Sistemas Distribuídos Introdução Especialização em Redes de Computadores Prof. Fábio M. Costa Instituto de Informática - UFG

Sistemas Distribuídos

Introdução

Especialização em Redes de Computadores

Prof. Fábio M. Costa

Instituto de Informática - UFG

Baseado em Emmerich, 2000 Prof. Fábio M. Costa 2

Conteúdo

• O que é um sistema distribuído?

• Exemplos de sistemas distribuídos

• Requisitos de sistemas distribuídos

• Transparência em sistemas distribuídos


O que é um Sistema Distribuído?



Hostn-1

Hostn

Host2

Host1

MiddlewareMiddleware

MiddlewareMiddleware

Network Operating SystemNetwork Operating System

Network Operating SystemNetwork Operating System

HardwareHardware

HardwareHardware

Component1 Componentn




Network



Um sistema distribuído é uma coleção de hosts autônomos, conectados através de uma rede de computadores. Cada host executa componentes e opera um middleware de distribuição, o qual habilita os componentes a coordenarem suas atividades de tal forma que usuários percebam o sistema como um ambiente computacional único e integrado.


Exemplos de Middleware

• Orientados a Transações

– IBM CICS

– BEA Tuxedo

– IBM Encina

– Microsoft Transaction Server

• Orientados a Mensagens

– Microsoft Message Queue

– NCR TopEnd

– Sun Tooltalk

• Procedural

– Sun ONC

– Linux RPCs

– OSF DCE

• Orientado a Objetos

– OMG CORBA

– Sun Java/RMI

– Microsoft COM

– Sun Enterprise Java Beans


Características de Sistemas Centralizados

• Um componente, com partes não autônomas• Componentes são compartilhados por todos

os usuários durante todo o tempo• Todos os recursos acessíveis (tipicamente)• Software ‘roda’ em um único processo• Ponto de controle único• Ponto de falha único


Características de Sistemas Distribuídos

• Múltiplos componentes autônomos

• Componentes não são compartilhados por todos os usuários

• Recursos podem não ser acessíveis

• Software ‘roda’ em processos concorrentes e em processadores distintos

• Múltiplos pontos de controle

• Múltiplos pontos de falha (!!!)


Exemplos de Sistemas Distribuídos


Motivação

• Estudos de caso– Sistema de video-sob-demanda (Hongkong Telecom)– Infra-estrutura de informática (setor bancário)– Sistema de gerenciamento de configurações de aeronaves

(Boeing)– Sistema de gerência de federação de futebol

• Desenvolvidos empregando os princípios e técnicas apresentados neste curso

• Servem como exemplos ilustrativos para o curso


Ex.1: Sistema deVídeo-sob-Demanda

• Objetivo: prover aos assinantes facilidades para o ‘download’ de vídeos a partir de servidores para serem apresentados em Web-TVs de baixo custo

• Atualmente: cerca de 100.000 usuários• Construído utilizando tecnologia de objetos

…


Requisitos: Heterogeneidade

• Hardware:– Clientes: Web-TV– Servidores: processador RISC

• Sistemas operacionais:– Clientes: JavaOS– Servidores: UNIX

• Linguagens de programação:– Clientes: Java– Servidores: C++


Requisitos (cont.)

• Comunicação através da rede– Como transmitir estruturas de dados complexas

através da Internet?

• Escala– Expansão para um grande número de usuários

• Segurança– Forma segura de pagamento– Autenticação e controle de acesso


Por que Tecnologias de Objetos Distribuídos?

• Distribuição:– Clientes de vídeo necessitam fazer o ‘download’ /

exibição de vídeo na Web-TV do usuário final– Múltiplos servidores (balanceamento de carga)

• Tecnologia de objetos:– Clientes de vídeo escritos em Java:

• Web-TV contém um Máquina Virtual Java• Portabilidade - ex: Sony Playstation, Sega Console

– Servidores de vídeo escritos em C++: desempenho


Por que Tecnologias de Objetos Distribuídos? (cont.)

• Uma maneira natural de particionar a funcionalidade de uma aplicação ou sistema

• Objetos: unidades funcionais autônomas que se comunicam entre si através da troca de mensagens

• Abstração ideal para a construção de sistemas distribuídos– Objetos diferentes podem ser instalados em

computadores distintos

– Cooperação através de mensagens transmitidas pela rede


Ex.2: Infra-estrutura de Informática Empresarial (Setor Bancário)

Estação deNegócios

Estação deNegócios

Serviços deAutorizaçãoServiços deAutorização

Serviços em MainframesServiços em Mainframes

Serviço deInformaçõesde Clientes

Serviço deInformaçõesde Clientes

Serviço de Bancode Dados de Produtos

Serviço de Bancode Dados de Produtos

Serviços deMarketing

Serviços deMarketing


Requisitos

• Tempo para se chegar ao mercado– Desenvolvimento de novas aplicações com

tecnologia recente– Integração de novas aplicações tem se tornado

cada vez mais difícil

• Escalabilidade– Administração de milhões de contas e clientes– Milhares de usuários concorrentes

• Confiabilidade


Requisitos (cont.)

