Capítulo 15: Estruturas de Sistemas Distribuídos. Um Sistema Distribuído. Sistemas Operacionais de Rede. Motivação

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1 Capítulo 15: Estruturas de Sistemas Distribuídos Um Sistema Distribuído Aspectos Básicos Topologia Tipos de Rede Comunicação Protocolos de Comunicação Robustez Aspectos de Projeto Exemplo de Redes Estratégias de Projeto Motivação Compartilhamento de recursos compartilhar e imprimir arquivos em instalações remotas processar informações em um banco de dados distribuído usar dispositivos de hardware especializados remotos Aumento da velocidade de computação compartilhamento de carga Confiabilidade detectar e recuperar-se de falhas, transferência de função, reintegração da instalação falha Comunicação troca de mensagens Sistemas Operacionais de Rede Os usuários estão cientes da multiplicidade de máquinas; o acesso aos recursos das várias máquinas é feito explicitamente por: Login remoto na máquina remota apropriada Transferência de dados das máquinas remotas para as máquinas locais através do mecanismo FTP (File Transfer Protocol)

2 Sistemas Operacionais Distribuídos Os usuários não estão cientes da multiplicidade de máquinas; o acesso aos recursos remotos é semelhante ao acesso aos recursos locais Migração de dados transferência de dados transferindo todo o arquivo ou apenas as partes do arquivo que são necessárias para a tarefa imediata Migração de computação transferência da computação, não dos dados, através do sistema Sistemas Operacionais Distribuídos Migração de processo executa um processo inteiro, ou partes dele, em diferentes instalações Balanceamento de carga distribui processos através da rede para uniformizar a carga de trabalho Aumento da velocidade de computação os subprocessos podem ser executados simultaneamente em diferentes instalações Preferência de hardware a execução do processo pode exigir um processador especializado Preferência de software o software necessário pode estar disponível apenas em uma determinada instalação Acesso aos dados executa o processo remotamente em vez de transferir todos os dados localmente Topologia Topologia As instalações em um sistema distribuído podem ser conectadas fisicamente de diversas maneiras; elas são comparadas conforme os seguintes critérios: Custo de instalação: Quanto custa para interligar as várias instalações no sistema? Custo de comunicação: Quanto tempo é gasto para enviar uma mensagem da instalação A para a instalação B? Confiabilidade. Se um enlace ou instalação no sistema falhar, as outras instalações ainda poderão se comunicar entre si? As diversas topologias são representadas como gráficos cujos nós correspondem às instalações. Uma aresta do nó A para o nó B corresponde a uma conexão direta entre as duas instalações Os seis itens a seguir representam as várias topologias de rede

3 Topologia de Rede Tipos de Rede Rede local (Local Area Network - LAN) projetada para cobrir uma pequena área geográfica Rede com barramento multiacesso, anel ou estrela Velocidade 10 megabits/segundo ou mais alta Broadcast é rápido e barato Nós: normalmente, as estações de trabalho e/ou computadores pessoais alguns (geralmente um ou dois) computadores de grande porte Tipos de Rede Tipos de Rede Representação de uma rede local típica: Rede remota (WAN) interliga instalações geograficamente separadas Conexões ponto-a-ponto através de linhas de longa distância (freqüentemente alugadas de uma companhia telefônica) Velocidade 100 kilobits/segundo Broadcast normalmente exige múltiplas mensagens Nós: geralmente, uma alta porcentagem de computadores de grande porte

4 Processadores de Comunicação em uma WAN Comunicação O projeto de uma rede de comunicação precisa enfocar quatro questões básicas: Nomeação e tradução de nomes: Como dois processos localizam um ao outro para se comunicarem? Estratégias de roteamento: Como as mensagens são enviadas através da rede? Estratégias de conexão: Como dois processos enviam uma seqüência de mensagens? Disputa: Como a rede é um recurso compartilhado, como resolvemos as demandas conflitantes para seu uso? Nomeação e Tradução de Nomes Estratégias de Roteamento Nomeie os sistemas na rede Enderece as mensagens com o ID de processo Identifique os processos nos sistemas remotos como: <nomehost, identificador> par Domain Name Service (DNS) especifica a estrutura de nomeação dos hosts, bem como o nome para a tradução de endereço (Internet) Roteamento fixo. Um caminho de A para B é previamente especificado e não muda a menos que uma falha do hardware o desative Como o caminho mais curto normalmente é o escolhido, os custos de comunicação são minimizados O roteamento fixo não pode se adaptar a mudanças de carga Garante que as mensagens serão entregues na ordem em que foram enviadas

