Sistemas Distribuidos -Arquitecturas

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1 Sistemas Distribuidos -Arquitecturas M.C. Fernando Pech May Instituto Tecnológico Superior de los Ríos Materia: Sistemas Distribuidos Curso de verano, 2011 Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

2 Tabla de contenido 1 Introducción 2 3 Arquitectura Cliente-servidor Interfaces y objetos 4 Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

3 Los SD son los sistemas de software más complejos Nortel Networks crea switches los cuales pueden contener entre millones de ĺıneas de código, interviniendo 3000 desarrolladores de software, y con un ciclo de vida de 20 años para actualizar. En Motorola, el 20% de sus ingenieros producen hardware, 80% produce software. En este tipo de software hay materia para toda clase de problemas de ingeniería de software. Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

4 Investigación de arquitectura de software para tratar los retos de diseño... Incluye la organización de un sistema como la composición de componentes; control global de estructuras; los protocolos para comunicación, sincronización, y acceso a datos; la asignación de funcionalidad para diseñar elementos; la composición de diseño de elementos; distribución física; escalamiento y desempeño; dimensiones de evolución; y selección de alternativas de diseño. Este es el nivel de diseño arquitectura de software. [Garlan y Shaw] Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

5 Algunos paradigmas de arquitecturas pertinentes para SD Capas Cliente-Servidor Idea básica Desmembrar la complejidad de sistemas mediante el diseño en capas y servicios Capas: grupo de funcionalidades fuertemente relacionadas y altamente coherentes Servicios: funcionalidades proporcionadas a capas superiores Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

6 Ejemplos de arquitecturas en capas Sistemas operativos (kernel, otros servicios), históricamente: los sistemas operativos Arquitecturas de protocolos de red Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

7 Estructura típica en capas de un SD Componentes Importantes: Plataforma (Hardware y Sistema operativo) Middleware Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

8 Plataforma Introducción Contiene los servicios propios de cada computadora concreta Depende del hardware y del S.O. Windows NT / Procesador Pentium Solaris / Procesador SPARC Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

9 Middleware Introducción Logra trasparencia en la heterogeneidad en el nivel de plataforma Puede dar un modelo y una interfaz de programación utilizable Puede soportar abstracciones como: Llamadas a procedimientos remotos (RPC) Comunicación en grupo Eventos, replicación, servicios multimedia, etc... Ejemplos CORBA (OMG), DCOM (Microsoft) RM-ODP (ITU-T/ISO) Invocacin de Métodos Remotos Java (SUN) Servicios Web Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

10 Middleware Introducción Qué forma tiene el middleware? Bibliotecas adicionales: Procedimientos remotos (RPC) Objetos remotos (RMI, CORBA) Herramientas de programación Lenguajes de definicin de interfaces (IDL) + Compiladores para ellos Servicios básicos de ayuda servicios de nombres, para buscar objetos de notificacin de eventos, De control de transacciones, etc. Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

11 Middleware Introducción Qué limitaciones impone? Se incrementa la complejidad arquitectónica: Hay más niveles Hay que aprender más herramientas Se pierde el control de bajo nivel sobre los modos de fallo Se depende de terceras partes,... Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

12 Arquitectura Cliente-servidor Interfaces y objetos Modelo Cliente-Servidor Múltiples servidores Procesos de Igual a Igual Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

13 Arquitectura Cliente-servidor Interfaces y objetos Cliente: el proceso requiere acceder datos, utilizar recursos o ejecutar operaciones en una computadora diferente Servidor: Proceso maneja datos y otros recursos compartidos, permite al cliente acceder a recursos y ejecutar cómputos Interacción: invocacin / par de mensajes resultantes Ejemplo: Servidor http: cliente (navegador) pgina solicitada, servidor entrega página Servicios de caching (servidores proxy) Muy habitual (DNS, Web, ftp, telnet,...) Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

14 Variantes Introducción Arquitectura Cliente-servidor Interfaces y objetos Servicios proporcionados por múltiples servidores Ejemplos: muchos servicios de comercio Web están implementados en diferentes servidores Motivación (Desempeño, confiabilidad) Los servidores mantienen bases de datos replicadas o distribuidas Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

15 Variantes Introducción Arquitectura Cliente-servidor Interfaces y objetos Servidores proxy: suministrar replicación/distribución trasparente Caching Los servidores proxy mantienen caches, como almacenes de recursos solicitados recientemente Utilizados frecuentemente en motores de búsqueda: Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

