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Introduç ão ao s Sistemas Distribuídos

Introduçãoaos Sistemas Distribuídos. Tópicos Sistemas Distribuídos –––––– conceitos características exemplos Conceitos de Hardware – multiprocessadores

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Introdução aosSistemas Distribuídos

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Tópicos

Sistemas Distribuídos•–––

conceitoscaracterísticasexemplos

• Conceitos de Hardware– multiprocessadores– multicomputadores

SO de rede e SO distribuídoDesafios de Sistemas Distribuídos

••

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Sistemas Distribuídos - definição

• Uma coleção de computadores independentes queaparece a seus usuários como um sistema coerente único [TANEMBAUM]

• Sistemasexecutam

eem

aplicações em geral cujas peçasmúltiplos computadores autônomos

interligados por uma rede de comunicação

• É um sistema emem uma rede de

que os componentes se localizamcomputadores e coordenam suas

ações através de passagem de mensagens[COULOURIS]

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Evolução Histórica – décadas

••

5060

70

= uso exclusivo - monousuário - alto custo

= processamento em lote (em batch)

= multiusuário - compartilhamento damáquinadas redes

(técnica - time sharing). Surgimento

••

80 = computação pessoal e S.D90 = computação pessoal, S.D. e Internet

2000 = computação ubíqua (ou pervasivecomputing)

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Motivação ou o contexto paraSistemas Distribuídos

Compartilhamento de recursos (principal motivação)

•– ex.: discos, memória, impressoras, processador,

entidades definidas por software: arquivos, bases dedados, objetos

Recursos podem ser gerenciados por servidorese acessados por clientes

• Recursos podem ser encapsulados comoobjetos e acessados por outros objetos

• A Web é um exemplo de compartilhamento derecursos

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Evolução em RedesMbits/s

10000 10 Gbits/s

1000ATM Gigabit Ethernet

100 T. Ring Fast EthernetFDDI

10 EthernetISDN Frame Relay286

1X.25

1982 20021992 19971987 2007

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Downsizing

$

$ REDE

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Vantagens de Sistemas Distribuídossobre Sistemas Centralizados

••

Melhor relação custo/benefício

Capacidade de processamento além dos limitespráticos de Sistemas CentralizadosMaior domínio de aplicações

Maior confiabilidade e disponibilidade••

• Crescimentoprocessamentogradativamente:

gradativo dasistema

capacidade de- O pode

hardwarecrescerpodemnovos software e

ser instalados gradativamente

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Características – vantagens sobreSistemas Centralizados

• Compartilhamento de recursos. Servidores dearquivos, impressoras, correio eletrônico, nomes, etc

• Disponibilidade. Falha de um elemento não interrompe a operação do sistema global

• Mobilidade dos usuários. Dependendo do modelousado, usuários ficam livres para acessar o sistema dediversos pontos

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Desvantagens de SD sobre osSistemas Centralizados

Gerenciamento. Dependendo do modelo usado,•cada usuárioDificuldade

pode necessitar ser um gerente

• em determinar a ordem deocorrência de eventos e computar estado globalManutenção / evolução do software•

• Segurança. Dados disponíveis na rede eusuários com diferentes níveis de acesso

cria• Conjunto de componentes umacomplexidade razoavelmente grande

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Sistemas Distribuídos - exemplos

• Uma rede de estações de trabalho emuma universidade ou companhia

• Uma rede de computadores em umafábrica - Intranets (uma Internetgerenciada por uma organização)

• Um grande banco com muitas agências,cada qual com um computadores e caixasautomáticas

Sistema de reserva de passagens aéreas•

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Sistemas Distribuídos - exemplos

Sistema de controle de estoque, vendas e entregas numa cadeia de lojasServiços da Internet: WWW

•• Sistemas de acesso a recursos de

multimídia e de conferênciaComputação Móvel e Ubíqua•

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Internet

intranet %%

ISP%

%

backbone

satellite link

desktop computer:

server:

network link:

