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Tema 1Introducción a los Sistemas Distribuidos

F. García-Carballeira, Mª. Soledad Escolar,

Luis Miguel Sánchez, Fco. Javier García

Sistemas Distribuidos

Grado en Ingeniería Informática

Universidad Carlos III de Madrid

Contenido

� Evolución de la informática

� Concepto de sistema distribuido

� Ejemplos de aplicaciones distribuidas

� Ventajas e inconvenientes de los sistemas distribuidos

� Sistemas distribuidos vs. paralelos

F. García-Carballeira, Mª. Soledad Escolar, Luis Miguel Sánchez, Fco. Javier García

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� Principales desafíos de diseño

� Concepto de middleware

� Paradigmas de computación distribuida

� Plataformas hardware para sistemas distribuidos

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Evolución de la Informática

� En los años 70:� Mainframes centrales

� Sistemas de tiempo compartido

� Recursos centralizados

� Terminales simples

� Interfaces de usuario poco amigables



� Interfaces de usuario poco amigables

� Aparecen las primeras redes

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Evolución de la Informática

� En los años 80:� PCs y estaciones de trabajo

� Predominio de aplicaciones complejas ejecutadas localmente

� Interfaces amigables

� Redes de área local (LAN)



� Redes de área local (LAN)

� Aparecen los primeros sistemas operativos distribuidos� Mach, Sprite, Chorus, ...

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Evolución de la informática

� En los años 90:� Despegue de las aplicaciones cliente/servidor

� Más descentralización� Aplicaciones ejecutadas localmente y en red

� Enorme difusión de Internet gracias a la web

� Nuevas necesidades y aplicaciones basadas en web



� Nuevas necesidades y aplicaciones basadas en web� Comercio electrónico

� Multimedia

� Sistemas de control

� Aplicaciones médicas

� Supercomputación en Internet

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� En los años 2000:� Nuevos paradigmas de computación distribuida

� Grid computing

� Peer-to-Peer

� Computación ubicua

� Dispositivos móviles



� Dispositivos móviles

� Aplicaciones para Internet basadas en Web

� Tendencia: todas las aplicaciones en red

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AplicacionesPuestos de trabajo

Red


� Infraestructura tradicional

Clientes



Servidores

7

LAN


� Infraestructura tradicional � Consolidación de recursos

Clientes

LAN



Red de

almacenamiento

Almacenamiento

Compartido

8

Servidores

LANLAN

Evolución de la tecnología

� La ley de Bell (1972):� “aparecerá una nueva clase de computadoras (tecnología) cada 10 años” lo

g (people per

computer)

año



� La ley de Moore (1965):� “el número de transistores por chip se doblará cada18-24 meses”

9

Infraestructura tradicional



Sistema Operativo

10

Máquinas Virtuales

SO1 SO2



MV1 MV2SO1 SO2

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Sistema Distribuido

� Sistema formado por recursos de computación (hardware y software) físicamente distribuidos e interconectados a través de una red, que comunican mediante paso de mensajes y cooperan para realizar una determinada tarea



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Red

Otras definiciones

“Un sistema distribuido es aquel en el que no puedes trabajar con tu máquina por el fallo de otra máquina que ni siquiera sabías que existía”

-Leslie Lamport



“Un sistema distribuido es aquel en el que los computadores localizados en una red comunican y coordinan sus acciones mediante paso de mensajes”

-George Coulouris

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Conceptos previos

� Un programa es un conjunto de instrucciones

� Un proceso es un programa en ejecución

� Una red de computadores es un conjunto de computadores conectados por una red de interconexión



� Sistema distribuido Un conjunto de computadores (sin memoria ni reloj común) conectados por una red

� Aplicaciones distribuidas: Conjunto de procesos que ejecutan en uno o más computadores que colaboran y comunican intercambiando mensajes.

� Un protocolo es un conjunto de reglas e instrucciones que gobiernan la comunicación en un sistema distribuido, es decir, el intercambio de mensajes

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Ejemplos: red de área local

Workstations

Red de árealocal

PC



1 s

local

Servidores deficheros

Conexión al exterior Otros servidores

(impresión,...)

