Sistemas de Informa¸c˜ao – Univ´as

Sistemas de Informa¸c˜ao – Univ´as

Roberto Ribeiro Rocha

Abril de 2014

Sum´

ario

1 Objetivos 1

2 Motiva¸c˜ao 1

3 Introdu¸c˜ao 1

4 Tempo F´ısico 1

4.1 Rel´ogios f´ısicos . . . 1 4.2 Algoritmo de Cristian . . . 2

5 Rel´ogios L´ogicos 3

5.1 Eventos . . . 3 5.2 Tempo l´ogico - Causalidade . . . 3

6 Rel´ogio l´ogico de Lamport 4

7 Exclus˜ao m´utua em um sistema distribu´ıdo 8

7.1 Um algoritmo centralizado . . . 8 7.2 Um algoritmo distribu´ıdo . . . 9 7.3 Outros exemplos de uso de rel´ogio l´ogico . . . 10

8 Considera¸c˜oes Finais 11

1

Objetivos

• Apresentar a ideia que envolve Rel´ogios L´ogicos, suas caracter´ısticas e funciona-mento.

• Apresentar no¸c˜oes sobre Sincroniza¸c˜ao em Sistemas Distribu´ıdos.

2

Motiva¸c˜

ao

Entender o funcionamento e a utilidade dos Rel´ogios L´ogicos na sincroniza¸c˜ao de processos em sistemas distribu´ıdos.

3

Introdu¸c˜

ao

Em um ambiente distribu´ıdo, cada processo ´e executado em uma m´aquina, indepen-dentemente de outros processos, por´em eles se comunicam atrav´es de mensagens que s˜ao enviadas de um remetente at´e um destinat´ario.

Essas mensagens devem ser recebidas e processadas na ordem que foram enviadas, por´em atrasos no meio de comunica¸c˜ao podem afetar essa premissa, gerando resultados diferentes do esperado.

N´os temos a necessidade que o sistema distribu´ıdo como um todo tenha um com-portamento sincronizado, que ´e obtido atrav´es do uso de Rel´ogios L´ogicos.

Em sistemas com ´unica CPU, se resolve esse problema via sem´aforos e monitores. Por´em estes m´etodos n˜ao s˜ao adequados para sistemas distribu´ıdos, pois as partes envol-vidas n˜ao compartilham o mesmo espa¸co de endere¸camento.

4

Tempo F´ısico

Aqui precisamos esclarecer a maneira como ´e tratado o tempo. A no¸c˜ao de tempo f´ısico ´e relativamente problem´atica em sistemas distribu´ıdos, devido `a sincroniza¸c˜ao f´ısica dos clocks.

4.1

Rel´

ogios f´ısicos

S˜ao dispositivos que geram interrup¸c˜oes continuamente, utilizando frequˆencia de hardware. Cada interrup¸c˜ao pode ser interpretada por um software, gerando um n´umero (timestamp), usados para marcar qualquer evento dos processos.

Por´em o hardware ´e sujeito a atrasos, devido a fenˆomenos naturais. Assim existem certas dificuldades de sincroniza¸c˜ao f´ısica:

• Definir o tempo de propaga¸c˜ao de uma mensagem na rede;

• Possibilidade de falhas nos processadores ou meios de comunica¸c˜ao.

Para sincronizar um rel´ogio f´ısico, normalmente existe uma referˆencia: UTC (Uni-versal Coordinated Time), que usa o rel´ogio atˆomico (de C´esio 133). Existem v´arios transmissores de r´adio no mundo enviando regularmente um pulso no in´ıcio de cada se-gundo UTC. Por´em existe o tempo gasto para a mensagem ser transmitida e recebida. Ent˜ao se perde de 1 a 10 ms. E mais ainda, cada receptor pode ter diferentes tempos de recebimento. Assim o problema de sincroniza¸c˜ao ainda persiste.

4.2

Algoritmo de Cristian

Esse algoritmo foi proposto para fazer a sincroniza¸c˜ao de rel´ogios f´ısicos, onde pe-riodicamente uma m´aquina cliente envia uma mensagem para um servidor de rel´ogio pedindo o valor da hora corrente. Otime server responde o mais r´apido que puder, com uma mensagem contendo seu tempo corrente, conforme mostrado na Figura 1.