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Intranet

Desktop computers

email server

print and other servers

Local areanetworkWeb

server

email server print

File server

other servers

the rest ofthe Internet

router/firewall

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Computação Pervasiva 1/5

Internet

WAPgateway

Host intranet Home intranetWireless LAN

Mobilephone

Printer LaptopHost siteCamera

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Computação Pervasiva 2/5

• Avanços tecnológicos na miniatuarização dedispositivos e redes sem fio têm conduzido auma crescente integração de pequenos eportáveiscomo:

dispositivos de computação, tais

––

computadores laptop;dispositivos handheld:

•••••

personal digital assistantstelefones móveis pagerscâmeras de vídeo câmeras digitais

(PDA)

– sensores e RFIDs

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Computação Pervasiva 3/5

– wearable devices no corpo),(dispositivos posicionados

tais como relógios inteligentes, detector demovimentosembedded devices– (dispositivos embarcados), tais

oucomo em aparelhos eletrodomésticosautomóveisportabilidade• A junto com a habilidade

pararedes

se conectar convenientemente aem diferentes lugares, torna

possível a Computação Móvel

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Computação Pervasiva 4/5

• Computação Ubíqua (ubiquitous computing,pervasive computing), é voltadaque pequenos dispositivos de

para sugerircomputação“pervasivos”eventualmente

(impregnantes)tornam-se

em todos os objetos, quesão raramente notadosUsuários da computação móvel podem se•beneficiarlugar

de computadores em qualquer

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Computação Pervasiva 5/5

• Computação móvel e pervasiva trazemquestões significantes

• Uma arquitetura para computação móvel,proporciona questões:– como suportar a descoberta de recursos em um

ambiente– eliminar a necessidade para usuários reconfigurarem

seus dispositivos a medida que se movemauxiliar usuários a arcar com conectividade limitadaquando eles viajam

prover privacidade e outras garantias de segurança a usuários e a ambientes que eles visitam

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SO – conceitos em relação à rede

• SO de rede (SOR)– cada máquina executa o seu próprio sistema

operacionalex: Windows, Mac OS e UNIXtem o recurso de interligação em rede incorporado

––

Ex.: Ferramentas para login remoto e cópia de arquivosentre estações, servidores de arquivos e ferramentas para causar aparência de arquivo local

– não escalona processos nos outros nós

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SO – conceitos em relação à rede

• SO distribuído (SOD)––

única imagem do sistemaA rede toda tem aparência de ser um único sistema de tempo compartilhadoMecanismo global para comunicação entre processos

Dispara novos processos de forma transparente, no nó mais conveniente, de acordo com sua política de escalonamentoGerenciamento de processos homogêneoSistema de arquivos homogêneo

––– ex: Amoeba (Vridge University); MACH; CHORUS;

ANDREW (Carnegie Mellon University)

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SO – conceitos em relação à rede

• Qual a tendência em adotar SO de redeou SO distribuídos?

• Usuários preferem ter autonomia– escolha de seus programas favoritos– execução independente dos demais

• SO de redeos

e soluções dede

middlewaresistemastrazem benefícios

distribuídos

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Sistema Distribuído Organizadocomo Middleware

Middleware ou mediador, na computaçãodistribuída, é um programa de computador

qua faz emediação entre software e demais aplicações.

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Arquitetura paralelas

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Arquitetura paralelas

••

SISDSIMD

MISD

MIMD

UMA

Single Instruction Single DataSingle Instruction Multiple DataMultiple InstructionMultiple Instruction

Single DataMultiple Data

Uniforme Memory Access - Tempo deAcesso Uniforme a MemóriaCache Only Memory Access• COMA - Tempo de

CacheAcesso a Memória somente pela memória

• NUMA NonUniforme Memory Access - AcessoNão Uniforme a Memória

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Arquitetura paralelas

• CC-NUMA Cache Coerency NUMA - Protocolo demanutenção de Coerência de Cache NUMA

