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Sistemas Distribuidos I Conceptos de Sistemas Distribuidos y Arquitectura

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Page 1: Sistemas Distribuidos I Conceptos de Sistemas Distribuidos y Arquitectura

Sistemas Distribuidos I

Conceptos de Sistemas Distribuidos y Arquitectura

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Objetivos

El objetivo general del diseño de un sistema distribuido no es muy diferente de otro sistema operativo.

Eficiencia, Flexibilidad, Consistencia y Robustez Las diferencias se resumen en que los recursos

están distribuidos, el overhead de la comunicación no puede ser despreciada y la alta probabilidad de fallas de los componentes

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Objetivos

Eficiencia– Es mas complejo por la existencia de los retardos en la

comunicación.– Las primitivas usadas para comunicación a nivel del

lenguaje o sistema operativo deben ser eficientes.– Buenos protocolos de comunicación a nivel de red.– Se deben tener en cuenta problemas de distribución de la

carga, cuellos de botella o congestionamientos.

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Objetivos

Flexibilidad– Desde el punto de vista del usuario la ‘amabilidad’

y ‘libertad’ para usar el sistema. Amabilidad: capacidad de mapear problemas reales a

problemas computacionales. Libertad: Permitirle al usuario decidir cuando, como y

donde usar el sistema sin restricciones irracionales.

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Objetivos

Flexibilidad– Desde el punto de vista del sistema:

Capacidad de evolucionar y migrar. Modularidad, Escalabilidad, portabilidad y

interoperabilidad.

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Objetivos

Consistencia– Desde el punto de vista del usuario un sistema es

consistente si existe uniformidad en el uso del sistema y el comportamiento es predecible.

– La falta de información global, posibilidad de fallas en los componentes y complejidad de interacción entre los módulos hacen que el problema de consistencia sea complejo.

– Debe haber mecanismos de control de concurrencia, procedimientos de manejo y recuperación de fallas, etc.

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Objetivos

Robustez– Es el problema mas importante– Los fallos en los canales de comunicación son

mas comunes– El sistema debe ser capaz de reinicializar a un

punto donde la integridad del sistema es conocida

– Fiabilidad, protección y control de acceso son puntos muy importantes.

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Transparencia

Transparencia de acceso– Habilidad de acceder objetos locales y remotos

en una forma uniforme. Transparencia de ubicación

– El usuario no sabe donde esta ubicado el objeto, estos se referencian con nombres lógicos

Transparencia de migración– El objeto se puede mover físicamente a otro

nodo, pero mantiene el mismo nombre

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Transparencia

Transparencia Concurrencia– Compartir objetos sin interferirse (time-sharing)

Transparencia de replicación– Consistencia entre diferentes instancias de

archivos y datos. Transparencia de paralelismo

– Posibilidad de correr actividades en paralelo sin necesidad de que el usuario sepa donde y cuando el las actividades se realizan

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Transparencia

Transparencia de fallas– La fallas se transforman en una degradación de

rendimiento del sistema en lugar de interrupciones.

Transparencia de rendimiento– Consistencia y predictibilidad del rendimiento aun

con cambios de la estructura o en la distribucion de la carga.

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Transparencia

Transparencia de tamaño– Modularidad y escalabilidad sin que la percepción

del sistema cambie para el usuario.

Transparencia de versión– Distintas revisiones del sistema no son visibles

para el usuario

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Categorización de transparencias

Objetivos del Sistema

Transparencias

Eficiencia Concurrencia

Paralelismo

Rendimiento

Flexibilidad Acceso

Ubicación

Migración

Tamaño

Versión

Consistencia Acceso

Replicación

Rendimiento

Robustez Fallas

Replicación

Tamaño

Versión

Page 13: Sistemas Distribuidos I Conceptos de Sistemas Distribuidos y Arquitectura

Mapeo de problemas con transparencias

Problemas Transparencias

Comunicación

Sincronización

Algoritmos distribuidos

Interacción y control de transparencia

Planeamiento de procesos

Manejo de deadlock

Manejo de carga

Transparencia de rendimiento

Planeamiento de recursos

Archivos compartidos

Control de concurrencia

Transparencia de recursos

Manejo de fallas

Configuración

Redundancia

Transparencia de fallas

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Servicios

Un sistema operativo es un proveedor de servicios. Los servicios mas fundamentales (primitivas del

sistema) se implementan en el kernel de cada nodo Otros servicios pueden estar implementados en

cualquier lugar del sistema y proveer funciones básicas (servidores de sistema)

