UNIVERSIDADE. Sistemas Distribuídos

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1 UNIVERSIDADE Sistemas Distribuídos Ciência da Computação Prof. Jesus Aula 05-06: Modelos de Sistemas Distribuídos (cont.)

2 2 O modelo peer-to-peer Surgiu no final da década de 1970 Se tornou mundialmente conhecido com o aplicativo Napster Usado principalmente para compartilhamento de arquivos, imagens, músicas, vídeos etc. Gerenciamento de redes, atualização de sistemas

3 3 O modelo peer-to-peer Todos os processos/objetos possuem as mesmas capacidades (cliente e servidor) fornecimento e requisição de recursos Aproveita a capacidade de hardware de PCs em rede Modelo descentralizado permite um alto grau de distribução dos recursos compartilhados Escalabilidade melhor do que no modelo cliente-servidor Devido à não-centralização dos recursos

4 4 O modelo peer-to-peer Peer 2 Peer 1 Application Application Sharable objects Peer 3 Application Peer 4 Application Peers 5... N

5 5 O modelo peer-to-peer Pode gerar um alto tráfego na rede Desempenho nas pesquisas por recursos não é muito bom devido a necessidade de se comunicar com muitos peers para obter uma resposta Uso de uma arquitetura híbrida

6 6 O modelo peer-to-peer Supernós (super peers) autorizam o ingresso de outros nós na P2P Coordenação e indexação de recursos compartilhados na rede P2P Busca por recursos: ao encontrar um recurso permite o compartilhamento entre os demais nós Um supernó que falha pode ser substituído por outro

7 7 Interfaces e Objetos Objetos Encapsulam a funcionalidade e o estado dos componentes de uma aplicação ou serviço distribuído Todas as propriedades usuais de orientação a objetos Modelo de objetos próprio ou da linguagem de progr. Uma interface especifica: O conjunto de funções (métodos) disponibilizadas por um processo ou objeto Objetos são acessíveis unicamente através de suas interfaces Uma ou várias interfaces por objeto

8 8 Requisitos de projeto para arquiteturas distribuídas - Desempenho Capacidade do sistema para reagir de forma rápida e consistente às requisições dos usuários. Sujeita às limitações de processamento e comunicação dos computadores e da infra-estrutura de rede Tempo de resposta (responsiveness) Afetado pelo número de camadas de software necessário para a invocação dos serviços remotos e pelo volume de dados transferidos através da rede Taxa de trabalho (throughput) Medida do desempenho do sistema considerando todos os usuários Balanceamento de carga (load balance) Utilizado para explorar de forma mais eficiente os recursos computacionais disponíveis

9 9 Qualidade de Serviço Capacidade do sistema para oferecer serviços com garantias suficientes para atender de forma satisfatória as necessidades específicas de seus usuários No contexto de QoS, o desempenho também é definido em termos da capacidade do sistema de atender restrições de tempo crítico Ex.: sistemas de tempo real, sistemas para transmissão de dados multimídia Em geral, essas restrições devem ser mantidas durante todo o tempo, e sob todas as circunstâncias, em que os recursos são utilizados, especialmente sob alta demanda Recursos críticos devem ser reservados a priori junto aos seus respectivos servidores (solicitações não atendidas são rejeitadas)

10 10 Caching e Replicação Capacidade do sistema para manter múltiplas cópias de um mesmo recurso lógico fisicamente distribuídas, de modo a reduzir o seu tempo de acesso Ex.: protocolo de cache da web Principais questões envolvidas: Alocação e distribuição das réplicas Políticas de acesso e atualização Mecanismo de validação Compromisso entre a consistência e a qualidade do serviço Freqüência de atualização X desempenho Suporte para operações desconectadas (off-line)

11 11 Confiabilidade Capacidade do sistema para continuar operando efetivamente, mesmo diante da ocorrência de falhas e da ameaça de acessos indevidos aos recursos compartilhados Tolerância a falhas Obtida através da redundância (replicação) de recursos lógicos e físicos Implica em maiores custo e complexidade Segurança Obtida através de mecanismos de criptografia, garantia da integridade dos dados, assinatura digitais, políticas de controle de acesso, etc

