Sincronização. Sincronização de Relógios. Relógios Físicos

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1 Sincronização Embora a comunicação entre processos seja essencial em Sistemas Distribuídos, a sincronização de processos é também muito importante. Por exemplo: o É importante que vários processos não acessem simultaneamente um recurso compartilhado como uma impressora, mas ao contrário, cooperem para garantir um ao outro acesso temporário exclusivo. Sincronização de Relógios Em um sistema centralizado, quando um processo quer saber a hora ele faz uma chamada de sistema, e o núcleo responde. Se o processo A perguntar a hora e, um pouco mais tarde, o processo B também perguntar a hora, o valor que B obtém será mais alto (ou possivelmente igual) ao valor que A obteve. o Porém, por certo não será mais baixo. o Em um SD, conseguir acordo nos horários não é trivial. O programa make do Unix, por exemplo, utiliza os horários dos arquivos-fonte e dos arquivos-objeto para saber quais arquivos precisam ser recompilados. Se o horário do arquivo calculadora.c for 2151 e o horário do arquivo-objeto calculado.o for 2150, o make sabe que o arquivo-fonte foi alterado desde o momento em que o calculadora.o foi criado, e assim, o arquivo calculadora.c deve ser recompilado. Agora, que duas estações, com relógios diferentes, estão sendo utilizadas para esse processo: Uma para escrever o código fonte no editor, e outra para compilar o código fonte. Relógios Físicos Os temporizadores são responsáveis pela contagem de tempo no computador. Eles possuem um cristal de quartzo lapidado e usinado com precisão. Quando mantidos sob tensão, cristais de quartzo oscilam a uma freqüência bem definida. 1

2 Associado a cada cristal há dois registradores: um contador e um registrador de retenção. Cada oscilação do cristal reduz uma unidade do contador. Quando o contador chega a zero é gerada uma interrupção e o contador é recarregado pelo registrador de retenção. Desse modo, é possível programar um temporizador para gerar uma interrupção 60 vezes por segundo ou a qualquer freqüência desejada. Cada interrupção é denominada ciclo de relógio. Os computadores possuem uma RAM CMOS especial suportada por bateria para armazenar as informações de data e hora do sistema. A cada ciclo de relógio, o procedimento de serviço de interrupção soma uma unidade à hora armazenada na memória. Algoritmos de Sincronização o NTP Network Time Protocol (Protocolo de Tempo de Rede) Protocolo para sincronização dos relógios dos computadores Computadores trocam mensagem para acertar seus relógios baseados em uma fonte confiável de tempo. Por exemplo, relógios atômicos de césio. O Brasil possui um servidor NTP em o Algoritmo de Berkeley São adequados quando não é possível realizar sincronização externa dos relógios. Possui um daemon que consulta todas as máquinas de tempos em tempos para perguntar qual é a hora que cada uma está marcando. Com base nas respostas, ele calcula um horário médio e diz a todas as outras máquinas que adiantem seus relógios até o novo horário, ou atrasem seus relógios até que tenham obtido alguma redução especificada. 2

3 Exclusão Mútua Uma questão fundamental em sistemas distribuídos é a concorrência e a colaboração entre vários processos. Em muitos casos, isso também significa que processos vão precisar acessar simultaneamente os mesmos recursos. Para evitar que tais acessos concorrentes corrompam o recurso ou o tornem inconsistente, são necessárias soluções que garantam acesso mutuamente exclusivo pelos processos. Algoritmos distribuídos de exclusão mútua podem ser classificados em duas categorias: o Soluções Baseadas em Fichas No qual a exclusão mútua é conseguida através da passagem de uma mensagem especial entre os processos, conhecida como ficha. Há somente uma ficha disponível, e quem quer que a tenha pode acessar o recurso compartilhado. Ao terminar, a ficha é passada adiante para o processo seguinte. Se um processo que tenha a ficha não estiver interessado em acessar o recurso, ele apenas, a passa adiante. As fichas garantem que todo processo terá oportunidade de acessar o recurso, ou seja, evita a inanição. Além disso, as fichas evitam os deadlocks, isto é, que vários processos fiquem esperando uns pelos outros para prosseguir, o que contribui para a otimização do processo. No entanto, um problema grave ocorre com a abordagem baseada em fichas. Quando a ficha se perde, por exemplo, porque o processo que a detém falhou, é preciso iniciar um complicado procedimento para assegurar a criação de uma nova e única ficha. o Soluções Baseadas em Permissão Um processo que quiser acessar o recurso em primeiro lugar solicita a permissão de outros processos. Algoritmo Centralizado Um processo é eleito como o coordenador. Sempre que um processo quiser acessar um recurso compartilhado, envia uma mensagem de requisição ao coordenador declarando qual recurso quer acessar e solicitando permissão. Se nenhum outro processo estiver acessando aquele recurso naquele momento, o coordenador devolve uma resposta concedendo a permissão. 3

