SistemasComputacionais. Introduçãoà Computação. Licenciatura em Segurança Informática em Redes de Computadores 2010/2011

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1 SistemasComputacionais Introduçãoà Computação Licenciatura em Segurança Informática em Redes de Computadores 2010/2011

2 Sumário Sistemas Computacionais Introdução Noções de Hardware Terminologia de Sistemas Operativos Sistemas Distribuídos 2

3 3 introdução

4 Introdução Componentes de um Sistema de Computação 4

5 Introdução Hardware Recursos físicos: CPU, memória, dispositivos de E/S (ou I/O) Programas de Sistema Incluio SistemaOperativo, quecontrolae coordenaa utilizaçãodo hardware durante a execução de vários programas de aplicação Programas de Aplicação Permitem a utilização dos recursos do sistema para resolução de problemas dos utilizadores(sistemasde base de dados, jogos, programasde gestão, etc.) 5

6 6 hardware

7 Hardware Elementos Básicos Processador Memória Principal Volátil também conhecida como memória principal Módulosde Entradae Saída(E/S oui/o) Dispositivos de memória secundária Dispositivos de comunicação Terminais Barramento do Sistema Comunicação entre processadores, memória e módulos de entrada e saída 7

8 Hardware Componentes de um Computador Pessoal Simples Monitor Bus 8

9 Hardware Processador The brain of the computer is the CPU. (Tanenbaum) Buscainstruçõesdamemóriae executa-as Cada CPU tem/conhece um conjunto de instruções bem definidas Um Pentium não sabe executar programas para SPARC e vice-versa Um CPU contém vários registos internos úteis ao seu funcionamento Poiso acessoàmemóriaémaislento 9

10 Hardware Ciclos de Clock Emcadaciclode clock, um oudoisoperandossãolidos de registose combinados na Unidade Lógica e Aritmética Frequência Número de ciclos de clock, por segundo Unidadeéo Hz 200 MHz, 1 GHz = 1000 MHz, Pipeline Técnica que permite colocar instruções numa linha de execução CPU executainstruçãon, enquantoinstruçãon+1 jáestásendodescodificada, e instruçãon+2 sendo lida da memória Pretendesuperarlimitaçõesdo tradicionalmétodo Ler descodificar executar umainstrução 10

11 Hardware Pipeline a) pipeline de três estados b) CPU superescalar Permite a execução de várias instruções no mesmo ciclo de clock 11

12 Hardware Memória Registos internos do CPU Mesmo material que o CPU (internos a este), praticamente sem atrasos no acesso Tipicamente32 x 32 bits (CPUs de 32 bits) e 64 x 64 (CPUs de 64 bits) Cache Quando CPU necessita de aceder à RAM, verifica primeiro na cache Cache hits encontrao quepretendenacache Diferentes níveis de cache (ex.: Cache L1, Cache L2) RAM Memória Principal Disco duro/rígido Outros Tapes geralmente usada para suporte a backups/armazenar grande quantidade de dados 12

13 Hardware Hierarquia de memória Os dados apresentados são aproximações(tempo Acesso VS. Capacidade) 13

14 Hardware Discos Estrutura de um disco 14

15 Hardware Discos Parâmetros de funcionamento para dois discos distintos 15

16 Hardware Bus Barramento de interligação Via de comunicação que liga dois ou mais dispositivos É um meio de transmissão partilhado(vários dispositivos ligam-se a ele para transmitir/receber dados) Geralmente são constituídos por várias linhas de comunicação(cada linha poderá transmitir os sinais binários[0, 1]) Tipos de barramentos Barramento de Sistema(ou local) interliga componentes principais(ex.: CPU, memória, E/S) Barramentosde Expansão interligacontroladoresde E/S (permiteisolaro tráfegoentre CPU e RAM do tráfego E/S) 16

17 Hardware Implementações de Bus IDE Integrated Drive Electronics Éum padrãotipoparadiscos emsistemaspentium (e nãosó) SCSI Small Computer System Interface Barramentode altaperformance, especialmentedesenvolvidoparadiscos (scanners, etc.) rápidos Conseguem taxas de transferências até 160 MB/s USB Universal Serial Bus Usaconectorde 4 pinos(doisdos quaissãoparafornecimentode energia-serial) Partilham o mesmo device driver Procurade novosdados a cada1 ms USB Mbps, USB Mbps, USB 3.0 quaseaté5 Gbps IEEE 1394 (apelidado de FireWire pela Apple) Taxas de transferência até 50 MB/s (muito usado em dispositivos multimédia- câmaras) 17

