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Introdução aosSistemas Distribuídos
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Tópicos
Sistemas Distribuídos•–––
conceitoscaracterísticasexemplos
• Conceitos de Hardware– multiprocessadores– multicomputadores
SO de rede e SO distribuídoDesafios de Sistemas Distribuídos
••
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Sistemas Distribuídos - definição
• Uma coleção de computadores independentes queaparece a seus usuários como um sistema coerente único [TANEMBAUM]
• Sistemasexecutam
eem
aplicações em geral cujas peçasmúltiplos computadores autônomos
interligados por uma rede de comunicação
• É um sistema emem uma rede de
que os componentes se localizamcomputadores e coordenam suas
ações através de passagem de mensagens[COULOURIS]
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Evolução Histórica – décadas
••
•
5060
70
= uso exclusivo - monousuário - alto custo
= processamento em lote (em batch)
= multiusuário - compartilhamento damáquinadas redes
(técnica - time sharing). Surgimento
••
•
80 = computação pessoal e S.D90 = computação pessoal, S.D. e Internet
2000 = computação ubíqua (ou pervasivecomputing)
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Motivação ou o contexto paraSistemas Distribuídos
Compartilhamento de recursos (principal motivação)
•– ex.: discos, memória, impressoras, processador,
entidades definidas por software: arquivos, bases dedados, objetos
Recursos podem ser gerenciados por servidorese acessados por clientes
•
• Recursos podem ser encapsulados comoobjetos e acessados por outros objetos
• A Web é um exemplo de compartilhamento derecursos
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Evolução em RedesMbits/s
10000 10 Gbits/s
1000ATM Gigabit Ethernet
100 T. Ring Fast EthernetFDDI
10 EthernetISDN Frame Relay286
1X.25
1982 20021992 19971987 2007
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Downsizing
$
$ REDE
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Vantagens de Sistemas Distribuídossobre Sistemas Centralizados
••
Melhor relação custo/benefício
Capacidade de processamento além dos limitespráticos de Sistemas CentralizadosMaior domínio de aplicações
Maior confiabilidade e disponibilidade••
• Crescimentoprocessamentogradativamente:
gradativo dasistema
capacidade de- O pode
hardwarecrescerpodemnovos software e
ser instalados gradativamente
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Características – vantagens sobreSistemas Centralizados
• Compartilhamento de recursos. Servidores dearquivos, impressoras, correio eletrônico, nomes, etc
• Disponibilidade. Falha de um elemento não interrompe a operação do sistema global
• Mobilidade dos usuários. Dependendo do modelousado, usuários ficam livres para acessar o sistema dediversos pontos
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Desvantagens de SD sobre osSistemas Centralizados
Gerenciamento. Dependendo do modelo usado,•cada usuárioDificuldade
pode necessitar ser um gerente
• em determinar a ordem deocorrência de eventos e computar estado globalManutenção / evolução do software•
• Segurança. Dados disponíveis na rede eusuários com diferentes níveis de acesso
cria• Conjunto de componentes umacomplexidade razoavelmente grande
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Sistemas Distribuídos - exemplos
• Uma rede de estações de trabalho emuma universidade ou companhia
• Uma rede de computadores em umafábrica - Intranets (uma Internetgerenciada por uma organização)
• Um grande banco com muitas agências,cada qual com um computadores e caixasautomáticas
Sistema de reserva de passagens aéreas•
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Sistemas Distribuídos - exemplos
Sistema de controle de estoque, vendas e entregas numa cadeia de lojasServiços da Internet: WWW
•
•• Sistemas de acesso a recursos de
multimídia e de conferênciaComputação Móvel e Ubíqua•
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Internet
intranet %%
ISP%
%
backbone
satellite link
desktop computer:
server:
network link:
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Intranet
Desktop computers
email server
print and other servers
Local areanetworkWeb
server
email server print
File server
other servers
the rest ofthe Internet
router/firewall
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Computação Pervasiva 1/5
Internet
WAPgateway
Host intranet Home intranetWireless LAN
Mobilephone
Printer LaptopHost siteCamera
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Computação Pervasiva 2/5
• Avanços tecnológicos na miniatuarização dedispositivos e redes sem fio têm conduzido auma crescente integração de pequenos eportáveiscomo:
dispositivos de computação, tais
––
computadores laptop;dispositivos handheld:
•••••
personal digital assistantstelefones móveis pagerscâmeras de vídeo câmeras digitais
(PDA)
– sensores e RFIDs
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Computação Pervasiva 3/5
– wearable devices no corpo),(dispositivos posicionados
tais como relógios inteligentes, detector demovimentosembedded devices– (dispositivos embarcados), tais
oucomo em aparelhos eletrodomésticosautomóveisportabilidade• A junto com a habilidade
pararedes
se conectar convenientemente aem diferentes lugares, torna
possível a Computação Móvel
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Computação Pervasiva 4/5
• Computação Ubíqua (ubiquitous computing,pervasive computing), é voltadaque pequenos dispositivos de
para sugerircomputação“pervasivos”eventualmente
