STD29006 Sistemas Distribuídos

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STD29006 – Sistemas Distribu´ıdos

Tipos e arquiteturas de Sistemas Distribu´ıdos

Prof. Emerson Ribeiro de Mello

Instituto Federal de Santa Catarina – IFSC campus S˜ao Jos´e

[email protected]

http://docente.ifsc.edu.br/mello/std

08 de agosto de 2017

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Sistemas de computa¸c˜ao distribu´ıdos

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

Cluster: agrupamento de m´aquinas

Aglomerado de computadores semelhantes

Mesmo sistema operacional e conectados atrav´es de uma rede local O administrador ´e dono de todo do cluster

Usado para processamento paralelo – mestre distribui tarefas pelos n´os

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

Tianhe-2 - China - O mais r´apido em 2015, hoje o segundo – 33.86 PFlop/s 3.120.000 n´ucleos

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

Sunway TaihuLight - China - O mais rápido atualmente – 93 PFlop/s 10.649.600 núcleos, memória: 1.310.720 GB

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

Titan - EUA - O terceiro mais r´apido atualmente – 17.59 PFlop/s 560.640 n´ucleos

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

Tupã - Brasil - Em 2010 ficou na posi¸cão 29/500 – 258TFlop/s R$ 23 milhões e é 2.580 mais rápido que um core i7

31/01/17 – Crise amea¸ca o Inpe e pode parar superm´aquina da previs˜ao do tempo

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

Santos Dumont - Brasil - Atualmente o mais r´apido da Am´erica Latina – 1,1 PFlop/s

18.144 n´ucleos, 756 n´os computacionais

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

Cluster com Playstation3

Em 2010 a for¸ca a´erea americana fez um com 1.760 PS3, obtendo 500TFlop/s – posi¸c˜ao 33/500

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

Grades computacionais ou Grid

Cluster

Ambiente homogˆeneo: hardware, sistema operacional, rede local, administra¸c˜ao central

Grid

Ambientes heterogˆeneos: cada n´o pode ter um hardware, S.O., rede, dom´ınio administrativo e pol´ıticas de seguran¸ca diferentes

Middleware é responsável por prover abstra¸cão para esta heterogeneidade

Grids geralmente s˜ao usadas para constituir Organiza¸c˜oes Virtuais

Diversas institui¸c˜oes colaboram com seus recursos (cluster, armazenamento, etc.)

Pol´ıticas de uso determinam quanto tempo cada organiza¸c˜ao poder´a usar a grid

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

Cloud Computing ou Computa¸c˜ao em Nuvem

Computa¸c˜ao em Nuvem permite que recursos computacionais possam ser providos de maneira r´apida e com m´ınimo esfor¸co de gerenciamento por parte do provedor de servi¸co

Permite adicionar ou remover recursos de acordo com a demanda

Similar as redes de energia e de telefonia

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

Computa¸cão em Nuvem consiste em oferecer como servi¸co aplica¸cões, bem como softwares e hardwares que hospedam estas aplica¸cões

A “nuvem” ´e conjunto de hardware e software no datacenter

Modelo de implanta¸c˜ao

Nuvem privada

Toda a nuvem a constru´ıda dentro dos limites de uma institui¸cão e é voltada exclusivamente para seus usuários

Ex: Nuvem USP – http://goo.gl/bK24Xr

Nuvem p´ublica

Oferece os servi¸cos e a tarifa¸c˜ao ´e feita de acordo com o uso A nuvem armazena dados de diferentes clientes

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

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Sistemas de computa¸c˜

ao distribu´ıdos

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Sistemas de informa¸c˜ao distribu´ıdos

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Sistemas de informa¸c˜

ao distribu´ıdos

Processamento de Transa¸c˜oes

Sistema do hotel indispon´ıvel, ou o hotel n˜ao tem mais vaga (acesso concorrente de diversos clientes)

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Sistemas de informa¸c˜

ao distribu´ıdos

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Sistemas de informa¸c˜

ao distribu´ıdos

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Sistemas de informa¸c˜

ao distribu´ıdos

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Sistemas de informa¸c˜

ao distribu´ıdos

Transa¸c˜oes tem por objetivo garantir a integridade de recursos

Recurso acessado por diversos processos de forma concorrente Processo realizando opera¸c˜oes sobre um ou mais recursos

