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Sistemas distribuidos
 

Sistemas distribuidos

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    Sistemas distribuidos Sistemas distribuidos Presentation Transcript

    • Sistemas Distribuidos
    • Contenido• Sistemas distribuidos• Sistemas operativos distribuidos• Comunicación de procesos• Sincronización de procesos• Gestión de procesos• Sistemas de archivos• Gestión de memoriaSistemas operativos: una visiónaplicada2 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Conceptos previos• Un programa es un conjunto de instrucciones.• Un proceso es un programa en ejecución.• Una red de computadores es un conjunto de computadores conectados por una red de interconexión.• Un sistema distribuido (SD) – Modelo físico: conjunto de nodos (procesadores sin memoria ni reloj común) conectados por una red. – Modelo lógico: conjunto de procesos que ejecutan concurrentemente en uno o más computadores que colaboran y comunican intercambiando mensajes.• Un protocolo es un conjunto de reglas e instrucciones que gobiernan la comunicación en un sistema distribuido, es decir, el intercambio de mensajes.Sistemas operativos: una visiónaplicada3 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Características• Compartir recursos (HW, SW, datos). – Acceso a recursos remotos. • Modelo cliente-servidor • Modelo basado en objetos• Ofrecen una buena relación coste/rendimiento• Capacidad de crecimiento• Tolerancia a fallos, disponibilidad – Replicación• Concurrencia• Velocidad – ParalelismoSistemas operativos: una visiónaplicada4 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Desventajas• Necesidad de software más complejo• Problemas de fiabilidad• Problemas de seguridad y confidencialidadSistemas operativos: una visiónaplicada5 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Arquitectura de un sistema distribuido Red de interconexiónSistemas operativos: una visiónaplicada6 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Redes e interconexión• Paquete: tipo de mensaje que se intercambia entre dos dispositivos de comunicación. – Tamaño limitado por el hardware• Mensaje: objeto lógico que se intercambian entre dos o más procesos. – Su tamaño puede ser bastante grande. – Un mensaje se descompone en paquetes.• Subsistema de comunicación: conjunto de componentes HW y SW que proporcionan servicios de comunicación en un sistema distribuido.• Protocolo: conjunto de reglas e instrucciones que gobiernan el intercambio de paquetes y mensajesSistemas operativos: una visiónaplicada7 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Propiedades de un subsistema de comunicación• Tasa de transferencia: velocidad de transferencia• Latencia: tiempo necesario para transferir un mensaje vacío• Tiempo de transferencia = latencia + tamaño/tasa de trasferencia• Paquetes/segundo• Capacidad de crecimiento. Aumento en el nº de nodos• Calidad de servicio – Importante en aplicaciones multimedia y de tiempo real• Fiabilidad del subsistema – Mecanismos de detección de errores• Seguridad: protección de los paquetes• Confidencialidad: proteger la identidad de los emisoresSistemas operativos: una visiónaplicada8 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Tipos de redes de computadores• Redes de área local (LAN, Local Area Network) – Redes que enlazan sistemas cercanos – Posibilidad de difusión de mensajes (broadcast)• Redes de área extensa (WAN, Wide Area Network) – Poco ancho de banda (20-500 Kbps) – Bajas latencias – Redes telefónicas, redes públicas de datos, fiabra óptica RDSI, B-RDSI, ATM• Nuevos desarrollos en telecomunicaciones (ATM y RDSI) – Diferencias entre LAN y WAN cada vez más borrosasSistemas operativos: una visiónaplicada9 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Protocolos de comunicación• Protocolo: conjunto de reglas y formatos que permiten la comunicación entre procesos.• La definición de un protocolo tiene dos parte: – Especificación de la secuencia de mensajes que deben intercambiarse. – Especificación del formato de mensajes.• El software de red se organiza en nivelesSistemas operativos: una visiónaplicada10 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Funciones de una pila de protocolos• Segmentación y ensamblado de mensajes• Encapsulado: incorporación de información de control a los datos – Dirección del emisor y receptor – Código de detección de errores• Control de conexión – Protocolos orientados a conexión – Protocolos no orientados a conexión: • No se asegura el orden secuencial de los datos transmitidos• Entrega ordenada en protocolos orientados a conexión – Números de secuenciaSistemas operativos: una visiónaplicada11 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Funciones de una pila de protocolos II• Control de flujo: función realizada en el receptor para limitar la cantidad o tasa de datos que envía el emisor.