18 Hardware Bus Ponte PCI estabelece uma conexão/interface entre o barramento do sistema e o barramento PCI (uma espécie de chip especial ) Estruturade um sistemapentium Note o númerode barramentos-cache, local, memória, PCI, SCSI, USB, IDE, e ISA 18

19 Hardware Device Controllers Dispositivos de E/S contém duas partes: mecânica e electrónica A parte electrónica é denominada controlador do dispositivo Device Controller um chipouconjuntode chips Aceita comandos provenientes do SO, como ler, escrever, etc., apresentando uma interface acessível ao SO Converte bits transmitidos em série num bloco de Bytes Executa acções de correcção sobre erros 19

20 Hardware Device Controllers Propriedades Principais TransferênciasíncronaVS Assíncrona transferênciasde umasóvezvs geridas por interrupções Buffering dados provenientes de um dispositivo não são armazenados directamente no destino final Dispositivos partilhados VS Dedicados discos podem ser partilhados, mas tape drives não 20

21 Hardware DMA Direct Memory Access Acesso directo à memória Dados de E/S são trocados directamente entre a memória e dispositivo(sem intervenção do processador) Processador dá autoridade inicial ao módulo de E/S para ler de/escrever na memória CPU fica liberta desta gestão para realizar outras tarefas 21

22 Hardware DMA Direct Memory Access 22

23 23 Sistemasoperativos

24 SistemasOperativos Sistema Operativo Esconde os detalhes necessários ao funcionamento/gestão da máquina Apresenta ao utilizador uma máquina virtual de fácil utilização Gere os recursos(memória primária, secundária, CPU), atribuindo a cada programaum conjuntobemdefinidode tempo e espaçoparautilizaçãodos recursos Explora recursos de hardware de um ou mais processadores Disponibiliza um conjunto de serviços ao utilizador 24

25 SistemasOperativos Kernel Núcleo/parte central do Sistema Operativo É o primeiro/principal programa do sistema a executar Responsável pela gestão do próprio sistema(gere processos e hardware) Modo de Execução das Instruções User Mode Somente um conjunto de instruções são permitidas executar Kernel Mode É permitido executar todas as instruções, tendo o SO acesso total ao hardware Quase todos os processadores suportam os dois modos de execução (excepto, por exemplo, os embebidos mais simples) 25

26 SistemasOperativos Espaço de memória Kernel Space Espaço onde o kernel executa User Space Espaço de execução dos processos de utilizador System Calls Chamadas ao sistema, solicitando serviços Ex.: Operações de E/S, criação de processos Permitem que o programa de um utilizador invoque serviços do próprio Sistema Operativo Pedidos são interceptados pelo kernel De outra forma, programa do utilizador não teria permissões para aceder a recurso 26

27 SistemasOperativos Interrupts Interrupções- interrompem a sequência normal da execução do CPU Dispositivosde E/S sãogeralmentemaislentos do quea CPU 27 (a) a) Passos desde iniciar o módulo E/S até receber um interrupt b) Tratamentodo interrupt(aceitar executarrespectivoprograma voltaraoprog.) (b)

28 SistemasOperativos Tipos de Interrupts Programa ocorre como resultado de uma instrução(ex.: divisão por 0) Timer (relógio) gerada por relógio interno ao CPU (SO executa certas operações com regularidade) E/S geradaporum controlador(driver) de um dispositivode E/S Falha no hardware ex.: falta de energia, erro paridade na memória 28

29 SistemasOperativos Interrupt Handler Programa ou rotina que é executado quando uma determinada interrupção ocorre Geralmente faz parte do SO Ex.: programaqueserve um dispositivode E/S Ex.: movimento do rato 29

30 SistemasOperativos Device Drivers Dispositivos Controladores Device Drivers (software) Device controllers (hardware) Software próprio desenvolvido para cada device controller Responsável pela comunicação com o device controller, numa linguagem comum a ambos, pelo envio de comandos e recepção de respostas Colocadono SO de forma a executaremkernel mode Teoricamente, osdrivers podem executar fora do kernel, mas restrições de segurança normalmente impedem essa abordagem/aceitação pelos SOs 30