• NC-NUMA Non Cache NUMA - Sem Cache NUMA

• MPP NonUniforme Memory Access - AcessoUniforme a Memória

• COW/NOW Cluster Of Workstations ou NetworkOf Workstations

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Considerando a existência devários processadores, tem-se:

Multiprocessador:•– compartilhamento de recursos físicos, tal como

memória principal, disco e relógio, tightly-coupled

Multicomputador:•– computadores com seu hardware básico

independente, closely-coupled

backplane, rede de comunicação ex.: agregados de computadores

––

de alta velocidade(clusters, PAD)

• Sistema distribuído:– atrasos de comunicação (rede) significativos e

incertos, loosely-coupled (ou weakly-coupled)

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Máquinas SIMD - Single Instruction MultipleData

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Máquinas MIMD - Multiple Instruction Multiple Data

Multiprocessadores

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Multicomputadores

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1.6

Conceitos de Hardware

Diferentes organizações e memórias em sistemas de computaçãodistribuída

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1.7

Multiprocessadores

Um multiprocessador baseado em barramento•

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1.8

Multiprocessadores

Um chaveamento crossbarUma rede de chaveamento omega

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1-9

MulticomputadoresHomogêneos

GradeHipercubo

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Conceitos de Software

transparência na

• Um resumo de:• SOD (Sistemas Operacionais Distribuídos)• SOR (Sistemas Operacionais em Rede)• Middleware

System Description

Main Goal

SODSistema operacional fortemente acoplado para multiprocessadores e multicomputadores homogêneos

Oculta e gerencia recursos de hardware

SORSistema operacional fracamente acoplado para multicomputadores heterogêneos (LAN and WAN)

Oferece serviços locais para clientes remotos

MiddlewareCamada adicional no topo do SORimplementando serviços de propósito geral

Fornece

distribuição

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Sistemas Operacionais emMáquinas Uniprocessadas• Separa aplicações do código do SO através

de um microkernel

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1.14

Sistema Operacional emMulticomputadores

• Estrutura geral de um sistema operacional emmulticomputadores

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Sistemas deCompartilhada

Páginas do espaço de endereçamento distribuídas entre quatro máquinas

MemóriaDistribuída

• Situação após aCPU 1 referenciara 10

• Situação se apágina 10 é lida somente e a replicação é usada

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1.18

Sistemas deCompartilhada

MemóriaDistribuída

• Falso compartilhamento de um página entre doisprocessos independentes

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1-19

Sistema Operacional

Estrutura geral

de Rede

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Sistema Operacional de Rede

• Dois clientes e um servidor em um SOR

Page 42: Introduçãoaos Sistemas Distribuídos. Tópicos Sistemas Distribuídos –––––– conceitos características exemplos Conceitos de Hardware – multiprocessadores

1.21

Sistema Operacional de Rede

• Diferentes clientes podem montar os servidores emdiferentes lugares

Page 43: Introduçãoaos Sistemas Distribuídos. Tópicos Sistemas Distribuídos –––––– conceitos características exemplos Conceitos de Hardware – multiprocessadores

1-22

Posicionando o Middleware

• Estrutura geral de um sistema distribuído comomiddleware

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1.23

Middleware e Abertura

• Num sistema distribuído baseado em middleware aberto, osprotocolos usados em cada camada do middleware deveriam ser osmesmos, tanto quanto as interfaces que eles oferecem às aplicações

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Comparação entre Sistemas

modelo

CaracterísticaSOD

SORSO baseadoMiddleware

Multiproc.

Multicomp.

