SISTEMAS OPERATIVOS II

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1 SISTEMAS OPERATIVOS II INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA Unidad I: Sistemas Operativos en ambientes Distribuidos Departamento de Sistemas y Computación M.C. Benito Sánchez Raya sanchezraya@hotmail.com Disponible en: Versión: CONTENIDO 2 1. Qué es un Sistema Distribuido? 2. Objetivos Ventajas Desventajas 3. Conceptos de Hardware Multiprocesadores en buses y en conmutadores Multicomputadoras en buses y en conmutadores 4. Conceptos de Software SO de redes, SOD, multiprocesador con tiempo compartido 5. Aspectos de diseño Transparencia, flexibilidad, confiabilidad, desempeño, escalabilidad 1

2 3 Los SO han evolucionado gracias a: Desarrollo de poderosos procesadores 8, 16, 32 y 64 bits. Masificación de las redes de computadoras LAN, WAN, WLAN, WMAN, etc. Esto originó los Sistemas Distribuidos (SD): Sistema con muchos CPU conectados a través de una red de alta velocidad Problema: Se requiere software radical. 1. QUÉ ES UN SISTEMA DISTRIBUIDO? Definición: Colección de computadoras independientes que aparecen ante los usuarios del sistema como una única computadora Aspectos de la definición: Hardware: Las computadoras son autónomas del resto. Software: Para los usuarios es una sola computadora, la interfaz es homogénea. 4 2

3 Ejemplo 1: Un departamento que tenga una LAN y un servidor. Manejan un sistema de archivos único para todos, sin saber donde se ejecutan o donde están almacenados. El sistema determinara donde ejecutará los procesos, en cualquier PC o en el servidor. El sistema se ve como un todo, sin importar el hardware y software en cada PC. 5 Ejemplo 2: Sistema bancario con sucursales. En la computadora local de una sucursal se realizan las transacciones, sin importar en donde se estén realizando las actualizaciones ni de donde sea el cliente. 6 Ejemplo 3: HTML y HTTP Servidores heterogéneos tanto en hardware como en software Una interfaz homogénea al cliente 3

4 7 2. OBJETIVOS 2.1. VENTAJAS DE LOS SD (vs Centralizados) Ley de Grosh El poder de cómputo de CPU es proporcional al cuadrado de su precio, esta funcionó solo en mainframe (equipos de supercomputo). Con la llegada de los microprocesadores ya no aplica, porque se han abaratado e incrementado drásticamente su poderío. La solución es crear cluster de microprocesadores baratos, para dar el rendimiento de un gran sistema de cómputo, creando un SD. Muchos microprocesadores brindarían un rendimiento superior al de un mainframe, y aun costo menor. Es conveniente diferenciar entre: Sistema distribuido Muchos usuarios trabajen en forma conjunta Sistema paralelo Su meta es lograr máxima rapidez en un problema En sentido amplio, en ambos casos se les puede llamar SD 8 Investigar: La diferencia en hardware entre una PC y un servidor 4

5 9 Otra ventaja, estriba en que muchos problemas tienen una solución distribuida de forma natural. Una más, un SD es más confiable, porque si fallase una PC el resto seguiría resolviendo el problema en cuestión, en un equipo centralizado imposible. También, en un SD se puede escalar aumentando o disminuyendo su rendimiento, incorporando o quitando microprocesadores, escalar un equipo centralizado no es factible, o muy limitado. Se pueden compartir recursos periféricos entre los usuarios. Ejecución de aplicaciones en otras PCs del SD. 10 5

6 11 Mas ejemplos de SD: 1. Tienda de supermercados, para control de inventarios. 2. Trabajos colaborativos, como edición de periódicos. 3. Juegos en línea, de estrategia. 4. Sistemas de reservaciones en línea En resumen sus ventajas son: Más barato Mayor velocidad Distribución inherente Confiabilidad Crecimiento gradual DESVENTAJAS DE LOS SD (vs Centralizados) Una desventaja es que requieren software especial, y no existen muchas soluciones disponibles. La inestabilidad de las redes de computadoras, genera problemas de comunicación (perdida o saturación) Una tercera desventaja, garantizar la seguridad de la información que circula y es almacenada en el SD. La PC de contabilidad sin acceso a red e internet!!! 6

7 Qué consideras que tenga más peso, las ventajas o desventajas? Por qué? CONCEPTOS DE HARDWARE Los SD constan de varios CPUs La diferencia está en cómo se organizan esos CPUs Interconexión y comunicación entre ellos 14 7

