Sistemas Distribuídos I
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- Cacilda Leão Sabala
- 8 Há anos
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1 Sistemas Distribuídos I Capítulo 2 Arquitecturas e Modelos de Sistemas Distribuídos Sistemas P2P Organização do Capítulo Modelos Arquitecturais Modelo /Servidor Modelo -to- Redes Sobrepostas Middleware P2P (DHTs) Pastry Aplicações : Past
2 Arquitectura A arquitectura de um sistema distribuído dá uma visão global do mesmo: Define os componentes e identifica as suas funções de forma simples e abstracta Identifica a localização dos componentes na rede Identifica as relações entre os componentes (incluindo os padrões de comunicação) A arquitectura tem implicações no desempenho, fiabilidade e segurança do sistema Fundamental! /Servidor (C/S) Servidor pedido / resposta Sistema em que os processos podem ser classificados em dois tipos, de acordo com o seu modo de operação: : programa que solicita pedidos a um processo servidor Servidor: programa que executa operações solicitadas pelos clientes, respondendo com o respectivo resultado
3 C/S : propriedades É o modelo mais comum e usado na prática: Modelo de interacção simples; de fácil implementação Segurança concentrada no servidor Servidor é um ponto de falha único Não escala para além de certos limites (servidor pode tornar-se um ponto de contenção) Variantes podem colmatar certos problemas... particionamento, replicação, hierarquia, etc... Variantes C/S / Servidor replicado: Existem vários servidores idênticos, capazes de responder aos mesmos pedidos Vantagens: Permite distribuir a carga, melhorando o desempenho (potencialmente) Não existe um ponto de falha único Problemas: Manter estado do servidor coerente em todas as réplicas Recuperar da falha parcial de um servidor
4 Variantes C/S / Servidor particionado: Existem vários servidores com a mesma interface, cada um capaz de responder a uma parte dos pedidos (ex. DNS) Servidor redirige o cliente para outro servidor (iterativo) Servidor invoca o pedido noutro servidor (recursivo) Vantagens Escala Permite distribuir a carga, melhorando o desempenho (potencialmente) Não existe um ponto de falha único Problemas Falha de um servidor impede acesso aos dados presentes nesse servidor /Servidor : Reflexão Apesar da sua simplicidade... Havendo incentivos económicos suficientes para montar e suportar a infra-estrutura adequada... - O modelo cliente/servidor tem-se mostrado, na prática, uma solução viável para diversas aplicações à escala da Internet... Google, GoogleMaps, GoogleApps, YouTube, Facebook, etc. Questão? E se esses incentivos (ainda) não existirem?
5 P2P : Motivação? Considere-se um domínio de aplicação emergente, hipotética, onde: Ainda não há incentivos (económicos) suficientes para montar uma infra-estrutura de suporte; E o serviço envolve grande número de recursos localizados junto dos próprios utilizadores, que são também eles muito numerosos? Estas duas hipóteses podem ser a principal motivação prática para explorar, ou porque foram exploradas, soluções baseadas em princípios P2P, em alternativa ao modelo C/S Sistemas -to- Um paradigma de distribuição em que os serviços são suportados directamente pelos seus clientes/ utilizadores, sem recurso a uma infra-estrutura montada e mantida explicitamente para esse fim. A motivação e o desafio residem em conseguir explorar a enorme quantidade agregada de recursos disponíveis na periferia da rede: cpu, disco, largura de banda...