16 Variantes Introducción Arquitectura Cliente-servidor Interfaces y objetos Más variantes de modelo Cliente- Servidor Código Móvil Código enviado a un proceso cliente para realizar una tarea específica Ejemplos Applets Mensajes Activos(contiene código de protocolo de comunicación) Agentes móviles Programa ejecutado (código + datos), migración entre procesos, realizando una tarea autónoma, frecuentemente en representación de otro proceso ventajas: flexibilidad, ahorro en costo de comunicación Merados virtuales, programas gusano Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

17 Variantes Introducción Arquitectura Cliente-servidor Interfaces y objetos Clientes delgados Ejecutar interfaces de ventanas localmente mientras la aplicación se ejecuta en el servidor ejemplo: servidores X11 (corren del lado de la aplicación cliente) Dispositivos portátiles para cómputo móvil personal digital assistants (PDAs) Como se conectan a internet wireless LANs/ MANs wireless Personal Area Networks Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

18 Arquitectura Cliente-servidor Interfaces y objetos Variantes -Gestión espontánea de red Características W-LAN se enfrentan a constantes cambios de dispositivos móviles heterogéneos Dispositivos vagando en ambientes W-LAN heterogéneos Beneficios no se requiere conexión con cable Fácil acceso a servicios disponibles localmente Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

19 Arquitectura Cliente-servidor Interfaces y objetos Variantes -Gestión espontánea de red Retos Soporte para conexiones convenientes e integración: Internet asume dispositivos con dirección IP en redes fijas Posible solución: asignación dinámica de direcciones IP Problemas: como encontrar dispositivos si estos son servidores Conexión intermitente de dispositivos Privacidad Seguridad Descubrimiento de servicios Servicios disponibles en la red Sus propiedades, y como accederlos (incluyendo información específica de drivers) Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

20 Arquitectura Cliente-servidor Interfaces y objetos Variantes -Gestión espontánea de red Conexión espontánea Metropolitana (GPRS, UTMS) Media (x0 o x00 m) (Wavelan, Wireless b) Corta (x o x0 m) (BlueTooth, infrarojos, HomeRF) Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

21 Variantes Introducción Arquitectura Cliente-servidor Interfaces y objetos Procesos pares Cuando los roles entre procesos son de igual a igual (peer-to-peer) Ejemplo: Cooperación y coordinación Algoritmos descentralizados (coordinación de agendas, trabajo colaborativo,...) Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

22 Arquitectura Cliente-servidor Interfaces y objetos Interfaz de un proceso Utilizar arquitecturas cliente-servidor impacta en el uso del software cuál es el mecanismos de sincronización entre cliente y servidor? tipos permitidos de solicitudes/respuestas? Conjunto de peticiones a que responde Estilos Mediante interfaces de módulos módulos Mediante la interfaz de los objetos en OOP Soportado de modo natural para SD en: JAVA RMI, CORBA Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

23 Arquitectura Cliente-servidor Interfaces y objetos Los procesos contienen objetos cuyos métodos podemos invocar de modo remoto Es deseable que las referencias a los objetos remotos se usen de modo transparente (como las locales) No podemos hablar exclusivamente de procesos cliente y procesos servidor, sino de objetos cliente y objetos servidor Retos de diseño Calidad de servicio Desempeño (Tiempo de respuesta, caudal, puntualidad) Confiabilidad Adaptabilidad Dependencia Tolerancia a fallas: se espera que el sistema siga funcionando correctamente a pesar de presentarse fallas Seguridad Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

24 Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad Sistema Distribuido Procesos múltiples Conectados mediante canales de comunicación Algoritmo distribuido Pasos a realizar por cada proceso Comunicación entre procesos (sincronización, flujo de información) Paradigmas generales para captar aspectos de comportamiento de un sistema distribuido basado en mensajes, algoritmos de ejecución Comunicando máquinas de estado finito extendidas [Brand y Zafiropoulo] Autómatas de E/S [Lynch] Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

25 Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad Modelo: contiene los elementos esenciales para comprender y razonar sobre el sistema Manifiesta las premisas del sistema Generaliza sobre lo que es posible o no. Principales modelos De interacción De fallo De seguridad Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

26 Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad La forma en que se produce el paso de mensajes entre los procesos restringe los modos de interacción Retrasos, precisión, y tiempo Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

27 Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad Problemas presentados en las prestaciones del canal latencia: retardo entre el envío y recepción del mensaje Tiempo de acceso a la red (ej., retardos de transmisión Ethernet) Tiempo para que el primer bit viaje desde la interfaz de la red transmisora hasta la interfaz de red receptora Tiempo procesado dentro del proceso de envío y recepción caudal: número de unidades (ej., paquetes) entregadas por unidad de tiempo Ancho de banda: cantidad de información (ej., bits) transmitida por unidad de tiempo Variación de retardo: variación en retardos entre diferentes mensajes del mismo tipo (ej., cuadros de video en redes ATM) Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

