disponibilidad Replicación Concurrencia: servicio a múltiples usuarios simultáneamente Velocidad: capacidad global de procesamiento disponible para: Ejecución paralela de una aplicación 28

29 Desventajas de los sistemas distribuidos Interconexión Coste Fiabilidad, pérdida de mensajes Saturación Comunicaciones inseguras Software más complejo Potencia de cada nodo no adecuada 29

30 Sistemas distribuidos y paralelos Sistemas distribuidos Objetivo: compartir recursos y colaborar Ejemplo: Redes de computadores Sistemas paralelos Objetivo: Alto rendimiento (speedup) Alta productividad Ejemplos: Máquinas paralelas (arquitecturas dedicadas) Multiprocesadores Multicomputadores Redes de estaciones de trabajo trabajando como un multicomputador (cluster) Grid Computing (www.gridcomputing.com) 30

31 Arquitecturas paralelas P1 C P2 C Pn C P1 C P2 $ Pn $ bus network memory memory memory memory Memoria compartida Memoria compartida distribuida P0 NI P1 NI Pn NI memory memory... memory interconnect Memoria distribuida 31

32 Topologías de red Grid o malla Árbol Lineal 32

33 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 33

34 Heterogeneidad Heterogeneidad de los SSDD: Es la variedad y diferencia de los siguientes componentes: Redes HW de computadores Sistemas operativos Lenguajes de programación Aplicaciones 34

35 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 35

36 Nombrado Los usuarios designan a los objetos mediante un nombre (ej. Los programas designan a los objetos mediante un identificador (ej ) 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) 36

37 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 37

38 Capacidad de crecimiento 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 Número de hosts (milliones) Web

39 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 Algoritmos que usan estructuras jerárquicos 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 39

40 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 40

41 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. 41

42 Sistema operativo en red (SOR) El usuario ve un conjunto de máquinas independientes No hay transparencia Se debe acceder de forma explícita a los recursos en otras máquinas Difíciles de utilizar para desarrollar aplicaciones distribuidas Aplicaciones Lenguajes de programación Sistema operativo Hardware Aplicaciones Lenguajes de programación Sistema operativo Hardware Red de interconexión 42

43 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 Hardware Lenguajes de programación Sistema operativo distribuido Hardware Red de interconexión 43

44 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 Sistema operativo Hardware Aplicaciones Lenguajes de programación Middleware Sistema operativo Hardware Red de interconexión 44

45 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: Consistencia Seguridad Tratamiento de fallos 45

46 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 46

47 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 47

48 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: protección contra el descubrimiento de datos por individuos no autorizados 2. Integridad protección contra la alteración o corrupción de los datos 3. Disponibilidad: 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 48

49 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: 49 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

50 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 50

51 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) 51

52 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 m3 Mensaje Paso de mensajes 52

53 Paso de mensajes Operaciones básicas: Enviar (send) Recibir (receive) Modelos de comunicación: Orientadas a conexión Operaciones para conectar y desconectar No orientadas a conexión Ejemplo: sockets 53

54 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 Petición de servicio Proceso cliente Proceso servidor Servicio 54

55 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, ) 55

56 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 Proceso A Proceso B funcion(1,2) funcion(arg1,arg2). return; proc1(arg1, arg2) proc2(arg1) proc3(arg1,arg2,arg3) 56

57 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 1 Proceso 2 RMI método1 método2 Objeto remoto 57

58 Peer-to-Peer Los procesos participantes en la comunicación asumen el mismo rol: Cliente y servidor Proceso 1 Respuesta Respuesta Los recursos y los servicios son intercambiados entre los computadores Ejemplo: Napster intercambio de ficheros Solicitud Solicitud Proceso 2 58

59 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 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: código móvil ejecutable podría ser malicioso Computador 4 59

60 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 Ejemplo: SOAP Servicio de directorio Solicitante del servicio Objeto de servicio

61 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 61 groupware basado en mensajes groupware basado en pizarra

62 Ejemplo de aplicación de Internet: la Web Desarrollado en el CERN por Tim Berners-Lee en 1992 La Web es el servicio estrella de Internet Permite acceder a la información disponible en Internet de manera sencilla La información se almacena en forma de páginas web y se accede utilizando el protocolo HTTP Estas páginas web se almacenan en servidores web Página Web navegador 62

63 Componentes del servicio Web Lenguaje de etiquetado de hipertexto (HTML, Hipertext Markup Language) Lenguaje para especificar el contenido y diseño de las páginas Web Localizadores uniformes de recursos (URL, Uniform Resource Locator) Protocolo://Servidor[:puerto][/caminoDeLaPag][?argumentos] Ejemplo: Protocolo HTTP (HiperText Transfer Protocol) Protocolo cliente-servidor 63