6 P2P : Fundamentos Todos os processos têm responsabilidades semelhantes Durante a sua operação, podem assumir (simultaneamente ou alternadamente) o papel de clientes e servidores do mesmo serviço. Exemplo paradigmático: Partilha de ficheiros, distribuição de conteúdos P2P : Mais características Modelos de interacção e coordenação mais complexos (que num sistema cliente/servidor) Algoritmos e implementações mais complexas Por exemplo, operações de pesquisa muito mais complicadas Não existe ponto único de falha Grande potencial de escalabilidade Apropriado para ambientes em que todos os participantes querem cooperar para fornecer uma dado serviço Capacidade total agregada >> capacidade individual
7 P2P : Problemas... Escala Potencialmente medida em milhões Algoritmos não triviais Dinamismo ( churn ) Elevado ritmo de entradas e saídas, estas últimas muitas vezes sem aviso em consequência de falhas... Heterogeneidade, Segurança grande variedade de hw/sw, perfis de utilizadores, sistemas legais, etc... Como controlar abusos (e incentivar a participação) É preciso contribuir para poder beneficiar... Desafio: Como retirar garantias deste caos?... P2P: Massificação A popularização da Internet (e das ligações de banda-larga permanentes), combinada com um domínio de aplicação muito apelativo (a partilha de música digital) são os dois principais factores que em conjunto levaram ao surgimento daquilo que se acabou chamando genericamente sistemas P2P...
8 P2P: Real novidade? Nem por isso... Os princípios fundamentais P2P já tinham sido aplicados a outras aplicações; Por exemplo, o serviço de ou as USENET News (NNTP) já eram suportadas por servidores organizados numa federação de servidores com responsabilidades idênticas... A verdadeira novidade advém de trazer o modelo P2P até à periferia da rede: Escala e dinamismo sem precedentes; Desafios de segurança e coordenação... P2P: Partilha de Ficheiros A partilha de ficheiros multimédia, questões legais à parte, é o exemplo paradigmático de um domínio de aplicação que beneficia da aplicação de princípios P2P Há fortes incentivos para participar e contribuir com recursos (largura de banda e conteúdos) ilegal mas grátis... Capaz de explorar a elevada redundância e oferecer tolerância a falhas Replicação surge naturalmente e reflecte a própria popularidade dos conteúdos Tem-se revelado um excelente caso de estudo e tem sido motivo de investigação em SD
9 P2P: Partilha de Ficheiros Enunciado... Os participantes dispõem de repositórios de ficheiros Cada participante coloca os seu ficheiros à disposição dos outros através de uma componente que actua como servidor (http, ftp,...) Em troca, cada participante pretende ter acesso aos repositórios dos outros participantes... Como encontrar os ficheiros que se pretende? P2P: Partilha de Ficheiros A pesquisa é o problema chave... Onde encontrar ficheiros que satisfaçam certos atributos... ex: fado, amália rodriges, 192kpbs Várias aproximações possíveis... Directório centralizado ou semi-distribuído (Napster) Directório totalmente distribuído (Gnutella, Kazaa) Directório distribuído em regime federativo (emule/ edonkey)
10 P2P: Napster Servidor Um servidor central serve de intermediário e directório global das músicas disponíveis no sistema o índice geral corresponde ao agregado dos índices dos clientes registados O servidor suporta as pesquisas Com base no resultados das pesquisas, os clientes transferem directamente entre si o conteúdo digital das músicas...? Índice pesquisa registar músicas transferir músicas P2P: Napster (Escala) Servidor Servidor Servidor Um servidor central serve de intermediário e directório global das músicas disponíveis no sistema o índice geral corresponde ao agregado dos índices dos clientes registados O servidor suporta as pesquisas Com base no resultados das pesquisas, os clientes transferem directamente entre si o conteúdo digital das músicas... A escalabilidade pode ser obtida por particionamento ou replicação periódica... Índice Índice Índice Índice Índice pesquisa registar músicas transferir músicas
11 P2P: Napster (Observações) Para o serviço em causa, uma arquitectura cliente/ servidor particionada ou parcialmente replicada é adequada para implementar o catálogo e apresenta um potencial de escalabilidade bastante razoável... A popularidade crescente do sistema pode ser suportada investindo na infra-estrutura de servidores A simplicidade do sistema pode até assentar em pesquisas imperfeitas... A lei dos grandes números tende a mascarar o problema ou reduzir a sua importância... P2P: Napster (Reflexão) O que falhou? A arquitectura? Depende do ponto de vista... A debilidade não foi de cariz tecnológico. O serviço desmoronou-se porque, legalmente, não era possível suportar a infra-estrutura. Por motivos de índole legal, o catálogo global centralizado revelou-se um ponto central de falha... Sem servidores ou Sem pesquisas a retornar conteúdo aliciante deixou de haver Napster ou interesse no Napster...
