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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.