Sistemas operativos: una visión aplicada. Capítulo 10 Introducción a los sistemas distribuidos

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1 Sistemas operativos: una visión aplicada Capítulo 10 Introducción a los sistemas distribuidos

2 Contenido Sistemas distribuidos Sistemas operativos distribuidos Comunicación de procesos Sincronización de procesos Gestión de procesos Sistemas de archivos Gestión de memoria Sistemas operativos: una visión aplicada 1 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

3 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. Un sistema distribuido (SD) Modelo físico: conjunto de nodos (procesadores sin memoria ni reloj común) conectados por una red. Modelo lógico: conjunto de procesos que ejecutan concurrentemente 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. Sistemas operativos: una visión aplicada 2 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

4 Arquitectura de un sistema distribuido Red de interconexión Sistemas operativos: una visión aplicada 3 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

5 Redes e interconexión Paquete: tipo de mensaje que se intercambia entre dos dispositivos de comunicación. Tamaño limitado por el hardware Mensaje: objeto lógico que se intercambian entre dos o más procesos. Su tamaño puede ser bastante grande. Un mensaje se descompone en paquetes. Subsistema de comunicación: conjunto de componentes HW y SW que proporcionan servicios de comunicación en un sistema distribuido. Protocolo: conjunto de reglas e instrucciones que gobiernan el intercambio de paquetes y mensajes Sistemas operativos: una visión aplicada 4 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

6 Tipos de redes de computadores Redes de área local (LAN, Local Area Network) Redes que enlazan sistemas cercanos Posibilidad de difusión de mensajes (broadcast) Redes de área extensa (WAN, Wide Area Network) Poco ancho de banda ( Kbps) Bajas latencias Redes telefónicas, redes públicas de datos, fiabra óptica RDSI, B-RDSI, ATM Nuevos desarrollos en telecomunicaciones (ATM y RDSI) Diferencias entre LAN y WAN cada vez más borrosas Sistemas operativos: una visión aplicada 5 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

7 Ejemplos de protocolos Protocolos internet: Originados por el trabajo de DARPA en los 70 Muy utilizados en la actualidad Gran crecimiento durante los 90 debido al uso del Web Protocolos OSI (open system interconection) Estándar desarrollado por ISO Estándares propietarios SNA de IBM (años 70) DECnet desarrollado por DEC NetWare: red de Novell para redes de PC Sistemas operativos: una visión aplicada 6 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

8 Protocolos TCP/IP Emisor Receptor Sistemas operativos: una visión aplicada 7 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

9 Encaminamiento Permite que los paquetes viajen del proceso emisor al receptor. Algoritmo: Un programa de aplicación genera un paquete, o bien se lee un paquete de la interfaz de red. Si el paquete es para la máquina, se acepta. En caso contrario, se incrementa el contador de saltos, si se excede el máximo, el paquete se descarta. Si el paquete no es para la máquina se busca en la tabla de encaminamiento y se retransmite a la interfaz adecuada. Tablas estáticas, las más utilizadas Tablas dinámicas Sistemas operativos: una visión aplicada 8 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

11 Sistema operativo en red (SOR) Aplicaciones Lenguajes de programación Sistema operativo Hardware Aplicaciones Lenguajes de programación Sistema operativo Hardware Red de interconexión El usuario ve un conjunto de máquinas independientes No hay transparencia Se debe acceder de forma explícita a los recursos de otras máquinas Difíciles de utilizar para desarrollar aplicaciones distribuidas Sistemas operativos: una visión aplicada 10 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

12 Sistema operativo distribuido (SOD) Aplicaciones Lenguajes de programación Sistema operativo distribuido Hardware Hardware Red de interconexión Se comporta como un SO único (visión única) Distribución. Transparencia Se construyen normalmente como micronúcleos que ofrecen servicios básicos de comunicación Mach, Amoeba, Chorus. Todos los computadores deben ejecutar el mismo SOD Sistemas operativos: una visión aplicada 11 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

13 Middleware y entornos distribuidos Sistema operativo Hardware Aplicaciones Lenguajes de programación Middleware Sistema operativo Hardware Red de interconexión Servicios y protocolos estándarizados: 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. DCE, CORBA, DCOM, Legion, Globe, Globus Sistemas operativos: una visión aplicada 12 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

14 Servicios de un sistema operativo distribuido Servicios de comunicación Servicios de sincronización Gestión distribuida de procesos Sistemas de archivos distribuidos Memoria compartida distribuida Sistemas operativos: una visión aplicada 13 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