12 P2P: Gnutella (e afins) Não há índice (catálogo) centralizado? não há servidores! Cada cliente (peer) liga-se a um conjunto aleatório de outros peers, formando uma rede sobreposta/lógica/overlay. As pesquisas são feitas por inundação de pedidos na rede sobreposta...? As respostas (nomes de ficheiros que satisfazem a pesquisa) retornam pelo caminho inverso das pesquisas. As transferências do conteúdo são directas, se possível, mas podem usar outros peers como intermediários quando a comunicação directa não é possível... (NAT/firewalls)??? P2P: Gnutella (Colapso) A rede Gnutella acabou por ser vítima do seu próprio sucesso! Ao atingir uma certa dimensão crítica, a rede entrou em colapso, resultado da arquitectura subjacente não ser capaz de produzir trabalho útil, frustrando os utilizadores e levando ao seu abandono... O problema fundamental assenta no facto do algoritmo de pesquisa (inundação) acabar por consumir a maior parte da largura de banda disponível...deixando pouco ou nada para a transferência dos ficheiros...
13 P2P: Super s/s As limitações da rede Gnutella podem ser aliviadas promovendo alguns dos clientes a super peers...? Kazaa, Gnutella2, WinMx Nestas redes, clientes com maior capacidade ficam responsáveis por dar serviço aos clientes mais fracos - na prática são promovidos a servidores... Super Os clientes simples ligam-se a um (ou mais) super peer(s) que passa(m) a suportar as operações de pesquisa e de ligação (binding)... Os super peers organizam-se segundo o modelo P2P puro ; os peers simples comportam-se, essencialmente, como clientes dos super peers, excepto nas transferências...? Super P2P: edonkey/emule (1ª geração) As redes P2P edonkey/emule (de 1ª geração) seguem uma arquitectura híbrida, com elementos P2P e C/S: Os servidores estão organizados numa federação (apenas se conhecem uns aos outros) e implementam um índice particionado O clientes ligam-se a um servidor de cada vez, mas podem efectuar pesquisas globais, iterando sobre os servidores conhecidos. Servidor Estes sistemas adoptam uma processo de pesquisa que logicamente esta divido em dois passos... As consultas ao índice (queries) devolvem os ficheiros desejados identificados por uma chave global única (hash do conteúdo), além da lista de clientes onde cada um deles está disponível Os clientes contactam-se entre si para registar o interesse em receber bocados de ficheiros e aproveitam essas interacções para descobrir outros potenciais parceiros (epidemia) Servidor
14 P2P : BitTorrent Um servidor central, chamado tracker, serve de ponto de encontro (rendezvous) Servidor ( tracker ) O tracker mantém a lista de peers (seeds + leechers) interessados para cada ficheiro (torrent) Os clientes/leechers, de início ( e periodicamente ) contactam o tracker para ficar a conhecer outros peers Ao longo do tempo, vão estabelecendo ligações entre si em busca de bocados do ficheiro que pretendem Para cada torrent existe uma rede sobreposta separada, cuja topologia evolui aleatoriamente P2P : BitTorrent (Considerações...) O protocolo BitTorrent tem-se revelado extremamente eficaz, mas não está isento de limitações: Não resolve o problema realmente difícil da partilha de ficheiros: o índice/catálogo de conteúdos e a sua pesquisa são externos ao sistema O tracker, sendo um componente único e centralizado, é um ponto central de falha e sem ele o sistema entra inevitavelmente em colapso A distribuição do tracker, usando resultados recentes da investigação em Sistemas Distribuídos, tem sido uma das vias para atacar este problema...
