Sistemas Distribuídos Capítulos 2 e 3: Modelos, Arquitecturas e Revisão de Redes

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1 Sistemas Distribuídos Capítulos 2 e 3: Modelos, Arquitecturas e Revisão de Redes Modelos de Arquitecturas para sistemas distribuidos Interfaces e Objectos Sistemas Distribuidos º semestre 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 Sistemas Distribuidos

2 Principais arquitecturas de sistemas distribuídos Cliente-Servidor Entre-Pares (peer-to-peer) Variantes do Cliente-Servidor: Serviços oferecidos por múltiplos servidores Servidores proxy e caches Código Móvel Agentes Móveis Network Computer Thin Clients Dispositivos móveis e interação espontânea Sistemas Distribuidos º semestre 3 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 Serv er result Serv er result Client Key: Process: Computer: Sistemas Distribuidos º semestre 4

3 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 Serv er Serv er Serv er Sistemas Distribuidos º semestre 5 Serviço Oferecido por Múltiplos Servidores Sistemas Distribuidos º semestre 6

4 Servidores Proxy e Caches Mantêm cópias de sub-conjunto dos objectos num computador mais próximo dos clientes > desempenho e disponibilidade Outros objectivos: e.g., acesso ao exterior através de firewall Client Prox y server Web server Client Web server Sistemas Distribuidos º semestre 7 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 N Peer-1 Application Peer-2 Application Peer-3 Application Peer-4 Application Sistemas Distribuidos º semestre 8

5 Entre-Pares (Peer-to-Peer) Sistemas Distribuidos º semestre 9 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 Sistemas Distribuidos º semestre 10

6 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 Sistemas Distribuidos º semestre 11 Network Computers Sistema operativo e aplicações existem num servidor de ficheiros remoto Clientes não mantêm sistema operativo logo ficam livres das tarefas de gestão associadas Clientes executam ficheiros que obtêm pela rede Mecanismos de caching são fundamentais para desempenho aceitável Sistemas Distribuidos º semestre 12

7 Thin Clients Tal como network computer, alivia o cliente dos custos de administração de um sistema operativo No entanto, código é agora executado no servidor Cliente oferece apenas a interface utilizador, pode ser computador muito simples Network computer or PC! Compute server! Thin! Client! network! Application! Process! Sistemas Distribuidos º semestre 13 Interacção espontânea Associações entre clientes e servidores são estabelecidas e terminadas frequentemente Normalmente, clientes são computadores móveis (e.g. PDAs, telemóveis), servidores são fixos ou móveis Sistemas Distribuidos º semestre 14

8 Sistemas Distribuídos Capítulo 3: Revisão de Redes Modelo de Comunicação Redes de Dados Exemplos de Interfaces Sistemas Distribuidos º semestre 16 Programação da comunicação: modelo Processo porto Canal de comunicação porto Processo API da comunicação rede transporte rede lógico físico modo utilizador modo sistema Sistemas Distribuidos º semestre 18

9 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 Sistemas Distribuidos º semestre 19 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 Sistemas Distribuidos º semestre 21

10 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 Sistemas Distribuidos º semestre 22 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 nas tecnologias tradicionais Topologia malhada com redundância Necessidade de encaminhamento Grande escalabilidade Menor tolerância a faltas Sistemas Distribuidos º semestre 24

11 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. Sistemas Distribuidos º semestre 25 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 Sistemas Distribuidos º semestre 26

12 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 Sistemas Distribuidos º semestre 27 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 Sistemas Distribuidos º semestre 28

13 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 Sistemas Distribuidos º semestre 29 OSI Níveis superiores do Modelo Os restantes níveis do modelo OSI implicam a integração com os sistemas operativos e com as aplicações São em grande parte o objecto desta cadeira, Embora alguns protocolos de nível aplicacional possam ser vistos como de transporte de informação Aplicação HTTP, FTP, SMTP, Corba, IIOP, SOAP, RMI Apresentação XML, XDR Sessão Binding protocol, DCE- RPC Aplicação Apresentação Sessão transporte rede ligação física Sistemas Distribuidos º semestre 31

14 Exemplos de Interfaces Sockets Sistemas Distribuidos º semestre 32 Interface sockets Domínio do socket: define a família de protocolos associada a um socket INET: família de protocolos Internet (TCP, UDP, IP) 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) Sistemas Distribuidos º semestre 34

15 Sockets sem Ligação Servidor Cliente socket socket bind bind recvfrom sendto sendto recvfrom Sistemas Distribuidos º semestre 37 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 Sistemas Distribuidos º semestre 38

16 Sockets UDP em Java (Servidor) import java.net*; import java.io*; public class UDPServer{ } public static void main(string args[]){ } DatagramSocket asocket = null; try{ asocket = new DatagramSocket(6789); byte[] buffer = new byte [1000]; while(true){ DatagramPacket request = new DatagramPacket(buffer, buffer.legth); asocket.receive(request); Recebe mensagem DatagramPacket reply = new DatagramPacket(request.getData(), request.getlength(); request.getaddress(), request.getport()); } asocket.send(reply); } catch (SocketException e){system.outprintln( Socket: + e.getmessage()); } catch (IOException e){system.out.println( IO: + e.getmessage()); } finally {if(asocket! = null) asocket.close();} Constrói um socket datagram (associado ao porto 6789) Extrai da mensagem o IP e porto do processo origem para responder Sistemas Distribuidos º semestre 39 Sockets com Ligação Servidor Cliente socket Servidor Cliente bind Socket Escuta 3-way handshake listen accept socket connect Socket Ligação bytes bytes Socket Cliente read write write read Sistemas Distribuidos º semestre 40