28 Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad En virtud del modelo de comunicación aparecen dos familias de sistemas: Sistemas distribuidos síncronos el tiempo para ejecutar cada paso de un proceso tiene establecidos limites inferiores y superiores los tiempo de entrega de mensajes tienen limites establecidos cada proceso tiene un reloj que deriva rangos en tiempo real con limites establecidos Sistemas distribuidos asíncronos: sin ĺımite Tiempos de ejecución de procesos Tiempo de entrega de mensajes Tasa de movimiento del reloj Nota los sistemas distribuidos síncronos son fáciles de manejar, pero determinar limites realistas puede ser difícil o imposible Los sistemas asíncronos son más abstractos y genéricos: un algoritmo distribuido ejecutado en un sistema es probable que también trabaje en otro Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

29 Tiempo y sincronicidad Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad Consecuencia básica de la asincronicidad en un sistema asíncrono los eventos pueden observarse desordenados con respecto a su generación Ejemplo El usuario X envía un mensaje con el tema Reunión. Los usuarios Y y Z responden con un mensaje con el tema Re: Reunión. Si rompe la relación de causalidad Si los relojes de X, Y y Z pudieran sincronizarse, podramos observar la secuencia ordenada. Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

30 Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

31 Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad Posibilidad en sistemas asínconos: Relojes lógicos: Proporcionan enteros consecutivos que permiten ordenar eventos marcados por un timestamp, con la relación de orden ocurrió antes(s 1,S 2 ). X envía m 1 antes de que Y reciba m 1 T(envía(X,m 1 )) < T(recibe(Y,m 1 )) ocurrió antes(envía(x,m 1 ), recibe(y,m 1 )) Y recibe m 1 antes de enviar m 2 T(recibe(Y,m 1 )) < T(envía(Y,m 2 )) ocurrió antes(recibe(y,m 1 ), envía(y,m 2 )) Luego por transitividad T(envía(Y,m 2 )) < T(recibe(X,m 2 )) ocurrió antes(envía(x,m 1 ), envía(y,m 2 )) X envía m 1 antes de que Y envíe m 2 Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

32 Modelo de fallo Introducción Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad Fallo por omisión (del proceso o del canal) Fallas por omisión de proceso: caída de proceso detección con timeouts la caída es del tipo fail-stop si otro proceso puede detectar con certeza que el proceso ha caído Fallas por omisión de comunicación (canal): el mensaje no ha sido entregado (pérdida de mensajes) Posibles causas: error de trasmisión de red Sobrecarga de buffer de recepción de mensajes Fallas arbitrarias proceso: omite pasos esperados del proceso o lleva a cabo no deseados Canal de comunicación: ej., sin entrega, corrupción o duplicidad Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

33 Tipos de fallos Introducción Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

34 Modelo de seguridad Introducción Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad Las técnicas de seguridad permiten la comprobación de fallos y la minimización de su posible aparición: Comunicación Fiable Validez de la comunicación: cualquier mensaje enviado() será escuchado. Integridad de la comunicación: Cualquier mensaje recibido() es correcto y respeta la secuencialidad. Amenazas: Duplicación de mensajes, desorden, corrupción del mensaje, revelación, (y sigue...) Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

35 Amenaza a los Procesos Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad Acceso indebido a los recursos Ataque a la integridad del proceso Suplantación de los principales interlocutores Falsificación de servicios Falsificación de peticiones Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

36 Amenaza a los canales Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad Acceso indebido al canal Captura de mensajes Reenvío de mensajes Eliminación de mensajes Modificación de mensajes y de código móvil Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

37 Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad Amenaza a la disponibilidad del servicio Ataque a la integridad de los servicios Ataque de denegación de servicio Seguridad de... Las interacciones en procesos y canales Las acciones de acceso a objetos (derechos) Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

38 Técnicas Introducción Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad Criptografía (de clave secreta y de clave pública) Encriptación para preservar la privacidad Firmas para preservar la autenticidad Autenticación para preservar la identidad Contrato digital para preservar la legalidad Ejemplos de servicios seguros Correo electrónico seguro Pagos seguros por Internet Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

39 Técnicas Introducción Modelo de Interacción Modelo de fallo Modelo de Seguridad Técnicas sobre derechos de acceso Control de acceso a los recursos Control de acceso a los servicios Técnicas de filtrado y seguridad de tráfico en redes Mecanismos de confianza por dominios Protección pasiva (cortafuegos) Tunelización... Fernando Pech May Sistemas Distribuidos -Arquitecturas Curso de verano, /39

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