8 15 Taxonomía Flynn: Involucra número de flujo de instrucciones y número de flujos de datos SISD (Single Instruction, Single Data) Equipos tradicionales de un procesador SIMD (Single Instruction, Multiple Data) Una unidad de ejecución, y varias unidades de datos en paralelo MISD (Multiple Instruction, Single Data) Varias unidades de ejecución, y un flujo de datos. No hay computadoras bajo este esquema. MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data) Computadoras independientes, cada uno con su propio hardware de ejecución y datos. Aquí encajan todos los SD. De la figura siguiente se desprende: Débilmente acoplados SD Fuertemente acoplados Cómputo paralelo 16 8

9 Bus o Conmutador: MIMD En donde encaja el sistema de TV por cable, y donde el de Telefonía publica? Fuertemente acopladas Computadoras Paralelas y Distribuidas Débilmente acopladas Multiprocesadores (Memoria compartida) Multicomputadoras (Memoria privada) 17 Bus Con Conmutador Bus (LAN) Con Conmutador (Hypercube, transputer) 1. Multiprocesadores con Bus Muchos CPUs, conectados por un BUS común Memoria compartida (debe ser coherente) Sistemas paralelos Maneja múltiples líneas de: datos, de direcciones y de control Suelen tener memoria cache entre CPU y Bus para evitar cuellos de botella. Limitados a 64 CPUs, por los grandes retardos CPU CPU CPU CPU Memoria Cache Cache Cache Cache 18 9

10 CPU CPU CPU CPU Memoria Cache Cache Cache Cache 19 El bus se sobre carga por ser un único canal para los n CPUs (para eso es el cache) Si la palabra esta en el cache, de ahí la toma el CPU sin ir a la memoria(por el bus) Desventaja: Un CPU puede cambiar el dato, y otro CPU tendría una copia errónea. Se usa una cache de escritura: Cualquier cambio a la cache se debe hacer a la memoria. Cada Cache de los CPUs realizan un monitoreo constante en busca de cambios a la memoria, para actualizar su cache (cache monitor) Multiprocesadores con conmutador Se requiere un método de conexión de los CPUs Se puede dividir la memoria y conectar cada módulo con los CPUs con un conmutador de cruceta. Los conmutadores de punto de cruce: Se abren y se cierran Controlan la concurrencia a La misma memoria Inconveniente: Demasiados puntos de cruce Con muchos CPUs (n 2 ) 10

11 La red omega es la solución para no colocar muchos puntos de cruce. Solo conmutadores de punto de cruce de (nlog 2 n)/2 Cada uno con 2 entradas y 2 salidas Puede redirigir el trafico a cualquiera de las 2 salidas 21 Problema en ambas conexiones: El retraso en la comunicación Por el paso entre cada conmutador Permite más de 64 CPUs. Suelen ser muy caros y difíciles de construir 3. Multicomputadoras con buses Es más fácil su construcción Sin memoria compartida, cada una tiene memoria local Requiere un sistema de interconexión Hay menos tráfico en el bus PC PC PC PC PC Memoria Local Memoria Local Memoria Local Memoria Local Memoria Local CPU CPU CPU CPU CPU 22 LAN 11

12 23 4. Multicomputadoras con conmutador Usan redes de interconexión Cada CPU tiene acceso directo a su propia memoria La topología de retícula: Fáciles de comprender Basadas en tarjetas de circuitos Usos: casos bidimensionales como: Teoría de gráficas Visión Reconocimiento de patrones Etc 24 El Hipercubo: Es un cubo n-dimensional El del ejemplo es dimensión 4 Como si fueran dos cubos ordinarios, con 12 aristas y 8 vértices cada uno Cada vértice es un CPU Cada arista es una conexión entre dos CPUs Se conectan los vértices correspondientes entre cada uno de los cubos Para un hipercubo de 5 dimensiones: Añadir dos hipercubos encima de el ejemplo Y conectar sus aristas correspondientes Así se podría construir uno n-dimensional 12

13 De esa manera el cableado aumenta su complejidad El paso de mensajes requiere múltiples saltos Existen varios equipos conectados por hipercubos Investigar en Las interconexiones más comunes y explicar su funcionamiento