(impregnantes)tornam-se
em todos os objetos, quesão raramente notadosUsuários da computação móvel podem se•beneficiarlugar
de computadores em qualquer
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Computação Pervasiva 5/5
• Computação móvel e pervasiva trazemquestões significantes
• Uma arquitetura para computação móvel,proporciona questões:– como suportar a descoberta de recursos em um
ambiente– eliminar a necessidade para usuários reconfigurarem
seus dispositivos a medida que se movemauxiliar usuários a arcar com conectividade limitadaquando eles viajam
prover privacidade e outras garantias de segurança a usuários e a ambientes que eles visitam
–
–
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SO – conceitos em relação à rede
• SO de rede (SOR)– cada máquina executa o seu próprio sistema
operacionalex: Windows, Mac OS e UNIXtem o recurso de interligação em rede incorporado
––
Ex.: Ferramentas para login remoto e cópia de arquivosentre estações, servidores de arquivos e ferramentas para causar aparência de arquivo local
– não escalona processos nos outros nós
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SO – conceitos em relação à rede
• SO distribuído (SOD)––
única imagem do sistemaA rede toda tem aparência de ser um único sistema de tempo compartilhadoMecanismo global para comunicação entre processos
Dispara novos processos de forma transparente, no nó mais conveniente, de acordo com sua política de escalonamentoGerenciamento de processos homogêneoSistema de arquivos homogêneo
–
––– ex: Amoeba (Vridge University); MACH; CHORUS;
ANDREW (Carnegie Mellon University)
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SO – conceitos em relação à rede
• Qual a tendência em adotar SO de redeou SO distribuídos?
• Usuários preferem ter autonomia– escolha de seus programas favoritos– execução independente dos demais
• SO de redeos
e soluções dede
middlewaresistemastrazem benefícios
distribuídos
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Sistema Distribuído Organizadocomo Middleware
Middleware ou mediador, na computaçãodistribuída, é um programa de computador
qua faz emediação entre software e demais aplicações.
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Arquitetura paralelas
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Arquitetura paralelas
••
•
•
•
SISDSIMD
MISD
MIMD
UMA
Single Instruction Single DataSingle Instruction Multiple DataMultiple InstructionMultiple Instruction
Single DataMultiple Data
Uniforme Memory Access - Tempo deAcesso Uniforme a MemóriaCache Only Memory Access• COMA - Tempo de
CacheAcesso a Memória somente pela memória
• NUMA NonUniforme Memory Access - AcessoNão Uniforme a Memória
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Arquitetura paralelas
• CC-NUMA Cache Coerency NUMA - Protocolo demanutenção de Coerência de Cache NUMA
• NC-NUMA Non Cache NUMA - Sem Cache NUMA
• MPP NonUniforme Memory Access - AcessoUniforme a Memória
• COW/NOW Cluster Of Workstations ou NetworkOf Workstations
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Considerando a existência devários processadores, tem-se:
Multiprocessador:•– compartilhamento de recursos físicos, tal como
memória principal, disco e relógio, tightly-coupled
Multicomputador:•– computadores com seu hardware básico
independente, closely-coupled
backplane, rede de comunicação ex.: agregados de computadores
––
de alta velocidade(clusters, PAD)
• Sistema distribuído:– atrasos de comunicação (rede) significativos e
incertos, loosely-coupled (ou weakly-coupled)
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Máquinas SIMD - Single Instruction MultipleData
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Máquinas MIMD - Multiple Instruction Multiple Data
Multiprocessadores
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Multicomputadores
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1.6
Conceitos de Hardware
Diferentes organizações e memórias em sistemas de computaçãodistribuída
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1.7
Multiprocessadores
Um multiprocessador baseado em barramento•
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1.8
Multiprocessadores
Um chaveamento crossbarUma rede de chaveamento omega
•
•
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1-9
MulticomputadoresHomogêneos
GradeHipercubo
•
•
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Conceitos de Software
transparência na
• Um resumo de:• SOD (Sistemas Operacionais Distribuídos)• SOR (Sistemas Operacionais em Rede)• Middleware
System Description
Main Goal
SODSistema operacional fortemente acoplado para multiprocessadores e multicomputadores homogêneos
Oculta e gerencia recursos de hardware
SORSistema operacional fracamente acoplado para multicomputadores heterogêneos (LAN and WAN)
Oferece serviços locais para clientes remotos
MiddlewareCamada adicional no topo do SORimplementando serviços de propósito geral
Fornece
distribuição
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Sistemas Operacionais emMáquinas Uniprocessadas• Separa aplicações do código do SO através
de um microkernel
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1.14
Sistema Operacional emMulticomputadores
• Estrutura geral de um sistema operacional emmulticomputadores
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Sistemas deCompartilhada
Páginas do espaço de endereçamento distribuídas entre quatro máquinas
MemóriaDistribuída
•
• Situação após aCPU 1 referenciara 10