Modo de opera¸c˜ao das transa¸c˜oes

1 Indicar in´ıcio da transa¸c˜ao

2 Realizar opera¸c˜oes sobre os recursos

3 Indicar o t´ermino da transa¸c˜ao

commit – tenta salvar as altera¸c˜oes

abort – ignora as altera¸c˜oes e volta para os valores originais

Ou todas as opera¸cões na transa¸cão são executadas ou nenhuma delas será executada

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Sistemas de informa¸c˜

ao distribu´ıdos

Caracter´ısticas das Transa¸c˜oes Atˆomica

Para um observador externo, a transa¸c˜ao ´e indivis´ıvel ´

E executada em sua totalidade ou n˜ao executa

Consistente

Toda transi¸cão leva o sistema de um estado válido para um outro estado válido

Isolada

Transa¸cões concorrentes não geram interferência entre si

Dur´aveis

Uma vez que a transa¸cão foi conclu´ıda com sucesso (commit), então as modifica¸cões feitas por ela são permanentes

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Sistemas distribu´ıdos ub´ıquos

Formado por dispositivos m´oveis pequenos, alimentados por bateria e com conex˜ao sem fio

Ex: Laptop, tablet, celular, dispositivos de automa¸c˜ao residencial ou para sa´ude, rede de sensores sem fio

Requisitos para sistemas ub´ıquos

Reagir a mudan¸cas do contexto

O dispositivo deve estar continuamente ciente das mudan¸cas no ambiente

Encorajar composi¸c˜oes ad hoc

Deve ser f´acil cooperar com outros dispositivos

Compartilhamento de recursos ´e algo impl´ıcito

Prover facilidades para compartilhar informa¸c˜oes

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Sistemas distribu´ıdos ub´ıquos

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Arquiteturas para Sistemas Distribu´ıdos

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Arquiteturas para Sistemas Distribu´ıdos

Organiza¸c˜ao dos Sistemas Distribu´ıdos

Estilos de arquitetura – formas de projetar o software do SD

Camadas Objetos Eventos

Espa¸co de dados compartilhados

Arquitetura de sistema – organiza¸c˜ao do SD em m´aquinas reais

Centralizados Descentralizados H´ıbridos

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Arquitetura de software

Estilos de arquitetura

Estilos s˜ao definidos por componentes de software (processos) e como estes se conectam uns aos outros

Baseada em camadas Baseada em objetos Baseada em eventos Espa¸co de dados compartilhados 15/31

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Arquitetura de software

Baseada em camadas Baseada em objetos Baseada em eventos Espa¸co de dados compartilhados Database with Web pages Query generator Ranking component HTML generator User interface Keyword expression Database queries

Web page titles with meta-information Ranked list of page titles HTML page containing list Processing level User-interface level Data level

Processos das camadas superiores invocam processos das camadas inferiores

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Arquitetura de software

Baseada em camadas

Baseada em objetos

Baseada em eventos Espa¸co de dados compartilhados

Cada objeto contém um estado e é capaz de realizar opera¸cões que podem ser invocadas por outros objetos O objeto seria um componente de software

Os conectores entre os objetos podem ser representadas por chamadas de

procedimento remoto (RPC)

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Arquitetura de software

Baseada em camadas Baseada em objetos

Baseada em eventos

Comunica¸cão entre os processos é feita através de eventos, que podem ou não conter dados

O barramento de eventos (middleware) ´e o respons´avel pelo transporte

Ex: Sistema publish/subscribe

Processos registram o interesse em determinados eventos (subscribe) Processos publicam eventos

Middleware notifica somente os processos que assinaram aquele evento

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Arquitetura de software

Baseada em camadas Baseada em objetos

Baseada em eventos

desacoplamento espacial – um processo n˜ao precisa referenciar diretamente um outro