16 Comunicación cliente-sevidor Muy utilizada en entornos distribuidos (más del 90% de los sistemas distribuidos utilizan la arquitectura cliente-servidor) Máquina A petcición Máquina B cliente NÚCLEO respuesta servidor NÚCLEO RED Protocolo típico: petición-respuesta Sistemas operativos: una visión aplicada 15 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

17 Sockets Aparecieron en 1981 en UNIX BSD 4.2 Intento de incluir TCP/IP en UNIX Diseño independiente del protocolo de comunicación Un socket es punto final de comunicación (dirección IP y puerto) Abstracción que: Ofrece interfaz de acceso a los servicios de red en el nivel de transporte Protocolo TCP Protocolo UDP Representa un extremo de una comunicación bidireccional con una dirección asociada Sistemas operativos: una visión aplicada 16 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

18 Tipos de sockets Stream (SOCK_STREAM) Orientado a conexión Fiable, se asegura el orden de entrega de mensajes No mantiene separación entre mensajes Si PF_INET se corresponde con el protocolo TCP Datagrama (SOCK_DGRAM) Sin conexión No fiable, no se asegura el orden en la entrega Mantiene la separación entre mensajes Si PF_INET se corresponde con el protocolo UDP Raw (SOCK_RAW) Permite el acceso a los protocolos internos como IP Sistemas operativos: una visión aplicada 17 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

19 Ejemplo Programa que obtiene la dirección en formato decimal-punto a partir de un formato dominio-punto. void main(int argc, char **argv) { struct hostent *hp; struct in_addr in; } hp = gethostbyname(argv[1]); if (hp == NULL) { printf( Error en gethostbyname\n ); exit(0); } memcpy(&in.s_addr,*(hp->h_addr_list),sizeof(in.s_addr)); printf( %s es %s\n, hp->h_name, inet_ntoa(in)); Sistemas operativos: una visión aplicada 18 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

20 Escenario típico con sockets streams Proceso servidor Proceso cliente socket() bind() socket() listen() connect() Abrir conexión accept() Crear thread accept() write() Petición read() read() Respuesta write() close() close() Sistemas operativos: una visión aplicada 19 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

21 Ejemplo (TCP) Máquina A cliente NÚCLEO sumar(5,2) Restulado = 7 Máquina B servidor 5+2 NÚCLEO RED Sistemas operativos: una visión aplicada 20 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

22 Cliente (datagramas) bzero((char *)&client_addr, sizeof(client_addr)); client_addr.sin_family = AF_INET; client_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY; client_addr.sin_port = htons(0); bind (s, (struct sockaddr *)&client_addr, sizeof(client_addr)); num[0] = 2; num[1] = 5; sendto(s, (char *)num, 2 * sizeof(int), 0, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr)); recvfrom(s, (char *)&res, sizeof(int), 0, NULL, NULL); } printf("2 + 5 = %d\n", res); close(s); Sistemas operativos: una visión aplicada 21 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

23 Llamadas a procedimientos remotos (RPC) RPC (remote procedure call): llamadas a procedimiento remoto (Birrel y Nelson 1985) Híbrido entre llamadas a procedimientos y paso de mensajes Las RPC constituyen el núcleo de muchos sistemas distribuidos Llegaron a su culminación con DCE (Distributed Computing Environment) Han evolucionado hacia orientación a objetos Invocación de métodos remotos (CORBA, RMI) Sistemas operativos: una visión aplicada 22 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

24 Funcionamiento de las RPC El proceso que realiza la llamada empaqueta los argumentos en un mensaje, se los envía a otro proceso y espera el resultado El proceso que ejecuta el procedimiento extrae los argumentos del mensaje, realiza la llamada de forma local, obtiene el resultado y se lo envía de vuelta al proceso que realizó la llamada Objetivo: acercar la semántica de las llamadas a procedimiento convencional a un entorno distribuido (transparencia). Sistemas operativos: una visión aplicada 23 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

25 Llamadas y mensajes en una RPC SISTEMA CLIENTE CÓDIGO DE LA APLICACIÓN INICIO FIN LLAMADA LLAMADA = 7 suma(5,2) 1 RESGUARDO CLIENTE 2 PREPARA ENTRADA CONVIERTE SALIDA 7 SISTEMA SERVIDOR PROCEDIMIENTOS RESGUARDO SERVIDOR 6 5 EJECUTA PROCEDIMIENTO REMOTO CONVIERTE ENTRADA PREPARA SALIDA 4 3 Sistemas operativos: una visión aplicada 24 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