5 Estratégias de Roteamento Estratégias de Roteamento Circuito virtual. Um caminho de A para B éfixo pela duração de uma sessão. Diferentes sessões envolvendo mensagens de A para B podem usar diferentes caminhos Solução parcial para se adaptar a mudanças de carga Garante que as mensagens serão entregues na ordem em que foram enviadas Roteamento dinâmico. O caminho usado para enviar uma mensagem de A para B é escolhido somente quando uma mensagem é enviada Normalmente, uma instalação envia uma mensagem para outra instalação no enlace menos utilizado nesse momento específico Se adapta a mudanças de carga evitando rotear mensagens em caminhos intensamente usados As mensagens podem chegar fora de ordem. Esse problema pode ser resolvido anexando um número de seqüência a cada mensagem. Estratégias de Conexão Estratégias de Conexão Comutação de circuitos: Um enlace físico permanente é estabelecido pela duração da comunicação (por exemplo, sistema telefônico) Comutação de mensagens: Um enlace temporário é estabelecido pela duração de uma transferência de mensagem (por exemplo, sistema de correio) Comutação de pacotes: Mensagens de tamanho variável são divididas em pacotes de tamanho fixo, que são enviados ao seu destino. Cada pacote pode seguir um caminho diferente pela rede. Os pacotes precisam ser remontados em mensagens à medida que chegam. A comutação de circuitos exige tempo de preparação, mas gera menos custo adicional para enviar cada mensagem e pode desperdiçar largura de banda da rede. A comutação de mensagens e pacotes exige menos tempo de preparação, mas ocasiona um custo adicional maior por mensagem.

6 Contenção Contenção Várias instalações podem querer transmitir informações através de um enlace simultaneamente. As técnicas para evitar colisões repetidas incluem: CSMA/CD. Carrier Sense with Multiple Access (CSMA); detecção de colisão (CD) Uma instalação determina se outra mensagem está sendo transmitida atualmente através desse enlace. Se duas ou mais instalações começarem a transmitir exatamente ao mesmo tempo, então elas registrarão um CD e deixarão de transmitir. Quando o sistema está muito carregado, muitas colisões podem ocorrer e, portanto, o desempenho pode ser prejudicado. O CSMA/CD é usado com sucesso no sistema Ethernet, o sistema de rede mais comum Contenção Contenção Passagem de Token: Um tipo de mensagem exclusivo, conhecido como ficha (ou token), circula continuamente no sistema (normalmente, uma estrutura de anel). Uma instalação que queira transmitir informações precisa esperar até que a ficha chegue. Quando a instalação termina sua rodada de passagem de tokens, ela retransmite a ficha. Um esquema de passagem de tokens foi adotado pelos sistemas IBM e HP/Apollo. Slots de mensagem. Diversos slots de mensagem de tamanho fixo circulam continuamente no sistema (normalmente uma estrutura em anel). Como um slot pode conter apenas mensagens de tamanho fixo, uma única mensagem lógica pode precisar ser dividida em vários pacotes menores, cada um enviado em um slot separado. Esse esquema foi adotado no Cambridge Digital Communication Ring Experimental.

7 Protocolo de Comunicação A rede de comunicações é dividida nas seguintes camadas: Camada física Cuida dos detalhes mecânicos e elétricos da transmissão física de um fluxo de bits Camada de enlace de dados É responsável por tratar dos frames, ou partes de pacotes de tamanho fixo, incluindo qualquer detecção e recuperação de erro que tenha ocorrido na camada física Camada de rede Incumbida do fornecimento de conexões e do roteamento de pacotes na rede de comunicação, incluindo o tratamento do endereço dos pacotes de saída, decodificação do endereço dos pacotes que chegam e manutenção de informações de roteamento para a resposta apropriada a níveis de carga variáveis Protocolo de Comunicação Camada de transporte Responsável pelo acesso em baixo nível para a rede e pela transferência de mensagens entre os clientes, incluindo o desmembramento de mensagens em pacotes, a manutenção da ordem dos pacotes, o controle de fluxo e a geração de endereços físicos Camada de sessão Implementa sessões, ou protocolos de comunicação de processo a processo Camada de apresentação Responsável por resolver as diferenças nos formatos entre as diversas instalações na rede, incluindo conversões de caracteres e modos half-duplex e full-duplex (eco de caracteres) Camada de aplicação Interage diretamente com os usuários, cuida da transferência de arquivo, protocolos de login remoto e correio eletrônico, bem como esquemas para bancos de dados distribuídos Comunicação Através do Modelo de Rede ISO A Camada de Protocolo ISO

