Sistemas Distribuídos Capítulo 1: Introdução

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1 Sistemas Distribuídos Capítulo 1: Introdução J. Alves Marques Índice Definição de sistema distribuído Razões para a distribuição Evolução tecnológica Evolução do enquadramento económico Plataformas de suporte aos sistemas distribuídos

2 Sistemas Distribuídos: Definições [ ] is one in which the failure of a computer you didn't even know existed can render your own computer unusable. Leslie Lamport [ ] is a collection of loosely coupled processors interconnected by a communication network. Processors do not share memory or clock. A. Silberschatz [ ] is a collection of independent computers that appear to the users of the system as a single computer. A. Tanenbaum Sistemas Distribuídos: Definição Um sistema distribuído possui as seguintes características: Várias máquinas independentes, e potencialmente: Heterogéneas; Administradas por diferentes organizações com regras diferentes de segurança, de gestão, etc. Redes de interligação entre essas máquinas; Não há estado partilhado entre as várias máquinas. Uma máquina multiprocessador autónoma não é (nesta óptica) um sistema distribuído

3 Middleware Os Sistemas Distribuídos são suportados por diversas componentes frequentemente designadas por plataformas de Middleware Aplicações Middleware Sistema Operativo Hardware Bibliotecas (DLL) Protocolos Servidores Plataformas Problemas Agudizados pela Distribuição Comunicação exclusivamente por mensagem Modelo de programação mais difícil Novos tipos de erros (timeout, ) Modelo de faltas mais complexo Máquinas falham independentemente Redes podem perder pacotes, trocar a sua ordem,... Conhecimento parcial do estado do sistema Das outras máquinas, só se sabe realmente que uma mensagem chegou, ou não chegou Uma mensagem não chegou porque Se perdeu? O emissor falhou? O emissor está muito lento? Podemos nunca saber ao certo!!

4 Problemas Agudizados pela Distribuição Distribuição do sistema operativo Mais difícil de realizar mecanismos atómicos de sincronização, coordenação Segurança Intrusos podem ler mensagens em trânsito, injectar novas mensagens Não existe controlo sobre o software sistema e aplicações remotas Heterogeneidade Máquinas com representações de dados diferentes, sistemas operativos diferentes, representação de dados Desempenho Acesso remoto é necessariamente mais lento O termo de comparação de muitos utilizadores são as máquinas locais!! Razões que justificaram a Distribuição Distribuição geográfica Organização com instalações em Lisboa, Porto, Paris, Ligação entre organizações independentes Extensibilidade, modularidade Crescimento gradual Partilha de recursos Troca de informação entre departamentos, empresas Maior disponibilidade Replicação Maior desempenho Distribuição da carga

5 O que tornou os Sistemas Distribuídos tão importantes Tecnologia Redes de Computadores Computadores Pessoais Sistemas Abertos Arquitectura de Computadores Requisitos Empresariais Necessidade de integração do negócio Novas necessidades empresariais suportadas por novas tecnologias Digitalização Lei de Moore Efeito de Rede Lei de Metcalf Evolução das Redes de Computadores Redes Telefónicas Linhas Dedicadas fornecidas pelos Operadores de Telecomunicações Oferta de Redes de dados pelos operadores públicos X.25 RDIS ATM Redes locais Internet ADSL, Rede de Televisão por Cabo, GPRS, UMTS, WiFi, WiMax

6 Redes Actuais Consequências da Evolução das Redes de Computadores Todos os computadores ligados à rede local Todas as redes locais interligadas entre si Alto débito, baixo preço Interligação de TODOS os computadores (empresas, organizações, domésticos, ) Interligação de TODOS os dispositivos (Laptops, telemóveis, PDA, automóvel, frigoríficos, ) Interligação de cartões inteligentes, Tags RFID, etc.