Existen también los que proveen servicios de alto nivel o de propósito especial (servicios de valor agregado)

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Servicios primitivos

Hay tres funciones fundamentales:– Comunicación– Sincronización– Multiplexación de procesadores

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Servicios por servidores de sistema

Name server or Directory server: Este es el servicio mas esencial en un sistema distribuido.

Network server: Transforma las direcciones de los objetos en caminos de comunicación.

Broadcast o Multicast server: Se encarga de esta funcionalidad si la red no lo soporta.

Time server: Es usado para sincronizar y planear procesos. (Físico o lógico)

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Servicios para manejar recursos

File server: Repositorio de archivos. Puede ser particionado o duplicado siempre manteniendo la consistencia

Print server: Servicio de impresión Servidor de procesos: Puede mover

procesos de un nodo a otro basado en los recursos

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Servicios de valor agregado

Servidor de grupos: Maneja la creación y terminación de actividades de grupo.

Servidor de conferencias distribuidas Servidor web

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Modelos de arquitectura

La implementación de un SD depende de la arquitectura del sistema y de la red de comunicación

La arquitectura del sistema es una descripción abstracta de los componentes y sus relaciones

La arquitectura de la red especifica las opciones de comunicación.

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Arquitecturas de sistemas distribuidos

Workstation-Server: La estación de trabajo provee capacidad de procesamiento local e interface con la red.

Processor-Pool: Se comparte poder computacional aparte de los recursos.

Modelo hibrido

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Modelo Processor-Pool

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Arquitectura de la red de comunicación

Pueden ser conexiones punto a punto o multipunto.

Multipunto– Basada en buses: Ethernet, token ring, FDDI– Switcheadas: Frame relay, ISDN, ATM

La capacidad y la distancia juegan un papel importante.

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Clases de aplicaciones cliente/servidor

Proceso basado en una máquina central:– No es realmente un proceso cliente/servidor. – Entorno tradicional de grandes sistemas.

Cliente Servidor

(a) Proceso basado en una máquina central

Lógica de presentación

Lógica de aplicación

Lógica de base de datos

SGBD

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Clases de aplicaciones cliente/servidor

Proceso basado en el servidor:– Todo el tratamiento se hace en el servidor.– Los puestos de trabajo de los usuarios ofrecen una interfaz

de usuario gráfica.

Lógica de presentación

Lógica de aplicación

Lógica de base de datos

SGBD

(b) Proceso basado en el servidor

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Clases de aplicaciones cliente/servidor

Proceso basado en el cliente:– Casi todo el proceso de la aplicación se hace en el cliente. – Las rutinas de validación de datos y otras funciones lógicas de la

base de datos se realizan en el servidor. Lógica de presentación

Lógica de base de datos

SGBD

Lógica de aplicación

Lógica de base de datos

(d) Proceso basado en el cliente

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Clases de aplicaciones cliente/servidor

Proceso cooperativo:– El proceso de la aplicación se lleva a cabo de forma optimizada. – Compleja de instalar y mantener.

Lógica de presentación

Lógica de base de datos

SGBD

Lógica de aplicación Lógica de aplicación

(c) Proceso cooperativo

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Clases de aplicaciones cliente/servidor

Para los casos (c) y (d) anteriores gran parte de la carga está en el cliente.

Este modelo es llamado: cliente grueso. Ha sido popularizado por herramientas como

PowerBuilder, SQL Windows, etc. Con el cliente grueso se saca provecho a la

capacidad computacional de la máquina del cliente. Esto también implica descargar el procesamiento de

los servidores.

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Cliente Grueso

Sostener clientes gruesos implica una actualización frecuente de máquinas por la necesidad de capacidad de cómputo.

También debe actualizarse las capacidades de red por los grandes volúmenes de datos en las transacciones.

Es bastante engorroso mantener actualizadas las aplicaciones en los clientes.

