Sistemas Operativos distribuidos que permitan cooperar y multiplicar la potencia del cálculo.

Transcripción

1 Unversidad Autónoma Metropolitana División de Ciencias Básicas e Ingeniería Sistemas Distribuidos 1

2 Los sistemas distribuidos surgen a partir de dos grandes avances tecnológicos en los 80 s Desarrollo de microprocesadores De una máquina de 10 millones de dólares que ejecuta una instrucción por minuto, se pasa a máquinas de 1000 dólares que ejecutan 10 millones de instrucciones por seg.. Invención de redes Posibilidad de conectar uno o más computadoras entre sí. Redes de comunicación: Permiten conectar decenas, centenas y todas las máquinas que se requieran (Internet). Sistemas Operativos distribuidos que permitan cooperar y multiplicar la potencia del cálculo. 2

3 La información se encuentra distribuida en todas partes del mundo. El gran logro ha sido poder acceder a ella desde cualquier lugar. 5 Infraestructuras Middleware (DCOM, CORBA, RMI) Proveen acceso transparente a los datos dando la ilusión de que existe un solo sistema. 3

4 Existen muchas organizaciones con docenas, o cientos de sistemas desarrollados por proveedores, cada uno con diferente: Arquitectura de cómputo Sistema operativo Plataforma de desarrollo Lenguaje de programación Manejo de protocolos de conectividad a red Base de datos Manejadores de bases de datos Formato de datos Nombramiento de datos Etc. Ciclos 1960s 1970s 1980s experiencia requerimientos experiencia requerimientos Ideas clave Tiempo Compartido Gráficas Computadoras como herramientas personales Estaciones de trabajo Cliente/Servidor Sistemas abiertos, escalables, tolerantes a fallas Redes Redes Locales MIT CTSS Cambridge TSS Instituciones Tenex, Unix pilares Sketchpad ARPANET Xerox Alto Lisp machine Apple II Smalltalk Aloha net Xerox Dorado Sun 1, Apollo Domain Xerox: DFS, Grapevine Berkeley Unix Newcastle Connection Cambridge DCS Ethernet, Cambridge Ring Sistema V - Stanford Sun NFS MIT: X-11, Argus CMU: Accent, Andrew Mach Amoeba Chrous 4

5 Conjunto de computadoras independientes que se presenta a los usuarios como un sistema único. Aspectos El hardware : máquinas autónomas, es decir, que puedan operar sin la supervisión de ninguna otra. El software : Debe conseguir que los usuarios del sistema lo vean como una máquina central convencional única Conjunto de entidades que se comunican entre ellos a través de mensajes, los cuales son enviados sobre vías de comunicación. Entidades: Procesos, computadoras, redes computadoras, dispositivos, procesadores etc.. 5

6 (1) Procesos reciben, manipulan, transforman y emiten datos (2) Vías de comunicación medio sobre el cual circulan los datos y que forman una red local dotado de propiedades estructurales y dinámicas. - Término introducido por Dijkstra en 1968 para modelar las relaciones entre diferentes unidades de ejecución independientes que deben compartir recursos comunes, (materiales y lógicos) - En sistemas distribuidos, unidad de ejecución elemental de un algoritmo distribuido o paralelo; diversas de esas unidades pueden ejecutarse simultáneamente, y cada una es indivisible. - Se consideran procesos secuenciales, (i.e. presentan un flujo de p,( p j control único). - Sensibles al paralelismo de su ambiente 6

7 Medio a través del cual viajan los mensajes Sistema distribuido: vías de comunicación virtuales Propiedades: 1. Propiedades d estructurales t 2. Propiedades comportamentales Son de naturaleza topológica Se refiere a las mallas de comunicación Toda topología es posible según el problema tratado y el algoritmo distribuido que lo resuelve. Estructuras más comunes: 1. Anillo 2. Estrella 3. Árbol 4. Completo 7

8 Comportamiento de las vías de comunicación. 1. La transmisión se hace sin duplicación de mensajes 2. La transmisión se realiza sin alteración de mensajes 3. Entre dos procesos el orden de recepción de mensajes es idéntico a su orden de emisión: no hay desplazamientos 4. Tiempo espera de un mensaje es finito, (aunque aleatorio), (no hay perdida de mensajes). 5. Tiempo atención limitado => existe una cota superior si no hay perdida de mensaje mensaje fue recibido en caso contrario mensaje recibido o perdido Uso de un sistema de comunicación. A i d i ú Ausencia de memoria común. Sincronización del trabajo. Ausencia de un estado global perceptible por un observador. Comunicación a través de mensajes. 8