31 31 Sistemasdistribuídos

32 SistemasDistribuídos O que é um Sistema Distribuído? A collection of independent computers that appears to its users as a single coherent system. (Tanenbaum& Van Steen, Distributed Systems: Principles and Paradigms, 2e,(c) 2007 Prentice- Hall, Inc. All rights reserved ) Conjunto de componentes(hardware e software) autónomos que, por cooperarem entre si, tentam dar ao utilizador uma imagem una 32

33 SistemasDistribuídos Implementação Adaptação e utilização dos sistemas clássicos Exemplos: Servidores de CPU, serviço de ficheiros, WWW, etc. 33

34 SistemasDistribuídos Modelo Cliente Servidor Modelo de comunicação de referência na Internet Assenta no conceito de prestação de serviços Separa clientes e servidores Dois grupos de intervenientes comunicam entre si geralmente utilizando uma rede de computadores Um cliente envia solicitações ao servidor No servidor executam processos que implementam serviços específicos (impressão, partilha de ficheiros, Web, Bases de Dados, etc.) 34 O conceito é aplicado em diversos usos e aplicações

35 SistemasDistribuídos Servidor Desempenha um papel passivo Aguarda pelo contacto dos clientes Não conhece os clientes até ser contactado por eles Executa o serviço solicitado pelo cliente, devolvendo-lhe uma resposta Exemplo de serviços Serviço de ficheiros Serviço de impressão Serviço proxy Serviço Web 35

36 SistemasDistribuídos Cliente Desempenha um papel activo Contacta o servidor, efectua um pedido e aguarda pela resposta Tipicamente utilizado directamente pelo utilizador Tem de conhecer previamente o endereço do servidor 36

37 SistemasDistribuídos Modelo Cliente Servidor 37 Co-existência numa rede de um servidor e vários clientes

38 SistemasDistribuídos Modelo Cliente Servidor Interacção genérica entre um cliente e um servidor 38

39 SistemasDistribuídos Modelo Cliente Servidor Doisclientese um servidorcom SO de rede(ex.: GNU/Linux) Comunicação com base num conjunto de protocolos 39

40 SistemasDistribuídos Modelo Cliente Servidor Vantagens Concentração de recursos(ficheiros, impressoras, aplicações, etc.) num único ponto permite melhor controlo e administração Maior segurança Acesso mais simples Desvantagens Ponto único de falha servidor inoperacional implica que a rede não funcione Necessidade de administrador experiente para gerir e colmatar rapidamente possíveis falhas 40

41 SistemasDistribuídos Peer-to-peer (P2P) Arquitectura descentralizada Proveniente do inglês Ponto-a-Ponto Rede linear, rede distribuída ou rede não hierárquica Caracteriza pela descentralização das funções na rede Um computador pode actuar simultaneamente como servidor e/ou cliente Cada utilizador controla os seus próprios recursos Cada terminal realiza tanto funções de servidor como de cliente 41

42 SistemasDistribuídos Peer-to-peer (P2P) Arquitectura de uma rede Peer-to-Peer 42

43 SistemasDistribuídos Arquitecturas Modernas 43 Exemplo de distribuição horizontal de um serviço Web

44 SistemasDistribuídos Cluster Computing Tornaram-se populares devido à melhoria da relação preço/ performance Construção de super-computadores com base em máquinas relativamente baratas, acopladas através de uma rede de elevado débito Permite a uma aplicação executar paralelamente em várias máquinas Normalmente, o cluster assenta num conjunto homogéneo de máquinas (mesmas características de hardware, mesmo SO, ligadas à mesma rede) 44

45 SistemasDistribuídos Cluster Computing 45 O nómestre Pode consistir num par de alta-disponibilidade Contém informação sobre o cluster (ex.: contas de utilizador) Monitora o correcto funcionamento do cluster

46 SistemasDistribuídos Cluster Computing Propriedades desejadas Utilizadores não sabem que estão a usar um cluster Os nósdesconhecemquefazemparte de um cluster Aplicações desconhecem pertencer a um cluster Servidoresdaredenãonecessitamsaber queestãoa servirum nódo cluster Vantagens Alta disponibilidade continuidade de serviço, mesmo em caso de falha de hardware ou software Aumentode escalabilidade possibilitaa introduçãode novoscomponentes/nósconformeo aumento de carga do sistema Simplificação da tarefa de administração administração do grupo como se de um só sistema/nó se tratasse Nãoexisteum únicopontode falha 46