7 Evolução dos Computadores Pessoais Equipamentos simples, completos e autónomos Baixo custo Interface atraente e simples Mercado dominado por Wintel Miríade de aplicações Os PDA e os telefones móveis são computadores Todos os equipamentos sofisticados têm computadores Cartões inteligentes, tags RFID são computadores (ainda com recursos muito limitados) Evolução da Arquitectura de Computadores Grande aumento da Potência de cálculo Capacidade de memória Capacidade de disco Possibilidade de utilização de plataformas standard Multiprocessamento económico e eficaz Alguma uniformização das plataformas de sistema operativo e software de base Sistemas operativos (Unix, Windows, IBM MVS) Bases de dados (Oracle, SQL-Server, DB2)

8 Sistemas Abertos Normalização oficial e de facto em muitos aspectos chave Computadores pessoais (Wintel) Protocolos de rede (TCP/IP, WWW, W3C, OASIS) Servidores Unix, Windows-NT, Mainframes IBM MVS Acesso a bases de dados (SQL, ODBC) Interligação de aplicações (DCOM, CORBA) Web Services SOAP, XML Consequências Tecnologia disponível Grande número de alternativas Preços competitivos Papel determinante da Internet Rede de Comunicação Aberta Alteração do padrão de utilização dos serviços de telecomunicações Desenvolvimento de Standards de facto que permitiram criar novas forma de trocar informação HTTP, HTML, XML Criação de ambientes de desenvolvimento simplificados, ex.: PHP, Pearl

9 Plataformas de suporte aos Sistemas Distribuídos Evolução Histórica Na análise dos Sistemas Distribuídos há duas importantes perspectivas a considerar: A evolução ditada pelas redes Locais e portanto baseadas em redes relativamente fiáveis, com elevado débito e com um confinamento de segurança maior A evolução ditada pelas redes públicas inicialmente limitadas em banda passante mas progressivamente com melhor desempenho e com limitada segurança e garantia de serviço

10 Evolução Histórica Os primeiros sistemas distribuídos foram implementados por grandes organizações e pelas Universidades Arpanet em 1969 uma rede de 4 nós patrocinada pelo DoD que interligou universidades, com 50 nós em 1972 Redes especializadas Swift transferências de dinheiro internacionais IATA reservas de aviação A maioria dos grandes fabricantes desenvolveu arquitecturas de rede durante os anos 70 SNA IBM DNA DEC DCA Sperry 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

11 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) HTML Problemas: Cada aplicação possui um protocolo próprio Dificulta a utilização do protocolo por terceiros Desempenho porque é executado em modo utilizador Exemplos telnet, rlogin, Winrdp- aplicações de terminal remoto ftp, samba Transferência de ficheiros SMTP Correio electrónico

12 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 Evolução das Plataformas 1987 Sun Microsystems desenvolveu o Open Network Computing (ONC) como base do sistema do Network File System Apollo Computer desenvolveu o Network Computing System (NCS) RPC 1989 A Open Software Foundation (OSF) lançou um concurso para definir a plataforma distribuída o Distributed Computing Environment DCE A Object Management Group (OMG) foi formado para definir uma plataforma de suporte a programação distribuída independente das linguagens de programação o Common Object Request Broker Architecture (CORBA) 1990 A Microsoft baseou a definição do MRPC no proposto pela OSF

13 Plataformas cliente-servidor Máquina A Serviço Serviço do SO do SO (cliente) (cliente) Serviço Serviço do do SO SO (servidor) (servidor) aplicação Nível 7 aplicação RPC run-time support Sockets, TLI Níveis 6 a 5 Nível 4 Transporte Níveis 3 a 1 Exemplo Sistemas de Ficheiros Distribuido 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