9 Sistema distribuido que puede seguir funcionando, (tal vez con un menor desempeño), a pesar de que uno de sus componentes no este funcionando (sistemas robustos). Redundancia de hardware Recuperación de software Datos transmitidos a través de vías de comunicación Posibilidad de pérdida y modificación de datos (Capacidades de recuperación de datos) 9

10 Falla en una sola computadora multiusuario da como resultado la no disponibilidad del sistema para todos sus usuarios. Cuando uno de los componentes falla en un sistema distribuido solo el trabajo que estaba usando el componente es afectado. Un usuario puede moverse a otra estación si la que usa falla, o un servidor puede reinicializarse en otra computadora. Sistemas abiertos distribuidos proporcionan un mecanismo de comunicación de procesos uniforme y publican interfaces para el acceso a recursos compartidos. Pueden ser construidos a partir de software y hardware heterogeneo. 10

11 Varios procesos se encuentran sobre una sola computadora. Ejecución intercalada en el caso de un solo procesador y simultanea si existen n procesadores. Ejecución paralela l posible debido a: Varios usuarios invocan comandos o interactuan con programas de aplicación. Varios procesos servidores se corren concurrentemente. Sistemas distribuidos deben operar efectiva y eficientemente en diferentes escalas. Sistema distribuido práctico más chico: dos estaciones y un servidor de archivos. Sistemas distribuidos grandes 11

12 Relativamente fácil y económico poner en conjunto sistemas compuestos de un gran número de procesadores, (CPUs), conectados en red. Dos entidades trabajan más rápido que una sola. Necesidad de sincronizar los trabajos de cada componente Limitaciones geográficas Seguridad (En un sistema centralizado existe un único punto de fallo) Aumento constante de Potencia de cómputo Si la potencia del sistema llega a ser insuficiente se debe evaluar entre adquirir un nuevo equipo MainFrame vs adquirir computadoras personales. 12

13 Tolerancia a fallas. Transparencia a la ocurrencia (El usuario no debe notar otros usuarios en el sistema). Transparencia al paralelismo (Asignar los procesadores a las actividades del programa sin el concurso del programador). Fiabilidad (Fiabilidad global del sistema). Escalabilidad (Habilitar crecimiento de acuerdo a la demanda) acuerdo a la demanda). Evitar Hw centralizado Evitar Sw centralizado Ninguna máquina debe tener toda la información de todo el sistema No existe un reloj común 13

14 Naming Comunicación Estructura software Asignación de carga Consistencia 27 Nombramiento de los diferentes recursos Nombres deben de tener significados globales Involucra las siguientes consideraciones: La elección del tamaño del nombre para cada tipo de recurso, (puede ser finito o potencialmente infinitio) Nombres deben de ser mapeados por identificadores ifi d de comunicación ió Un nombre depende de su contexto, por lo que para resolver un nombre es necesario el nombre y un contexto 28 14

15 Componentes separados lógica y físicamente, por lo que necesitan comunicarse entre ellos para interactuar Comunicación involucra las operaciones siguientes: la transferencia de datos la sincronización de la recepción con la emisión Dos enfoques en sistemas distribuidos: paso de mensajes llamado de procedimiento remoto Existen dos modelos: modelo de comunicación par a par modelo de comunicación grupal 29 Sistemas centralizados son monolíticos: conjunto abstracciones que se ofrece a las aplicaciones i estan reunidas en una sola interfaz Sistemas distribuidos programas aplicación pueden accesar diferentes servicios, en el cual cada uno cuenta con su propia interfaz para accesar recursos Principales niveles aplicaciones soporte de lenguaje de programación sistema operativo hardware 30 15

16 Dado un proceso, en donde se va a ejecutar Modelo simple la capacidad de memoria y el desempeño de un procesador de una estación determina el tamaño máximo de tarea que se puede ejecutar Modelos modelo de servidor de estación modelo de piscina de procesadores modelo de la estación de trabajo modelo de memoria compartida distribuida 31 Diferentes procesos accesan y actualizan datos concurrentemente Los cambios no son instantaneos Un cierto conjunto de cambios debe de aparecer igual a todos los otros procesos que integran el sistema distribuido. Tipos consistencia: consistencia de actualización consistencia de replica consistencia i de caché consistencia de fallas consistencia de reloj consistencia de interfaz de usuario 32 16