14 27 4. CONCEPTOS DE SOFTWARE Sistemas operativos para: Multiprocesadores Multicomputadoras Los SO no se pueden clasificar tan fácil como el hardware Software débilmente acoplado: Compartición de recursos en una LAN Software fuertemente acoplado: Aplicaciones paralelas en un equipo multiprocesador Sistemas operativos: SO de red SO Distribuidos SO Multiprocesador (paralelo) 28 14

15 29 1. SO de red Software débilmente acoplado en hardware débilmente acoplado Ejemplo: Equipos en una LAN Cada estación: Tiene su propio SO La mayoría de los comandos se ejecutan en lo local Tiene autonomía Comandos para acceso remoto a otras estaciones. rlogin terminal rcp terminal1:archivo1 terminal2:archivo2 30 rlogin Se enlaza a la maquina remota, y los comandos ejecutados son sobre el equipo remoto, con resultados sobre el equipo local. (desarrollar una práctica de laboratorio para administración remota de terminales) rcp Copia archivos de una terminal a otra Requiere indicar explícitamente de donde a donde Alternativas (desarrollar una aplicación para la unidad II ): Sistema de archivos global compartido, en varios servidores de archivos. Sistema de archivos global compartido, con particiones en cada servidor, y montado de carpetas totales en cada cliente, para tener transparencia. 15

16 31 2. SO Distribuido Software fuertemente acoplado en hardware débilmente acoplado (multicomputadoras) Objetivo 1: Hacer creer que la red de computadoras es un sistema de tiempo compartido (imagen de único sistema) Objetivo 2: Que se ejecute en una colección de computadoras mediante una red, actuando como un uniprocesador virtual

17 Características de los SOD: Comunicación global entre los procesos Esquema de protección global Administración general de los procesos El sistema de archivos debe tener la misma apariencia y control, para todas las computadoras Sistema de llamadas a sistema genérico Cada kernel controla su memoria y demás recursos Calendarización local, sea con procesos locales o remotos SO Multiprocesador (con tiempo compartido, paralelo) Software y hardware fuertemente acoplados Sistema centralizado en sus CPUs Usan memoria compartida 34 17

18 35 Al terminar la ejecución de cualquiera de los procesos A, B o C, se debe tomar otro proceso para iniciar su ejecución (D o E) La calendarización debe ejecutarse con exclusión mutua para evitar que dos CPUs tomen el mismo proceso. El gasto administrativo es significativo, por lo que es conveniente dejar en espera activa unos milisegundos al ir a atender E/S, por si fuese breve. No es conveniente destinar un CPU para el kernel del SO (porque habría cuellos de botella) Tres formas distintas de organizar n CPUs Elemento SO de Red SO Distribuido SO Multiprocesador Se ve como un uniprocesador No Sí Sí virtual? Todos deben ejecutar el mismo No Sí Sí SO? Cuántas copias del SO existen? N N 1 36 Cómo se logra la comunicación? Archivos compartidos Mensajes Se requiere un acuerdo en los Sí Sí No protocolos de red? Existe una cola de ejecución? No No Sí Existe una semántica bien definida para los archivos compartidos? Por lo general, No Sí Memoria compartida Sí 18

19 37 5. ASPECTOS DE DISEÑO Son aspectos a considerar si se desea construir un SOD 1. Transparencia Consiste en engañar al usuario, hacer creer que es un sistema uniprocesador y local. Se podría que las llamadas a sistemas sean transparentes a los procesos? Difícil y no necesario El acceso a archivos remotos debe hacerse de manera similar a los archivos locales. NASBejattos\Ventas\facturación No \Ventas\facturación Sí Se debe tener transparencia en: Localización Migración Replica Concurrencia Paralelismo 38 19

20 A) Transparencia de localización Los usuarios no deben indicar su ubicación, para usar los recursos(hardware o software). CPUs, impresoras, archivos, BD, etc. Los nombre de los recursos no deben llevar implícita su localización. No se permiten nombres como: PC01:Programa.cpp /PC01/Programa.cpp 39 B) Transparencia de migración Los recursos pueden moverse de una posición a otra, sin tener que cambiar sus nombres o su manera de accesarlos. Ejemplo: El montado de directorios, no debe cambiar la manera de acceder a los recursos. La ruta: Trabajo/noticias No revela en que servidor esta ubicado Al menos mientras no se mueva noticias de su carpeta padre 40 20