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Arquitetura de software

Baseada em camadas Baseada em objetos Baseada em eventos

Semelhante ao baseado em eventos, por´em os dados persistem no middleware Acontece tamb´em o desacoplamento temporal

Dados persistem, mesmo se os processos n˜ao estiverem mais ativos

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Arquitetura de sistema

Centralizada – modelo cliente-servidor

Aplica¸cão é modelada como um conjunto de servi¸co que são providos pelos servidores e um conjunto de clientes que acessam esses servi¸cos

Cliente envia um pedido ao servidor e aguarda por sua resposta

Clientes precisam conhecer os servidores, porém o inverso não é verdade

Em um sistema distribu´ıdo, ´e poss´ıvel que um servidor tamb´em seja cliente de um outro servidor

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Arquitetura Centralizada – modelo cliente-servidor

Problemas com m´ultiplos clientes e um ´unico servidor

Servidor pode se tornar um gargalo e ponto ´unico de falhas

Client

Request Reply

Server

Provide service _Time Wait for result

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Arquitetura Centralizada – modelo cliente-servidor

Problemas com múltiplos clientes e um único servidor Solu¸cão: Múltiplos servidores

CS655! 2-22!

Communication in Multitier

Systems!

From Tanenbaum & Van Steen, Distributed Systems: Principles and Paradigms, 2e ! © Pearson Education Inc., 2007 "

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Arquitetura Centralizada – modelo cliente-servidor

Problemas com m´ultiplos clientes e um ´unico servidor

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Arquitetura de sistema

Cliente e servidor executando em máquinas distintas é a organiza¸cão mais comum

User interface User interface User interface Application User interface Application User interface Application Database Application Application Application

Database Database Database Database Database

User interface

(a) (b) (c) (d) (e)

Client machine

Server machine

(a) Cliente como terminal burro – Ex: Xorg

Ao cliente cabe apenas apresentar a interface gr´afica

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Arquitetura de sistema

User interface

(a) (b) (c) (d) (e)

Client machine

Server machine

(b) Cliente fica somente com o frontend

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Arquitetura de sistema

User interface

(a) (b) (c) (d) (e)

Client machine

Server machine

(c) Parte da l´ogica da aplica¸c˜ao fica no cliente

Ex: Valida¸c˜oes sobre preenchimento de formul´arios seria feita antes de enviar pela rede

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Arquitetura de sistema

User interface

(a) (b) (c) (d) (e)

Client machine

Server machine

(d) Toda a aplica¸c˜ao fica no cliente e esta invoca o servidor de Banco de Dados

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Arquitetura de sistema

User interface

(a) (b) (c) (d) (e)

Client machine

Server machine

(e) Cliente armazena parte do banco de dados

Ex: Cache do navegador web

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Arquitetura de sistema

Database Database Database Database Database User interface

(a) (b) (c) (d) (e)

Client machine

Server machine

1 Qual destas seria mais

f´acil manter?

2 Qual destas est´a em

evidˆencia atualmente?

Clientes leves – thin client

Maior facilidade para manter

Aplicar atualiza¸c˜ao

Pior desempenho

depende da latˆencia da rede

Clientes pesados – fat client

Dificuldade para manter

Diferentes vers˜oes de S.O Conflitos com outros softwares

Instala¸c˜ao e atualiza¸c˜ao demandam mais tempo

Melhor desempenho

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Arquitetura de sistema

Database Database Database Database Database User interface

(a) (b) (c) (d) (e)

Client machine

Server machine

1 Qual destas seria mais

f´acil manter?

2 Qual destas est´a em

evidˆencia atualmente? Clientes leves – thin client

Maior facilidade para manter

Aplicar atualiza¸c˜ao

Pior desempenho

depende da latˆencia da rede

Clientes pesados – fat client

Dificuldade para manter

Diferentes vers˜oes de S.O Conflitos com outros softwares

Instala¸c˜ao e atualiza¸c˜ao demandam mais tempo

Melhor desempenho

N˜ao depende muito da rede

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Arquitetura de sistema

Descentralizada – Redes Par a Par (Peer-to-Peer – P2P)