26 RPC: protocolo básico enlaza con el servidor prepara parámetros, envía petición Desempaqueta cliente servidor Se registra con un servicio de nombres recibe petición Ejecuta el procedimiento envía petición la respuesta Sistemas operativos: una visión aplicada 25 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

27 Aplanamiento SISTEMA CLIENTE CÓDIGO DE LA APLICACIÓN SISTEMA SERVIDOR PROCEDIMIENTOS Procedimiento( ABC, 123, 12.34) Procedimiento( ABC, 123, 12.34) aplanamiento RESGUARDO CLIENTE mensaje A B C Tira de bytes RESGUARDO SERVIDOR A B C Extrae los parámetros Sistemas operativos: una visión aplicada 26 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

28 Enlace dinámico (Binding) Enlace dinámico: permite localizar objetos con nombre en un sistema distribuido, en concreto, servidores que ejecutan las RPC. Tipos de enlace: Enlace no persistente: la conexión entre el cliente y el servidor se establece en cada RPC. Enlace persistente: la conexión se mantiene después de la primera RPC. Útil en aplicaciones con muchas RPC repetidas Problemas si lo servidores cambian de lugar Sistemas operativos: una visión aplicada 27 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

29 Establecimiento de la comunicación en una RPC Máquina A 1. Registrar procedimiento Máquina B Servidor de nombres 5. Dar de baja procedimiento servidor 3. Dirección del servidor 2. Buscar servidor Máquina C 4. Ejecutar procedimiento servidor Sistemas operativos: una visión aplicada 28 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

30 Programación con RPC DESARROLLO DE LA INTERFAZ FICHERO DE DEFINICIÓN DE INTERFAZ COMPILADOR IDL SUPLENTE EN CLIENTE CABECERA SUPLENTE EN SERVIDOR COMPILADOR C FICHEROS FUENTE DEL CLIENTE CABECERA CABECERA FICHEROS FUENTE DEL SERVIDOR COMPILADOR C COMPILADOR C COMPILADOR C OBJETO SUPLENTE EN CLIENTE FICHEROS OBJETO DEL CLIENTE BIBLIOT. RPC BIBLIOT. RPC FICHEROS OBJETO DEL SERVIDOR OBJETO SUPLENTE EN SERVIDOR MONTADOR MONTADOR DESARROLLO DEL CLIENTE EJECUTABLE DEL CLIENTE EJECUTABLE DEL SERVIDOR DESARROLLO DEL SERVIDOR Sistemas operativos: una visión aplicada 29 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

31 Ejemplos de paquetes de RPC RPC de Sun (1990) utilizado en NFS RPC del proyecto ANSA (1989) desarrollado por Architecture Project Management Ltd. (Cambridge, Inglaterra) RPC de DCE (1990), estándar desarrollado por Open Software Foundation Sistemas operativos: una visión aplicada 30 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

32 Ejemplo Máquina A cliente NÚCLEO sumar(5,2) Restulado = 7 Máquina B servidor 5+2 NÚCLEO RED Sistemas operativos: una visión aplicada 31 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

33 Esquema de la aplicación cliente.c suma_clnt.c Archivos para el cliente suma.x repcgen suma_xdr.c suma.h Archivos comunes suma_svc.c servidor.c Archivos para el servidor Sistemas operativos: una visión aplicada 32 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

35 Relojes lógicos En ausencia de un reloj global la relación causa-efecto (precede a) es la única posibilidad de ordenar eventos Relación de precedencia (Lamport) Si a y b son dos eventos del mismo proceso y a ocurrió antes que b, entonces a b Si a=send(m) y b=receive(m), entonces a b La relación es transitiva Dos eventos son concurrentes (a b) si no se puede deducir entre ellos una relación de causalidad potencial Sistemas operativos: una visión aplicada 34 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

36 Mantenimiento de los relojes lógicos Sistemas operativos: una visión aplicada 35 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

37 Relojes vectoriales Desarrollado independientemente por Fidge, Mattern y Schmuck Todo proceso lleva asociado un vector de enteros RV RV i [a] es el valor del reloj vectorial del proceso i cuando ejecuta el evento a. Mantenimiento de los relojes vectoriales Inicialmente RV i = 0 Cuando un proceso i genera un evento RV i [i ] = RV i [i ] +1 Todos los mensajes llevan el RV del envío Cuando un proceso j recibe un mensaje con RV RV j = max(rv j, RV ) (componente a componente) RV j [j ] = RV j [j ] +1 (evento de recepción) Sistemas operativos: una visión aplicada 36 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