21 41 C) Transparencia de replica Que el SO genere copias de recursos software sin que los usuarios lo noten. Ejemplo: Cada computadora debe tener toda la estructura de directorios, y solo albergar una parte del sistema de archivos Y deberá decidir que equipos deban tener replicas completas. Si un equipo no tiene la información solicitada, deberá propagar la solicitud al siguiente nodo. D) Transparencia de concurrencia Permite solucionar accesos por múltiples usuarios al mismo recurso, y al mismo tiempo. Cuando el usuario desea hacer cambios a algún dato, no debe percatarse que hay más usuarios accesando o por accesar al mismo recurso. El SO debe controlar los accesos Se puede limitar el acceso al recuso, una vez tomado por el primer usuario (bloquearlo y liberarlo)

22 43 E) Transparencia de paralelismo El SO debe darse cuenta cuando un usuario desea ejecutar una aplicación de misión critica, y existen varios CPUs sin carga de trabajo, para asignarle más CPUs. Si el programador requiere usar más de un CPU para su aplicación, no debería indicarlo al momento del desarrollo. Difícil de implementar Es el nivel de transparencia más difícil de implementar No siempre se requiere transparencia: A veces se desea un recurso cercano, aunque sea el más lento, ineficiente y tardado Impresora compartida 2. Flexibilidad Hay dos opciones: A) Kernel monolítico El típico de un sistema monoprocesador. Un kernel que contrala todo a través de llamadas a sistema y servicios remotos Tiene más rendimiento La familia Unix usan un kernel monolítico. SOD monolítico: Sprite 44 22

23 45 B) Micro kernel Es más flexible Kernel muy pequeño El kernel solo proporciona: Mecanismos de comunicación entre procesos Administración de la memoria Calendarización y administración de procesos a bajo nivel E/S de bajo nivel La mayoría de los servicios se implantan como servidores en modo usuario, todo por paso de mensajes. Es altamente modular Implantar, agregar o eliminar servicios es muy flexible. Se pueden tener mas de un servicio en distintos equipos SOD con microkernel: Amoeba Confiabilidad Si una computadora falla, otra se hará cargo del trabajo, mayor confiabilidad. Ejemplo: Con una PC Confiabilidad: 95% Probabilidad de fallo: 5%. Si tenemos 4 PCs Probabilidad de fallo: 0.05^4= Confiabilidad: 4 PCs: % 23

24 47 Confiabilidad: Disponibilidad Fracción de tiempo que se puede usar el sistema Se puede agregar redundancia en elementos críticos (hardware y software) Seguridad Los archivos y recursos deben estar fuera del alcance de accesos no autorizados Crítico en SD, suele haber suplantaciones. Tolerancia a fallas Se deben ocultar las fallas al usuario Ante una falla se debe reponer sin el menor daño posible Redundancia, replicas, fragmentación, tablas de control 4. Desempeño Los tres aspectos anteriores pierden relevancia, si tuviésemos un SD lento. Relevante: Tiempo de respuesta Rendimiento Uso del sistema Demanda de la capacidad de la red En general la comunicación se complica en los SD 48 24

25 Cálculos ligeros remotos, no vale la pena. Paralelismo de grano fino Muchos pero pequeños cálculos, con bastante comunicación entre procesos Paralelismos de grano grueso Grandes cálculos, bajas tasas de comunicación y pocos datos. Estos suelen tener mejor desempeño Escalabilidad La idea consiste en que los SD puedan manejar lo mismo 1000 computadoras(o CPUs) o cientos de miles, sin que esto conlleve cambios al SOD. Se trata de evitar: a) Componentes centralizados No son tolerantes a fallas b) Datos centralizados Saturación en la red y en el servidor Sitios web o servidores inaccesibles por exceso de consultas. 25

26 c) Algoritmos centralizados Control de ruteo y mensajes Algoritmos descentralizados brindan: Solo tienen una parte de la información del sistema Las decisiones se toman en base a la información local Tolerancia y recuperación ente fallas No afecta el control de tiempo (relojes) ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE Investigar en las interconexiones más comunes y explicar su funcionamiento. Jun 2011 Quadrics, SP Switch Jun 2012 Myrinet, Fat Tree Jun 2015 Gigabit Ethernet, 10 Gb, Infiniband Realizar una configuración en windows y linux, para que se puedan montar unidades de disco en ambos SO, y poder acceder a recursos compartidos 26

27 Realizar una configuración con las propias herramientas de administración de windows y linux, para acceder remotamente a cada sistema operativo y poder tomar el control de la otra computadora. 53 REFERENCIAS Sistemas Operativos Distribuidos TANENBAUM Prentice Hall 54 27