Todo lo anterior hace que a pesar de parecer atractiva, la solución del cliente grueso no sea buena.

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Cliente Delgado

El ejemplo (b) anterior representa el cliente delgado.

Este enfoque imita al de host centralizado. Se lo usa como vía de migración para pasar

las aplicaciones de un sistema centralizado a un entorno distribuido.

La mejor representación de esta clase de cliente es con las aplicaciones adaptadas a entorno web (web enabled).

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Arquitectura cliente/servidor de tres capas

El software de aplicación está distribuido entre tres tipos de máquinas: – Máquina de usuario:

Cliente delgado.

– Servidor de capa intermedia: Pasarelas. Convierte protocolos. Mezcla e integra resultados de distintas fuentes de

datos.

– Servidor final (backend).

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Cliente

Servidor de capa intermedia(servidor de aplicaciones)

Servidores finales(servidores de datos)

Figura 13.6. Arquitectura cliente/servidor de tres capas.

Arquitectura cliente/servidor de tres capas

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Problemas de Diseño

Un sistema distribuido consiste en una serie de procesos concurrentes que acceden a recursos distribuidos a través de mensajes en un ambiente de red que no es confiable y contiene componentes que pueden no ser confiables.

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Problemas de Diseño

Modelo de Objetos– Objetos en el sistema son los procesos, archivos

de datos, memoria, dispositivos, etc.– Es deseable que se representen con objetos con

una interfase bien definida– Los procesos que manejan los objetos se

transforman en servidores de objetos.

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Problemas de Diseño

Esquema de nombres– Para contactar un

servidor se lo debe identificar

– Hay tres formas de identificar un servidor

Por nombre Por la dirección física o lógica

Por el servicio que el servidor

provee

Se asumen únicos

Puede haber múltiples direcciones para el mismo servidor

Un servidor puede proveer varios servicios

Son mas intuitivos y transparentes

Contienen información estructural de la localización

No contienen información de la localización

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Problemas de Diseño

Esquema de nombres– La conversión de nombres a direcciones lógicas

es responsabilidad del servidor de nombres– El mapeo de direcciones lógicas a físicas es

responsabilidad del servicio de red– El modelo de objetos del sistema y el esquema

de nombres son muy importantes y se deben decidir en una etapa temprana del diseño del sistema

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Problemas de Diseño

Coordinación distribuida– Hay tres tipos de requerimientos de

sincronización Sincronización de barrera: Un grupo de procesos debe

llegar a un punto común de sincronización antes de seguir

Coordinación por condición: Se debe esperar una condición para mantener algún orden de ejecución.

Exclusión mutua: Hay exclusión cuando se acceden recursos compartidos

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Problemas de Diseño

Coordinación distribuida– La sincronizacion implica el conocimiento del

estado de otros procesos.– La decision de coordinacion depende de

protocolos distribuidos basados en mensajes.– Se puede usar un coordinador centralizado pero

trae otro tipo de problemas

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Problemas de Diseño

Coordinación distribuida– Existen problemas de deadlock.– Algunas veces conviene detectar el deadlock en

lugar de prevenirlo– Las soluciones para la sincronización y el

deadlock intentan asimilar información de estado parcial.

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Problemas de Diseño

Comunicación entre procesos– Todo el sistema depende de esto– Modelo cliente/servidor– Remote Procedure Call (RPC)– El Multicast es muy importante. Logical Multicast

probablemente sin la interacción de hardware.– El multicast debe ser confiable

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Problemas de Diseño

Recursos Distribuidos– Puede ser una distribución de cargas estáticas

cuyo objetivo es el de minimizar el tiempo de ejecución de un grupo de procesos relacionados

– O dinámicas, donde el objetivo es maximizar la utilización de los procesadores.

– Transparencia aplicada a los datos: “Memoria compartida distribuida”

– Coherencia y consistencia de los datos

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Problemas de Diseño

Tolerancia a fallas y seguridad– El sistema debe ser resistente a fallas y estas

deben ser transparentes al usuario.– La redundancia es una propiedad inherente de

los SD– Se debe mantener información de estado que

permite volver a un punto de funcionamiento correcto