38 Relojes vectoriales P0 (1,0,0) (2,1,0) (3,1,2) (4,1,2) (5,1,2) P1 (0,1,0) (1,2,3) (4,3,3) P2 (1,0,1) (1,0,2) (1,0,3) (1,0,4) (5,1,5) Sistemas operativos: una visión aplicada 37 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

39 Exclusión mutua distribuida Los procesos ejecutan el siguiente fragmento de código entrada() SECCIÓN CRÍTICA salida() Requisitos para resolver el problema de la sección crítica Exclusión mutua Progreso Espera acotada Algoritmos Algoritmo centralizado Algoritmo distribuido Anillo con testigo Sistemas operativos: una visión aplicada 38 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

40 Algoritmo centralizado Existe un proceso coordinador entrada OK entrada No hay respuespuesta (bloquea al cliente) salida OK C C C Sistemas operativos: una visión aplicada 39 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

41 Anillo con testigo Los procesos se ordenan conceptualmente como un anillo. Por el anillo circula un testigo. Cuando un proceso quiere entrar en la SC debe esperar a recoger el testigo Cuando sale de la SC envía el testigo al nuevo proceso del anillo 1 testigo Sistemas operativos: una visión aplicada 40 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

42 Algoritmo distribuido Algoritmo de Ricart y Agrawala requiere la existencia un orden total de todos los mensajes en el sistema Un proceso que quiere entrar en una sección crítica (SC) envía un mensaje a todos los procesos (y a él mismo) Cuando un proceso recibe un mensaje Si el receptor no está en la SC ni quiere entrar envía OK al emisor Si el receptor ya está en la SC no responde Si el receptor desea entrar, compara la marca de tiempo del mensaje. Si el mensaje tiene una marca menor envía OK. En caso contrario entra y no envía nada. Cuando un proceso recibe todos los mensajes puede entrar Sistemas operativos: una visión aplicada 41 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

44 Modelos de sistema Conjunto de estaciones de trabajo El sistema consta de estaciones de trabajo a las que tienen acceso los usuarios. Pool de procesadores Los usuarios con terminales. Los procesos se envían a procesadores de un pool. Modelo híbridos Trabajos interactivos en las estaciones de trabajo. Trabajos no interactivos en en el pool de procesadores. Sistemas operativos: una visión aplicada 43 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

45 Estrategias para localizar una estación inactiva Tengo poca carga. Podéis mandarme procesos Tengo mucha carga. Busco estación inactiva Nodo Nodo (a) (b) Sistemas operativos: una visión aplicada 44 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

46 Algoritmos de distribución de la carga Política de transferencia: determina cuando transferir. Política de selección: selecciona el proceso a transferir. Política de ubicación: selecciona el nodo al que transferir. Política de información: decide cuándo, desde dónde y qué información sobre otros nodos recoger. Sistemas operativos: una visión aplicada 45 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

47 Planificación de procesos Sistemas operativos: una visión aplicada 46 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

49 Sistema de archivos distribuido Objetivo principal: compartir datos entre usuarios ofreciendo transparencia Objetivos secundarios: rendimiento (debería ser comparable al de un sistema tradicional) tolerancia a fallos disponibilidad Sistemas operativos: una visión aplicada 48 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

50 Arquitectura Cliente... Cliente RED DE INTERCONEXIÓN Servidor... Servidor CTR CTR CTR CTR... Sistemas operativos: una visión aplicada 49 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

51 Tipos de servidores Servidores con estado Cuando se abre un fichero, el servidor almacena información y da al cliente un identificador único a utilizar en las posteriores llamadas Cuando se cierra un fichero se libera la información Servidores sin estado Cada petición es autocontenida (fichero y posición) Sistemas operativos: una visión aplicada 50 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

53 Uso de paginadores externos Nodo A Nodo B Paginador externo Espacio de direcciones del proceso Transferir página Fallos de página Núcleo Mensajes Núcleo Sistemas operativos: una visión aplicada 52 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

54 Memoria compartida distribuida Nodo A proceso Nodo B proceso Nodo C proceso Memoria física Memoria compartida distribuida Memoria física Memoria física Red de interconexión Sistemas operativos: una visión aplicada 53 J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez