sistemas distribuídos capítulo 1:...

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Departamento de Engenharia Informática

2/28/2007 Sistemas Distribuídos

Sistemas DistribuídosCapítulo 1: Introdução

J. Alves Marques

Rodrigo Rodrigues



Índice

• Definição de sistema distribuído

• Razões para a distribuição

• Evolução tecnológica

• Evolução do enquadramento económico

• Plataformas de suporte aos sistemas distribuídos

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Sistemas Distribuídos:Definições …

[…] is one in which the failure of a computer you didn't even know existed can render your own computer unusable.

Leslie Lamport

[…] is a collection of loosely coupled processors interconnected by a communication network. Processors do not share memory or clock.

A. Silberschatz

[…] is a collection of independent computers that appear to the users of the system as a single computer.

A. Tanenbaum



Sistemas Distribuídos: Definição

• Um sistema distribuído possui as seguintes características:– Várias máquinas independentes, e potencialmente:

• Heterogéneas;• Administradas por diferentes organizações com regras diferentes de segurança, de gestão, etc.

– Redes de interligação entre essas máquinas;– Não há estado partilhado entre as várias máquinas.

• Uma máquina multiprocessador autónoma não é(nesta óptica) um sistema distribuído

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Middleware

Aplicações

Middleware

Sistema

Operativo

Bibliotecas (DLL)

Protocolos

Servidores

Hardware

Plataformas

Os Sistemas

Distribuídos são

suportados por

diversas

componentes

frequentemente

designadas por

plataformas de

Middleware



Problemas Agudizados pela Distribuição

• Comunicação exclusivamente por mensagem– Modelo de programação mais difícil– Novos tipos de erros (timeout, …)

• Modelo de faltas mais complexo– Máquinas falham independentemente– Redes podem perder pacotes, trocar a sua ordem, ...

• Conhecimento parcial do estado do sistema– Das outras máquinas, só se sabe realmente que uma mensagem chegou, ou não chegou

– Uma mensagem não chegou porque• Se perdeu ?• O emissor falhou ?• O emissor está muito lento ?

– Podemos nunca saber ao certo!!

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Problemas Agudizados pela Distribuição

• Distribuição do sistema operativo– Mais difícil de realizar mecanismos atómicos de sincronização, coordenação

• Segurança– Intrusos podem ler mensagens em trânsito, injectar novas mensagens– Não existe controlo sobre o software sistema e aplicações remotas

• Heterogeneidade– Máquinas com representações de dados diferentes, sistemas operativos diferentes, representação de dados

• Desempenho– Acesso remoto é necessariamente mais lento– O termo de comparação de muitos utilizadores são as máquinas locais!!



Razões que justificaram a Distribuição

• Distribuição geográfica– Organização com instalações em Lisboa, Porto, Paris, …– Ligação entre organizações independentes

• Extensibilidade, modularidade– Crescimento gradual

• Partilha de recursos– Troca de informação entre departamentos, empresas

• Maior disponibilidade– Replicação

• Maior desempenho– Distribuição da carga

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O que tornou os Sistemas Distribuídos tão importantes

• Tecnologia– Redes de Computadores

– Computadores Pessoais

– Sistemas Abertos

– Arquitectura de Computadores

• Requisitos Empresariais– Necessidade de integração do negócio

– Novas necessidades empresariais suportadas por novas tecnologias

– Digitalização• Lei de Moore

• Efeito de Rede – Lei de Metcalf



Evolução das Redes de Computadores

• Redes Telefónicas• Linhas Dedicadas fornecidas pelos Operadores de Telecomunicações

• Oferta de Redes de dados pelos operadores públicos– X.25– RDIS– ATM

• Redes locais• Internet• ADSL, Rede de Televisão por Cabo, • GPRS, UMTS, WiFi, WiMax

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Redes Actuais



Consequências da Evolução das Redes de Computadores

• Todos os computadores ligados à rede local• Todas as redes locais interligadas entre si• Alto débito, baixo preço• Interligação de TODOS os computadores (empresas, organizações, domésticos, …)

• Interligação de TODOS os dispositivos (Laptops, telemóveis, PDA, automóvel, frigoríficos, …)

• Interligação de cartões inteligentes, Tags RFID, etc.