15 P2P : Partilha de Ficheiros (Conclusões) /Servidor Eficaz e simples: índice centralizado, particionado ou replicado pesquisas relativamente triviais transferência de conteúdos entre clientes (P2P) escalável investimento na infra-estrutura de base... largura de banda, memória, processadores, expansão do cluster, etc. P2P : Partilha de Ficheiros (Conclusões) Estritamente P2P Distribuição do índice é o grande problema suportar pesquisas eficazes e eficientes é ainda um desafio de investigação Melhores soluções dividem a pesquisa em dois passos: (1) pesquisa por atributos lista de chaves/guids [ em investigação ] (2) pesquisa por chave/guid réplicas do ficheiro [ resolúvel ] ( Redes Sobrepostas Estruturadas/Overlay Estruturadas ou Epidemia )
16 Redes Sobrepostas redes não estruturadas redes estruturadas Redes Sobrepostas Processo Rede sobreposta ou rede overlay Rede lógica (sem suporte físico explícito) Os nós (routers) são processos (aplicações) Processo As ligações são conexões ao nível do transporte ou superior (udp, tcp, http, etc.) As decisões de encaminhamento são feitas ao nível aplicacional router tcp Processo link físico
17 Redes Sobrepostas Redes Sobrepostas não estruturadas: As ligações são formadas de forma casuística, potencialmente aleatória. e.g., quando se junta à rede, um membro escolhe um conjunto de contactos (os contactos podem variar durante a execução do sistema) Vantagens: Simplicidade - fácil de estabelecer e reparar a rede (organização flexível...) Problemas: 1 Encaminhamento complicado Pesquisa pesada (geralmente por inundação) 5 Latência / escalabilidade depende da qualidade do grafo formado Redes Sobrepostas Não Estruturadas: Encaminhamento Como seleccionar o melhor caminho? O melhor seria o caminho directo, pois esse usa a infra-estrutura física... Ao nível da rede sobreposta há imensas alternativas boas e más... O problema advém dos nós apenas terem uma visão parcial da rede...
18 Redes Sobrepostas Não Estruturadas: Encaminhamento Como evitar ciclos? Memorizar mensagens já vistas? gasta memória nos nós quando esquecer? Acrescentar às mensagens o caminho percorrido? desperdiça largura de banda... Redes Sobrepostas Não Estruturadas: Pesquisa? Como encontrar o nó com a informação desejada? Inundação?????? caro!???? Random walks? pode falhar após esgotar o budget / TTL...????? não determinista?? existe ou não? (não dá certezas)??
19 Redes Sobrepostas Não Estruturadas: Falhas O dinamismo da rede não permite manter tabelas de encaminhamento actualizadas... Redes Sobrepostas Não Estruturadas: Optimização Ao nível do transporte todos os nós podem, potencialmente, comunicar com os demais... Quais escolher? A avaliação do custo das ligações pode ser cara... optimização do encaminhamento por sondagem (probing) gasta tempo e largura de banda
20 Redes Sobrepostas Não estruturadas : Conclusões A organização ad hoc é simples de conseguir e manter, mas... pesquisas por inundação são muito caras, ou não deterministas se forem às às cegas... a tolerância a falhas pode ser boa e rápida... a partir de uma certa dimensão é irrealista haver tabelas de encaminhamento optimizadas globalmente Mais indicadas para pequena escala ou suporte a algoritmos epidémicos... Redes Sobrepostas Estruturadas As redes sobrepostas estruturadas são um avanço relativamente recente (circa 2001) em Sistemas Distribuídos Prometem escalabilidade sem precedentes Oferecem pesquisas deterministas eficientes para os casos do encaminhamento e pesquisa por identificadores