47 SistemasDistribuídos Grid Computing A ideia é ter um conjunto de recursos disponível ao utilizador Infra-estruturaésemelhanteàredeeléctricade fornecimentode electricidade Utilizador liga-se para obter poder computacional CPU, armazenamento, software, periféricos, etc. Utilizadornãose preocupacom detalhesdo local ondeosdados são armazenados ou qual o computador que processa o seu pedido 47

48 SistemasDistribuídos Grid Computing Utilização de recursos computacionais interligados e geograficamente dispersos, para partilha de recursos(ex.: espaço e computação) Combinaçãodo poderde múltiplasmáquinasparaentregarperformance superior (velocidade, escalabilidade, débito) Ao contrário de um cluster, as máquinas associadas a uma Grid são bastante heterogéneas(grids são dinâmicas, heterogéneas e poderão incluir dispositivos partilhados) Nãoexisteregraparahardware, SO, rede, domíniosadministrativos, segurança, políticas, etc. Uma Grid pode conter clusters, mas um cluster não contém Grids 48

49 SistemasDistribuídos Grid Computing Características Heterogeneidade Recursos heterogéneos, variedade de tecnologia Escalabilidade Capacidade de crescer, sem perda de desempenho( ) Partilha de recursos Recursos não devem ser consumidos por uma única aplicação Multiplicidade de domínios administrativos Umaorganizaçãopossuias suasprópriasrestriçõese regrasno usodos recursos, devendoser respeitadas Dinamicidade e adaptabilidade Atenção à disponibilidade dos recursos 49

50 SistemasDistribuídos Grid Computing 50

51 SistemasDistribuídos Cloud Computing Aplicações disponíveis como um serviço acessível através da Internet Sistemas e hardware em datacenters que suportam estes serviços Utilizae implementatécnicasde virtualização, escalabilidade, interoperabilidade, qualidadede serviço, mecanismosde supressãode falhas, elasticidade, etc. 51

52 SistemasDistribuídos Cloud Computing Camadas de serviço Acesso a aplicações Utilizador final Plataforma para construção e disponibilizaçãode aplicações Eucalyptus Nimbus OpenNebula Etc. 52

53 SistemasDistribuídos Importância do Cloud Computing Dá ao utilizador a ilusão de um conjunto infinito de recursos Capacidade de pagar o uso efectivo dos recursos computacionais Decrementodaelectricidadeconsumida, largurade banda, operações, software economia de escala Os recursos são disponibilizados à medida das necessidades dos utilizadores Eliminaoscustosassociadosàcompra, configuraçãoe gestãode hardware e software necessário à disponibilização das aplicações As aplicações são disponibilizadas como um serviço 53

54 SistemasDistribuídos Cloud Computing Virtual Applications Virtual Client Virtual Client Virtual Client Virtual Client Private Cloud App Loads App Loads App Loads App Loads App Loads Federation Virtualization Virtualized Data Center Information Cloud Computing 54 Internal Cloud Security External Cloud

55 SistemasDistribuídos Cloud Computing Casosde Uso A team at Clemson University and CERN has used OpenNebulato deploy thousands of VMson 400 hosts (3,200 cores) running Xen OpenNebula was integrated in internal network and configuration management Contributed drivers for using LVM based disk images The DgridResource Center Ruhr (DGRZR) has used OpenNebulato manage 248 Blades with a total of 1,984 cores. OpenNebulais used to support the execution of a virtualized Grid site in D-Grid and EGEE SARA High Performance Computing Center uses OpenNebulain its new HPC Cloud service on 128 cores across 16servers with KVM OpenNebula is used to support the execution of virtual clusters and HPC applications Authors of the OpenNebula Management Console 55

56 Bibliografiarecomendada Curiosidades: Andrew S. Tanenbaum. Modern Operating Systems (2nd Edition). Prentice Hall, 2001 ISBN: Katarina Stanoevska-Slabeva, Thomas Wozniak, Santi Ristol. Grid and Cloud Computing: A Business Perspective on Technology and Applications (1st Edition). Springer, 2009 ISBN: REF [Altino

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