12 12 Modelos Fundamentais de Sistemas Distribuídos Principais aspectos Tipos de entidades que compõem o sistema Como elas interagem entre si Características que afetam o comportamento coletivo Modelo de Interação Modelo de Falhas Modelo de Segurança

13 13 Modelos Fundamentais de Sistemas Distribuídos Tornar clara todas as questões relevantes para um sistema distribuído que está sendo criado O que um determinado sistema pode ou não pode fazer

14 14 Modelo de interação Processos interagem entre si através da troca de mensagens para coordenar suas atividades Um algoritmo distribuído define os passos necessários para essa coordenação Cada processo possui seu próprio estado Ausência de estado global O desempenho do canal de comunicação subjacente não é previsível (atraso, banda, jitter) Não é possível manter uma noção global de tempo única/precisa

15 15 Desempenho do canal de comunicação Atraso: soma de várias componentes: Transmissão: tempo para um mensagem ser transmitida da fonte até o destino Acesso à rede: tempo que se leva para obter um canal livre de transmissão Processo de envio e recepção: tempo que o sistema operacional leva para enviar ou receber uma mensagem. Uso de buffers.

16 16 Desempenho do canal de comunicação Largura de banda Quantidade total de informação que pode ser transmitida em uma unidade de tempo Jitter Variação do atraso

17 17 Relógios e temporização de eventos Cada computador possui seu próprio relógio Pode ser usado para marcar o tempo de eventos locais Mas sem significância global Cada relógio marca um tempo diferente Defasagem entre os relógios Técnicas para sincronização de relógios podem ser aplicadas GPS, algoritmos de sincronização

18 18 Duas variantes do modelo de interação Sistema distribuído síncrono limites conhecidos para: tempo de execução de cada passo em um processo tempo de transmissão (e recepção) de mensagens taxa de defasagem dos relógios locais SD assíncrono limites não são conhecidos para as variáveis acima mais condizente com a realidade

19 Duas variantes do modelo de interação Mais fácil construir aplicações sobre sistemas síncronos ex.: timeouts p/ detectar falhas Uma solução válida para um sistema assíncrono também serve para um sistema síncrono Sistemas síncronos podem ser construídos desde que seja possível reservar recursos de forma determinística Compartilhamento dos recursos com outras aplicações gera assincronismo 19

20 20 Ordenação de eventos Determinar se um evento em um processo ocorreu antes ou depois de outro evento em outro processo ex.: envio e recepção de uma mensagem Pode ser baseada em relógios físicos Com o emprego de alguma técnica para sincronização de relógios Tem um limite de precisão que pode não ser tolerado Outra alternativa: relógios lógicos Com base na relação de causa-e-efeito entre eventos

21 21 Ordenação de eventos: exemplo send receive receive X 1 m 1 4 Y 2 receive send 3 m 2 receive Physical time Z receive receive send A m 3 m 1 m 2 receive receive receive t 1 t 2 t 3

22 Ordenação de eventos: exemplo 22

23 23 Modelo de Falhas Processos e canais podem falhar Desvio em relação ao comportamento correto Falhas de omissão Processo: processo termina inesperadamente (crash) Fail-stop: outros processos podem detectar a falha com certeza (através de timeouts): requer sistema síncrono Canal: mensagens enviadas não são recebidas

24 24 O modelo de processos e canais process p process q send m receive Outgoing message buffer Communication channel Incoming message buffer

25 25 Modelo de Falhas Neste caso as falhas de omissão podem ser: De envio (Entre processo send e o buffer de envio) De recebimento (Entre o buffer de recebimento o processo receive) De canal de transmissão

26 26 Modelo de Falhas (2) Falhas arbitrárias Qualquer tipo de erro pode acontecer: Canal: mensagens podem ser omitidas, alteradas, duplicadas, etc Processo: passos em um algoritmo podem ser omitidos... Não é possível detectar a falha Falhas de temporização Violação das suposições sobre a temporização de eventos em sistemas síncronos

27 27 Falhas de omissão e falhas arbitrárias Class of failure Affects Description Fail-stop Process Process halts and remains halted. Other processes may detect this state. Crash Process Process halts and remains halted. Other processes may not be able to detect this state. Omission Channel A message inserted in an outgoing message buffer never arrives at the other end s incoming message buffer. Send-omission Process A process completes a send, but the message is not put in its outgoing message buffer. Receive-omission Process A message is put in a process s incoming message Arbitrary (Byzantine) Process or channel buffer, but that process does not receive it. Process/channel exhibits arbitrary behaviour: it may send/transmit arbitrary messages at arbitrary times, commit omissions; a process may stop or take an incorrect step.