8 Uma Mensagem de Rede ISO A Camada de Protocolo TCP/IP Detecção de falhas Reconfiguração Robustez Detecção de Falhas Detectar falha de hardware é uma tarefa difícil Para detectar uma falha de enlace, um procedimento de handshaking pode ser usado Suponha que as instalações A e B tenham estabelecido um enlace. Em intervalos fixos, as instalações trocarão uma mensagem estou ativa, indicando que estão em atividade. Se a instalação A não receber uma mensagem dentro do intervalo fixado, ela considera que (a) a outra instalação não está ativa ou (b) a mensagem foi perdida A instalação A agora pode enviar uma mensagem você está ativa? para a instalação B Se a instalação A não receber uma resposta, ela pode repetir a mensagem ou tentar uma rota alternativa para a instalação B

9 Detecção de Falhas Reconfiguração Se a instalação A definitivamente não receber uma resposta da instalação B, ela conclui que algum tipo de falha ocorreu Tipos de falhas: - A instalação B está parada - O enlace direto entre A e B está interrompido - O enlace alternativo de A para B está interrompido - A mensagem foi perdida Entretanto, a instalação A não pode determinar exatamente por que a falha ocorreu Quando a instalação A determina que uma falha ocorreu, ela precisa reconfigurar o sistema: 1. Se o enlace de A para B tiver falhado, essa informação precisa ser transmitida para todas as instalações no sistema 2. Se uma instalação tiver falhado, todas as outras instalações também precisam ser notificadas indicando que os serviços oferecidos pela instalação falha não estão mais disponíveis Quando o enlace ou a instalação se tornar disponível novamente, essa informação precisa ser também transmitida a todas as outras instalações Aspectos de Projeto Exemplo de Redes Transparência o sistema distribuído deve aparecer como um sistema convencional e centralizado para o usuário Tolerância a falhas o sistema distribuído deve continuar funcionando no caso de falha Escalabilidade conforme cresce a demanda, o sistema deve aceitar facilmente a inclusão de novos recursos para acomodar a maior demanda Clusters um conjunto de máquinas semi-autônomas que atuam como um único sistema A transmissão de um pacote de rede entre hosts em uma rede Ethernet Cada host possui um endereço IP exclusivo e um endereço Ethernet (MAC) correspondente A comunicação exige os dois endereços O Domain Name Service (DNS) pode ser usado para obter os endereços IP O Address Resolution Protocol (ARP) é usado para mapear endereços MAC para endereços IP Se os hosts estiverem na mesma rede, o ARP pode ser usado. Se estiverem em redes diferentes, o host emissor enviará um pacote para um roteador, que irá rotear o pacote para a rede de destino

10 Um Pacote Ethernet Estratégias de Projeto A rede de comunicações é dividida nas seguintes camadas: Camada física Cuida dos detalhes mecânicos e elétricos da transmissão física de um fluxo de bits Camada de enlace de dados É responsável por tratar dos frames, ou partes de pacotes de tamanho fixo, incluindo qualquer detecção e recuperação de erro que tenha ocorrido na camada física Camada de rede Incumbida do fornecimento de conexões e do roteamento de pacotes na rede de comunicação, incluindo o tratamento do endereço dos pacotes de saída, decodificação do endereço dos pacotes que chegam e manutenção de informações de roteamento para a resposta apropriada a níveis de carga variáveis Estratégias de Projeto Camada de transporte Responsável pelo acesso em baixo nível para a rede e pela transferência de mensagens entre os clientes, incluindo o desmembramento de mensagens em pacotes, a manutenção da ordem dos pacotes, o controle de fluxo e a geração de endereços físicos Camada de sessão Implementa sessões, ou protocolos de comunicação de processo a processo Camada de apresentação Responsável por resolver as diferenças nos formatos entre as diversas instalações na rede, incluindo conversões de caracteres e modos halfduplex e full-duplex (eco de caracteres) Camada de aplicação Interage diretamente com os usuários, cuida da transferência de arquivo, protocolos de login remoto e correio eletrônico, bem como esquemas para bancos de dados distribuídos