Grau de transparência Muito alta alta

baixa alta

Mesmo SO em todos nodos

sim sim não não

No. de cópios do SO 1 N N N

Base para comunicação

Memória compartilhada

mensagens arquivosEspecífico ao

Gerenciamento de recursos

Global, central

Global, distribuído

Por nodo Por nodo

Escalabilidade não moderadamente

sim variada

Abertura fechada fechada aberta aberta

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Clientes e Servidores

Interação entre um cliente e um servidor•

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• The general organization of an Internetsearch engine into three different layers

1-28

Nível do processamento

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1-30

Arquiteturas multicamadas

Um exemplo de um servidor atuando como cliente•

Page 49: Introduçãoaos Sistemas Distribuídos. Tópicos Sistemas Distribuídos –––––– conceitos características exemplos Conceitos de Hardware – multiprocessadores

1-31

Arquiteturas modernas

• Um exemplo de uma distribuição horizontal de umserviço web

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Sistemas Distribuídos

propriedades

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Sistemas Distribuídos - propriedades

Distribuição:Um subconjunto de seus componentes encontram- se geograficamente dispersos

Componentesimpressoras, ...

Componentes de dados, ...

Modelos básicos:

de hardware: discos,

software: arquivos, bancos de

Modelo cliente-servidorModelo baseado em objetos

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Sistemas Distribuídos - propriedades

Concorrência:Um subconjunto de seus componentes executamconcorrentemente (em paralelo)

Mais de um processo em execução a cadainstante:Atividades separadas de usuários

Independência de recursos

Localização de processos servidores emcomputadores distintos

Acesso concorrente a recursos compartilhadosrequer sincronização

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Sistemas Distribuídos - propriedades

Extensibilidade (openness) Característica que determina se um sistema

váriaspode ser

estendido e reimplementado de maneiras.Normalmente conseguido se forem seguidos padrões deinterface entre componentes de software:Extensões de hardware: periféricos, memória, interfaces

de

comunicação, ...

Extensões de software: funções de SO, protocolos de

comunicação, ...

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Sistemas Distribuídos - propriedades

Tolerância a falhas

Falhas parciais: qualquer componente (hardware e software) do sistema pode falhar independente dos demais:

Programaserrados

Abordagens:

param ou produzem resultados

Redundância de hardware (Ex: banco de dadosreplicado em diversos servidores)

Recuperação por software: manter dadospermanentes sempre consistentes

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Sistemas Distribuídos - propriedades

Escalabilidade (crescimento gradativo suave) Um sistema é escalável se ele permanece eficaz quando

há um aumento significativo no número de recursos e

número de usuários

no

Ausência de estado global: é impossível determinarprecisamente o estado global do sistema

Assincronismo: as atividades do sistema não são regidas por um relógio global Técnicas: replicação, caching, servidores múltiplos

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Sistemas Distribuídos - propriedades

TransparênciaEsconderaplicações

do usuário ede

do programador deuma separação componentes em

sistema distribuído, de forma que este seja vistocomo um sistema centralizado

Formas de transparência:

acesso, localização, migração, realocação,replicação, concorrência, falha, persistência

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Sistemas Distribuídos - propriedades

Transparência de acesso

Operações de acesso a recursos são idênticaspara recursos locais e remotosExemplo: CORBA

Transparência p de localização

Acesso a um recurso ocorre sem que sejanecessário o conhecimento de suaExemplo:

localização

Operação de envio de uma mensagem eletrônicaespecificando o destinatário através de seuendereço Internet

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Sistemas Distribuídos - propriedades

Outras formas de transparência Migração: oculta o fato de que um

movido para outra localização

Relocação: oculta o fato de que um

recurso pode ter sido

recurso pode ter sidoestámovido para outra localização, enquanto ele

sendoutilizadoReplicação: várias instâncias de recurso são usadas semrequerer o conhecimento das réplicas pelos usuários eaplicações.

Concorrência: oculta o fato de que um recurso pode ser compartilhado entre vários usuáriosFalha: oculta a ocorrência de falhas de hardware e software

Persistência: oculta o fato de que um recurso (software)

está na memória ou em disco

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Sistemas Distribuídos - desafios

• Características––

heterogeneidadeabertura segurança

escalabilidade

tratamento de falhas

concorrência

transparência

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SD

Aplica-se a:

- heterogeneidade

•––

redeshardware de computador

sistemas operacionais

linguagens de programação

implementações por diferentes programadores

• Soluções:– middleware

– máquinas virtuais (ex: Applets Java)