64 Evolución 10,000,000 1,000, ,000 Internet Hosts 10,000 1, WWW Servers

65 Arquitecturas paralelas MPP (Massively parallel processing) Multiprocesador de memoria distribuida SMP (Symmetric multiprocessing) Multiprocesador de memoria compartida CC-NUMA (Cache-Coherent Non-Uniform Memory Access) Multiprocesador con una memoria de acceso no uniforme Clusters 65

66 Tendencias Constelaciones ; 38; 8% MPP; 98; 20% Clusters; 364; 72% 66 Junio de 2006

67 Clusters Tipo de sistema distribuido/paralelo que consta de un conjunto de computadores conectados para trabajar de forma cooperativa como un único recurso integrado Aparece como un único sistema a los usuarios y aplicaciones Ofrece un modo efectivo en coste para obtener unas buenas prestaciones Cada nodo (o computador): Un sistema independiente (procesador o multiprocesador) con E/S, memoria, almacenamiento y SO propios Puede residir físicamente en un rack o conectarse mediante una LAN 67

68 Arquitectura de un cluster Sequential Applications Sequential Applications Sequential Applications Parallel Applications Parallel Applications Parallel Applications Parallel Programming Environment Cluster Middleware (Single System Image and Availability Infrastructure) PC/Workstation PC/Workstation PC/Workstation PC/Workstation Communications Communications Communications Communications Software Software Software Software Network Interface Hardware Network Interface Hardware Network Interface Hardware Network Interface Hardware Cluster Interconnection Network/Switch Buyya 68

69 Grid Computing Ian Foster y Carl Kesselman (1999) plantean un sistema distribuido como una analogía con el suministro eléctrico: El usuario debe tener acceso a los recursos computacionales en condiciones similares a las que tiene para utilizar la energía eléctrica: desde cualquier sitio (geográficamente dispersos) con una interfaz uniforme pudiendo confiar en su funcionamiento (fiables,robustos) a un coste asequible Este concepto se basa en: Agregar Compartir 69

70 Grid Computing Un sistema grid es una colección de recursos distribuidos conectados a través de Internet y que residen en dominios de administración diferentes Objetivo: compartir y agregar recursos Una aplicación grid es una aplicación que ejecuta en un entorno grid Un middleware grid es el software que permite la construcción de sistemas y aplicaciones grid 70

71 Grid Computing WAN 71

72 Computación voluntaria voluntarios Proyectos Internet 72

73 Potencialidad de la computación voluntaria CPUs, 65 TeraFLOPs 1000 Millones de PCs conectados a Internet in 2010, 50% de uso privado Con 100M: ~ 100 PetaFLOPs ~ 1 Exabyte (10^18 ) de almacenamiento Potencia CPU almacenamiento public computing Grid computing cluster computing Supercomputing 73 coste

74 Middlewares para computación voluntaria The Berkeley Open Infrastructure for Network Computing (BOINC) Bayanihan: general-purpose web-based volunteer computing systems using Java Xtremweb: the Open Source Platform for Desktop Grids Xgrid: Simple solution for distributed computing 74

75 Arquitectura de BOINC Proyecto BOINC Identificado por una URL Incluye múltiples aplicaciones BBDD con información sobre aplicaciones/participantes/trabajos/resultados Servidor de tareas Envía trabajos a los clientes y recibe los resultados Servidor de datos Descarga los datos sobre los clientes 75

76 Servidor BOINC voluntarios BBDD BOINC Interfaces web Cliente BOINC Servidor de tareas BBDD de aplicaciones Servidor de datos ficheros 76

77 Ejemplos de proyectos basados en BOINC LIGO; gravitational wave astronomy U. Washington; protein study U.C. Berkeley; SETI CERN; accelerator simulation STI, U. of Geneva; malaria epidemiology IBM World Community Grid 77

78 Redes de sensores Unared de sensores(el inglés, Wireless Sensor Network)esun sistemadistribuidodondeparte de susnodos(nodossensores) son capaces de interactuar con el entorno físico Interactuar: lectura/actuaciónsobreel medio Wireless Sensor and Actuator Networks (WSAN) Nodos sensores son dispositivos electrónicos, autónomos, distribuidos geográficamente alrededor de un fenómeno para monitorizarlo, con capacidades de: sensing, cómputo, almacenamientoy comunicación inalámbrica

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