• Control de errores: se basan en el uso de una secuencia de comprobación y reenvío.• Direccionamiento, conseguir que los mensajes alcancen al receptor• Multiplexación: necesario para un uso más eficiente de los servicios• Servicios de transmisión: – Prioridad – Calidad de servicio – SeguridadSistemas operativos: una visiónaplicada12 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Ejemplos de protocolos• Protocolos internet: – Originados por el trabajo de DARPA en los 70 – Muy utilizados en la actualidad – Gran crecimiento durante los 90 debido al uso del Web• Protocolos OSI (open system interconection) – Estándar desarrollado por ISO• Estándares propietarios – SNA de IBM (años 70) – DECnet desarrollado por DEC – NetWare: red de Novell para redes de PCSistemas operativos: una visiónaplicada13 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Protocolos TCP/IP• Resultado de la investigación y desarrollo llevados a cabo en la red ARPANET (financiada por DARPA) en los años 70• Familia de protocolos utilizados en Internet• En los 90 se ha establecido como la arquitectura comercial dominante: – Se especificaron y utilizaron antes de OSI – Independiente de la tecnología de red utilizada – Internet está construida sobre un conjunto de protocolos TCP/IP. – Espectacular desarrollo de World Wide WebSistemas operativos: una visiónaplicada14 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Protocolos TCP/IP Emisor ReceptorSistemas operativos: una visiónaplicada15 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Protocolo Internet (nivel IP)• La transmisión no es fiable (no se asegura la recepción de los paquetes IP). Los paquetes se pueden descartar por: – Expiración del tiempo de vida – Congestión – Error en la suma de comprobación• Control de flujo muy limitado• Calidad de servicio muy limitado – Seguridad: normal o alto – Retardo: normal o bajo – Rendimiento: normal o altoSistemas operativos: una visiónaplicada16 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Protocolos de transporte• Protocolo TCP – Orientado a conexión – Garantiza que los datos se entregan en el orden en el que se envían – Las conexiones TCP se ven como un flujo de bytes – La transmisión se considera “fiable”. Pueden perderse mensajes (sobrecarga en la red, fallos en encaminadores, etc.) – Cuando los mensajes son muy pequeños, TCP los retrasa hasta conseguir uno más grande • Esta opción debe desactivarse si es necesario – Escrituras concurrentes sobre una misma conexión TCP pueden provocar que los datos se entremezclen.Sistemas operativos: una visiónaplicada17 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Protocolos de transporte• Protocolo UDP – Protocolo de datagramas no orientado a conexión. – Protocolo no fiable • Los paquetes se pueden perder, duplicar, recibir en orden distinto al enviado – Tamaño máximo del mensaje: 64 KBSistemas operativos: una visiónaplicada18 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Encaminamiento• Permite que los paquetes viajen del proceso emisor al receptor.• Algoritmo: – Un programa de aplicación genera un paquete, o bien se lee un paquete de la interfaz de red. – Si el paquete es para la máquina, se acepta. – En caso contrario, se incrementa el contador de saltos, si se excede el máximo, el paquete se descarta. – Si el paquete no es para la máquina se busca en la tabla de encaminamiento y se retransmite a la interfaz adecuada. • Tablas estáticas, las más utilizadas • Tablas dinámicasSistemas operativos: una visiónaplicada19 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Papel del sistema operativo• El SW de comunicación de un sistema operativo se organiza como un conjunto de componentes con tareas concretas – Subsistema de almacenamiento: buffers donde almacenar los paquetes que llegan y se envían (limitado)• En implementaciones UNIX típicas – TCP reserva para cada puerto (socket) un buffer de 8 KB y UDP 2 buffers de 8KB. El tamaño se puede incrementar hasta 64 KB. – Los mensajes a enviar se copian a estos buffers – El contenido de estos buffers se fragmenta y se copian a nuevos bloques de memoria a utilizar por IP – IP envía finalmente los paquetes por la interfaz de red correspondiente