Page 61: Introduçãoaos Sistemas Distribuídos. Tópicos Sistemas Distribuídos –––––– conceitos características exemplos Conceitos de Hardware – multiprocessadores

SD - abertura

• Determinaestendido maneiras

se o sistema pode serou reimplementado de diversas

• Como alcançar:–––

publicar interfacesdocumentação e especificaçãocódigo aberto (open-source)

• Exemplos:– RFCs

Page 62: Introduçãoaos Sistemas Distribuídos. Tópicos Sistemas Distribuídos –––––– conceitos características exemplos Conceitos de Hardware – multiprocessadores

SD -

aumento

escala

• Suporta o dos recursos e usuáriosmantendoDesafios:

um desempenho satisfatório

•––

controlarcontrolar

o custo dos recursos físicosa perda de performance (quantidade)

prevenir esgotamento de recursos (ex: IP)evitar gargalos de performance (centralização)

Page 63: Introduçãoaos Sistemas Distribuídos. Tópicos Sistemas Distribuídos –––––– conceitos características exemplos Conceitos de Hardware – multiprocessadores

SD -

Características

segurança

•– confidencialidade– integridade

Desafios•––

negação de serviço

código móvel

dentre outros

(DOS)

Page 64: Introduçãoaos Sistemas Distribuídos. Tópicos Sistemas Distribuídos –––––– conceitos características exemplos Conceitos de Hardware – multiprocessadores

SD - tratamento de falhas

• Tipos de falhas– física, software e humana

Técnicas:•

––

detecção de falhasocultação de falhas

tolerância a falhas (replicação)

recuperação de falhas

Page 65: Introduçãoaos Sistemas Distribuídos. Tópicos Sistemas Distribuídos –––––– conceitos características exemplos Conceitos de Hardware – multiprocessadores

SD - concorrência

• Permitir que recursos compartilhadossejam utilizadosQuestões:

por diversos processos

•––

sincronização

disponibilidade

segurança

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Conceito chave:transparência 1/2

Acesso: permite que recursos locais e remotossejam utilizados via operações idênticas

• Localização: recursos podem ser acessadossem conhecimento de sua localização

• Concorrência: habilita que vários processosoperem concorrentemente usando recursoscompartilhados sem interferência entre eles

• Replicação: permite que múltiplas instâncias derecursos sejam usados para aumentar aconfiabilidade e desempenho semconhecimento por parte de usuários ouprogramadores dessas réplicas

Page 67: Introduçãoaos Sistemas Distribuídos. Tópicos Sistemas Distribuídos –––––– conceitos características exemplos Conceitos de Hardware – multiprocessadores

Conceito chave:transparência 2/2

• Falhas: habilita o encobrimento de falhas,permitindo que usuários e programadorescompletem suas tarefas independente de falhas dehardware ou software

• Mobilidade: permite o movimento de recursos eaclientes dentro de um sistema sem afetar

operacionalização de usuários ou programas• Desempenho:

reconfiguradopermite que o sistema sejapara aumentar o desempenho

conforme a carga• Escalabilidade: permite ao sistema e aplicação

sejam expandidos em escalado sistema ou algoritmos das

sem mudar a estruturaaplicações

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Pensamento

• "Um Sistema Distribuído é aquele quedeixa você sem trabalhar por causa de umdefeito em uma máquina da qual vocênunca ouviu falar" Leslie Lamport

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Bibliografia

Marcos José Santana. Sistemas Computacionais•Distribuídos. Notas de aula. 2000Luiz Eduardo Buzato. Plataformas Distribuídas.de aula. UNICAMP. 2001

TANENBAUM, Andrew. Sistemas Distribuídos.de Aula

Marinho Barcelos. Processamento Distribuído. de Aula. Unisinos. 2002

Notas•

Notas•

Notas•

Andrew Tanenbaum. Distributed Systems: Principlesand Paradigms. Prentice Hall, 2002

G. Coulouris, J. Dollimore and T. Kindberg. Distributed Systems: Concepts and Design. Edition 4, Pearson Education 2005