21 Redes Sobrepostas Estruturadas A topologia da rede não é deixada ao acaso: 0i Os nós organizam-se em rede de acordo com regras bastante precisas: Um identificador lógico global GUID é o ponto de partida; 12 i 4 Em função dos GUIDs, os nós procuram ligar-se a outros nós de modo a formar estruturas pré-determinadas: anéis, árvores, árvores de prefixos, etc O encaminhamento é determinista e pode ser eficiente (em complexidade espacial e temporal) O(log N), para N nós 0? 1 13? 14 Redes Sobrepostas Estruturadas As características da topologia determinam a eficiência do encaminhamento Tipicamente, cada nó tem diversos vizinhos, escolhidos estrategicamente: nós próximos (no espaço dos GUIDs) para efeitos de tolerância a falhas; 12 4 nós distantes para acelerar o encaminhamento. Por exemplo, reduzir em cada salto a distância para a metade: Procura-se um custo O(log N), para um sistema com N participantes. 10 8
22 Redes Sobrepostas Estruturadas Muitas redes sobrepostas estruturadas destinam-se a suportar pesquisas por identificadores. Essa funcionalidade é frequente enquadrar-se num âmbito mais geral; tipicamente, a de um repositório distribuído indexado por chaves numéricas daí o nome alternativo: DHTs (Distributed Hash Tables) 23 Nas DHTs, as chaves e o GUIDs dos nós pertencem ao mesmo domínio... 6 A pesquisa de uma da chave resume-se a encaminhar mensagens ao (hipotético) nó com o GUID igual à chave. 12, , 10 9 Como raramente tal acontece, os nós têm a responsabilidade de responder pelas chaves na sua vizinhança... Redes Sobrepostas Estruturadas Muitas redes sobrepostas estruturadas destinam-se a suportar pesquisas por identificadores. Essa funcionalidade é frequente enquadrar-se num âmbito mais geral; tipicamente, a de um repositório distribuído indexado por chaves numéricas daí o nome alternativo: DHTs (Distributed Hash Tables) 23 Nas DHTs, as chaves e o GUIDs dos nós pertencem ao mesmo domínio... 6 A pesquisa de uma da chave resume-se a encaminhar mensagens ao (hipotético) nó com o GUID igual à chave. 12, , 10 9 Como raramente tal acontece, os nós têm a responsabilidade de responder pelas chaves na sua vizinhança...
23 Redes Sobrepostas Estruturadas A visão de uma rede sobreposta estruturada como um middleware de distribuição tem como fundamento a capacidade de encaminhar mensagens dirigidas indiferentemente tanto a nós como a chaves ? Se o destino de uma mensagem é uma chave, está sempre implícito que ela seja entregue ao nó responsável pela mesma. Será esse nó que responderá se a chave é válida ou não O critério para a determinação dessa responsabilidade depende da DHT em concreto. 12, , 10 9 sucessor, predecessor, numericamente mais próximo, etc. Redes Sobrepostas Estruturadas: DHTs Em caso de saída de nós, existe a necessidade de transferir responsabilidades quanto às chaves mantidas e dos próprios dados indexados... A mesma questão se põe nas entradas de novos nós na DHT. 30, ? E em caso de falha? replicação da responsabilidade!!! 21, , 10 A capacidade de auto-organização e auto-reparação são características fundamentais para o sucesso de uma solução DHT. 12, , 9, 10,
24 Redes Sobrepostas Estruturadas: DHTs Quando vistas como um middleware genérico de suporte à distribuição, muitas DHTs oferecem uma API mínima comum: Lookup (key ) > IP address Put( IP Address, key, value ) Get( IP Address, key ) Aplicação Distribuída get put data DHT lookup ip address Rede Sobreposta Estruturada nós participantes key = Hash( value ) Redes Sobrepostas Estruturadas: DHTs Em rigor, uma rede sobreposta estruturada para ser uma verdadeira DHT não basta ser capaz de encaminhar para identificadores! Precisa também de tratar dos aspectos relacionados com a replicação da informação indexada. Aplicação Distribuída get put data DHT lookup ip address Rede Sobreposta Estruturada nós participantes