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Ejemplo: Web

http://www.uc3m.es

Página Web



navegador www.uc3m.es

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Ejemplos de aplicaciones y sistemas distribuidos

� Correo electrónico (IMAP, POP)

� Transferencia de ficheros (FTP)

� Servicios de News

� WorldWideWeb (WWW)

� Sistemas de control de tráfico aéreo

� Aplicaciones bancarias



� Aplicaciones bancarias

� Comercio electrónico

� Aplicaciones multimedia (videoconferencias, vídeo bajo demanda , etc.)

� El ancho de banda en estas aplicaciones es un orden de magnitud mayorque en otras

� Requieren calidad de servicio (QoS)

� Aplicaciones médicas (transferencia de imágenes)

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Objetivos de los SSDD

� Sistemas distribuidos� Objetivo: compartir recursos y colaborar� Redes de computadoras



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Sistemas distribuidos y paralelos

� Sistemas distribuidos� Objetivo: compartir recursos y colaborar� Redes de computadoras

� Sistemas paralelos� Objetivo:

� Alto rendimiento (speedup)



� Alto rendimiento (speedup)� Alta productividad

� Máquinas paralelas (arquitecturas dedicadas)� Multiprocesadores� Multicomputadores

� Redes de estaciones de trabajo trabajando como un multicomputador (cluster)

� Grid Computing (www.gridcomputing.com)

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Ventajas que pueden ofrecer los SSDD

� Compartir recursos (HW, SW, datos)� Acceso a recursos remotos.

� Modelo cliente-servidor

� Modelo basado en objetos

� Ofrecen una buena relación coste/rendimiento

� Capacidad de crecimiento (escalabilidad)



� Capacidad de crecimiento (escalabilidad)

� Tolerancia a fallos, disponibilidad� Replicación

� Concurrencia: servicio a múltiples usuarios simultáneamente

� Velocidad: capacidad global de procesamiento disponible para:� Ejecución paralela de una aplicación

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Desventajas de los sistemas distribuidos

� Interconexión� Coste

� Fiabilidad, pérdida de mensajes

� Saturación

� Comunicaciones inseguras



� Software más complejo

� Potencia de cada nodo no adecuada

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Topologías de red

Grid o malla Árbol

Lineal



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Sistemas DistribuidosDesafíos de diseño

� Heterogeneidad de los componentes � Nombrado� Comunicación y sincronización� Rendimiento� Concurrencia



� Concurrencia� Capacidad de crecimiento � Estructura de software� Fiabilidad� Calidad de servicio (QoS)� Transparencia

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Heterogeneidad

� Heterogeneidad de los SSDD:

� Es la variedad y diferencia de los siguientes componentes:

� Redes

� HW de computadores

� Sistemas operativos

Lenguajes de programación



� Lenguajes de programación

� Aplicaciones

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¿Cómo resolver la heterogeneidad?

� Empleo de sistemas abiertos (es la característica del sistema que determina si el sistema puede ser extendido y re-implementado)� Especificaciones e interfaces de acceso públicas (ej. RFCs)� Mecanismos de comunicación uniformes� Se pueden construir sobre SW y HW heterogéneo



� Ejemplos de sistemas abiertos:� TCP/IP� NFS� CORBA (www.omg.org)� Globus (www.globus.org)� Web services

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Nombrado

� Los usuarios designan a los objetos mediante un nombre (ej. www.uc3m.es)

� Los programas designan a los objetos mediante unidentificador (ej. 163.117.131.31)

� Resolver un nombre implica obtener el identificador a partir del nombre



del nombre

� Objetivo importante: los nombres deben ser independientes de su localización

� Consideraciones de diseño a tener en cuenta:� El espacio de nombres (tamaño, estructura, jerarquía, ...)