• Heterogeneidade de Hardware– Mainframes (Unisys, IBM, etc.)– Servidores SUN SPARC– PCs

• Heterogeneidade de Sistema Operacional– MVS, UNIX, Linux, Windows

• Heterogeneidade de Linguagem de Programação– Cobol, C/C++, Visual Basic, Java


Por que Tecnologia de Objetos Distribuídos

• Permite uma visão uniforme de todos os serviços da empresa e de como acessá-los

• Provê um nível apropriado de abstração• Preserva o investimento encapsulando aplicações

legadas• Permite explorar as vantagens da tecnologia de

objetos em novos projetos• Uma forma natural de resolver:

– distribuição

– heterogeneidade


Ex.3: Gerência de Configuração Boeing 777


Problemas a serem resolvidos

• Escala– 3.000.000 de peças por aeronave– A configuração de cada aeronave é diferente– Regulamentos demandam que registros sejam mantidos

para cada peça de uma aeronave– Aeronave evolui durante manutenções– Produção de 500 aeronaves por ano– Banco de dados de configuração cresce 1,5 bilhão de

partes a cada ano– Tempo de vida de uma aeronave: 30 anos– 45.000 engenheiros necessitam acesso on-line aos

dados de configurações


Problemas a serem resolvidos (cont.)

• Integração de componentes de prateleira– Infra-estrutura de TI se tornou inadequada– Mas a empresa não podia se dar ao luxo de re-

construir toda a sua infra-estrutura de TI– Componentes foram comprados de diversos

fabricantes especializados• Banco de dados relacional

• Planejamento de recursos da empresa (ERP)

• Planejamento de projetos auxiliado por computador

– Componentes precisavam ser integrados


Problemas a serem resolvidos (cont.)

• Heterogeneidade– 20 máquinas de banco de dados Sequent para

gerenciar os dados de configuração de aviões– 200 servidores de applicações UNIX– Estações de trabalho NT e UNIX para os

engenheiros


Por que Tecnologia de Objetos Distribuídos

• Componentes de prateleira encapsulam a funcionalidade da aplicação

• Resolvendo o problema de distribuição em um nível mais elevado de abstração

• Resolvendo o problema da heterogeneidade

• Escalabilidade da solução


Ex.4: Administração de uma Federação de Futebol

• Administração de campeonatos, seleção nacional, clubes, transferência de jogadores, etc.

• Sistema imaginário• Exemplo comum, que pode ser ajustado com

finalidade didática


Requisitos

• Autonomia dos clubes– Cada clube opera sua própria administração,

treinamento, escala de jogos e jogadores, etc.

• Necessidade de integração para:– o registro de jogadores na federação de futebol

– requisitar jogadores para a seleção nacional

– combinar a escala de jogos do campeonato

• Heterogeneidade– Diferentes máquinas (Windows, Linux, etc.)

– Diferentes linguagens de programação

Requisitos de Sistemas Distribuídos


Requisitos Gerais

• Integração de componentes– Componentes novos, implementados com a mais

moderna tecnologia– Componentes de prateleira (COTS), que não

podem ser modificados– Componentes legados, sem a necessidade de

uma re-engenharia

• Heterogeneidade– Plataformas de hardware, sistemas operacionais,

linguagens de programação e redes


Requisitos Comuns

Qual o objetivo da construção de um sistema distribuído?

• Compartilhamento de Recursos• Abertura• Concorrência• Escalabilidade• Tolerância a Falhas• Transparência


Compartilhamento de Recursos

• Habilidade de usar qualquer hardware, software ou dados em qualquer lugar do sistema

• Gerenciador de recursos– Controla o acesso aos recursos– Provê um esquema de nomes para os recursos– Controla acessos concorrentes aos recursos


Compartilhamento de Recursos (2)

• Modelo de compartilhamento– Cliente / Servidor– Baseado em objetos

• Define:– a forma pela qual recursos são providos– formas de uso dos recursos– como o provedor do recurso e os usuários

interagem entre si e com o gerenciador


Abertura

• Relacionada com futuras extensões e melhorias que um sistema distribuído pode sofrer