25 Redes Sobrepostas Estruturadas: Defeitos O encaminhamento sendo ao nível aplicacional é intrinsecamente ineficiente quando comparado ao encaminhamento na infra-estrutura física... Porém, o maior problema resulta de não haver necessariamente uma relação entre GUIDs e proximidade geográfica. Nós adjacentes (vizinhos) ao nível da rede sobreposta, podem estar em lados opostos do globo. Mesmo com custo O(log N), a latência acumulada pode ser substancial! Custo real do encaminhamento... Processo Processo router tcp Processo link físico
26 Exemplos de Redes Sobrepostas Estruturadas Exemplos de DHTs Índice DHTs de 1ª geração Chord, Pastry, (Tapestry), Can DHTs de 2ª geração Koorde, 1-Hop Exemplos de Aplicações Squirrel Scribe Past
27 DHTs: Chord (MIT) Topologia de rede baseada num anel: Um nó com identificador x tem um tabela de encaminhamento composta por: fingers: succ(x + 2 -i ) sucessores: succ(x) antecessor: pred(x) DHTs: Chord (Topologia) Topologia de rede baseada num anel: 0 Um nó com identificador x tem um tabela de encaminhamento composta por: fingers: succ(x + 2 -i ) r sucessores: succ(x), succ( succ(x)), succ( succ( succ(x))), o antecessor: pred(x)
28 DHTs: Chord (Replicação) Replicação: Cada nó x é responsável pelas chaves com identificadores k menores que o seu (e superiores ao identificador do seu antecessor no anel): k : ] pred(x), x] As entradas, saídas e crashes de nós obrigam a um contínuo ajuste da responsabilidade da gestão das chaves: 0.5 replica também nos sucessores DHTs: Chord (Propriedades) Desempenho logarítmico: 0 Eficiente: encaminha em O(log2 N) passos, para um sistema com N participantes Escalável: tabelas de encaminhamento com O(log2 N) entradas Robusto: sobrevive a falhas maciças... (99% de sucesso, com ~45% de nós falhados)
29 DHTs: Pastry (Cambridge, MS Research) Topologia baseada numa árvore de prefixos (trie) Adaptável a qualquer base B Cada nó com identificador x mantém: Tabela de Encaminhamento: onde figuram nós cujos identificadores têm prefixos (na base B) com determinadas propriedades Tabela de Folhas: com F apontadores para nós numericamente adjacentes (F/2 nós numericamente menores que x e F/2 numericamente superiores a x) Tabela de Vizinhos: com V apontadores para nós vizinhos segundo uma métrica definida pela aplicação. Por exemplo latência... (F e V assumem valores da ordem de 16 a 32) DHTs: Pastry (Tabela da encaminhamento) Exemplo de uma Tabela de Encaminhamento Pastry: Base 4 log4 linhas x 4 colunas ( em cada linha uma coluna livre) Prefixo Nó: Dimensão da tabela: Base B (B-1) x logb dimensão(guid)
30 DHTs: Pastry (Algoritmo de Encaminhamento) 1. A tabela de folhas é usada quando o endereço destino é muito próximo e contido nesta. 2. Usa a tabela de encaminhamento para saltos grandes, indexando a linha referente ao maior prefixo comum com o destino; 3. Se os passos anteriores não forem aplicáveis, então de todos os nós conhecidos, incluindo a tabela de vizinhos, salta para o nó numericamente mais próximo do destino, se existir... o nó corrente é o nó terminal quando não for possível reduzir a distância até ao destino... DHTs: Pastry (Algoritmo de Encaminhamento) 1. A tabela de folhas é usada quando o endereço destino é muito próximo e contido nesta. 2. Usa a tabela de encaminhamento para saltos grandes, indexando a linha referente ao maior prefixo comum com o destino; 3. Se os passos anteriores não forem aplicáveis, então de todos os nós conhecidos, incluindo a tabela de vizinhos, salta para o nó numericamente mais próximo do destino, se existir... o nó corrente é o nó terminal quando não for possível reduzir a distância até ao destino...
