Sistemas Distribuídos

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1 Sistemas Distribuídos Revisão de redes Modelos e arquitecturas 13/14 Sistemas Distribuídos 1 A rede que interliga o sistema distribuído Revisão 13/14 Sistemas Distribuídos 2 1

2 Programação da comunicação: modelo Processo porto Canal de comunicação porto Processo API da comunicação rede modo utilizador transporte rede lógico físico modo sistema 13/14 Sistemas Distribuídos 3 Redes de Dados Fornecer uma base mínima de compreensão das redes de dados Arquitectura Organização Protocolos Revisão Identificar os aspectos relevantes das redes de dados na concepção de sistemas distribuídos 13/14 Sistemas Distribuídos 4 2

3 Arquitectura Lógica Porquê uma arquitectura Lógica nas redes? A arquitectura lógica define as propriedades da rede, adequadas ao seu campo de aplicações Tipo de endereçamento Desempenho Garantia de entrega de mensagens Ordenação das mensagens Tolerância a faltas Endereçamento em difusão A mesma arquitectura lógica pode ser realizada (com maior ou menor facilidade) sobre várias arquitecturas físicas 13/14 Sistemas Distribuídos 5 Características habituais das Arquitecturas Físicas Redes Locais Transmissão em difusão Largura de Banda muito grande Topologias de bus ou anel Encaminhamento trivial Menor escalabilidade Maior tolerância a faltas Redes de Larga Escala Transmissão ponto a ponto Banda passante com limitações mas tecnologias tradicionais Topologia malhada com redundância Necessidade de encaminhamento Grande escalabilidade Menor tolerância a faltas 13/14 Sistemas Distribuídos 6 3

4 Modelo de Referência Um Modelo de Referência, ou Família de Protocolos, define as características lógicas e físicas das redes Normalmente divididos em níveis Os níveis são independentes mas estão relacionados Permitem várias realizações compatíveis cada nível corresponde a um nível de abstração necessário no modelo cada nível possui funções próprias e bem definidas as funções de cada nível foram escolhidas segundo a definição dos protocolos normalizados internacionalmente as fronteiras entre níveis devem ser definidas de modo a minimizar o fluxo de informação nas interfaces o número de níveis deve ser suficientemente grande para que funções distintas não precisem ser colocadas na mesma nível e, ao mesmo tempo, suficientemente pequeno que não torne a arquitectura difícil de controlar. 13/14 Sistemas Distribuídos 7 OSI - Nível Físico Funções: conseguir transmitir 1 bit de informação sobre meio físico de interligação Velocidade de propagação, atenuação, imunidade ao ruído, etc. Nível Físico define: Níveis eléctricos do sinal, características temporais Protocolos de codificação, baseados no funcionamento da rede (taxa de erros, recuperação de relógio, ) Placas de interface (network cards) Interface eléctrica Aspectos mecânicos dos conectores Anel (ring) Malha (mesh) Bus 13/14 Sistemas Distribuídos 8 4

5 OSI - Nível Lógico ou Ligação de Dados Funções: transmissão de pacotes, ou tramas, entre máquinas ligadas à mesma rede física Nível Lógico define: Delimitadores de trama Endereço físico do destinatário Multiplexagem do meio de transmissão (emissor) Detecção do endereço do destinatário (receptor) Definição da unidade básica de informação (bit, octeto) Recuperação de erros de transmissão Controlo de fluxo Frame Relay GPRS UMTS ATM Ethernet 13/14 Sistemas Distribuídos 9 OSI - Nível Rede Rede IP Funções: interligar máquinas independentemente da rede física a que estão ligadas Uma rede lógica passa a ser composta pela interligação de várias redes físicas Nível Rede define: Formato dos pacotes de dados Mecanismos de encaminhamento entre redes Fundamental para redes malhadas Normalmente baseados em tabelas de encaminhamento Protocolo de rede OSI: X.25 Com ligação, sequencialidade, controlo de fluxo Protocolo de rede Internet: IP Sem ligação nem garantias de qualidade 13/14 Sistemas Distribuídos 10 5

6 Nível Transporte Processo Utilizador Rede TCP Funções: oferecer um serviço de transmissão de informação que permita a comunicação entre utilizadores finais Características Com ou sem ligação Comunicação fiável Garantia de entrega Garantia de ordem Segmentação Controlo de fluxo Notificação de excepções na comunicação Processo Utilizador 13/14 Sistemas Distribuídos 11 A Internet como um Relógio de Areia Mail Web Audio VoIP Video IM Web Services Passível de alterações Maior inovação TCP / UDP IP Difícil de alterar Ethernet GPRS Satélite Bluetooth 13/14 Sistemas Distribuídos 12 6