• Novos componentes precisam ser integrados, juntamente com componentes existentes (legados)– Provenientes de diversas fontes– Usando diferentes tecnologias

• Necessário publicar interfaces detalhadas dos componentes

• Diferenças de representação de dados precisam ser resolvidas (para uma troca de informações efetiva)


Concorrência• Em um sistema distribuído, componentes

são executados em paralelo– Em processos ou máquinas diferentes

• Componentes acessam e atualizam recursos compartilhados (variáveis, bancos de dados)

• A integridade do sistema pode ser violada se atualizações concorrences não forem coordenadas– Atualizações podem ser perdidas (sobrescritas)– Análise de dados pode ficar inconsistente


Escalabilidade

• Adaptação de sistemas distribuídos para– Acomodar mais usuários– Obter um tempo de resposta mais rápido

• Usualmente através da adição de mais processadores

• Componentes não devem necessitar ser alterados quando a escala do sistema cresceComponentes devem ser projetados para

serem escaláveis


Tolerância a Falhas

• Hardware, software e redes podem falhar!

• Um sistema distribuído deve manter sua disponibilidade mesmo em baixos níveis de confiabilidade do hardware/software/rede

• Tolerância a falhas pode ser obtida com:– técnicas de recuperação– redundância

Transparência emSistemas Distribuídos


Transparência• Um sistema distribuído deve ser percebido

por seus usuários e pelos programadores de aplicações como um sistema único e coeso– ao invés de uma coleção de máquinas separadas

• Várias dimensões de transparência identificadas pelo modelo ISO RM-ODP– Modelo de Referência para Sistemas

Distribuídos Abertos

• Representam as diversas propriedades que um sistema distribuído deve possuir


Transparências de Distribuição

Access Transparency

Access Transparency

LocationTransparency

LocationTransparency

ConcurrencyTransparencyConcurrencyTransparency

Migration Transparency

Migration Transparency

Performance TransparencyPerformance Transparency

Scalability Transparency

Scalability Transparency

Replication TransparencyReplication

Transparency

FailureTransparency

FailureTransparency


Transparência de Acesso

• Permite que objetos e informações remotas sejam acessados usando operações idênticas

• Mascara as diferentes formas de acesso empregadas por cada tecnologia utilizada

• Exemplos:– Operações de acesso a um sistema de arquivos

distribuído com NFS (Network File System)– Navegação na WEB– Consultas em SQL


Transparência de Localização

• Permite que objetos e informações sejam acessados sem o conhecimento de sua localização

• Exemplos:– Arquivos acessados via NFS– Páginas na WEB (*)– Tabelas em um banco de dados distribuído


Transparência de Concorrência

• Permite que vários processos operem concorrentemente usando objetos de informação compartilhados sem interferirem entre si

• Exemplos:– NFS– Caixa eletrônico– Sistema gerenciador de bancos de dados (SGBD)


Transparência de Replicação

• Permite que múltiplas instâncias de objetos de informação sejam usados para melhorar o desempenho e a confiabilidade

• Sem que os usuários ou programadores de aplicações tomem conhecimento da existência das réplicas

• Exemplos:– SGBD distribuído– Espelhamento de páginas WEB


Transparência de Falhas

• Mascara a ocorrência de falhas

• Permite que usuários e aplicações completem suas tarefas normalmente a despeito de falhas em alguns componentes do sistema

• Exemplo:– Transações em um SGBD


Transparência de Migração

• Permite a movimentação de um objeto dentro do sistema distribuído sem afetar as operações dos usuários ou dos programas de aplicação

• Duas variantes:– Migração propriamente dita: com relação ao objeto

migrado

– Relocação: com relação a outros objetos no sistema

• Exemplos:– NFS

– Páginas WEB


Transparência de Desempenho

• Permite que o sistema distribuído seja reconfigurado para melhorar o desempenho para refletir mudanças na carga de processamento

• Através de replicação e migração• Exemplo:

– Utilitário make distribuído• Programa é compilado em várias máquinas em

paralelo, transparentemente para o usuário


Transparência de Escala

• Permite que o sistema e as aplicações possam ser expandidos em escala sem a necessidade de mudanças em sua estrutura ou nos algoritmos utilizados

• Exemplo:– WWW– Bancos de dados distribuídos


Pontos-Chave

• O que é um Sistema Distribuído• Adoção de sistemas distribuídos é regida

por requisitos não-funcionais• Necessidades de distribuição são

transparentes aos usuários e projetistas de aplicações

• Várias dimensões de transparência• Dimensões de transparência dependem

entre si

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