sistemas distribuidos

Sistemas Distribuidos

Sistemas operativos: una visión aplicada 2 © J. Carretero, F. García, P. de Miguel, F. Pérez

Contenido

• Sistemas distribuidos• Sistemas operativos distribuidos• Comunicación de procesos• Sincronización de procesos• Gestión de procesos• Sistemas de archivos• Gestión de memoria


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.


Características

• Compartir recursos (HW, SW, datos). – Acceso a recursos remotos.

• Modelo cliente-servidor• Modelo basado en objetos

• Ofrecen una buena relación coste/rendimiento• Capacidad de crecimiento• Tolerancia a fallos, disponibilidad

– Replicación• Concurrencia • Velocidad

– Paralelismo


Desventajas

• Necesidad de software más complejo• Problemas de fiabilidad• Problemas de seguridad y confidencialidad


Arquitectura de un sistema distribuido

R ed de in te rconexión


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


Propiedades de un subsistema de comunicación

• Tasa de transferencia: velocidad de transferencia• Latencia: tiempo necesario para transferir un mensaje vacío• Tiempo de transferencia = latencia + tamaño/tasa de

trasferencia• Paquetes/segundo• Capacidad de crecimiento. Aumento en el nº de nodos• Calidad de servicio

– Importante en aplicaciones multimedia y de tiempo real• Fiabilidad del subsistema

– Mecanismos de detección de errores• Seguridad: protección de los paquetes • Confidencialidad: proteger la identidad de los emisores


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 (20-500 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


Protocolos de comunicación

• Protocolo: conjunto de reglas y formatos que permiten la comunicación entre procesos.

• La definición de un protocolo tiene dos parte:– Especificación de la secuencia de mensajes que

deben intercambiarse.– Especificación del formato de mensajes.

• El software de red se organiza en niveles


Funciones de una pila de protocolos

• Segmentación y ensamblado de mensajes• Encapsulado: incorporación de información de control a

los datos– Dirección del emisor y receptor– Código de detección de errores

• Control de conexión– Protocolos orientados a conexión– Protocolos no orientados a conexión:

• No se asegura el orden secuencial de los datos transmitidos

• Entrega ordenada en protocolos orientados a conexión– Números de secuencia


Funciones de una pila de protocolos II

• Control de flujo: función realizada en el receptor para limitar la cantidad o tasa de datos que envía el emisor.

• Control de errores: se basan en el uso de una secuencia de comprobación y reenvío.

• Direccionamiento, conseguir que los mensajes alcancen al receptor

• Multiplexación: necesario para un uso más eficiente de los servicios

• Servicios de transmisión:– Prioridad– Calidad de servicio– Seguridad


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


Protocolos TCP/IP

• Resultado de la investigación y desarrollo llevados a cabo en la red ARPANET (financiada por DARPA) en los años 70

• Familia de protocolos utilizados en Internet• En los 90 se ha establecido como la arquitectura

comercial dominante:– Se especificaron y utilizaron antes de OSI– Independiente de la tecnología de red utilizada– Internet está construida sobre un conjunto de protocolos

TCP/IP.– Espectacular desarrollo de World Wide Web


Protocolos TCP/IP

Em isor Receptor


Protocolo Internet (nivel IP)

• La transmisión no es fiable (no se asegura la recepción de los paquetes IP). Los paquetes se pueden descartar por:– Expiración del tiempo de vida– Congestión– Error en la suma de comprobación

• Control de flujo muy limitado• Calidad de servicio muy limitado

– Seguridad: normal o alto– Retardo: normal o bajo– Rendimiento: normal o alto


Protocolos de transporte

• Protocolo TCP– Orientado a conexión– Garantiza que los datos se entregan en el orden en el que se

envían– Las conexiones TCP se ven como un flujo de bytes– La transmisión se considera “fiable”. Pueden perderse mensajes

(sobrecarga en la red, fallos en encaminadores, etc.)– Cuando los mensajes son muy pequeños, TCP los retrasa hasta

conseguir uno más grande• Esta opción debe desactivarse si es necesario

– Escrituras concurrentes sobre una misma conexión TCP pueden provocar que los datos se entremezclen.


Protocolos de transporte

• Protocolo UDP– Protocolo de datagramas no orientado a conexión.– Protocolo no fiable

• Los paquetes se pueden perder, duplicar, recibir en orden distinto al enviado

– Tamaño máximo del mensaje: 64 KB


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

Papel del sistema operativo

• El SW de comunicación de un sistema operativo se organiza como un conjunto de componentes con tareas concretas– Subsistema de almacenamiento: buffers donde almacenar los

paquetes que llegan y se envían (limitado)• En implementaciones UNIX típicas

– TCP reserva para cada puerto (socket) un buffer de 8 KB y UDP 2 buffers de 8KB. El tamaño se puede incrementar hasta 64 KB.

– Los mensajes a enviar se copian a estos buffers– El contenido de estos buffers se fragmenta y se copian a

nuevos bloques de memoria a utilizar por IP– IP envía finalmente los paquetes por la interfaz de red

correspondiente

Papel del sistema operativo

• Un sistema operativo puede perder paquetes cuando la tasa de envíos y de recepción es muy grande.

• En sistemas operativos multiusuario la pérdida de paquetes suele producirse a ráfagas debido a los algoritmos de planificación.

