Tolerância a Falhas

Tópicos em redes e
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
7
Servidor
Resposta
Núcleo
6
5 Requisição/Resposta
Núcleo
4
3
2
Rede
1
Enlace
Físico
Transmissão de dados
Dados em programas são estruturados enquanto que mensagens
carregam informação sequencial:
» Linearização/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:
Linearização de uma coleção de itens de dados estruturados
Tradução dos dados em formato externo
Unmarshalling:
Tradução do formato externo para o local
Restauração dos itens de dados de acordo com sua estrutura
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
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
Pacotes em protocolo C-S
Código
Tipo
De Para Descrição
REQ
Request
C
S
REP
Reply
S
C
ACK
Ackowledgment
x
y
AYA
Are you alive?
C
S
IAA
I am alive
S
C
Investiga de o servidor
não parou
O servidor não parou
TA
Try again
S
C
O servidor está lotado
AU
Address unknown S
C
Nenhum processo está
usando aquele endereço
O cliente deseja um
serviço
Resposta do servidor para
o cliente
O pacote anterior chegou
Chamada de Procedimentos Remotos
(RPC)
Comunicação baseada em operações de entrada/saída: abstração
fraca, sujeito a erros
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
Modos de parâmetros
Valor: procedimento chamado recebe uma cópia de uma variável
conhecida do procedimento chamador
Referência: procedimento chamado recebe o endereço de uma
variável conhecida do procedimento chamador
Cópia/Reescrita: procedimento chamador recebe uma cópia de
uma variável conhecida do procedimento chamador e o valor
desta cópia é reescrito na variável
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
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
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 servidor
Passos normais:
recebe mensagem de request
executa procedimento
envia mensagem de reply
Falha pode ocorrer:
após a execução
antes da execução
Semânticas de chamada:
pelo menos um
no máximo um
exatamente um
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
Comunicação em grupo
Tolerância a falhas baseada na
replicação de serviços
R
R
R
R
E
R
R
R
R
E
Processo que envia mensagem
R
Processo que recebe mensagem
Localização de objetos em serviços
distribuídos
Melhor desempenho via replicação
de dados
Múltipla atualização
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 enviador 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