17 Definición: abstracción lógica de un sistema distribuido, se habla de un conjunto de procesos y de líneas de comunicación virtuales Se habla de algoritmos concurrentes ejecutados en diferentes procesadores, Originalmente los algoritmos eran diseñados para ejecutarse procesadores distribuidos en un área grande Hoy en día incluye algoritmos usados en redes de área local y multiprocesadores que comparten memoria 33 Método de comunicación entre procesos Método de comunicación entre procesos memoria compartida mensajes punto a punto y/o broadcast ejecución de procesos remotos (RPC) El modelo del tiempo completamente síncronos completamente asíncronos parcialmente síncronos 17

18 El modelo de fallas sistema completamente fiable sistema tolera algunas fallas fallas bizantinas Los problemas a los que están dirigidos problemas de aplicación problemas de control Son los algoritmos que definen una aplicación Representan la interfaz final entre los usuarios y el sistema distribuido Se apoyan en arquitecturas de software como: CORBA: Common Object Request Broker Architecture COM: Component Object Model EJB: Enterprise JavaBeans 36 18

19 Están por abajo de las aplicaciones Proporcionan dos tipos de servicios Proveedor de primitivas exclusión mutua envío/recepción mensajes control de concurrencia administración de archivos Observadores de propiedades interbloqueo terminación de la ejecución recolectores de basura 37 A A A A A 1 A 2... A i... A n CTL 1 CTL 2... CTL i... CTL n Medio de soporte de comunicaciones CTL i : control de la i-ésima aplicación A i : aplicación 38 19

20 Desconocimiento del número de procesos Desconocimiento de la topología de la red Entradas independientes en sitios diferentes Varias programas ejecutandose al mismo tiempo, empezando en tiempos diferentes y operando a diferentes velocidades No determinismo en el procesador (processor nondeterminism) Tiempos entrega de mensajes diferentes Orden entrega de mensajes desconocido Fallas en la comunicación y en los procesos Redes de computadoras Computadoras multiprocesadores Procesos cooperantes Celdas de manufactura Redes inalámbricas - computación móvil 20

21 Confiabilidad del intercambio de datos Selección de rutas de comunicación Control de tráfico Prevención de cuellos de botella Seguridad d Broadcasting y sincronización Elección Detección de terminación Asignación de recursos Exclusión mutua Deadlock Mantenimiento archivos distribuidos d 21

22 Computadora que consiste de diferentes procesadores generalmente ubicados dentro de un mismo espacio físico Procesadores homogéneos Pequeña escala geográfica Objetivo principal: mejorar la velocidad del cálculo Implementación sistema envío de mensajes Implementación memoria virtual compartida Balance de carga Tolerancia a fallas 22

23 Procesos que interactuan para la solución de un determinado problema, o para proporcionar un servicio Comparten memoria en común Trabajan sobre el mismo procesador Ejemplo: sistemas operativos, (daemons) Exclusión mutua Deadlocks Sincronización Intercambio de información Asignación recursos 23

24 Robots conectados entre ellos a través de un medio de comunicación, cada uno desarrollando una actividad en particular, con un objetivo global en común - ensamblaje - control de un determinado sistema Wireless Local Area Networks o WLAN s. Ausencia de cables como medio de comunicación. Envío/recepción de ondas electromagnéticas que viajan del emisor al receptor a través del espacio. Computadoras desatadas (untethered o tetherless computer). Computadoras y aplicaciones móviles. Computadoras nómadas. 24

25 Ruteo Pagging Información de la ubicación de la unidad móvil (almacenamiento y actualización) Consistencia Seguridad Transferencias de llamadas Qué distribuir? Datos Control 25

26 La distribución puede tomar diversas formas: Duplicación Particionamiento Existe duplicación de un dato x, si este se encuentra duplicado en n ejemplares x 1, x 2... x n, donde 1,2,... n son los identificadores de los sitios que participan en el algoritmo distribuido. A l h i d l i d Asegurar la coherencia mutua de las copias a todo instante las copias físicas x i tengan el mismo valor x x 1 = x 2 =... x i... x n = x 26

27 Pierre 500 Sam 700 Juan 900 x2 Pierre 500 Sam 700 Juan 900 x1 Pierre 500 Sam 700 Juan 900 x3 Hablamos de particionamiento de datos cuando, estando accesibles desde todos los sitios, los datos son particionados de tal forma que cada una de las particiones se encuentra sobre un sitio dado Para obtener la totalidad de la información se tiene que consultar a todo el mundo I = (x1 + x xi... + xn) 27

28 Pierre 500 Sam 500 x1 x2 Juan 900 x3 No existe una jerarquía estática No hay un proceso líder que en permanencia asegure el control Puede ser necesario un algoritmo de asignación de funciones Muy a menudo depende del problema que se intenta resolver 28