Motiva¸c˜ao

Evitar ponto ´unico de falhas Escalabilidade

Aproveitar recursos de todos os n´os participantes da rede

Caracter´ısticas

Todo n´o na rede possui a mesma funcionalidade

Pode acessar servi¸cos de outros n´os, bem como prover

Nós são autônomos e não confiáveis Rede dinâmica

N´os ingressam e saem da rede a todo instante

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Arquitetura de sistema

Potenciais benef´ıcios

Escala para um grande n´umero de n´os

Organiza¸c˜ao dinˆamica diante de ingressos e egressos na rede Balanceamento de carga

Processamento em paralelo

Alta disponibilidade por meio de replica¸cão dos recursos nos nós Qual topologia seria mais escalável?

Redes P2P são comumente utilizadas para distribui¸cão de conteúdo

Compartilhamento de arquivos, mensageiros instantˆaneos, voz sobre IP

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Arquitetura de sistema

Potenciais benef´ıcios

Escala para um grande n´umero de n´os

Organiza¸c˜ao dinˆamica diante de ingressos e egressos na rede Balanceamento de carga

Processamento em paralelo

Alta disponibilidade por meio de replica¸cão dos recursos nos nós Qual topologia seria mais escalável?

Redes P2P são comumente utilizadas para distribui¸cão de conteúdo

Compartilhamento de arquivos, mensageiros instantˆaneos, voz sobre IP

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Arquitetura de sistema

Aplica¸c˜oes descentralizadas necessitam estabelecer previamente um canal de comunica¸c˜ao

O estabelecimento de canais de comunica¸c˜ao entre os n´os de um sistema distribu´ıdo, resulta em uma rede sobreposta (overlay )

Rede l´ogica constru´ıda sobre uma rede f´ısica existente

2. Redes Overlay: Conceitos e Experi ˆencias 10

2.2 Redes Overlay

Uma rede overlay é uma rede lógica constru´ıda sobre uma rede f´ısica existente. Este não é exatamente um conceito novo: a própria Internet foi inicialmente implementada sobre a rede pública de telefonia, e ainda hoje boa parte dos seus dados trafegam por circuitos telefônicos.

A figura 2.1 mostra um exemplo de como uma rede overlay se sobrepõe a uma rede f´ısica. Cada nó da rede overlay é também um nó da rede f´ısica. Tipicamente, a rede f´ısica é a própria Internet (geralmente a camada IP), e os nós overlay são implementados por hosts, não por roteadores. Uma conexão entre dois nós da rede overlay é chamada de enlace virtual, e corresponde à rota entre os respectivos nós na rede f´ısica. Cada nó é responsável por processar e rotear pacotes segundo critérios espec´ıficos da rede overlay. As conexões entre os nós do overlay são implementadas na rede f´ısica usando alguma forma de tunelamento (isto é, os pacotes da rede overlay são encapsulados em pacotes da rede subjacente), e não necessitam seguir nenhuma topologia predeterminada. Assim como em uma camada de rede t´ıpica, as funções principais de uma rede overlay são o encaminhamento de pacotes, que determina como os nós da rede processam um pacote em trânsito para que ele chegue ao seu destino, e o roteamento, que é o processo através do qual o conhecimento sobre as diferentes rotas entre nós da rede é calculado, armazenado e disseminado.

rede física rede overlay

Figura 2.1: Rede overlay sobreposta a uma rede f´ısica

Recentemente, um número crescente de autores passou a defender a idéia de que a Internet está engessada em razão de seu próprio sucesso: a rede que um dia foi essencialmente acadêmica e por isso afeita a experiências tornou-se uma infra-estrutura cuja estabilidade hoje é cr´ıtica para um grande número de pessoas e organizações, e que portanto tornou-se refratária a experimentações fora da ca-mada de aplicação [Peterson et al., 2002]. Exemplos claros desse fenômeno podem ser vistos na len-tidão na transição do IPv4 para o IPv6 e na dificuldade de se implementar suporte nativo a IP multicast nos backbones da rede. As redes overlay oferecem uma solução para driblar esse engessamento: em vez de propor alterações aos protocolos fundamentais da Internet, pesquisadores e desenvolvedores podem implementar novas funcionalidades em um overlay constru´ıdo sobre a própria Internet.