• La latencia del SO ha crecido en términos relativos

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¿Dónde se pierde el tiempo?

• Códigos de corrección (Checksum)– Sobre datos TCP y UDP– Sobre cabeceras IP

• Copias de datos– Entre usuario y kernel

• Estructura de datos– Gestión de los buffers, colas de defragmentación de

paquetes IP, • Sistema Operativo

– Sobrecarga impuesta por las operaciones del SO


Contenido



Sistema operativo en red (SOR)

• 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

Sistema operativo

Lenguajes de programación

Aplicaciones

Red de interconexión

Hardware

Sistema operativo


Aplicaciones

Hardware


Sistema operativo distribuido (SOD)

• 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

Sistem a operativo distribuido


Aplicaciones


Hardware Hardware


Transparencia

• Acceso: acceso a recursos remotos y locales de igual forma• Posición: acceso a los recursos sin necesidad de conocer

su situación• Concurrencia: acceso concurrente a recursos compartidos

sin interferencias• Replicación: Acceso a recursos replicados sin conocimiento

de que lo son• Fallos: mantenimiento del servicio en presencia de fallos.• Migración: permite que los recursos y objetos se muevan

sin afectar a la operación de los programas.• Capacidad de crecimiento: facilidad para crecer sin afectar

a la estructura del sistema


Middleware y entornos distribuidos

• 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

Sistema operativo

Middleware


Aplicaciones


Hardware

Sistema operativo

Hardware


Servicios de un sistema operativo distribuido

• Servicios de comunicación• Servicios de sincronización• Gestión distribuida de procesos• Sistemas de archivos distribuidos• Memoria compartida distribuida


Contenido



Comunicación en sistemas distribuidos

• La comunicación de procesos es fundamental en cualquier sistema distribuido

• Existen diferentes posibilidades todas ellas basadas en el paso de mensajes– Mecanismos de bajo nivel, el programador debe preocuparse

de establecer los protocolos de comunicación, representación de datos, etc.

• Colas de mensajes• Sockets

– Mecanismo de alto nivel, ofrecen abstracciones donde el programador no debe preocuparse de establecer protocolos

• Llamadas a procedimientos remotos• Invocación de métodos remotos (entornos orientados a objetos)


Comunicación cliente-sevidor

Protocolo típico: petición-respuesta

Muy utilizada en entornos distribuidos (más del 90% de los sistemas distribuidos utilizan la arquitectura cliente-servidor)

NÚCLEO

cliente

petcición

respuesta

servidor

Máquina A Máquina B

NÚCLEO

RED


Comunicación de grupos

• Utiliza mensajes multicast• Útil para:

– Ofrecer tolerancia a fallos basado en servicios replicados

– Localizar objetos en sistemas distribuidos– Mejor rendimiento mediante datos replicados– Actualizaciones múltiples– Operaciones colectivas en cálculo paralelo


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


Sockets: introducción

• Sujetos a proceso de estandarización dentro de POSIX (POSIX 1003.1g)

• Actualmente – Disponibles en casi todos los sistemas UNIX – En prácticamente todos los sistemas operativos

• WinSock: API de sockets de Windows

– En Java como clase nativa


Sockets UNIX

• Dominios de comunicación• Tipos de sockets• Direcciones de sockets• Creación de un socket• Asignación de direcciones• Solicitud de conexión• Preparar para aceptar conexiones• Aceptar una conexión• Transferencia de datos


Dominios de comunicación

• Un dominio representa una familia de protocolos• Un socket está asociado a un dominio desde su

creación• Sólo se pueden comunicar sockets del mismo dominio• Algunos ejemplos:

– PF_UNIX (o PF_LOCAL): comunicación dentro de una máquina

– PF_INET: comunicación usando protocolos TCP/IP• Los servicios de sockets son independientes del

dominio


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


Direcciones de sockets

• Cada socket debe tener asignada una dirección única• Las direcciones se usan para:

– Asignar una dirección local a un socket (bind)– Especificar una dirección remota (connect o sendto)

• Dependientes del dominio• Se utiliza la estructura genérica struct sockaddr• Cada dominio usa una estructura específica

– Direcciones en PF_UNIX (struct sockaddr_un)• Nombre de fichero

– Direcciones en PF_UNIX (struct sockaddr_in)– Uso de conversión de tipos (casting) en las llamadas


Direcciones de sockets en PF_INET

• Host (32 bits) + puerto (16 bits)• Una dirección IP se almacena en una estructura de tipo:

– struct in_addr• Estructura struct sockaddr_in

– Debe iniciarse a 0– sin_family: dominio (AF_INET)– sin_port: puerto– sin_addr: dirección del host

• Función que facilita el nombre de la máquina en la que se ejecuta:

int gethostname(char *name, int namelen);


Obtención de la dirección de host

• Usuarios manejan direcciones en forma de texto:– decimal-punto: 138.100.8.100– dominio-punto: laurel.datsi.fi.upm.es

• Algunas funciones para trabajar con direcciones:– char *inet_ntoa(struct in_addr in);

• Devuelve una dirección en notación decimal-punto.

– struct hostent *gethostbyname(char *str);• Convierte una dirección en notación dominio-punto a una

estructura que describe máquina.• Algunos campos de la estructura struct hostent:

– char *name nombre oficial de la máquina– char **h_addr_list lista de direcciones

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