• Situação se apágina 10 é lida somente e a replicação é usada
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1.18
Sistemas deCompartilhada
MemóriaDistribuída
• Falso compartilhamento de um página entre doisprocessos independentes
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1-19
Sistema Operacional
Estrutura geral
de Rede
•
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Sistema Operacional de Rede
• Dois clientes e um servidor em um SOR
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1.21
Sistema Operacional de Rede
• Diferentes clientes podem montar os servidores emdiferentes lugares
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1-22
Posicionando o Middleware
• Estrutura geral de um sistema distribuído comomiddleware
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1.23
Middleware e Abertura
• Num sistema distribuído baseado em middleware aberto, osprotocolos usados em cada camada do middleware deveriam ser osmesmos, tanto quanto as interfaces que eles oferecem às aplicações
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Comparação entre Sistemas
modelo
CaracterísticaSOD
SORSO baseadoMiddleware
Multiproc.
Multicomp.
Grau de transparência Muito alta alta
baixa alta
Mesmo SO em todos nodos
sim sim não não
No. de cópios do SO 1 N N N
Base para comunicação
Memória compartilhada
mensagens arquivosEspecífico ao
Gerenciamento de recursos
Global, central
Global, distribuído
Por nodo Por nodo
Escalabilidade não moderadamente
sim variada
Abertura fechada fechada aberta aberta
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Clientes e Servidores
Interação entre um cliente e um servidor•
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• The general organization of an Internetsearch engine into three different layers
1-28
Nível do processamento
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1-30
Arquiteturas multicamadas
Um exemplo de um servidor atuando como cliente•
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1-31
Arquiteturas modernas
• Um exemplo de uma distribuição horizontal de umserviço web
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Sistemas Distribuídos
propriedades
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Sistemas Distribuídos - propriedades
Distribuição:Um subconjunto de seus componentes encontram- se geograficamente dispersos
Componentesimpressoras, ...
Componentes de dados, ...
Modelos básicos:
de hardware: discos,
software: arquivos, bancos de
Modelo cliente-servidorModelo baseado em objetos
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Sistemas Distribuídos - propriedades
Concorrência:Um subconjunto de seus componentes executamconcorrentemente (em paralelo)
Mais de um processo em execução a cadainstante:Atividades separadas de usuários
Independência de recursos
Localização de processos servidores emcomputadores distintos
Acesso concorrente a recursos compartilhadosrequer sincronização
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Sistemas Distribuídos - propriedades
Extensibilidade (openness) Característica que determina se um sistema
váriaspode ser
estendido e reimplementado de maneiras.Normalmente conseguido se forem seguidos padrões deinterface entre componentes de software:Extensões de hardware: periféricos, memória, interfaces
de
comunicação, ...
Extensões de software: funções de SO, protocolos de
comunicação, ...
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Sistemas Distribuídos - propriedades
Tolerância a falhas
Falhas parciais: qualquer componente (hardware e software) do sistema pode falhar independente dos demais:
Programaserrados
Abordagens:
param ou produzem resultados
Redundância de hardware (Ex: banco de dadosreplicado em diversos servidores)
Recuperação por software: manter dadospermanentes sempre consistentes
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Sistemas Distribuídos - propriedades
Escalabilidade (crescimento gradativo suave) Um sistema é escalável se ele permanece eficaz quando
há um aumento significativo no número de recursos e
número de usuários
no
Ausência de estado global: é impossível determinarprecisamente o estado global do sistema
Assincronismo: as atividades do sistema não são regidas por um relógio global Técnicas: replicação, caching, servidores múltiplos
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Sistemas Distribuídos - propriedades
TransparênciaEsconderaplicações
do usuário ede
do programador deuma separação componentes em
sistema distribuído, de forma que este seja vistocomo um sistema centralizado
Formas de transparência:
acesso, localização, migração, realocação,replicação, concorrência, falha, persistência
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Sistemas Distribuídos - propriedades
Transparência de acesso
Operações de acesso a recursos são idênticaspara recursos locais e remotosExemplo: CORBA
Transparência p de localização
Acesso a um recurso ocorre sem que sejanecessário o conhecimento de suaExemplo:
localização
Operação de envio de uma mensagem eletrônicaespecificando o destinatário através de seuendereço Internet
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Sistemas Distribuídos - propriedades
Outras formas de transparência Migração: oculta o fato de que um
movido para outra localização
Relocação: oculta o fato de que um
recurso pode ter sido
recurso pode ter sidoestámovido para outra localização, enquanto ele
sendoutilizadoReplicação: várias instâncias de recurso são usadas semrequerer o conhecimento das réplicas pelos usuários eaplicações.