Outro benef´ıcio da migração de funcionalidades para a camada de aplicação proporcionada pelas redes overlay é que os roteadores podem se ocupar apenas de tarefas básicas, como o encaminhamento

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Arquitetura de sistema

Descentralizada – Topologias de redes P2P

N˜ao estruturadas

Exemplos: Napster, Gnutella, Freenet

N˜ao estruturadas com super-n´os

Exemplos: Kazaa

Estruturadas

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Arquitetura de sistema

Descentralizada – Redes P2P n˜ao estruturadas – Busca por conte´udo – Ex: Napster

Arquivos s˜ao mantidos em cada n´o da rede

Lista de arquivos s˜ao enviados para o servidor central do Napster Servidor retorna a lista de IPs que possuem o arquivo

Transferˆencia de arquivos entre 2 clientes

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Arquitetura de sistema

Descentralizada – Redes P2P não estruturadas – Busca por conteúdo – Ex: Gnutella Cada nó possui um ´ındice parcial que representa um subconjunto de todos os nós participantes da rede – não existe nó central

Lei de potência – muitos nós possuem poucos vizinhos e poucos nós possuem muitos vizinhos (conceito de Mundo Pequeno)

1 4 5 2 3 6 9 7 10 12 11 13 initial final 8 14 Busca por inunda¸c˜ao (flood )

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Arquitetura de sistema

1 4 5 2 3 6 9 7 10 12 11 13 initial final 8 14 Busca por inunda¸c˜ao (flood ) 25/31

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Arquitetura de sistema

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Arquitetura de sistema

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Arquitetura de sistema

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Arquitetura de sistema

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Arquitetura de sistema

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Arquitetura de sistema

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Arquitetura de sistema

1 4 5 2 3 6 9 7 10 12 11 13 initial final 8 14 Busca por inunda¸c˜ao (flood + tabela cache)

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Arquitetura de sistema

1 4 5 2 3 6 9 7 10 12 11 13 initial final 8 14 Busca por inunda¸c˜ao (flood + tabela cache) 25/31

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Arquitetura de sistema

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Arquitetura de sistema

1 4 5 2 3 6 9 7 10 12 11 13 initial final 8 14 Busca por inunda¸c˜ao (flood + tabela cache) 25/31

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Arquitetura de sistema

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Arquitetura de sistema

1 4 5 2 3 6 9 7 10 12 11 13 initial final 8 14 Protocolos epidˆemicos s˜ao mais eficientes. Ex: gossip 25/31

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Arquitetura de sistema

Descentralizada – Redes P2P n˜ao estruturadas com Ultrapeers – Ex: Kazaa

final initial

Busca por inunda¸c˜ao ´e muito custosa

Supern´os concentram ´ındices de seus vizinhos

Temos aqui duas redes sobrepostas: uma para os supern´os e outra para os n´os comuns

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Arquitetura de sistema

query

Como determinar quem ser´a supern´o?

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Arquitetura de sistema

query

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Arquitetura de sistema

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Arquitetura de sistema

queryHit

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Arquitetura de sistema

queryHit

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Arquitetura de sistema

Descentralizada – Redes P2P estruturadas – Distributed Hash Table (DHT) Tabela de dispers˜ao / Tabela hash – Hash Table

O dado passa por um algoritmo de resumo (hash) para encontrar a posi¸c˜ao (´ındice ou chave) onde ser´a armazenado

Colis˜oes podem ser tratadas por meio de listas encadeadas

Distributed Hash Table

Algoritmo de hash serve para determinar em qual nó ficará disponibilizada a informa¸cão sobre a localiza¸cão de um recurso

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Arquitetura de sistema

Descentralizada – Redes P2P estruturadas – Distributed Hash Table (DHT) Tabela de dispers˜ao / Tabela hash – Hash Table

O dado passa por um algoritmo de resumo (hash) para encontrar a posi¸c˜ao (´ındice ou chave) onde ser´a armazenado