    • Papel del sistema operativo• Un sistema operativo puede perder paquetes cuando la tasa de envíos y de recepción es muy grande.• En sistemas operativos multiusuario la pérdida de paquetes suele producirse a ráfagas debido a los algoritmos de planificación.• La latencia del SO 40 ha crecido en términos 35 relativos 30 25 20 15 10 5 0 1985-1990 1990-1995 1995-2000 2000-20005
    • ¿Dónde se pierde el tiempo?• Códigos de corrección (Checksum) – Sobre datos TCP y UDP – Sobre cabeceras IP• Copias de datos – Entre usuario y kernel• Estructura de datos – Gestión de los buffers, colas de defragmentación de paquetes IP,• Sistema Operativo – Sobrecarga impuesta por las operaciones del SOSistemas operativos: una visiónaplicada22 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Contenido• Sistemas distribuidos• Sistemas operativos distribuidos• Comunicación de procesos• Sincronización de procesos• Gestión de procesos• Sistemas de archivos• Gestión de memoriaSistemas operativos: una visiónaplicada23 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Sistema operativo en red (SOR) Aplicaciones Aplicaciones Lenguajes de programación Lenguajes de programación Sistema operativo Sistema operativo Hardware Hardware Red de interconexión• El usuario ve un conjunto de máquinas independientes – No hay transparencia• Se debe acceder de forma explícita a los recursos de otras máquinas• Difíciles de utilizar para desarrollar aplicaciones distribuidas Sistemas operativos: una visión aplicada 24 © J. Carretero, F. García, P. de
    • Sistema operativo distribuido (SOD) Aplicaciones Lenguajes de programación Sistema operativo distribuido Hardware Hardware Red de interconexión• Se comporta como un SO único (visión única) – Distribución. Transparencia• Se construyen normalmente como micronúcleos que ofrecen servicios básicos de comunicación – Mach, Amoeba, Chorus.• Todos los computadores deben ejecutar el mismo SOD Sistemas operativos: una visión aplicada 25 © J. Carretero, F. García, P. de
    • Transparencia• Acceso: acceso a recursos remotos y locales de igual forma• Posición: acceso a los recursos sin necesidad de conocer su situación• Concurrencia: acceso concurrente a recursos compartidos sin interferencias• Replicación: Acceso a recursos replicados sin conocimiento de que lo son• Fallos: mantenimiento del servicio en presencia de fallos.• Migración: permite que los recursos y objetos se muevan sin afectar a la operación de los programas.• Capacidad de crecimiento: facilidad para crecer sin afectar a la estructura del sistemaSistemas operativos: una visiónaplicada26 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Middleware y entornos distribuidos Aplicaciones Lenguajes de programación Middleware Sistema operativo Sistema operativo Hardware Hardware Red de interconexión• Servicios y protocolos estándarizados: Sistemas abiertos• Ofrecen servicios no incluidos en el SO (servicios de ficheros distribuidos, servicios de nombres, ...)• Facilitan el desarrollo de aplicaciones distribuidas• Independientes del HW y del SO subyacente.• DCE, CORBA, DCOM, Legion, Globe, Globus Sistemas operativos: una visión aplicada 27 © J. Carretero, F. García, P. de
    • Servicios de un sistema operativo distribuido• Servicios de comunicación• Servicios de sincronización• Gestión distribuida de procesos• Sistemas de archivos distribuidos• Memoria compartida distribuidaSistemas operativos: una visiónaplicada28 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Contenido• Sistemas distribuidos• Sistemas operativos distribuidos• Comunicación de procesos• Sincronización de procesos• Gestión de procesos• Sistemas de archivos• Gestión de memoriaSistemas operativos: una visiónaplicada29 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Comunicación en sistemas distribuidos• La comunicación de procesos es fundamental en cualquier sistema distribuido• Existen diferentes posibilidades todas ellas basadas en el paso de mensajes – Mecanismos de bajo nivel, el programador debe preocuparse de establecer los protocolos de comunicación, representación de datos, etc. • Colas de mensajes • Sockets – Mecanismo de alto nivel, ofrecen abstracciones donde el programador no debe preocuparse de establecer protocolos • Llamadas a procedimientos remotos • Invocación de métodos remotos (entornos orientados a objetos)Sistemas operativos: una visiónaplicada30 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Comunicación cliente-sevidorMuy utilizada en entornos distribuidos (más del 90% de los sistemas