14 Exemplos ONC - Open Networking Computing Sun Microsystems DCE - Distributed Computing Environment Open Software Foundation DCOM Distributed Component Object Model - Microsoft Common Object Request Broker Architecture (CORBA) - Object Management Group (OMG) RMI do Java SOAP protocolo de invocação remota de Web services Evolução (II) 1991 A OSF distribui o DCE 1.0 O CORBA 1.0 é distribuído com suporte para C. É definido o conceito de Object Request Broker - ORB 1993 A IBM distribui um produto para comunicação por mensagem entre aplicações o MQSeries 1996 A Microsoft distribui o Distributed Component Object Model (DCOM) relacionado com os desenvolvimentos anteriores do OLE, COM e ActiveX. O núcleo do DCOM baseia-se nas tecnologias de RPC da Microsoft que se pode considerar um Object RPC (ORPC) CORBA 2.0. Uma das evoluções é o modelo de comunicações entre ORB o Internet Inter-ORB Protocol (IIOP) que permite a ORB de vendedores diferentes cooperarem

15 Sistemas de Objectos As potencialidades da noção de objecto tornaram-na atractiva para descrever diversos conceitos em Eng. Informática, dando origem a uma tendência de evolução que se designa por OO de Object Oriented. Diferenças entre a aproximação baseada em objectos e uma arquitectura cliente-servidor,: No RPC invocam-se funções, os dados são entidades separadas,, Num sistema de objectos invoca-se uma função num determinado objecto que, como contém o seu próprio estado, torna indissociável a invocação da operação dos dados a que se aplica. Existem vários sistemas comerciais com níveis de abstracção diferentes os mais representativos são: Corba Common Object Request Broker Architectura OMG COM+ da Microsoft. Entreprise Java Beans Sun Invocação de Objectos Remotos Objecto remoto Interface Remota Dados m1 m2 m3 Código dos métodos m4 m5 m6

16 Evolução 1997 A Sun distribui o JDK 1.1 que inclui o Remote Method Invocation (RMI) que define um modelo de computação distribuída usando objectos Java. O RMI é semelhante ao CORBA e ao DCOM mas funciona só com objectos Java. Microsoft desenvolveu o COM+ sucessor do DCOM muito próximo do modelo CORBA A SUN distribui o Java 2 Platform Entreprise Edition (J2EE) que integra o RMI e o IIOP tornando mais simples a interoperação de sistemas entre sistemas Java e CORBA. O Simple Object Acess Protocol SOAP apareceu pela primeira vez A IBM e a Microsoft propõem as pilhas de protocolos dos Web Services à W3C (World Wide Web Consortium) Wire stack Description stack Discovery stack Brokers de Mensagens A integração é feita através do encaminhamento de informação (mensagens) entre os sistemas. As aplicações recebem e enviam as mensagens para um servidor central (broker). As mensagens uma vez recebidas pelo broker podem ser reformatadas, combinadas ou modificas por forma a serem entendidas pelo sistema de destino. Normalmente não é necessário modificar os sistemas envolvidos. Os Message Brokers fornecem adaptadores para as aplicações mais comuns (SAP, Baan, PeopleSoft, etc.).

17 Exemplos Java Messages gestão de filas de mensagens da plataforma J2EE. MSMQ sistemas de filas de mensagens da Microsoft MQseries IBM Active Entreprise Tibco Biztalk Enterprise integration broker da Microsoft Sistema Operativo Distribuído aplicação Sistema de ficheiros E/S Gestão de memória Comunicação entre processos Gestão de processos Micro núcleo Micro núcleo

18 Exemplos Mach - [Acceta86], Chorus [Zimmerman81], V-Kernel Amoeba [Tanenbaum81] Devido à complexidade de integração esta arquitectura apenas teve expressão na investigação e foi em grande medida ultrapassada pela escala que a Internet impôs a estes sistemas Formas de Realizar a Distribuição Utilização das interfaces de comunicação distribuída sockets, TLI SD Plataformas Cliente Servidor Sun RPC, ODBC, Brokers de Mensagens Message Oriented Middleware MQ series, MSMQ, Biztalk Integração de componentes SD Corba RMI,.NET Sistemas Operativos Distribuídos - distribuição de todos os serviços sistema Mach, Chorus Web Services SD SEI SO e Redes PADI SEI