Figura 1: Algoritmo de Cristian

Assim, quando o emissor recebe a resposta, ele atualiza seu clock.

Por´em ainda existem 2 problemas:

• a diferen¸ca entre os rel´ogios do cliente e servidor e

5

Rel´

ogios L´

ogicos

V´arias aplica¸c˜oes interessam na ordem em que os eventos ocorreram, n˜ao se impor-tando muito com o tempo real da ocorrˆencia.

Um rel´ogio l´ogico mede o tempo discreto, ou seja, um contador que acumula o n´umero de eventos ocorridos entre um evento de referˆencia e um outro evento.

5.1

Eventos

´

E a ocorrˆencia de uma a¸c˜ao executada por um processo, e mesmo se a mesma a¸c˜ao for executada v´arias vezes, cada execu¸c˜ao dela ´e um evento.

Um processo ´e composto por uma sequˆencia de eventos: e1,e2,. . .,en. Esses eventos podem ser dos seguintes tipos: internos, envio e recebimento de mensagens.

Figura 2: Um processo e seus eventos

Figura 3: Dois processos e seus eventos

Figura 4: Trˆes processos e seus eventos

Aten¸c˜ao: Nem sempre ´e necess´ario o rel´ogio ser sincronizado, mas sim estabelecer uma ordem dos eventos.

5.2

Tempo l´

ogico - Causalidade

“N˜ao conseguimos sincronizar os rel´ogios f´ısicos perfeitamente logo n˜ao podemos utiliz´a-los para determinar a ordem de ocorrˆencia de dois eventos quaisquer num Sistema Distribu´ıdo” (Lamport, 78)

Solu¸c˜ao:

Ao inv´es de sincronizarmos os rel´ogios f´ısicos podemos ordenar os eventos num Sistema Distribu´ıdo.

A sincroniza¸c˜ao dos rel´ogios l´ogicos ocorre seguindo a rela¸c˜ao deprecedˆencia cau-sal entre os eventos.

Precedˆencia Causal ou ordem causal ou causalidade ou rela¸c˜ao de ordem

ourela¸c˜ao happens before (hb)

Essa rela¸c˜ao ´e representada por: →

A express˜ao a → b ´e lida como “a precede b” e significa que todos os processos concordam com o fato de primeiro acontecer o evento a e depois ocorrer o eventob.

A rela¸c˜ao de causa e efeito ´e regida por 3 regras:

1. Se a e b s˜ao eventos no mesmo processo nessa ordem, ent˜ao a→b;

2. Sea´e o evento do envio de uma mensagem por um processo eb´e o evento da mesma mensagem sendo recebida pelo processo de destino, ent˜ao a→b;

3. Se a→b e b→c, ent˜ao a→c. Rela¸c˜ao transitiva.

Eventos concorrentes s˜ao representados da seguinte forma: a||b

onde percebemos que ¬(a → b) ∨ ¬(b → a), ou seja, n˜ao ´e poss´ıvel determinar qual evento ocorreu antes ou depois.

Exerc´ıcio 1 –

Utilizando as imagens das Figuras 3 e 4, fazer:

1. Ordenar os eventos de acordo com suas ocorrˆencias, ou seja escrever a sequˆencia de ocorrˆencia dos eventos para o sistema como um todo.

2. Indicar qual a rela¸c˜ao de causalidade entre os eventos abaixo, para cada figura:

a c a d a e a f b c b d

b e b f c e c f d e d f

Tabela 1: Rela¸c˜ao entre os eventos

Exerc´ıcio 2 –

Ordenar os eventos da imagem a seguir.

6

Rel´

ogio l´

ogico de Lamport

´

Figura 5: Exerc´ıcio 2.

Ele mede o tempo interno, ou seja, um contador (L) que acumula o n´umero de eventos ocorridos entre um evento de referˆencia e um outro evento interno do processo.

A rela¸c˜ao entre → e Lamporttimestamps ´e:

e1→e2 =⇒L(e1)< L(e2) (1)

Cada processo P item seu rel´ogio l´ogico designado por Li.