7 Interfaces de Comunicação Interacção baseada na troca de mensagens Facilidade de transporte para múltiplos sistemas Exploração das APIs normais de comunicação Tipicamente da API de transporte (sockets) Exemplos telnet, rlogin, Winrdpaplicações de terminal remoto ftp, samba Transferência de ficheiros SMTP Correio electrónico Problemas? Cada aplicação possui um protocolo próprio Dificulta a utilização do protocolo por terceiros Desempenho porque é executado em modo utilizador 13/14 Sistemas Distribuídos 13 Interfaces de Comunicação Máquina A Máquina B aplicação Níveis 7 a 5 Níveis 7 a 5 aplicação Sockets, TLI Nível 4 Transporte Nível 4 Transporte Sockets, TLI OS kernel Níveis 3 a 1 Níveis 3 a 1 OS kernel 13/14 Sistemas Distribuídos 14 7

8 Caracterização do canal de Comunicação Tipos de canais Com ligação Normalmente serve 2 interlocutores Normalmente fiável, bidireccional e garante sequencialidade Sem ligação Normalmente serve mais de 2 interlocutores Normalmente não fiável: perdas, duplicação, reordenação Canal com capacidade de armazenamento em fila de Mensagens Normalmente com entrega fiável das mensagens 13/14 Sistemas Distribuídos 15 Portos Extermidades do Canal de Comunicação Portos São extremidades de canais de comunicação Em cada máquina são representados por objectos do modelo computacional local Possuem 2 tipos de identificadores: O do objecto do modelo computacional Para ser usado na API pelos processos locais Ex.: File descriptors, handles O do protocolo de transporte Para identificar a extremidade entre processos (ou máquinas) diferentes Ex.: Endereços TCP/IP, URL 13/14 Sistemas Distribuídos 16 8

9 Interface sockets Domínio do socket: define a família de protocolos associada a um socket INET: família de protocolos Internet Unix: comunicação entre processos da mesma máquina Outros Tipo do socket: define as características do canal de comunicação Stream: canal com ligação, bidireccional, fiável, interface tipo sequência de octetos Datagram: canal sem ligação, bidireccional, não fiável, interface tipo mensagem Raw: permite o acesso directo aos níveis inferiores dos protocolos (ex: IP na família Internet) 13/14 Sistemas Distribuídos 18 Sockets sem Ligação Servidor socket Cliente socket bind bind recvfrom sendto sendto recvfrom 13/14 Sistemas Distribuídos 21 9

10 Sockets UDP em Java (Cliente) import java.net*; import java.io*; public class UDPClient{ public static void main(string args[]){ // args give message contents and server hostname DatagramSocket asocket = null; try { asocket = new DatagramSocket(); byte [] m = args [0].getBytes(); InetAddress ahost = InetAddress.getByName(args[1]); Int serverport = 6789; DatagramPacket request = new DatagramPacket(m, args[0].length(), ahost, serverport); asocket.send(request); byte[]buffer = new byte[1000]; DatagramPacket reply = new DatagramPacket(buffer, buffer.length); asocket.receive(reply); System.out.println( Reply: + new String(reply.getData())); } catch (SocketException e){system.out.println( Socket: + e.getmessage()); } catch (IOException e){system.out.println( IO: + e.getmessage()); } finally { if(asocket! = null) asocket.close();} } } Constrói um socket datagram (associado a qualquer porto disponível) Conversão do nome DNS para endereço IP Cada mensagem enviada tem que levar junto identificador do processo destino: IP e porto 13/14 Sistemas Distribuídos 22 Sockets UDP em Java (Servidor) import java.net*; import java.io*; public class UDPServer{ public static void main(string args[]){ DatagramSocket asocket = null; try{ Constrói um socket datagram asocket = new DatagramSocket(6789); (associado ao porto 6789) byte[] buffer = new byte [1000]; while(true){ DatagramPacket request = new DatagramPacket(buffer, buffer.legth); asocket.receive(request); DatagramPacket reply = new DatagramPacket(request.getData(), request.getlength(); request.getaddress(), Recebe mensagem request.getport()); asocket.send(reply); } Extrai da } catch (SocketException e){system.outprintln( Socket: + e.getmessage()); mensagem o } catch (IOException e){system.out.println( IO: + IP e porto do e.getmessage()); processo } finally {if(asocket! = null) asocket.close();} } origem para } responder 13/14 Sistemas Distribuídos 23 10

