Sistemas Distribuídos

Sistemas Distribuídos
Carlos Oberdan Rolim
Ciência da Computação
Sistemas de Informação
Modelos de comunicação em
Sistemas Distribuídos
Conteúdo
Elementos básicos de comunicação
Transmissão de dados
Endereçamento
Sincronismo
Enfileiramento (Bufferização)
Confiabilidade
Comunicação cliente-servidor
Comunicação em grupo
Chamada remota de procedimento
Comunicação cliente-servidor
Requisição
Cliente
Servidor
Resposta
Núcleo
Núcleo
7
6
5 Requisição/Resposta
4
3
2
Rede
1
Enlace
Físico
Transmissão de dados
Dados em programas são estruturados enquanto que
mensagens carregam informação sequencial:
» Serialização (Conversão) / Deserialização (Restauração de
dados)
Heterogeneidade na representação de dados em
computadores:
» Uso de um formato externo comum
» Inclusão de uma identificação de arquitetura na mensagem
Marshalling/Unmarshalling
Marshalling:
Transformação de uma coleção de itens de dados
estruturados de forma a serem armazenados ou
transmitidos
Tradução dos dados em formato externo
Também chamado de serialização
Unmarshalling:
Tradução do formato externo para o local
Restauração dos itens de dados de acordo com sua
estrutura original
Também chamado de deserialização
Endereçamento
Associação entre um nome e um objeto
• Identificar os objetos
• Localizar os objetos
• Partilhar os objetos
• Simplificar a interface com os utilizadores
• Simplificar a gestão do sistema
Endereçamento
Esquemas:
Endereçamento máquina.processo
Endereçamento máquina.id-local
Descoberta de endereço via broadcasting
(difusão)
Descoberta de endereço via um servidor de
nomes
Problemas potenciais: transparência de
localização, sobrecarga, escalabilidade
Nomes e Identificadores
Nome: representação de um objeto,
normalmente na forma de uma cadeia de
caracteres
Atribuído pelo utilizador
Um objeto pode ser designado por vários nomes
Cada objeto tem que ter pelo menos um nome
Identificador: nome sistema de um objeto,
normalmente em formato binário
Atribuído por uma autoridade
Permite identificar e acessar o objeto
Autoridade: gere o objeto, suporta a sua
implementação
Exemplos de Identificadores e
Autoridades
Identificador
Endereço de memória virtual
Endereço IP
Endereço MAC
Endereço do controlador do disco
Bloco de Disco
Autoridade
Gestão da memória virtual no S.O.
Autoridade Internet
Fabricante da interface de rede
Configurador do computador
Inicialização do sistema de arquivos
Hierarquia das Associações
 A associação nome/objeto é lógica, sendo
frequentemente entre nomes pertencentes a
diferentes níveis de abstração:
 Arquivo Unix : a/b/c  inode 1056  dispositivo número do bloco disco;
 Nó da rede Internet : [email protected]  endereço
IP 100.100.100.1  endereço Ethernet.
Comunicação síncrona
Primitiva send é bloqueante: processo cliente
aguarda enquanto o núcleo envia a mensagem
para o processo servidor.
Primitiva receive é bloqueante: processo
servidor aguarda até que o núcleo receba uma
mensagem endereçada para aquele processo.
Comunicação assíncrona
Primitiva send não é bloqueante: o processo cliente
aguarda somente enquanto a mensagem é copiada
para o buffer do núcleo.
Primitiva receive pode ser:
bloqueante: o processo servidor aguarda por uma
mensagem.
não bloqueante: o processo servidor
simplesmente comunica o núcleo que espera
receber uma mensagem.
Enfileiramento
Situações:
Send ocorre antes de Receive
Um cliente faz um Send enquanto o servidor ainda
atende a outro cliente
Solução trivial: clientes devem insistir ...
Solução pragmática: mailbox (uma fila de
mensagens controlada pelo núcleo):
mailbox criado a pedido do servidor
mensagens endereçadas ao mailbox
Confiabilidade
Mensagens se perdem, atrasam, duplicam.
Abordagens:
Send tem semântica não confiável: as aplicações
devem garantir entrega de mensagens (ex: timeout)
Mensagem de acknowledgement enviada pelo
servidor (no nível núcleo)
Mensagem de acknowledgement implícita na
resposta do servidor
Chamada de Procedimentos Remotos
(RPC)
Chamada remota de procedimento (RPC, acrônimo de
Remote Procedure Call) é uma tecnologia de comunicação
entre processos que permite a um programa de computador
chamar um procedimento em outro espaço de endereçamento
(geralmente em outro computador, conectado por uma rede).
O programador não se preocupa com detalhes de
implementação dessa interação remota: do ponto de vista do
código, a chamada se assemelha a chamadas de
procedimentos locais.