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Evolução dos Computadores Pessoais

• Equipamentos simples, completos e autónomos• Baixo custo• Interface atraente e simples• Mercado dominado por Wintel• Miríade de aplicações• Os PDA e os telefones móveis são computadores• Todos os equipamentos sofisticados têm computadores• Cartões inteligentes, tags RFID são computadores (ainda com recursos muito limitados)



Evolução da Arquitectura de Computadores

• Grande aumento da– Potência de cálculo

– Capacidade de memória

– Capacidade de disco

• Possibilidade de utilização de plataformas standard

• Multiprocessamento económico e eficaz

• Alguma uniformização das plataformas de sistema operativo e software de base– Sistemas operativos (Unix, Windows, IBM MVS)

– Bases de dados (Oracle, SQL-Server, DB2)

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Sistemas Abertos

• Normalização oficial e de facto em muitos aspectos chave– Computadores pessoais (Wintel)– Protocolos de rede (TCP/IP, WWW, W3C, OASIS)– Servidores Unix, Windows-NT, Mainframes IBM MVS– Acesso a bases de dados (SQL, ODBC)– Interligação de aplicações (DCOM, CORBA)– Web Services – SOAP, XML

• Consequências– Tecnologia disponível– Grande número de alternativas– Preços competitivos



Papel determinante da Internet

• Rede de Comunicação Aberta

• Alteração do padrão de utilização dos serviços de telecomunicações

• Desenvolvimento de Standards de facto que permitiram criar novas forma de trocar informação – HTTP, HTML, XML

• Criação de ambientes de desenvolvimento simplificados, ex.: PHP, Pearl

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Mudanças do Enquadramento Económico



Evolução da Arquitectura

• A evolução das arquitecturas tecnológicas tem sido mais rápida que a das aplicações

• As aplicações raramente evoluem ao ritmo das reestruturações dos processos de negócio

É impossível definir uma arquitectura coerente cada vez que o negócio ou a tecnologia evoluemNecessário uma arquitectura de Integração dos Sistemas de Informação

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BillingService

CustomerRepresentative

CustomerRelationshipManagement

OrderProcessing

BSDAccounting

ArchivesManagementInformation

Purchasing

WarehouseBSD

Supplier Carrier

Customer

WarehouseClerk

ReceivingClerk

ShippingClerk

Carrier

SalesPortal

Enterprise Systems



A Integração Empresarial tem por base os Sistemas Distribuídos

• A granularidade a que a integração é pretendida pode variar muito:– Entre empresas independentes ou entre estas e os seus clientes– Dentro de empresas de grande dimensão– Dentro de um sistema informático interligado por uma rede local– Entre componentes (objectos) da mesma aplicação

• Para cada um destes níveis utilizam-se tecnologias diferentes mas todas se baseiam nos princípios básicos dos Sistemas Distribuídos

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Tecnologias que forçam a mudança

• B2B – comércio electrónico entre empresas

• B2C – Interacção directa com os clientes de empresa

• Data warehouse e data mining– Necessidade de obter os dados para análises globais da empresas. Obriga a capturar, transformar e integrar dados de múltiplas fontes

• Aplicações Web enabled– Obriga a interligar aplicações com outras interfaces

• Ambientes de desenvolvimento baseados em componentes– Reutilização de software



Lei de Moore

Em cada 18 meses o poder de processamento duplica e os custos mantêm-se constantes

Transistors

per chip

1,000,000,000

100,000,000

10,000,000

1,000,000

100,000

10,000

1,000

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

Year

8086

786

886

1286

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Conclusões da Lei de Moore

• Esta curva exponencial de evolução não aconteceu para mais nenhuma tecnologia (ex.: automóvel)

• Esta diferença justifica a transformação dos computadores, em cerca de 4 décadas, de uma máquina caríssima, só acessível aos Governos mais poderosos, para um pequeno circuito que pode estar em qualquer frigorífico ou telefone.

• A evolução da electrónica digital tem impacto, não só nos computadores mas em todos os sistemas digitais como as redes de telecomunicações



Lei de Metcalf

O valor de uma

rede é uma função

do quadrado dos

seus utilizadores

Valor = Utilizadores2

Valor

Utilizadores

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A Internet : um exemplo da lei de Metcalf :

Internet HostComputers(millions)

25

20

15

10

5

04

130,000

5,000,000

20,000,000

25,000,000

1969 Jul.1989

Jul.1992

Mar.1994

Jul.1995

Sep.1996

Jul.1997

Sep.1991

Oct.1993

Jan.1995

Apr.1996

Feb.1997

Nov.1997

World Wide Web Sites

Date Number

June 1993

June 1996

Sept 1997 1,400,000

200,000

0



Conclusões da lei de Metcalff

• Os serviços em rede têm uma implicação sobre o valor que pode ser quadrática.