11 Sockets com Ligação Servidor Cliente socket Servidor Cliente bind Socket Escuta listen accept socket connect Socket Ligação bytes bytes Socket Cliente read write write read 13/14 Sistemas Distribuídos 24 Sockets Stream em Java (Cliente) import java.net*; import java.io*; public class TCPClient{ public static void main(string args[]){ // args: message and destin. hostname classe Socket suporta o socket Socket s = null; cliente. Argumentos: nome DNS try{ do servidor e o porto. int server Port = 7896; s = new Socket (args[1], Construtor serverport); não só cria o socket DataInputStream = new como efectua a ligação TCP DataInputStream(s.getInputStream()); DataOutputStream out = newdataoutputstream (s.getoutputstream()); WriteUTF / readutf para out.writeutf(args[0]); Universal String data = in.readutf(); Métodos getinputstream / transfer System.out.prtintln( Received: + data); }catch (UnknownHostException e){ getoutputstream permitem format / para System.out.println( Sock: aceder + e.getmessage()); aos dois streams as cadeias de }catch (EOFException definidos pelo socket caracteres e){system.out.println( EOF: e.getmessage()); }catch (IOException e){system.out.println( IO: e.getmessage()); }finally {if(s!=null) try{s.close();}catch (IOException e} } 13/14 Sistemas Distribuídos 25 11

12 Sockets Stream em Java (Servidor) import java.net*; import java.io*; public class TCPServer{ Cria socket servidor que fica à public static void main(string escuta args[]){ no porto serverport try{ int server Port = 7896; Bloqueia até cliente ServerSocket listensocket = new ServerSocket(serverPort); estabelecer ligação. while(true){ Socket connectionsocket = listensocket.accept(); myconnection c = new myconnection(connectionsocket); } }catch (IOException e){system.out.println( Listen: +e.getmessage());} } Cria novo socket servidor com quem é } estabelecida ligação com o cliente e onde os dados são recebidos 13/14 Sistemas Distribuídos 26 Aula prática 1ª semana SocketClient.java SocketServer.java 13/14 Sistemas Distribuídos 27 12

13 Integração da Comunicação no Sistema Operativo 13/14 Sistemas Distribuídos 33 Integração da Comunicação no Sistema Operativo As aplicações invocam uma API que lhes permite aceder ao mecanismos de transporte A API deve ser conceptualmente independente de uma determinada pilha de protocolos de transporte Alternativas de implementação Funções de ES genéricas Ex: sockets parcialmente Funções de comunicação específicas Ex: Algumas funções dos sockets Ex: TLI Mecanismo básico de comunicação entre processos do sistema operativo Ex: IPC dos micro-núcleos 13/14 Sistemas Distribuídos 34 13

14 Winsock Implementation Protocol drivers Application TDI IRPs IPX/SPX Mswsock.dll Msafd.dll Wshtcpip.dll Ntdll.dll SPI Service Providers NtReadFile, NtWriteFile, NtCreateFile, NTDeviceloControlFile User mode Kernel mode \Device\AFD AFD FSD TDI NetBEUI TCP/IP 13/14 Sistemas Distribuídos 36 Modelos arquitecturais 13/14 Sistemas Distribuídos 38 14

15 Camadas de Software: o Middleware Aplicações Middleware Sistema Operativo Hardware Bibliotecas (DLL) Protocolos Servidores Plataformas Plataforma s de Middleware Os Sistemas Distribuídos são suportados por diversas componentes frequentemente designadas por plataformas de Middleware 13/14 Sistemas Distribuídos 39 Quem são as entidades que comunicam através da rede num sistema distribuído? Processos ou tarefas Nós Em alguns sistemas primitivos não existe a abstracção de processo ou tarefa Exemplo: redes de sensores Objectos Exemplo: objecto Java invoca método de outro objecto remoto Veremos mais adiante na cadeira Web Services Veremos mais adiante na cadeira Componentes (Fora do âmbito da cadeira) Por omissão, assumiremos sistema distribuído de processos 13/14 Sistemas Distribuídos 40 15

16 Como comunicam estas entidades? 13/14 Sistemas Distribuídos 41 Comunicação directa Estudaremos ambos em breve Interface de comunicação entre-processos Invocação remota Protocolos de pedido-resposta Exemplo: HTTP Chamada remota de procedimentos Programador define conjunto de procedimentos que servidor oferece Cliente pode invocar esses procedimentos como se tratassem de chamadas locais Invocação remota de métodos Semelhante a chamada remota de procedimentos, mas no mundo OO 13/14 Sistemas Distribuídos 42 16

17 Papéis e responsabilidades 13/14 Sistemas Distribuídos 51 Modelo Cliente-Servidor Servidores mantêm recursos e servem pedidos de operações sobre esses recursos Servidores podem ser clientes de outros servidores Simples e permite distribuir sistemas centralizados muito directamente Mas pouco escalável: limitado pela capacidade do servidor e pela rede que o liga aos clientes Client invocation invocation Server result Server result Client Key: Process: Computer: 13/14 Sistemas Distribuídos 52 17