Lamport definiu 3 regras de atualiza¸c˜ao do rel´ogio, onde ostimestampss˜ao colocados nos eventos de acordo com as regras abaixo (Li ´e o rel´ogio do processoi):

1. Evento local: Li ´e incrementado antes de coloc´a-lo como timestamp num evento local;

2. Send: quando P i envia uma mensagemm,P i copia em m o valor do seu Li;

3. Receive: quando P j recebe uma mensagem m com timestamp t, P j faz Lj =

max(Lj, t) + 1.

Exemplo:

• L1, L2 e L3 s˜ao inicializados com zero

• No envio de m1,P1 envia L1 = 2 junto na mensagem

• P2 recebe m1 e faz L2 = max(0,2) + 1

• No envio de m2,P2 envia L2 = 4 junto na mensagem

• P3 recebe m2 e faz L3 = max(1,4) + 1

Importante:

Figura 6: Trˆes processos e seus eventos enumerados

• Por´em o contr´ario n˜ao ´e verdadeiro: L(e1)< L(e2) n˜ao implica e1→e2

Exemplo: na imagem anterior L(e)< L(b) por´em n˜ao h´a a garantia que o evento e

sempre ocorrer´a antes de b, pois e||b.

Assim o Rel´ogio L´ogico de Lamport define uma ordem parcial de eventos que satisfaz a rela¸c˜ao causal (HB) entre eventos, mas n˜ao completamente.

Exerc´ıcio 3 –

Enumerar corretamente os eventos das imagens a seguir

utilizando o rel´ogio l´ogico de Lamport.

Figura 7: Exerc´ıcio 3.1.

Figura 8: Exerc´ıcio 3.2.

7

Exclus˜

ao m´

utua em um sistema distribu´ıdo

Sistemas envolvendo m´ultiplos processos s˜ao frequentemente mais facilmente progra-mados utilizando regi˜oes cr´ıticas. Quando um processo deve ler ou atualizar estruturas de dados compartilhadas, ele primeiro tenta garantir exclus˜ao m´utua para o acesso a regi˜ao cr´ıtica.

Em um ambiente centralizado a tarefa de impor a exclus˜ao m´utua ´e facilitada pelo uso de sem´aforos ou monitores. Em ambientes distribu´ıdos impor a exclus˜ao m´utua exige cuidado maior.

7.1

Um algoritmo centralizado

A maneira mais direta de implementar exclus˜ao m´utua em um sistema distribu´ıdo ´e simular o comportamento de um sistema com um ´unico processador. Um processo ´e eleito coordenador, geralmente executando em uma m´aquina com o endere¸co de rede mais alto.

Quando um processo deseja entrar na regi˜ao cr´ıtica, ele envia uma mensagem para o coordenador, solicitando e informando a regi˜ao cr´ıtica que ele deseja entrar.

Se nenhum outro processo estiver na regi˜ao cr´ıtica, o processo coordenador envia uma mensagem de resposta (reply) garantindo permiss˜ao ao processo. Quando a mensa-gem chega, o processo entra na regi˜ao cr´ıtica.

Se existir um outro processo na regi˜ao cr´ıtica, o processo coordenador pode tomar duas atitudes (dependendo da implementa¸c˜ao do sistema):

1. Enviar uma mensagem reply com o conte´udo permission denied.

2. N˜ao enviar resposta enquanto a regi˜ao cr´ıtica n˜ao estiver dispon´ıvel.

Quando um processo sai da regi˜ao cr´ıtica ele envia uma mensagem avisando o pro-cesso coordenador. Se houver propro-cesso aguardando, o coordenador retira o primeiro da fila e envia uma mensagem liberando o processo.

´

7.2

Um algoritmo distribu´ıdo

Um algoritmo distribu´ıdo pode ser alcan¸cado com a ordena¸c˜ao total dos eventos proposta por Lamport (1978).

A seguir ser´a descrito o algoritmo apresentado por Ricart e Agrawala (1981).

Quando um processo quer entrar na regi˜ao cr´ıtica, ele constr´oi uma mensagem con-tendo o nome da regi˜ao cr´ıtica que ele deseja utilizar, o n´umero de identifica¸c˜ao do pro-cesso, e o tempo corrente. Essa mensagem ´e enviada para os outros processos, inclusive ele pr´oprio. O envio da mensagem ´e assumido como confi´avel, ou seja, toda mensagem ter´a confirma¸c˜ao.