Concorrência: oculta o fato de que um recurso pode ser compartilhado entre vários usuáriosFalha: oculta a ocorrência de falhas de hardware e software
Persistência: oculta o fato de que um recurso (software)
está na memória ou em disco
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Sistemas Distribuídos - desafios
• Características––
–
–
–
–
–
heterogeneidadeabertura segurança
escalabilidade
tratamento de falhas
concorrência
transparência
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SD
Aplica-se a:
- heterogeneidade
•––
–
–
–
redeshardware de computador
sistemas operacionais
linguagens de programação
implementações por diferentes programadores
• Soluções:– middleware
– máquinas virtuais (ex: Applets Java)
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SD - abertura
• Determinaestendido maneiras
se o sistema pode serou reimplementado de diversas
• Como alcançar:–––
publicar interfacesdocumentação e especificaçãocódigo aberto (open-source)
• Exemplos:– RFCs
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SD -
aumento
escala
• Suporta o dos recursos e usuáriosmantendoDesafios:
um desempenho satisfatório
•––
–
–
controlarcontrolar
o custo dos recursos físicosa perda de performance (quantidade)
prevenir esgotamento de recursos (ex: IP)evitar gargalos de performance (centralização)
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SD -
Características
segurança
•– confidencialidade– integridade
Desafios•––
–
negação de serviço
código móvel
dentre outros
(DOS)
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SD - tratamento de falhas
• Tipos de falhas– física, software e humana
Técnicas:•
––
–
–
detecção de falhasocultação de falhas
tolerância a falhas (replicação)
recuperação de falhas
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SD - concorrência
• Permitir que recursos compartilhadossejam utilizadosQuestões:
por diversos processos
•––
–
sincronização
disponibilidade
segurança
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Conceito chave:transparência 1/2
Acesso: permite que recursos locais e remotossejam utilizados via operações idênticas
•
• Localização: recursos podem ser acessadossem conhecimento de sua localização
• Concorrência: habilita que vários processosoperem concorrentemente usando recursoscompartilhados sem interferência entre eles
• Replicação: permite que múltiplas instâncias derecursos sejam usados para aumentar aconfiabilidade e desempenho semconhecimento por parte de usuários ouprogramadores dessas réplicas
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Conceito chave:transparência 2/2
• Falhas: habilita o encobrimento de falhas,permitindo que usuários e programadorescompletem suas tarefas independente de falhas dehardware ou software
• Mobilidade: permite o movimento de recursos eaclientes dentro de um sistema sem afetar
operacionalização de usuários ou programas• Desempenho:
reconfiguradopermite que o sistema sejapara aumentar o desempenho
conforme a carga• Escalabilidade: permite ao sistema e aplicação
sejam expandidos em escalado sistema ou algoritmos das
sem mudar a estruturaaplicações
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Pensamento
• "Um Sistema Distribuído é aquele quedeixa você sem trabalhar por causa de umdefeito em uma máquina da qual vocênunca ouviu falar" Leslie Lamport
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Bibliografia
Marcos José Santana. Sistemas Computacionais•Distribuídos. Notas de aula. 2000Luiz Eduardo Buzato. Plataformas Distribuídas.de aula. UNICAMP. 2001
TANENBAUM, Andrew. Sistemas Distribuídos.de Aula
Marinho Barcelos. Processamento Distribuído. de Aula. Unisinos. 2002
Notas•
Notas•
Notas•
Andrew Tanenbaum. Distributed Systems: Principlesand Paradigms. Prentice Hall, 2002
G. Coulouris, J. Dollimore and T. Kindberg. Distributed Systems: Concepts and Design. Edition 4, Pearson Education 2005
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