Sistemas Distribuídos

Carlos Oberdan Rolim

Ciência da ComputaçãoSistemas de Informação

Modelos de comunicação em Sistemas Distribuídos

ConteúdoElementos básicos de comunicação

Transmissão de dadosEndereçamentoSincronismo

Enfileiramento (Bufferização)Confiabilidade

Comunicação cliente-servidorComunicação em grupoChamada remota de procedimento

Comunicação cliente-servidor

Cliente

Núcleo Núcleo

Rede

Requisição

RespostaServidor

Requisição/Resposta

1234567

EnlaceFísico

Transmissão de dadosDados em programas são estruturados enquanto que mensagens carregam informação sequencial:

» Serialização (Conversão) / Deserialização (Restauração de dados)

Heterogeneidade na representação de dados em computadores:

» Uso de um formato externo comum

» Inclusão de uma identificação de arquitetura na mensagem

Marshalling/Unmarshalling

Marshalling:Transformação de uma coleção de itens de dados estruturados de forma a serem armazenados ou transmitidosTradução dos dados em formato externo

Unmarshalling:Tradução do formato externo para o localRestauração dos itens de dados de acordo com sua estrutura original

Também chamado de serialização

Também chamado de deserialização

Associação entre um nome e um objeto• Identificar os objetos• Localizar os objetos• Partilhar os objetos• Simplificar a interface com os utilizadores• Simplificar a gestão do sistema

Endereçamento

Endereçamento

Esquemas:Endereçamento máquina.processoEndereçamento máquina.id-localDescoberta de endereço via broadcasting (difusão)Descoberta de endereço via um servidor de nomes

Problemas potenciais: transparência de localização, sobrecarga, escalabilidade

Nomes e Identificadores

Nome: representação de um objeto, normalmente na forma de uma cadeia de caracteres

Atribuído pelo utilizadorUm objeto pode ser designado por vários nomesCada objeto tem que ter pelo menos um nome

Identificador: nome sistema de um objeto, normalmente em formato binário

Atribuído por uma autoridadePermite identificar e acessar o objetoAutoridade: gere o objeto, suporta a sua implementação

Exemplos de Identificadores e Autoridades

Identificador Autoridade

Endereço de memória virtual Gestão da memória virtual no S.O. Endereço IP Autoridade Internet Endereço MAC Fabricante da interface de rede Endereço do controlador do disco Configurador do computador Bloco de Disco Inicialização do sistema de arquivos

Hierarquia das Associações

A associação nome/objeto é lógica, sendo frequentemente entre nomes pertencentes a diferentes níveis de abstração:Arquivo Unix : a/b/c inode 1056 dispositivo -

número do bloco disco;

Nó da rede Internet : user@provider.com endereço IP 100.100.100.1 endereço Ethernet.

Comunicação síncrona

Primitiva send é bloqueante: processo cliente aguarda enquanto o núcleo envia a mensagem para o processo servidor.

Primitiva receive é bloqueante: processo servidor aguarda até que o núcleo receba uma mensagem endereçada para aquele processo.

Comunicação assíncrona

Primitiva send não é bloqueante: o processo cliente aguarda somente enquanto a mensagem é copiada para o buffer do núcleo.

Primitiva receive pode ser:

bloqueante: o processo servidor aguarda por uma mensagem.

não bloqueante: o processo servidor simplesmente comunica o núcleo que espera receber uma mensagem.

Enfileiramento

Situações:Send ocorre antes de ReceiveUm cliente faz um Send enquanto o servidor ainda atende a outro cliente

Solução trivial: clientes devem insistir ...

Solução pragmática: mailbox (uma fila de mensagens controlada pelo núcleo):

mailbox criado a pedido do servidormensagens endereçadas ao mailbox

Confiabilidade

Mensagens se perdem, atrasam, duplicam.

Abordagens:Send tem semântica não confiável: as aplicações devem garantir entrega de mensagens (ex: timeout)Mensagem de acknowledgement enviada pelo servidor (no nível núcleo)Mensagem de acknowledgement implícita na resposta do servidor

Chamada de Procedimentos Remotos (RPC)

Chamada remota de procedimento (RPC, acrônimo de Remote Procedure Call) é uma tecnologia de comunicação entre processos que permite a um programa de computador chamar um procedimento em outro espaço de endereçamento (geralmente em outro computador, conectado por uma rede).

O programador não se preocupa com detalhes de implementação dessa interação remota: do ponto de vista do código, a chamada se assemelha a chamadas de procedimentos locais.