18 Modelo Entre-Pares (Peer-to-Peer) Todos os processos têm papéis semelhantes, sem distinção entre clientes e servidores Mais ampla distribuição de carga (computação e rede) Maior escalabilidade Sistema expande-se acrescentando mais pares Coordenação mais complicada que clienteservidor Sharable objects Peers 5... N Peer 1 Application Peer 2 Application Peer 3 Application Peer 4 Application 13/14 Sistemas Distribuídos 53 Entre-Pares (Peer-to-Peer) 13/14 Sistemas Distribuídos 54 18

19 Como mapear objectos e serviços no modelo físico? 13/14 Sistemas Distribuídos 55 Serviço Oferecido por Múltiplos Servidores Distribui carga do servidor por múltiplos servidores Duas opções: Particionamento: cada servidor mantém uma partição do conjunto de objectos Replicação: todos os servidores mantêm réplicas do mesmo conjunto de objectos Client Client Service Server Server Server 13/14 Sistemas Distribuídos 56 19

20 Serviço Oferecido por Múltiplos Servidores 13/14 Sistemas Distribuídos 57 Servidores Proxy e Caches Mantêm cópias de sub-conjunto dos objectos num computador mais próximo dos clientes Melhor desempenho e disponibilidade Outros objectivos: por exemplo, acesso ao exterior através de firewall Client Proxy server Web server Client Web server 13/14 Sistemas Distribuídos 58 20

21 Servidores Proxy e Caches 13/14 Sistemas Distribuídos 59 Código Móvel (Applets) a) client request results in the downloading of applet code Client Applet code Web server b) client interacts with the applet Client Applet Web server Parte do código do servidor é transferido para o cliente e executado localmente Execução não sofre com atrasos de rede e variações de largura de banda Bom desempenho de aplicações interactivas 13/14 Sistemas Distribuídos 60 21

22 Código Móvel (Applets) 13/14 Sistemas Distribuídos 61 Agentes móveis Programa em execução (código+dados) que viaja de um computador para outro na rede Executa alguma tarefa em nome de alguém Em cada computador, invoca serviços locais (e.g. acesso a BD local para consultar informação local) Comparado com a solução de ter um cliente remoto a invocar os mesmos serviços remotamente: Menor custo e tempo de comunicação 13/14 Sistemas Distribuídos 62 22

23 Modelos fundamentais 13/14 Sistemas Distribuídos 63 Modelos fundamentais Explicitam quais são as entidades e características essenciais de um sistema Permitem-nos: Generalizar o o que é possível e impossível resolver nesse modelo (por provas matemáticas Desenhar soluções mais facilmente, pois não pensamos nos detalhes de hardware, etc Provar matematicamente propriedades das nossas soluções fiabilidade, desempenho, escalabilidade, segurança Determinar facilmente se determinada solução funciona num sistema em particular basta verificar se os pressupostos do modelo usado para a solução se verificam no sistema em particular 13/14 Sistemas Distribuídos 64 23

24 Modelos fundamentais Logo, antes de desenhar qualquer solução, é muito boa prática definir os modelos fundamentais! Três modelos fundamentais: Modelo de interacção Modelo de faltas Modelo de segurança 13/14 Sistemas Distribuídos 65 Modelo de Interacção Mais à frente no semestre, analisaremos modelos de interacção em maior detalhe Pressupostos sobre o canal de comunicação? Latência, que inclui: Tempo de espera até ter acesso à rede + Tempo de transmissão da mensagem pela rede + Tempo de processamento gasto em processamento local para enviar e receber a mensagem Largura de banda Quantidade de informação que pode ser transmitida simultaneamente pela rede Jitter Que variação no tempo de entrega de uma mensagem é possível? Canal assegura ordem de mensagens? Mensagem pode chegar repetida? E sobre os relógios locais? Taxa com que cada relógio local se desvia do tempo absoluto 13/14 Sistemas Distribuídos 66 24

25 Modelo de Falhas Que componentes podem falhar? De que forma podem falhar? Por enquanto, assumiremos modelo simples: Processos podem falhar silenciosamente Mensagens podem perder-se na rede Mais à frente no semestre, analisaremos outros modelos de falhas em maior detalhe 13/14 Sistemas Distribuídos 67 Modelo de Segurança Que ameaças existem sobre o sistema? Que ataques são possíveis? Por enquanto, assumiremos que não existem quaisquer ameaças sobre o sistema Mais à frente no semestre, analisaremos modelos de segurança mais realistas 13/14 Sistemas Distribuídos 68 25