4 Algoritmo Descentralizado O algoritmo centralizado tem como principal deficiência a possibilidade de falhas do único coordenador. Para minimizar este problema a abordagem descentralizada amplia o número de coordenadores. Assim, sempre que um processo quiser acessar o recurso, ele vai precisar da aprovação (ou voto majoritário) de m > n/2 coordenador (em que n é o número de coordenadores do recurso compartilhado). Quando um coordenador não der permissão para acessar um recurso (o que fará quando tiver concedido permissão a outro processo), ele informará ao requisitante. Esse esquema torna a solução centralizada menos vulnerável a falha de um único coordenador. Algoritmo Distribuído Quando um processo quer acessar um recurso compartilhado, monta uma mensagem que contém o nome do recurso, seu número de processo e a hora corrente. Depois, envia a mensagem a todos os outros processos, fato que, conceitualmente, inclui ele mesmo. Adotamos como premissa que o envio de mensagens é confiável, ou seja, nenhuma mensagem se perde. Quando um processo recebe uma mensagem de requisição de outro processo, a ação que ele executa depende de seu próprio estado em relação ao recurso nomeado na mensagem. Três casos têm de ser claramente distinguidos: o Se o receptor não estiver acessando o recurso e não quiser acessá-lo, devolve uma mensagem OK ao remetente. o Se o receptor já tiver acesso ao recurso, simplesmente não responde. Em vez disso, coloca a requisição em uma fila. o Se o receptor também quiser acessar o recurso, mas ainda não o fez, ele compara a marca de tempo da mensagem que chegou com a marca de tempo contida na mensagem que enviou para todos. A mais baixa vence. Se a marca de tempo da mensagem que acabou de chegar for mais 4

5 baixa, o receptor devolve uma mensagem OK. Se a marca de tempo de sua própria mensagem for mais baixa, o receptor enfileira a requisição que está chegando e não envia resposta. Algoritmo Token Ring Rede de barramento sem nenhuma ordenação inerente dos processos. Um anel lógico é construído em software e a cada processo é designada uma posição no anel. Quando o anel é inicializado, o processo 0 recebe uma ficha. A ficha circula ao redor do anel. Ela é passada do processo k para o processo k+1 (valor em módulo do tamanho do anel) em mensagens ponto-a-ponto. Quando um processo adquire a ficha de seu vizinho, ele verifica se precisa acessar o recurso compartilhado. Caso necessite, o processo realiza todo trabalho que precisa ser feito, e em seguida libera o recurso. Após concluir, passa a ficha para o próximo nó do anel. Não é permitido acessar o recurso novamente, de imediato, utilizando a mesma ficha. Se um processo receber a ficha de seu vizinho e não estiver interessado no recurso, ela apenas passa a ficha adiante. Em conseqüência, quando nenhum processo precisar do recurso, a ficha apenas circula a grande velocidade pelo anel. 5

6 Comparação entre os Quatro Algoritmos Algoritmos de Eleição Muitos algoritmos distribuídos requerem que um processo aja como coordenador, iniciador, ou então desempenhe algum papel especial. Se todos os processos forem exatamente iguais, sem nenhuma característica distinta, não haveria nenhum modo de selecionar um deles para ser especial. o Em geral cada processo tem um número exclusivo, por exemplo, seu endereço de rede (para simplificar vamos considerar um processo por máquina). Algoritmos de Eleição tentam localizar o processo que tenha o número de processo mais alto e designá-lo como coordenador. A meta de um algoritmo de eleição é garantir que, quando uma eleição começar, ele a concluirá todos os processos concordando com o novo coordenador escolhido. Algoritmo do Valentão Quando um processo nota que o coordenador não está mais respondendo às requisições, ele inicia uma eleição. Um processo, P, convoca uma eleição como se segue: 1. P envia uma mensagem ELEIÇÃO a todos os processos de números mais altos. 2. Se nenhum responder, P vence a eleição e se torna o novo coordenador. 3. Se um dos processos de números mais alto responder, ele toma o poder e o trabalho de P está concluído. A qualquer momento, um processo pode receber uma mensagem ELEIÇÃO de um de seus colegas de números mais baixos. 6

7 Quanto tal mensagem chega, o receptor envia uma mensagem OK de volta ao remetente para indicar que está vivo e tomará o poder. Então, o receptor convoca uma eleição, a menos que já tenha convocado uma. A certa altura, todos os processos desistem, exceto um, este é o novo coordenador. Ele anuncia sua vitória enviando a todos os processos uma mensagem informando que a partir daquele instante ele é o novo coordenador. Algoritmo de Anel Considere que todos os processos estão ordenados de modo que cada processo sabe quem é seu sucessor. Quando qualquer processo nota que o coordenador não está funcionando, monta uma mensagem ELEIÇÃO que contém seu próprio número de processo e envia a mensagem a seu sucessor. Se o processo tiver caído, o remetente pula o sucessor e vai até o próximo membro ao longo do anel, ou até o próximo depois deste, até localizar um processo em funcionamento. A cada etapa ao longo do caminho, o remetente adiciona seu próprio número de processo à lista na mensagem, o que torna efetivamente um candidato a ser eleito como coordenador. 7

8 A certa altura, a mensagem volta ao processo que começou tudo. o Esse processo reconhece esse evento quando recebe uma mensagem de entrada que contém seu próprio número de processo. o Nesse ponto, o tipo de mensagem é mudado para COORDENADOR e circulado novamente para informar quem é o novo coordenador e quem são os membros do anel. 8

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