Ideal: programar um sistema distribuído como se fosse centralizado

RPC objetiva permitir chamada de procedimento remoto como se fosse local, ocultando entrada/saída de mensagens

Visão geralUm processo A chama um procedimento p de um processo B, entrando em estado de espera

O processo B passa a executar o procedimento p, e ao seu término faz um reply para o processo A

O processo A volta à sua execução normal após ter recebido o reply

Chamadas de procedimentoO procedimento chamador, que já tem suas variáveis locais empilhadas, empilha os parâmetros da chamada e o endereço de retorno

O procedimento chamado aloca suas variáveis locais

No retorno do procedimento chamado, os parâmetros e o endereço de retorno são desempilhados

Stubs

Para permitir que os servidores sejam acessados por diferentes clientes, diversos sistemas padronizados de RPC foram criados. A maioria deles usa uma linguagem de descrição de interface (IDL) para que diferentes plataformas possam chamar procedimentos. Pode-se gerar interfaces entre cliente e servidor a partir de um arquivo IDL, os chamados stubs.

Resumindo: São partes (fragmentos) de algoritmos que provêm a abstração de uma chamada (local) de procedimento (método) fazendo a ligação deste com o mecanismo de comunicação. O stub é parte do código que faz a chamada remota, é utilizado no cliente e no servidor.

Funções dos Stubs

Client stub

intercepta a chamada

empacota os parâmetros (marshalling)

envia mensagem de request ao servidor (através do núcleo)

Funções dos Stubs

Server stub

recebe a mensagem de request (através do núcleo)

desempacota os parâmetros (unmarshalling)

chama o procedimento, passando os parâmetros

empacota o resultado

envia mensagem de reply ao cliente (através do núcleo)

Funções dos Stubs

Client stub

recebe a mensagem de reply (através do núcleo)

desempacota o resultado

passa o resultado para o cliente

Chamadas e mensagens em RPC

Máquina do Cliente Máquina do Servidor

Kernel Kernel

cliente servidor

empacotaparâmetros

desempacotaresultados

desempacotaparâmetros

empacotaresultados

transporte de mensagensvia rede

12

3

40 5

6

78

9

1011

Falhas em RPCO cliente não é capaz de localizar o servidorA mensagem de request do cliente para o servidor é perdidaA mensagem de reply do servidor para o cliente é perdidaO servidor pára após ter recebido a mensagem de requestO cliente pára após ter enviado a mensagem de request

Falha do cliente

O servidor torna-se um “órfão”Soluções:

exterminação do servidor pela máquina do clientereencarnação do cliente: toda computação remota é destruída"reencarnação" suave do cliente: somentes as computações remotas referentes a aquele cliente são destruídasexpiração: servidor estabele um timeout para confirmação

Implementações

CORBA — padrão RPC independente de plataformaSun RPC — RPC para as plataformas Unix e LinuxDCOM — RPC para WindowsRMI — RPC para JavaSOAP — padrão RPC para web service

Comunicação em grupo

ER R

R

R

R R

R R

E

R

Processo que envia mensagem

Processo que recebe mensagem

Tolerância a falhas baseada na replicação de serviços

Localização de objetos em serviços distribuídos

Melhor desempenho via replicação de dados

Múltipla atualizaçãoconsistência

Tipos de grupos

Visibilidade:Aberto: um processo fora do grupo consegue enviar mensagens para o grupo todoFechado: somente processos do grupo enviam mensagens para o grupo todo

Organização:Peer: todos os processos tomam decisãoHierárquico: decisão é centralizada

Endereçamento de grupoMulticast: um processo envia uma mensagem simultânea e somente para os membros do grupo.

Broadcast: um processo envia uma mensagem para todas as máquinas e somente as que contêm um membro do grupo a assimila.

Unicast: um processo envia uma mensagem para todos os membros do grupo em série.

Modificações no grupo

Controle centralizado: servidor de grupo

Controle descentralizado: acordo entre os membros

Operações:Entrada de um membro: atualizar estadoSaída de um membro: se involuntária (ex: parada), todos os membros restantes devem notar sua saída.

Primitivas de comunicaçãoGroupSend: envia mensagem para todos os membros do grupo

GroupReceive: aguarda mensagem enviada a todo o grupo

GetReply: aguarda resposta de todos os membros do grupo após um GroupSend

AtomicidadeUma mensagem enviada ao grupo deve ser recebida por todos os seus membros ou por nenhum deles.

Situação: o emissor pode parar enquanto está enviando a mensagem para o grupo.

Garantia de consistência do grupo

Facilidade de programação

Ordenação de mensagens

Todas as mensagens enviadas a um grupo devem chegar a todos os processos na mesma ordem.

Abordagens:Ordenação por tempo global

Ordenação por tempo consistente: somente uma mensagem por vez é difundida