17 Sockets Stream em Java (Cliente) WriteUTF / readutf para Universal transfer format / para as cadeias de caracteres import java.net*; import java.io*; public class TCPClient{ public static void main(string args[]){ classe Socket suporta o socket // args: message and destin. hostname cliente. Argumentos: nome DNS Socket s = null; do servidor e o porto. try{ Construtor não só cria o socket como efectua a ligação TCP } int server Port = 7896; s = new Socket (args[1], serverport); DataInputStream = new DataInputStream(s.getInputStream()); DataOutputStream out = newdataoutputstream (s.getoutputstream()); Métodos getinputstream / out.writeutf(args[0]); getoutputstream permitem String data = in.readutf(); aceder aos dois streams System.out.prtintln( Received: + data); definidos pelo socket }catch (UnknownHostException e){ System.out.println( Sock: + e.getmessage()); }catch (EOFException 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} Sistemas Distribuidos º semestre 41 Sockets Stream em Java (Servidor) import java.net*; import java.io*; public class TCPServer{ public static void main(string args[]){ try{ } } Cria socket servidor que fica à escuta no porto serverport int server Port = 7896; ServerSocket listensocket = new ServerSocket(serverPort); while(true){ Socket connectionsocket = listensocket.accept(); myconnection c = new myconnection(connectionsocket); Bloqueia até cliente estabelecer ligação. } }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 Sistemas Distribuidos º semestre 42

18 Sockets em Unix Sockets Datagram em Unix Cliente s=socket(af_net, SOCK_DGRAM,0) bind(s, ClientAddress) sendto(s, message, ServerAddress) Servidor s=socket(af_net, SOCK_DGRAM,0) bind(s, ServerAddress) amount=recvfrom(s, buffer, from) Cliente Sockets Stream em Unix Servidor s=socket(af_net, SOCK_STREAM,0) connect(s, ServerAddress) write(s, message, length) s=socket(af_net, SOCK_STREAM,0) bind(s, ServerAddress) Listen(s, 5) snew=accept(s, ClientAddress) n=read(snew, buffer, amount) Sistemas Distribuidos º semestre 43 Capitulo 2: Interfaces e Objectos Sistemas Distribuidos º semestre 52

19 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 Sistemas Distribuidos º semestre 53 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 Sistemas Distribuidos º semestre 54

20 Plataformas cliente-servidor Interacção via RPC (Remote Procedure Call) Definição clara de interfaces de serviços Linguagem de especificação de interfaces Ambiente de desenvolvimento Serviços fornecidos pelos SO Gestão de nomes Sistema de ficheiros distribuído Sincronização de relógios Mecanismos de segurança Autenticidade Privacidade Máquina A Serviço Serviço do do SO SO Serviço Serviço do do SO SO (cliente) (cliente) (servidor) (servidor) aplicação RPC run-time support Sockets, TLI Nível 7 aplicação Níveis 6 a 5 Nível 4 Transporte Níveis 3 a 1 Sistemas Distribuidos º semestre 55 Exemplo de Plataformas Exemplos ONC - Open Networking Computing Sun Microsystems DCE - Distributed Computing Environment Open Software Foundation Exemplo: Sistema de Ficheiros Distribuído aplicação aplicação Sistema de ficheiros E/S Gestão de memória Comunicação entre processos Gestão de processos E/S Gestão de memória Comunicação entre processos Gestão de processos Sistemas Distribuidos º semestre 57

21 Invocação de Objectos Remotos Objecto remoto Interface Remota Dados m1 m2 m3 Código dos métodos m4 m5 m6 Exemplos de Plataformas SOAP protocolo de invocação remota de Web services RMI do Java DCOM Distributed Component Object Model - Microsoft Common Object Request Broker Architecture (CORBA) - Object Management Group (OMG) Sistemas Distribuidos º semestre 59 Modelos Fundamentais Sistemas Distribuidos º semestre 66

22 Modelo Interacções Performance dos canais de comunicação Atraso, jitter, largura de banda Performance da comunicação impõe normalmente limitações Relógios dos computadores e eventos temporais Impossibilidade de manter relógios num sistema distribuído com um valor único e global Ritmo de desvio dos relógios variável Sincronização de relógios (e.g. GPS) 2 variantes do modelo Sistema distribuído sincrono Sistema distribuído assincrono Ordem de eventos Ordenação em tempo-real de eventos Sistemas Distribuidos º semestre 67 Modelo de Faltas Faltas de temporização Faltas de Omissão e Faltas arbitrárias Faltas de Omissão e Arbitrárias Mascarar Faltas Comunicação fiável Sistemas Distribuidos º semestre 68

23 Modelo de Segurança Protecção de Objectos Segurança de processos e suas interacções Modelização de ameaças Ameaças a processos Ameaças aos canais de comunicação Ameaças à disponibilidade (Denial of Service) Mecanismos de Segurança Sistemas Distribuidos º semestre 69

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