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Tópicos em redes e sistemas distribuídos

Carlos Oberdan Rolim

Ciência da ComputaçãoSistemas de Informação

Sincronização em Sistemas Distribuídos

[C10,C13, T3]

ConteúdoRelógios lógicos

Relógicos físicos

Exclusão mútua

Algoritmos de eleição

Eventos e relógiosA ordem de eventos que ocorrem em processos distintos pode ser crítica em uma aplicação distribuída (ex: protocolo de consistência de réplicas).

Em um sistema com n computadores, cada um dos n cristais terá uma frequência própria, fazendo com que os n relógios percam seu sincronismo gradualmente.

Relógios lógicos

Princípios:1. Somente processos que interagem precisam sincronizar seus

relógios.

2. Não é necessário que todos os processos observem um único tempo absoluto; eles somente precisam concordar com relação à ordem em que os eventos ocorrem.

» Ordenação parcial de eventos

» Ordenação causal potencial

Relógios lógicos (cont.)

Relação acontece-antes ( -» ):1. Sejam x e y eventos num mesmo processo tal que x ocorre

antes de y. Então x -» y é verdadeiro.

2. Seja x o evento de uma mensagem a ser enviada por um processo, e y o evento dessa mensagem ser recebida por outro processo. Então x -» y é verdadeiro.

3. Sejam x, y e z eventos tal que x -» y e y -» z. Então x -» z é verdadeiro.

Relógios lógicos (cont.)

Eventos ocorrendo em três processos:

p1

p2

p3

a b

c d

e f

m1

m2

TempoFísico

Os processos "a" e "e" são concorrentes: a || e

a -» b, c -» d, e -» f, b -» c, d -» f

a -» f

Relógios lógicos (cont.)

Implementação: Cada processo p mantém seu próprio relógio lógico (um contador, por software), Cp, usado para fazer timestamp de eventos. Cp(x) denota o timestamp do evento x no processo p, e C(x) denota o timestamp do evento x em qualquer processo.LC1: Cp é incrementado antes de cada evento em p.

LC2: (a) Quando um processo p envia uma mensagem m, ele concatena a informação t=Cp a m, enviando (m,t).

(b) Quando um processo q recebe a mensagem (m,t), ele computa Cq := max(Cq, t) e aplica LC1 antes de fazer timestamp do evento de recebimento da mensagem.

Exemplo de aplicação do algoritmo de relógios lógicos

P106121824303642485460

P208162432404856647280

P30102030405060708090100

A

B

C

D

Exemplo de aplicação do algoritmo de relógios lógicos

P106121824303642487076

P208162432404861697785

P30102030405060708090100

A,0

B,24

C,60

D,69

Relógios lógicos (cont.)

Ordenação total de eventos: dois eventos nunca ocorrem exatamente no mesmo instante de tempo.1. Se x ocorre antes de y no mesmo processo, então C(x) é

menor que C(y).

2. Se x e y correspondem ao envio e ao recebimento de uma mensagem, então C(x) é menor que C(y).

3. Para todos os eventos x e y, C(x) é diferente de C(y).

Implementação: concatenar o número do processo ao timestamp.

Relógios físicos

GMT: Greenwich Mean Time

BIH: Bureau Internacional de l’Heure

TAI: International Atomic Time

UTC: Universal Coordinated Time

NIST: National Institute of Standard Time

WWV: estação de rádio de ondas curtas

GEOS: Geostationary Environment Operational Satellite

Relógios físicos (cont.)

Algoritmo de Berkeley:A rede não dispõe de uma máquina com um receptor WWV

A rede dispõe de um time server que faz polling nas outras máquinas a fim de obter a hora marcada por cada uma, fazer uma média entre essas horas e divulgar essa média para todas as máquinas.

NTP: Network Time ProtocolSub-rede hierárquica de sincronização

Servidores primários (WWV) e secundários

Relógios físicos (cont.)Algoritmo de Cristian:

A rede dispõe de um time server (receptor WWV)

Uma máquina cliente envia uma mensagem pedindo a hora certa ao time server

Ao receber a mensagem resposta do time server, o cliente adiciona o tempo médio de envio de mensagens à hora recebida. Esse tempo médio é calculado pelo próprio cliente considerando as horas de envio e recebimento das mensagens e ainda o tempo gasto pelo time server para processar o pedido.