31 DHTs: Pastry (Replicação) Replicação: Cada nó x é responsável pelas chaves com identificadores numericamente mais próximas As entradas, saídas e crashes de nós obrigam a um contínuo ajuste da responsabilidade da gestão das chaves: A tabela de folhas fornece os nós com os quais é repartida a responsabilidade de replicar a informação das chaves da vizinhança. DHTs: Pastry (Propriedades) Desempenho logarítmico: Eficiente: encaminha em O(logk N) passos, para um sistema com N participantes e base k Escalável: tabelas de encaminhamento com O(k.logk N) entradas Robusto: sobrevive a falhas maciças...
32 DHTs: CAN (Berkeley) Topologia baseada na subdivisão de hipervolumes: Adaptável a qualquer número de dimensões d O número de dimensões d determina a eficiência do encaminhamento à custa de tabelas de encaminhamento proporcionalmente maiores Cada nó conhece os seus vizinhos nos volumes adjacentes: complexidade constante O(d) Exemplo 2D DHTs: CAN (Encaminhamento) Encaminhamento faz-se para o nó vizinho com a menor distância (geométrica) para o destino... Custo do encaminhamento: O( N 1/d ), para um total de N participantes... pior que o Chord ou Pastry... mas é possível melhorar... Exemplo 2D
33 DHTs: CAN (Propriedades) Desempenho: Encaminha em O(N 1/d ) passos, para um sistema com N participantes e d dimensões; Escalável: tabelas de encaminhamento constantes O(d); Eficiente: escolhendo log N d, então iguala as características do Chord, Pastry... Com encaminhamento e tabelas: O( log N) DHTs: 2 a Geração A segunda geração de DHTs promete resultados ainda melhores... Exploram optimizações que oferecem melhores garantias em determinadas áreas... Encaminhamento O(log N), com tabelas de dimensão constante... Encaminhamento O(1) Ou suportando operações de pesquisa mais sofisticadas...
34 Koorde (1) Combina o Chord com grafos de Bruijn Um grafo de Bruijn é uma topologia com as seguintes propriedades: O diâmetro do grafo é logaritmo encaminhamento O(log N), como o Chord O grau de todos os vértices está limitado tabelas de encaminhamento O(1) Grafos de Bruijn Num grafo de Bruijn, cada nó m: recebe um identificador de comprimento b bits é adjacente aos nós com identificadores: 2m mod 2 b 2m+1 mod 2 b mb-1... m3 m2 m1 m0 mb-2... m2 m1 m0 0 mb-2... m2 m1 m0 1
35 Exemplo de um grafo de Bruijn bits Encaminhamento em grafos de Bruijn A relação entre os identificadores de m e 2m mod 2b e 2m+1 mod 2 b permite que: o encaminhamento para um dado nó k seja conseguido em b passos O trajecto seguinte é determinado shiftando à esquerda 1 bit de k para dentro de m, até este se tornar k. mb-1... m3 m2 m1 m0 kb-1... k3 k2 k1 k0 mas requer que o grafo esteja completo...
36 DHTs: 2 a Geração (Koorde) Koorde simula um grafo de Bruijn completo e oferece encaminhamento óptimo: Encaminhamento em O( logk N ) passos com tabelas de dimensão constante O(k) Alternativamente: Encaminhamento em O( log log N ) passos, com tabelas de dimensão O( log N), com tolerância a falhas... DHTs: 2 a Geração (1-Hop e 2-Hop) As DHTs 1-Hop e 2-Hop são radicalmente diferentes... Oferecem encaminhamento com custo constante... 1-Hop, usa tabelas de custo linear: O(N) 2-Hop, usa tabelas de custo: O(N 1/2 ) Objectivo? Minimizar a latência do encaminhamento...