� El servicio de nombres que realiza la resolución (ej. DNS)

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Comunicación y sincronización (C y S)� Forma básica de C y S: paso de mensajes

� Mecanismos síncronos� Mecanismos asíncronos

� Comunicación entre procesos:� Las entidades que se comunican en distintas máquinas son procesos� Primitivas básicas de comunicación:



� send� receive

� Llamadas a procedimientos remotos� Invocación de objetos remotos

� Comunicación en grupos� Multicast, broadcast� Útil para el trabajo en grupo, localizar el objeto, tolerancia a fallos, mejorar el rendimiento (replicación), asegurar la consistencia

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Capacidad de crecimiento

� Un sistema posee capacidad de crecimiento o escalabilidad si conserva su efectividad cuando se incrementa significativamente el número de recursos o usuarios.

� Ejemplo: crecimiento de Internet



0

20

40

60

80

100

120

140

1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

Núm

ero

de

host

s(m

illio

nes)

Web

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Aspectos a considerar

� Para que un sistema con n usuarios sea escalable, la cantidad de recursos necesarios para soportarlo debería ser proporcional a n ó O(n)

� Empleo de algoritmos distribuidos� Algoritmos que usan estructuras jerárquicos mejor que lineales



� Algoritmos que usan estructuras jerárquicos mejor que lineales

� Evitar cuellos de botella (bottleneck) en el sistema� Algoritmos descentralizados

� Evitar el desbordamiento de los recursos SW� Ejemplo: 32 bits para las direcciones IP

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Estructura de softwareSistema centralizado

� Estructura software típica de un sistema centralizado:

Sistema operativo


Aplicaciones



� El sistema operativo (SO):� Gestionar los recursos de hardware manera eficiente� Ofrecer servicios a las aplicaciones para el acceso y la gestión de los recursos

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Sistema operativo

Hardware

Estructura de software

Sistema Distribuido

� Existen tres posibilidades para estructurar el software de un sistema distribuido� Emplear sistemas operativos en red

� Utilizar un sistema operativo distribuido

� Utilizar middlewares o entornos distribuidos



� Lo importante es ofrecer un soporte para la programación de aplicaciones distribuidas de una manera fácil y transparente.

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Sistema operativo en red (SOR)

� El usuario ve un conjunto de máquinas independientes

� Se debe acceder de forma explícita a los recursos en otras máquinas

� No hay transparencia

� Difíciles de utilizar para desarrollar aplicaciones distribuidas



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Sistema operativo


Aplicaciones

Red de interconexión

Hardware

Sistema operativo


Aplicaciones

Hardware

Sistema operativo distribuido (SOD)

� Se comporta como un SO único:� Hace creer a los usuarios que trabajan con un único sistema centralizado� Distribución� Transparencia

� Se construyen normalmente como micronúcleos que ofrecen servicios básicos de comunicación

� Restricción: todos los computadores deben ejecutar el mismo SODEjemplos: Mach, Amoeba, Chorus



� Ejemplos: Mach, Amoeba, Chorus

Sistema operativo distribuido


Aplicaciones


Hardware Hardware

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Middleware y entornos distribuidos

� Abstracción de programación que permite enmascarar la heterogeneidad de las redes subyacentes, HW, SO y LP

� Servicios y protocolos estandarizados: sistemas abiertos� Ofrecen servicios no incluidos en el SO (servicios de ficheros distribuidos, servicios de nombres, ...)

� Facilitan el desarrollo de aplicaciones distribuidas� Independientes del HW y del SO subyacente



� Independientes del HW y del SO subyacente� Ejemplos: DCE, CORBA, DCOM, WebOS, Globus, .NET

Sistema operativo

Middleware


Aplicaciones


Hardware

Sistema operativo

Hardware

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Fiabilidad

� La probabilidad de que un sistema funcione o desarrolle cierta función, bajo condiciones fijadas y durante un período de tiempo

� Para obtener fiabilidad hay que garantizar:



� Tratamiento de fallos

� Consistencia

� Seguridad

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Tratamiento de fallos

� Generalmente, en los SSDD se pueden producir fallosparciales

� Objetivo de un sistema distribuido: disponibilidad� Mide la proporción de tiempo que un sistema está disponible para su uso

Técnicas para mejorar la disponibilidad:



� Técnicas para mejorar la disponibilidad:� Tolerancia a fallos

� Detección de fallos

� Enmascaramiento de fallos

� Recuperación ante fallos

� Redundancia

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Consistencia

� El problema de la consistencia (coherencia) surge cuando varios procesos acceden y actualizan datos de forma concurrente� Coherencia de las actualizaciones

� Coherencia de la replicación

� Coherencia de caches



� Coherencia de caches

� Coherencia ante fallos

� Relojes consistentes

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Seguridad

� Los recursos de información disponibles en los SSDD pueden tener un valor importante para los usuarios (ej. información bancaria)

� La seguridad tiene tres componentes:1. Confidencialidad:

� protección contra el descubrimiento de datos por individuos no autorizados

2. Integridad



2. Integridad� protección contra la alteración o corrupción de los datos

3. Disponibilidad: � protección contra la interferencia en los procedimientos de acceso a los recursos

� Otros problemas de seguridad� Ataques de denegación de servicio� Seguridad del código móvil

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Calidad de servicio (QoS)

� Es la habilidad de satisfacer los requerimientos de tiempo cuando se transmiten y procesan flujos de datos multimedia en tiempo real

� Rendimiento de un sistema:� Tiempo de respuesta adecuado

� Latencias



� Latencias

� Tasa de transferencia de datos � Velocidad en la cual los datos pueden ser transferidos entre dos computadoras de la red, usualmente medido en bits por segundo (bps)

� El rendimiento viene determinado por:� La red de comunicación� Los servicios de comunicación empleados� El sistema operativo� El soporte para la programación de sistemas distribuidos

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Transparencia

� Ocultación al usuario de los componentes que conforman un sistema distribuido:� Acceso: acceso a recursos remotos y locales de igual forma� Posición: acceso a los recursos sin necesidad de conocer su situación� Concurrencia: acceso concurrente a recursos compartidos sin interferencias

� Replicación: acceso a recursos replicados sin conocimiento de que lo



� Replicación: acceso a recursos replicados sin conocimiento de que loson

� Fallos: mantenimiento del servicio en presencia de fallos.� Migración: permite que los recursos y objetos se muevan sin afectar a la operación de los programas.

� Capacidad de crecimiento: facilidad para crecer sin afectar a la estructura del sistema

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Paradigmas de computacióndistribuida

� Paso de mensajes

� Cliente-servidor

� Llamadas a procedimientos remotos

� Peer-to-peer



� Peer-to-peer

� Objetos distribuidos

� Agentes móviles

� Servicios en red

� Aplicaciones colaborativas (groupware)

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Paso de mensajes

� Paradigma fundamental para aplicaciones distribuidas

� Un proceso emisor envía un mensaje de solicitud

� El mensaje llega al proceso receptor, el cual procesa la solicitud y devuelve un mensaje en respuesta

� Esta respuesta puede originar posteriores solicitudes por parte del proceso emisor



m1

m2

m3

Proceso A Proceso B

Mensaje

Paso de mensajes

42

Paso de mensajes

� Operaciones básicas:� Enviar (send)

� Recibir (receive)

� Modelos de comunicación:� Orientadas a conexión



� Operaciones para conectar y desconectar� No orientadas a conexión

� Ejemplo: sockets

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Cliente-Servidor

� Asigna roles diferentes a los procesos que comunican: cliente y servidor

� Servidor:

� Ofrece un servicio

� Elemento pasivo: espera la llegada de peticiones

� Cliente:

� Solicita el servicio

� Elemento activo: invoca peticiones



� Elemento activo: invoca peticiones

...