Algoritmo de Cristian

T0

R

I

T1

R ?d

d

Máquina M Timer Server

d = ( T1 – T0 – I ) / 2 T = R + d

Exclusão mútua

Controle de acesso a regiões críticasAlgoritmo centralizado:

Um processo é eleito o coordenador

Os processos concorrentes devem requisitar permissão de acesso ao coordenador

Um processo que termina de fazer acesso a uma região crítica deve comunicar a liberação da região ao coordenador

Processos que tentam entrar em uma região crítica ocupada devem aguardar em uma fila controlada pelo coordenador

Alg. Centralizado - Exemplo

Alg. Centralizado - Exemplo

Processo 3 aguardando na fila pela liberação do recurso

Alg. Centralizado - Exemplo

Exclusão mútua (cont.)

Algoritmo distribuído:Baseado em ordenação total de eventos e comunicação confiável em grupo (multicast ou broadcast).

Um processo que deseja entrar em uma região crítica constrói uma mensagem com o nome da região, o número do processo e a hora, e a envia a todos os demais processos concorrentes.

Um processo que recebe a mensagem:

Caso não esteja na região crítica e não intencione entrar nela, retorna OK.

Caso já esteja na região crítica, não responde e enfileira a requisição.

Caso também intencione entrar na região crítica, determina o processo que tentou primeiro (comparando timestamps) e responde OK ou enfileira a requisição, apropriadamente.

Alg. Distribuído - Exemplo

Alg. Distribuído - Exemplo

Alg. Distribuído - Exemplo

Após algum tempo 1 responde a 3 OK e então este entra na Região crítica pois já possuía OK do 2 anteriormente

Exclusão mútua (cont.)Algoritmo de Token Ring:

Os processos são conectados por um anel e numerados sequencialmente a partir de 0.

Na iniciação do anel, uma token é dada ao processo 0.

A token é passada do processo k para o processo k+1.

Ao receber a token, um processo pode retê-la ou passá-la imediatamente para o próximo processo, dependendo se deseja ou não, respectivamente, entrar na região crítica. Enquanto o processo estiver na região crítica, a token fica retida, e somente ao sair da região crítica é repassada adiante.

Alg. Token Ring - Exemplo

Algoritmos de eleiçãoAlgoritmo de BullyO algoritmo de Bully serve para eleger um líder (processo coordenador) em algoritmos distribuídos

Processos são identificados por um identificador numérico, único, fixo e atribuído antes do início da eleição.A topologia não é limitada a um anel e cada um dos processos pode se comunicar com qualquer outro no sistema. Novamente a execução do algoritmo busca eleger o processo de maior identificador e fazer com que todos reconheçam o novo líder.

Algoritmo Bully:Se um dos processos identifica a perda de contato com o líder, inicia uma nova eleição enviando a todos os outros uma mensagem contendo seu identificador.

Todos os nós respondem ao processo que iniciou a eleição com os seus próprios identificadores.

Se o processo que iniciou a eleição possui o maior identificador entre todos os outros, proclama-se líder e avisa todos os outros. Senão aguarda que o processo de maior identificador inicie uma eleição e se torne líder.

Este algoritmo possui este nome justamente por seu comportamento de bully. (Bullying é um termo em inglês utilizado para descrever atos de violência física ou psicológica, intencionais e repetidos)

O processo de maior identificador predomina sobre os de menor número e mesmo que um destes ganhe uma eleição, rapidamente toma o posto do eleito propondo uma nova eleição.

1. Um processo P envia uma mensagem ELECTION para todos os processos de maior número.

2. Se nenhum processo responde, P vence a eleição e se torna o coordenador.

3. Se um dos processos responde este inicia sua participação na eleição a partir do passo 1. O trabalho de P está feito.

Algoritmos de eleição

Algoritmos de eleição (cont.)Algoritmo de Anel:

O algoritmo em anel ou LCR, iniciais de Le Lann, Chang e Roberts, serve para eleger um líder se os processos estiverem dispostos em um anel.

Cada processo deve conhecer seu vizinho à direita e à esquerda e deve ter um identificador numérico, único, fixo e atribuído antes do início da eleição.

Originalmente este algoritmo visava a recuperação de um token perdido em uma rede com topologia em forma de anel, elegendo um nó da rede que servisse como ponto de partida para o novo token.

Algoritmos de eleição (cont.)Algoritmo de Anel:

Se um dos processos identifica a perda de contato com o líder, inicia uma nova eleição enviando a todos os outros uma mensagem contendo seu identificador.

Esse processo constrói uma mensagem ELECTION contendo seu número e envia ao seu sucessor. Se o sucessor estiver parado, a mensagem é enviado ao sucessor do sucessor.

O processo que recebe a mensagem insere seu próprio número na mensagem e passa para o seu sucessor.

Quando a mensagem retorna ao processo que originou a eleição, este descobre quem é novo coordenador (o processo com número maior) e, em seguida, envia uma mensagem COORDINATOR comunicando o fato.