37 DHTs: Aplicações A aplicabilidade genérica das DHTs resulta das promessas de elevada escalabilidade, tolerância a falhas e encaminhamento para identificadores eficiente...e comportamento determinista... São já vistas como um middleware fundamental ao suporte à distribuição: Úteis na fase de binding (ponto de encontro) de um sistema distribuído. Armazenamento distribuído Distribuição de carga Comunicação em grupo etc. (começam a parecer-se com um canivete suíço...) DHTs: Aplicações (1) Através de uma DHT é possível organizar sistemas de grande dimensão... A ligação de componentes (ponto de encontro) resolve-se facilmente transformando esse problema no encaminhamento de mensagens para uma chave pré-determinada... Os sistemas de partilha de ficheiros usam esta faceta para dispensar o uso de servidores... Por exemplo, o sistema BitTorrent pode substituir a funcionalidade do tracker através de uma DHT.
38 DHTs: Aplicações (2) Sendo as DHTs, na sua essência, estruturas de dados distribuídas, tipicamente replicadas e tolerantes a falhas, permitem o armazenamento de volumes gigantescos de dados... Existem propostas de utilização de DHTs para implementar sistemas de ficheiros distribuídos, bases de dados distribuídas, e espaços de objectos distribuídos, etc. Porém, lidam melhor com dados imutáveis..., em especial se a indexação se basear no conteúdo... DHTs: Aplicações (3) Muitas DHTs assumem que distribuição de identificadores de nós e de chaves é uniforme... O esforço na realização de uma operação complexa pode ser distribuída com igual probabilidade pelos diversos nós de uma sistema, equilibrando assim a carga. Nós com mais recursos, podem ser aproveitados na totalidade, bastando que participem na DHT com múltiplas identidades (virtuais)...
39 DHTs: Aplicações (4) Muitas DHTs permitem implementar sistemas de comunicação em grupo a nível aplicacional. A rede sobreposta estruturada que está implícita a todas as DHTs, frequentemente permite desenvolver algoritmos de difusão total ou parcial relativamente eficientes... O conhecimento a priori da topologia implícita do grafo formado pelos participantes pode evitar ciclos ou reduzir grandemente o volume de mensagens duplicadas... Idealmente, pretende-se contactar N participantes, com N-1 mensagens DHTs : Reflexão... A eficiência atribuída às DHTs e redes sobrepostas estruturadas resulta do esforço permanente exigido ao nós participantes de manterem uma organização concreta, com graus de liberdade limitados... Esse esforço tem custos em tempo e largura de banda. A capacidade de auto-organização e auto-reparação de uma rede sobreposta estruturada depende da relação entre a magnitude desse esforço face ao dinamismo da rede. No papel, as DHTs são excelentes... na prática há diversos indícios que sugerem que a instabilidade da rede na periferia reduzem grandemente a eficácia de muitas DHTs...
40 Aplicações: DHTs Squirrel (Pastry)...a decentralized, peer-to-peer web cache called Squirrel. The key idea is to enable web browsers on desktop machines to share their local caches, to form an efficient and scalable web cache, without the need for dedicated hardware and the associated administrative cost... Squirrel: A decentralized peer-to-peer web cache Aplicações: DHTs Scribe (Pastry)... is a decentralized publish/subscribe system that uses Pastry for its underlying route management and host lookup. Users create topics to which other users can subscribe. Once the topic has been created, the owner of the topic can publish new entries under the topic which will be distributed to all of the SCRIBE nodes that have subscribed to the topic... "SCRIBE: A large-scale and decentralised application-level multicast infrastructure"
41 Applicações: DHTs PAST ( Pastry)... is a distributed file system layered on top of Pastry... Nota: A granularidade básica de distribuição é o ficheiro... Aplicações : DHTs Trackerless BitTorrents (Kademlia)... Kademlia é uma DHT parecida com o Pastry, mas usa base 2 e prefixos calculados fazendo XOR de dois endereços...
42 O que estudar... G. Coulouris, J. Dollimore and T. Kindberg, Distributed Systems - Concepts and Design, Addison-Wesley, 4th Edition, 2005 Capítulo 10
Definição São sistemas distribuídos compostos de nós interconectados, aptos a se auto-organizar em topologias de rede, com o intuito de compartilhar
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