Petición de servicio

Proceso servidorProceso cliente

Servicio

Servidor Cliente 1

Cliente 2

44

Cliente-Servidor

� Abstracción eficiente para facilitar los servicios de red

� La asignación de roles asimétricos simplifica la sincronización

� Implementación mediante:

� Sockets

� Llamada a procedimientos remotos (RPC)



� Invocación de métodos remotos (RMI, CORBA, …).

� Paradigma principalmente adecuado para servicios centralizados

� Ejemplos: servicios de Internet (HTTP, FTP, DNS, … )

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Llamadas a procedimientos remotos

� Idea: hacer que el software distribuido se programe igual que una aplicación no distribuida

� Conceptualmente igual que la invocación de un procedimiento local

Proceso A Proceso BCualquier programa



proc1(arg1, arg2)

proc2(arg1)

proc3(arg1,arg2,arg3)

Proceso A Proceso BCualquier programa

funcion(1,2)

funcion(arg1,arg2)

….

return;

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Invocación de métodos remotos

� Modelo equivalente a las llamadas a procedimientos remotos

� Proceso invoca un método local de otro proceso

� Ejemplos: CORBA, RMI de Java, Microsoft COM, DCOM, JavaBeans, .NET Remoting

Proceso 2



método1método2

Proceso 1Proceso 2

Objeto remoto

RMI

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Peer-to-Peer

� Los procesos participantes en la comunicación asumen el mismo rol: � Cliente y servidor

� Los recursos y los servicios

Proceso 1

RespuestaRespuesta



� Los recursos y los servicios son intercambiados entre los computadores

� Ejemplo: � Napster → intercambio de ficheros

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SolicitudSolicitud

Proceso 2

Agentes móviles� Un agente móvil es un programa u objeto transportable

� El agente se lanza desde un determinado computador origeny “viaja” de manera autónoma de un ordenador a otro

� En cada salto de la ruta, el agente

Computador 2

Computador 1 Computador 3



� En cada salto de la ruta, el agente realiza las funciones necesarias para completar su tarea

� No intercambian mensajes

� Problema de seguridad: código móvil ejecutable podría ser malicioso

49

Computador 4

Servicios en red

� Los procesos solicitantes acceden un servicio a través de una referencia que le proporciona el servidor de directorio

� Para publicar los servicios, éstos deben registrarse en el servicio de directorio

� Transparencia de localización



� Transparencia de localización

� Ejemplo: SOAP

50

Solicitante del servicio

Servicio de directorio

Objeto de servicio

1

23

Aplicaciones colaborativas (groupware)

� Varios procesos participan en una sesión de trabajo colaborativo� Comunicación unicast, multicast y broadcast� Dos formas:

� Basado en mensajes: usan mensajes para enviar datos a todos o parte del grupo� Basado en pizarra: usan pizarras o tablones virtuales que permiten leer o escribir

datos sobre un espacio compartido

mensaje



51

mensaje

mensaje

mensaje

groupware basado en mensajes groupware basado en pizarra

Comunicación de grupos

� Utiliza mensajes multicast

� Útil para:� Ofrecer tolerancia a fallos basado en servicios replicados

� Localizar objetos en sistemas distribuidos

� Mejor rendimiento mediante datos replicados



� Actualizaciones múltiples

� Operaciones colectivas en cálculo paralelo

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emisor receptor

IPC uno-a-uno IPC grupo o multidifusión

Arquitecturas paralelas

� MPP (Massively parallel processing)� Multiprocesador de memoria distribuida

� SMP (Symmetric multiprocessing)� Multiprocesador de memoria compartida

� CC-NUMA (Cache-Coherent Non-Uniform Memory



CC-NUMA (Cache-Coherent Non-Uniform Memory Access)� Multiprocesador con una memoria de acceso no uniforme

� Clusters

53

Arquitecturas paralelas

P1

bus

C

memory

P2

C

Pn

C

P1

network

C

memory

P2

$

Pn

$

memory memory



memory memory memory

interconnect

P0

memory

NI

. . .

P1

memory

NI Pn

memory

NI

Memoria compartida Memoria compartida distribuida

Memoria distribuida54

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