distribuidos utilizan la arquitectura cliente-servidor) Máquina A petcición Máquina B cliente servidor respuesta NÚCLEO NÚCLEO RED Protocolo típico: petición-respuestaSistemas operativos: una visiónaplicada31 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Comunicación de grupos• Utiliza mensajes multicast• Útil para: – Ofrecer tolerancia a fallos basado en servicios replicados – Localizar objetos en sistemas distribuidos – Mejor rendimiento mediante datos replicados – Actualizaciones múltiples – Operaciones colectivas en cálculo paraleloSistemas operativos: una visiónaplicada32 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Sockets• Aparecieron en 1981 en UNIX BSD 4.2 – Intento de incluir TCP/IP en UNIX – Diseño independiente del protocolo de comunicación• Un socket es punto final de comunicación (dirección IP y puerto)• Abstracción que: – Ofrece interfaz de acceso a los servicios de red en el nivel de transporte • Protocolo TCP • Protocolo UDP – Representa un extremo de una comunicación bidireccional con una dirección asociadaSistemas operativos: una visiónaplicada33 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Sockets: introducción• Sujetos a proceso de estandarización dentro de POSIX (POSIX 1003.1g)• Actualmente – Disponibles en casi todos los sistemas UNIX – En prácticamente todos los sistemas operativos • WinSock: API de sockets de Windows – En Java como clase nativaSistemas operativos: una visiónaplicada34 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Sockets UNIX• Dominios de comunicación• Tipos de sockets• Direcciones de sockets• Creación de un socket• Asignación de direcciones• Solicitud de conexión• Preparar para aceptar conexiones• Aceptar una conexión• Transferencia de datosSistemas operativos: una visiónaplicada35 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Dominios de comunicación• Un dominio representa una familia de protocolos• Un socket está asociado a un dominio desde su creación• Sólo se pueden comunicar sockets del mismo dominio• Algunos ejemplos: – PF_UNIX (o PF_LOCAL): comunicación dentro de una máquina – PF_INET: comunicación usando protocolos TCP/IP• Los servicios de sockets son independientes del dominioSistemas operativos: una visiónaplicada36 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Tipos de sockets• Stream (SOCK_STREAM) – Orientado a conexión – Fiable, se asegura el orden de entrega de mensajes – No mantiene separación entre mensajes – Si PF_INET se corresponde con el protocolo TCP• Datagrama (SOCK_DGRAM) – Sin conexión – No fiable, no se asegura el orden en la entrega – Mantiene la separación entre mensajes – Si PF_INET se corresponde con el protocolo UDP• Raw (SOCK_RAW) – Permite el acceso a los protocolos internos como IPSistemas operativos: una visiónaplicada37 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Direcciones de sockets • Cada socket debe tener asignada una dirección única • Las direcciones se usan para: – Asignar una dirección local a un socket (bind) – Especificar una dirección remota (connect o sendto) • Dependientes del dominio • Se utiliza la estructura genérica struct sockaddr • Cada dominio usa una estructura específica – Direcciones en PF_UNIX (struct sockaddr_un) • Nombre de fichero – Direcciones en PF_UNIX (struct sockaddr_in) – Uso de conversión de tipos (casting) en las llamadasSistemas operativos: una visiónaplicada38 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Direcciones de sockets en PF_INET• Host (32 bits) + puerto (16 bits)• Una dirección IP se almacena en una estructura de tipo: – struct in_addr• Estructura struct sockaddr_in – Debe iniciarse a 0 – sin_family: dominio (AF_INET) – sin_port: puerto – sin_addr: dirección del host• Función que facilita el nombre de la máquina en la que se ejecuta: int gethostname(char *name, int namelen);Sistemas operativos: una visiónaplicada39 © J.Carretero, F. García, P. de
    • Obtención de la dirección de host • Usuarios manejan direcciones en forma de texto: – decimal-punto: 138.100.8.100 – dominio-punto: laurel.datsi.fi.upm.es • Algunas funciones para trabajar con direcciones: – char *inet_ntoa(struct in_addr in); • Devuelve una dirección en notación decimal-punto. – struct hostent *gethostbyname(char *str); • Convierte una dirección en notación dominio-punto a una estructura que describe máquina. • Algunos campos de la estructura struct hostent: – char *name nombre oficial de la máquina – char **h_addr_list lista de direccionesSistemas operativos: una visiónaplicada40 © J.Carretero, F. García, P. de