28 28 Falhas de temporização Class of Failure Affects Description Clock Process Process s local clock exceeds the bounds on its rate of drift from real time. Performance Process Process exceeds the bounds on the interval between two steps. Performance Channel A message s transmission takes longer than the stated bound.

29 29 Lidando com falhas Mascaramento de falhas Por exemplo, utilizando múltiplos servidores replicados para ocultar a falha de uma das réplicas É possível oferecer serviços confiáveis a partir de componentes sujeito à falhas Confiabilidade da comunicação Detecção de mensagens com erro (CRCs) Detecção de mensagens perdidas e retransmissão Detecção de mensagens duplicadas

30 30 Modelo de segurança Descreve os mecanismos utilizados para garantir a segurança dos processos e de seus canais de comunicação, e para proteger os recursos que os processos encapsulam contra acessos não autorizados Principais questões: Desafios: Proteção dos recursos Segurança dos processos e de suas interações Uso de técnicas de segurança implica em custos substanciais de processamento e de gerência Necessidade de uma análise cuidadosa das possíveis fontes de ameaças, incluindo ambientes externos ao sistema (rede, físico, humano, etc)

31 31 Proteção de Recursos Conceitos envolvidos: Direitos de acesso especificação de quem pode realizar as operações disponíveis para um determinado recurso Principal entidade (usuário ou processo) autorizada para solicitar uma operação, ou para enviar os resultados de uma operação para o principal solicitante Responsabilidade compartilhada entre clientes e servidores Servidor verifica a identidade do principal por trás de cada invocação e checa se ele tem direitos de acesso suficientes para realizar a operação solicitada Cliente verifica a identidade do principal por trás do servidor para garantir que os resultados vêm do servidor requisitado

32 32 Objetos e principals principals invocation Access rights Object Client result Server Principal (user) Network Principal (server)

33 33 Segurança dos Processo e Interações Natureza aberta da rede e dos serviços de comunicação expõe os processos a ameaças e ataques inimigos Principais tipos de ameaça: Aos processos cliente e servidores podem não ser capazes de determinar a identidade dos processos com os quais se comunicam Aos canais de comunicação mensagens podem ser indevidamente copiadas, alteradas, forjadas ou removidas enquanto transitam pela rede Negação de serviço envios excessivos de mensagens ou invocações de serviços através da rede, resultando na sobrecarga dos recursos físicos do sistema e prejudicando seus usuários Mobilidade de código ameaças disfarçadas na forma de código móvel que deve ser executado localmente pelos clientes ( Cavalo de Tróia )

34 34 Intrusos na comunicação Copy of m Process p m The enemy m Process q Communication channel

35 35 Comunicação Segura Criptografia processo de embaralhamento de uma mensagem de modo a esconder seu conteúdo de usuários não autorizados Autenticação utiliza chaves secretas e criptografia para garantir a identidade dos processos clientes e servidores Canal seguro canal de comunicação conectando um par de processos, onde cada processo conhece e confia na identidade do principal em nome do qual o outro processo está executando Geralmente implementado como uma camada extra de serviço sobre os serviços de comunicação existentes Utiliza mecanismos de autenticação e criptografia para garantir a privacidade e a integridade das mensagens transmitidas através do canal Também pode garantir a entrega e ordem de envio das mensagens. Ex.: VPN, SSL

36 36 Canais seguros Principal A Principal B Process p Secure channel Process q

37 37 Outros problemas de segurança Um modelo de segurança deve enumerar todos os tipos de ataques aos quais um sistema distribuído estará sujeito E empregar técnicas apropriadas para lidar com cada um O sistema será tão seguro quanto esse modelo