Quando um processo recebe uma mensagem de requisi¸c˜aorequest de outro processo, a sua a¸c˜ao depende de seu estado com respeito `a regi˜ao cr´ıtica descrita na mensagem. Trˆes casos devem ser distinguidos:

1. Se o receptor n˜ao est´a na regi˜ao cr´ıtica e n˜ao deseja entrar nela, ele envia de volta uma mensagem de OK para o emissor.

2. Se o receptor est´a na regi˜ao cr´ıtica, ele n˜ao responde a mensagem, ao contr´ario, ele coloca a requisi¸c˜ao em um fila de espera.

3. Se o receptor quer entrar na regi˜ao cr´ıtica, mas ainda n˜ao conseguiu, ele compara o timestamp da mensagem que chegou com otimestamp da mensagem que ele enviou. A menor vence. Se a mensagem que chegou ´e menor, o receptor envia uma mensa-gem de OK para o processo emissor. Se a sua mensagem ´e a que possui o menor timestamp, o receptor coloca na fila a mensagem de requisi¸c˜ao e n˜ao responde ao emissor.

Ap´os enviar todas as mensagens de requisi¸c˜ao da regi˜ao cr´ıtica, o processo fica bloqueado aguardando a resposta de todos os outros processos. Assim que todas as mensagens de permiss˜ao chegarem, ele pode entrar na regi˜ao cr´ıtica.

Exerc´ıcio 4 –

Baseado na situa¸c˜ao da Figura 10, fa¸ca:

1. desenhar os eventos de envio e recebimento das mensagens, indicando as informa¸c˜oes necess´arias para que o processo P1 entre e saia da regi˜ao cr´ıtica, utilizando o al-goritmo distribu´ıdo. Enumere os eventos utilizando as regras do rel´ogio l´ogico de Lamport. Escreva, abreviadamente em cada mensagem, qual ´e seu conte´udo: req ou ok.

2. desenhar os eventos de envio e recebimento das mensagens indicando as informa¸c˜oes necess´arias para que o processo P1 entre e saia da regi˜ao cr´ıtica, por´em agora utilizando o algoritmo centralizado. Sugest˜ao: desenhar um processo extra para fazer o papel do processo coordenador.

Figura 10: Exerc´ıcio 4.

7.3

Outros exemplos de uso de rel´

ogio l´

ogico

• Exclus˜ao M´utua em sistemas distribu´ıdos;

• Depura¸c˜ao (debugging);

• Algoritmos para elei¸c˜ao;

• Detec¸c˜ao de termina¸c˜ao;

• Deadlock (Deadlock S˜ao Jo˜ao-Ipiranga);

• Coleta de lixo (recursos n˜ao mais usados);

• Monitoramento em geral (Deadlock S˜ao Jo˜ao-Ipiranga, Editora, Bancos);

Exerc´ıcio 5 –

Dada a Figura 11, complete o desenho com as mensagens

e o n´

umero de cada evento at´e que o processo

P

1 consiga entrar na regi˜ao

cr´ıtica.

Figura 11: Exerc´ıcio 5.

8

Considera¸c˜

oes Finais

A ordena¸c˜ao de eventos em um sistema distribu´ıdo ´e um assunto importante pois afetam diretamente nos resultados esperados da execu¸c˜ao. O uso do Rel´ogio L´ogico de Lamport permite que eventos dependentes sejam executados em sua pr´opria ordem, inde-pendente do rel´ogio f´ısico, por´em n˜ao impondo uma ordem total dos eventos. Com o uso de rel´ogios l´ogicos podemos implementar certos algoritmos que ajudam a resolver v´arios problemas em um ambiente distribu´ıdo.

9

Bibliografia

Sincroniza¸c˜ao em Sistemas Distribu´ıdos - Edmilson Marmo Moreira - UNIFEI

LAMPORT, L. Time, clocks, and the ordering of events in a distributed system. Communications of the ACM, v. 21, n. 7, p. 558–565, July 1978.

COULOURIS, G.; DOLLIMORE, J.; KINDBERG, T. Distributed Systems - Con-cepts and Design. 2. ed., 1994

TANENBAUM, A. S. Distributed Operating Systems. Prentice Hall, 1995.