Ideal: programar um sistema distribuído como se fosse
centralizado
RPC objetiva permitir chamada de procedimento remoto
como se fosse local, ocultando entrada/saída de
mensagens
Visão geral
Um processo A chama um procedimento p de um
processo B, entrando em estado de espera
O processo B passa a executar o procedimento p, e ao
seu término faz um reply para o processo A
O processo A volta à sua execução normal após ter
recebido o reply
Chamadas de procedimento
O procedimento chamador, que já tem suas variáveis
locais empilhadas, empilha os parâmetros da chamada
e o endereço de retorno
O procedimento chamado aloca suas variáveis locais
No retorno do procedimento chamado, os parâmetros e
o endereço de retorno são desempilhados
Stubs
Para permitir que os servidores sejam acessados por
diferentes clientes, diversos sistemas padronizados
de RPC foram criados.
A maioria deles usa uma linguagem de descrição de
interface (IDL) para que diferentes plataformas
possam chamar procedimentos.
Pode-se gerar interfaces entre cliente e servidor a
partir de um arquivo IDL, os chamados stubs.
Resumindo: São partes (fragmentos) de algoritmos
que provêm a abstração de uma chamada (local) de
procedimento (método) fazendo a ligação deste com
o mecanismo de comunicação.
O stub é parte do código que faz a chamada
remota, é utilizado no cliente e no servidor.
Funções dos Stubs
Client stub
intercepta a chamada
empacota os parâmetros (marshalling)
envia mensagem de request ao servidor (através
do núcleo)
Funções dos Stubs
Server stub
recebe a mensagem de request (através do núcleo)
desempacota os parâmetros (unmarshalling)
chama o procedimento, passando os parâmetros
empacota o resultado
envia mensagem de reply ao cliente (através do
núcleo)
Funções dos Stubs
Client stub
recebe a mensagem de reply (através do núcleo)
desempacota o resultado
passa o resultado para o cliente
Chamadas e mensagens em RPC
Máquina do Cliente
0
1
cliente
11
Máquina do Servidor
2
empacota
parâmetros
4
desempacota
parâmetros
desempacota
resultados
10
empacota
resultados
8
Kernel
5
6
servidor
7
Kernel
3
9
transporte de mensagens
via rede
Falhas em RPC
O cliente não é capaz de localizar o servidor
A mensagem de request do cliente para o servidor é
perdida
A mensagem de reply do servidor para o cliente é
perdida
O servidor pára após ter recebido a mensagem de
request
O cliente pára após ter enviado a mensagem de request
Falha do cliente
O servidor torna-se um “órfão”
Soluções:
exterminação do servidor pela máquina do cliente
reencarnação do cliente: toda computação remota é
destruída
"reencarnação" suave do cliente: somentes as
computações remotas referentes a aquele cliente são
destruídas
expiração: servidor estabele um timeout para
confirmação
Implementações
CORBA — padrão RPC independente de plataforma
Sun RPC — RPC para as plataformas Unix e Linux
DCOM — RPC para Windows
RMI — RPC para Java
SOAP — padrão RPC para web service
Comunicação em grupo
Tolerância a falhas baseada
na replicação de serviços
R
R
R
R
E
R
R
R
Localização de objetos em
serviços distribuídos
R
Melhor desempenho via
replicação de dados
E
Processo que envia mensagem
R
Processo que recebe mensagem
Múltipla atualização
consistência
Tipos de grupos
Visibilidade:
Aberto: um processo fora do grupo
consegue enviar mensagens para o grupo
todo
Fechado: somente processos do grupo
enviam mensagens para o grupo todo
Organização:
Peer: todos os processos tomam decisão
Hierárquico: decisão é centralizada
Endereçamento de grupo
Multicast: um processo envia uma mensagem
simultânea e somente para os membros do
grupo.
Broadcast: um processo envia uma mensagem
para todas as máquinas e somente as que
contêm um membro do grupo a assimila.
Unicast: um processo envia uma mensagem
para todos os membros do grupo em série.
Modificações no grupo
Controle centralizado: servidor de grupo
Controle descentralizado: acordo entre os
membros
Operações:
Entrada de um membro: atualizar estado
Saída de um membro: se involuntária (ex: parada),
todos os membros restantes devem notar sua saída.
Primitivas de comunicação
GroupSend: envia mensagem para todos os membros
do grupo
GroupReceive: aguarda mensagem enviada a todo o
grupo
GetReply: aguarda resposta de todos os membros do
grupo após um GroupSend
Atomicidade
Uma mensagem enviada ao grupo deve ser
recebida por todos os seus membros ou por
nenhum deles.
Situação: o emissor pode parar enquanto está
enviando a mensagem para o grupo.
Garantia de consistência do grupo
Facilidade de programação
Ordenação de mensagens
Todas as mensagens enviadas a um grupo
devem chegar a todos os processos na mesma
ordem.
Abordagens:
Ordenação por tempo global
Ordenação por tempo consistente: somente uma
mensagem por vez é difundida