• Contudo, criar as redes é normalmente um investimento significativo que tem de ser compatível com o plano de negócio e com a capacidade de investimento.

• A existência de redes de dados como a Intranet com um custo tendencialmente residual diminui significativamente o custo da criação da rede

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Plataformas de suporte aos Sistemas Distribuídos



Evolução Histórica

• Na análise dos Sistemas Distribuídos há duas importantes perspectivas a considerar:– A evolução ditada pelas redes Locais e portanto baseadas em redes relativamente fiáveis, com elevado débito e com um confinamento de segurança maior

– A evolução ditada pelas redes públicas inicialmente limitadas em banda passante mas progressivamente com melhor desempenho e com limitada segurança e garantia de serviço

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Evolução Histórica

• Os primeiros sistemas distribuídos foram implementados por grandes organizações e pelas Universidades

• Arpanet em 1969 uma rede de 4 nós patrocinada pelo DoD que interligou universidades, com 50 nós em 1972

• Redes especializadas

– Swift – transferências de dinheiro internacionais

– IATA – reservas de aviação

• A maioria dos grandes fabricantes desenvolveu arquitecturas de rede durante os anos 70

• SNA – IBM

• DNA – DEC

• DCA – Sperry



Interfaces de Comunicação

Máquina A

OS kernel

Níveis

7 a 5

Níveis

7 a 5

Sockets, TLI

Níveis

3 a 1

Níveis

3 a 1

Máquina B

OS kernel

Níveis

7 a 5

Níveis

7 a 5aplicaçãoaplicação

Sockets, TLI

Níveis

3 a 1

Níveis

3 a 1

aplicaçãoaplicação

Nível 4

Transporte

Nível 4

TransporteNível 4

Transporte

Nível 4

Transporte

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Interfaces de Comunicação

• Interacção baseada na troca de mensagens – Facilidade de transporte para múltiplos sistemas

• Exploração das APIs normais de comunicação– Tipicamente da API de transporte (sockets)– HTML

• Problemas:– Cada aplicação possui um protocolo próprio– Dificulta a utilização do protocolo por terceiros– Desempenho porque é executado em modo utilizador



Exemplos

• telnet, rlogin, Winrdp- aplicações de terminal remoto

• ftp, samba – Transferência de ficheiros

• SMTP – Correio electrónico

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Plataformas cliente/servidor

• Interacção via RPC (Remote Procedure Call)– Definição clara de interfaces de serviços– Linguagem de especificação de interfaces– Ambiente de desenvolvimento

• Serviços fornecidos pelos SO– Gestão de nomes– Sistema de ficheiros distribuído– Sincronização de relógios

• Mecanismos de segurança– Autenticidade– Privacidade



Evolução das Plataformas

• 1987– Sun Microsystems – desenvolveu o Open Network Computing (ONC) como base do sistema do Network File System

– Apollo Computer desenvolveu o Network Computing System (NCS) –RPC

• 1989– A Open Software Foundation (OSF) lançou um concurso para definir a plataforma distribuída o Distributed Computing Environment – DCE

– A Object Management Group (OMG) foi formado para definir uma plataforma de suporte a programação distribuída independente das linguagens de programação o Common Object Request Broker Architecture (CORBA)

• 1990– A Microsoft baseou a definição do MRPC no proposto pela OSF

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Plataformas cliente-servidor

Máquina A

Níveis

6 a 5

Nível 4

Transporte

Nível 7

aplicação

RPC run-time support

Sockets, TLI

Serviço do SO

(cliente)

Serviço do SO

(cliente)Serviço do SO

(servidor)

Serviço do SO

(servidor)Serviço do SO

(cliente)

Serviço do SO

(cliente)Serviço do SO

(servidor)

Serviço do SO

(servidor)aplicaçãoaplicação

Níveis

3 a 1



Exemplo – Sistemas de Ficheiros Distribuido

E/S

Gestão de

memória

Comunicação

entre processos

Gestão de

processos


Sistema de ficheirosSistema de ficheiros

E/S

Gestão de

memória

Comunicação

entre processos

Gestão de

processos


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Exemplos

• ONC - Open Networking Computing – Sun Microsystems

• DCE - Distributed Computing Environment – Open Software Foundation

• DCOM – Distributed Component Object Model -Microsoft

• Common Object Request Broker Architecture (CORBA) -Object Management Group (OMG)