Colis˜oes podem ser tratadas por meio de listas encadeadas

Distributed Hash Table

Algoritmo de hash serve para determinar em qual nó ficará disponibilizada a informa¸cão sobre a localiza¸cão de um recurso

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Arquitetura de sistema

Descentralizada – Distributed Hash Table (DHT) – Ex: Chord Sequˆencia de n´umeros dispostos

de forma circular

Cada n´o ocupa uma posi¸c˜ao no c´ırculo

posi¸c˜ao= hash(IP) mod n Figura ao lado mostra uma rede com 4 n´os (1, 6, 11 e 13)

n é um valor relativamente grande de forma que é bem improvável que dois IPs distintos resultem em uma mesma posi¸cão Cada nó só precisa conhecer seu sucessor (sentido horário)

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Arquitetura de sistema

Descentralizada – Distributed Hash Table (DHT) – Ex: Chord

Adicionando dados

Cada nó é responsável por armazenar um subconjunto de todos os ´ındices (chave,valor)

O dado ´e atribu´ıdo a um n´o com base no hash de sua chave

Exemplo

Nó 1 é responsável pelas chaves: 14, 15, 0 e 1 Nó 6 é responsável pelas chaves: 2, 3, 4, 5 e 6 Nó 11 é responsável pelas chaves: 7, 8, 9, 10 e 11 Nó 13 é responsável pelas chaves: 12 e 13

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Arquitetura de sistema

Ingresso de um novo nó na rede Nó 11 era responsável pelas chaves: 7, 8, 9, 10 e 11

Nó 8 é responsável pelas chaves: 7 e 8

Nó 11 é agora responsável pelas chaves: 9, 10 e 11

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Arquitetura de sistema

Buscando por um recurso

Cada n´o s´o precisa conhecer seu sucessor

Buscas são encaminhadas para nós sucessores até encontrar o detentor do valor que está sendo buscado

Complexidade da busca O(n) (linear)

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Arquitetura de sistema

Uso de finger table permite otimizar as buscas – O(log n)

Cada nó armazena uma lista parcial dos demais nó da rede Rede com 14 nós 96 92 88 68 62 key = 12 Finger table 8+1 8+2 8+4 8+8 8+16 8+32 14 14 14 21 32 42 14 21 51 8 56 48 32 38 42 H: 54 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

No1 buscando pelos recursos

h = hash(12) 54

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Arquitetura de sistema

h = hash(12) 54

com chave do No12

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Arquitetura de sistema

h = hash(12) 54

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Arquitetura de sistema

h = hash(12) 54

com chave do No12

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Arquitetura de sistema

H´ıbrida: Combina centralizada com descentralizada

Nó central mantém um ´ındice sobre os demais nós ativos na rede e os recursos disponibilizados por esses

Ex: Bittorrent

Arquivos s˜ao fracionados em blocos e esses s˜ao compartilhados

Requisitante obt´em blocos sem ordem espec´ıfica

Arquivo .torrent cont´em informa¸c˜oes sobre o tracker

Tracker – servidor que mant´em a lista de n´os ativos para um determinado .torrent

Onde est´a ponto cr´ıtico de falha ou gargalo de desempenho?

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Arquitetura de sistema

Ex: Bittorrent

R: trackers

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Arquitetura de sistema

Ex: Bittorrent

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Arquitetura de sistema

H´ıbrida – Ex: Bittorrent (figura wikipedia)

Motivo de sucesso

Encontrou uma forma para acabar com n´os ego´ıstas

Um nó P ao notar que um nó Q está pegando muito mais do que cedendo, então P diminui sua taxa de envio para Q

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Arquitetura de sistema

Motivo de sucesso

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Arquitetura de sistema

Motivo de sucesso

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Arquitetura de sistema

Motivo de sucesso

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Arquitetura de sistema

Motivo de sucesso

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Arquitetura de sistema

Motivo de sucesso

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Arquitetura de sistema

Motivo de sucesso

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Arquitetura de sistema

Motivo de sucesso

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Arquitetura de sistema

Motivo de sucesso

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Arquitetura de sistema

Motivo de sucesso