• RMI do Java

• SOAP – protocolo de invocação remota de Web services



Evolução (II)

• 1991– A OSF distribui o DCE 1.0– O CORBA 1.0 é distribuído com suporte para C. É definido o conceito de Object Request Broker - ORB

• 1993– A IBM distribui um produto para comunicação por mensagem entre aplicações o MQSeries

• 1996– A Microsoft distribui o Distributed Component Object Model (DCOM) relacionado com os desenvolvimentos anteriores do OLE, COM e ActiveX. O núcleo do DCOM baseia-se nas tecnologias de RPC da Microsoft que se pode considerar um Object RPC (ORPC)

– CORBA 2.0. Uma das evoluções é o modelo de comunicações entre ORB o Internet Inter-ORB Protocol (IIOP) que permite a ORB de vendedores diferentes cooperarem

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Sistemas de Objectos

• As potencialidades da noção de objecto tornaram-na atractiva para descrever diversos conceitos em Eng. Informática, dando origem a uma tendência de evolução que se designa por OO de Object Oriented.

• Diferenças entre a aproximação baseada em objectos e uma arquitectura cliente-servidor,:– No RPC invocam-se funções, os dados são entidades separadas,,– Num sistema de objectos invoca-se uma função num determinado objecto que, como contém o seu próprio estado, torna indissociável a invocação da operação dos dados a que se aplica.

• Existem vários sistemas comerciais com níveis de abstracção diferentes os mais representativos são: – Corba Common Object Request Broker Architectura – OMG– COM+ da Microsoft.– Entreprise Java Beans – Sun



m4

m5

m6

Interface Remota

m1m2m3

Código dos

métodos

Dados

Objecto remoto

Invocação de Objectos Remotos

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Evolução

• 1997– A Sun distribui o JDK 1.1 que inclui o Remote Method Invocation (RMI) que define um modelo de computação distribuída usando objectos Java. O RMI ésemelhante ao CORBA e ao DCOM mas funciona só com objectos Java.

– Microsoft desenvolveu o COM+ sucessor do DCOM muito próximo do modelo CORBA.

• 1999– A SUN distribui o Java 2 Platform Entreprise Edition (J2EE) que integra o RMI e o IIOP tornando mais simples a interoperação de sistemas entre sistemas Java e CORBA.

– O Simple Object Acess Protocol – SOAP apareceu pela primeira vez.• 2001

– A IBM e a Microsoft propõem as pilhas de protocolos dos Web Services à W3C (World Wide Web Consortium)• Wire stack• Description stack• Discovery stack



Brokers de Mensagens

• A integração é feita através do encaminhamento de informação (mensagens) entre os sistemas.

• As aplicações recebem e enviam as mensagens para um servidor central (broker).

• As mensagens uma vez recebidas pelo broker podem ser reformatadas, combinadas ou modificas por forma a serem entendidas pelo sistema de destino.

• Normalmente não é necessário modificar os sistemas envolvidos. Os Message Brokers fornecem adaptadores para as aplicações mais comuns (SAP, Baan, PeopleSoft, etc.).

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Exemplos

• Java Messages – gestão de filas de mensagens da plataforma J2EE.

• MSMQ – sistemas de filas de mensagens da Microsoft

• MQseries – IBM

• Active Entreprise – Tibco

• Biztalk – Enterprise integration broker da Microsoft



Sistema Operativo Distribuído


Sistema de ficheirosSistema de ficheiros

E/SE/S

Gestão de memóriaGestão de memória

Comunicação entre processosComunicação entre processos

Gestão de processosGestão de processos

Micro núcleo Micro núcleo

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Exemplos

• Mach - [Acceta86], • Chorus [Zimmerman81], • V-Kernel• Amoeba [Tanenbaum81]

Devido à complexidade de integração esta arquitectura apenas teve expressão na investigação e foi em grande medida ultrapassada pela escala que a Internet impôs a estes sistemas



Formas de Realizar a Distribuição

• Utilização das interfaces de comunicação distribuída –sockets, TLI

• Plataformas Cliente Servidor– Sun RPC, ODBC,

• Brokers de Mensagens – Message Oriented Middleware– MQ series, MSMQ, Biztalk

• Integração de componentes– Corba RMI, .NET

• Sistemas Operativos Distribuídos - distribuição de todos os serviços sistema– Mach, Chorus

• Web Services

SO e

Redes

SD

SD

SD

SEI

SEI

PADI

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