Sistemas Distribuídos: Conceitos e Arquiteturas

Definições de Sistemas Distribuídos

"Consiste de uma coleção de computadores autônomos ligados através de uma rede e equipados com software de sistemas distribuídos" (Coulouris).

"Um sistema distribuído é uma coleção de computadores independentes que aparecem para os usuários do sistema como um único computador" (Tanenbaum).

• Software de distribuição: Habilita os computadores a coordenar suas atividades e compartilhar recursos do sistema (hardware, software e dados).
• Os usuários de um sistema distribuído devem perceber como uma facilidade de computação única, integrada, mesmo que seja implementada por vários computadores.
• Hardware: Máquinas autônomas.
• Software: Os usuários pensam no sistema como um único computador.

Evolução dos Sistemas Distribuídos

• O desenvolvimento de sistemas distribuídos iniciou em 1970, seguindo o progresso das redes de computadores de alta velocidade.
• Esse crescimento tem sido alcançado devido ao desenvolvimento de software para sistemas distribuídos destinados a suportar o desenvolvimento de aplicações distribuídas.

Fatores que contribuem para a evolução dos Sistemas Distribuídos

• Baixo custo dos microprocessadores.
• Interconexão e abrangência das redes.
• Aplicações multimídia em expansão.

Aplicações Distribuídas

• Aplicações de conferência e acesso a informações multimídia.
• Aplicações que empreguem representação digital de imagens, áudio, vídeo que suportem usuários realizando ações de ensino a distância, trabalhos ou projetos cooperativos, videoconferências, transações comerciais, dentre outras atividades.
• Muitas aplicações multimídia executam sobre um sistema distribuído, habilitando muitos usuários a interagirem entre si e compartilhar recursos.
• Requisitos especiais a serem considerados em projetos deste tipo:
  • Vídeo e áudio são mídias contínuas.
  • Aplicações interativas devem apresentar um delay entre o início da conversação em um site e a sua reprodução no outro inferior a 100 ms, pois, caso contrário, o atraso torna-se perceptível.

Multiprocessadores e Multicomputadores

• Multiprocessadores: Caracterizam-se pelo uso de dois ou mais processadores no mesmo sistema.
• Multicomputadores: Caracterizam-se pela ligação e intercalação de dois ou mais computadores (geralmente dispostos em Cluster/Grid).
• Independentemente de onde esteja sendo implementado, o objetivo é realizar processamento paralelo.

Paralelismo

O processamento paralelo pode ser definido como “uma forma eficiente do processamento de informação com ênfase na exploração de eventos concorrentes no processo computacional” (HWANG, 1984).

Tipos de Paralelismo

• Paralelismo Temporal: É feito por operações sobrepostas, onde os eventos ocorrem em instantes de tempos sobrepostos.
  • Pipeline: Onde a tarefa é subdividida numa sequência de subtarefas, cada uma executada por um estágio de hardware específico (E1), que trabalha concorrentemente com outros estágios do Pipeline (E2 ... En), criando o que tecnicamente é chamado de Paralelismo Temporal na execução das subtarefas.
• Paralelismo Espacial Síncrono: Onde os eventos são simultâneos, pois ocorrem em múltiplos recursos no mesmo instante de tempo. Nesta arquitetura, uma unidade de controle distribui para vários elementos de processamento (EP) a mesma instrução, que será executada em paralelo por estes EPs sobre seus dados no mesmo instante de tempo. O processador matricial, Array Processor, encontrado em arquitetura SIMD, executa tal processo.
• Paralelismo Espacial Assíncrono: Onde os eventos não são simultâneos. Neste caso, diversos processadores trabalham em paralelo processando suas tarefas concorrentemente de forma assíncrona para certo intervalo de tempo. Esse tipo de concorrência é encontrada em multiprocessadores de arquitetura MIMD.

Motivação para o Estudo de Sistemas Distribuídos

• O uso de sistemas de informação e redes de comunicação torna-se cada vez mais importante.
• Com o aumento da complexidade dos sistemas em geral, os sistemas distribuídos passam a ser cruciais nas infraestruturas de informação de hoje e do futuro.

Vantagens do uso de SDs

Comparando com os sistemas centralizados

• Apresentam economia, já que microprocessadores oferecem melhor relação preço/desempenho do que os antigos mainframes.
• Velocidade: Maior poder total da computação do que o mainframe.
• Distribuição inerente: Máquinas espacialmente separadas.
• Confiabilidade: Se uma máquina falha, o sistema como um todo pode ainda sobreviver.
• Crescimento incremental: Poder computacional adicionado em incrementos.

Comparando com os sistemas isolados

• Compartilhamento de dados.
• Compartilhamento de dispositivos.
• Comunicação: E-mail, por exemplo.
• Flexibilidade: Distribuição de carga e adaptabilidade.

Desvantagens do uso de SDs

• Pouco software disponível.
• A rede pode causar problemas de comunicação.
• Segurança: Vários pontos de acesso.

Arquiteturas não paralelas

• RISC - Reduced Instruction Set Computer: Caracteriza-se por executar instruções simplificadas (não exige um poder computacional muito alto) em curto período de tempo.
• CISC - Complex Instruction Set Computer: Caracteriza-se por executar instruções complexas (exige alto poder computacional) em um período de tempo, ao menos, 10^-13 maior que o tempo gasto na arquitetura RISC.

Arquiteturas paralelas

• SISD - Single Instruction stream Single Data stream: Possui uma unidade de processamento e uma unidade de controle.
• SIMD - Single Instruction stream Multiple Data stream: Caracteriza-se por uma arquitetura vetorial onde a mesma operação é executada sobre múltiplos operandos.
• MISD - Multiple Instruction stream Single Data stream: Caracteriza-se por executar um Pipeline em processadores cujos dados vão sendo processados e passados para outros processadores.
• MIMD - Multiple Instruction stream Multiple Data stream: Várias instruções podem ser executadas ao mesmo tempo em unidades diferentes controladas por unidades de controle independentes.

Tolerância a Falhas em SDs

Modelos de Tempo

Modelos síncrono e assíncrono podem ser considerados extremos teóricos. Outros modelos misturam características desses extremos.

Sistema Assíncrono

• Não existe limite de tempo.
• Impossível alcançar consenso em sistemas assíncronos.

Sistema Síncrono

• Existe um limite de tempo finito e conhecido.
• Falha de componentes pode ser deduzida pela ausência de resposta.
• Timeout - Detecção de defeitos em nodos e perda de mensagens.

Exemplos de Falhas

• Processador (Cache).
• Rede de comunicação (todos os tipos).
• Clock (temporização).
• Meio de armazenamento (temporização, omissão ou resposta).
• Software (resposta).

O modelo de falhas é uma simplificação da realidade.

Modelo Lógico

• Aplicação distribuída.
• Conjunto de processos concorrentes.
• Processos cooperativos.
• Cada processo é sequencial.
• Cada processo pode estar em um nó diferente.
• Progresso Finito.
• Rede completamente conectada.
• Topologia não é considerada.
• Processos.
• Canais.

Middleware

É uma camada de software de distribuição que abstrai a complexidade e a heterogeneidade do ambiente distribuído sobre uma rede com diversas tecnologias, arquiteturas de máquinas, sistemas operacionais e linguagens de programação.

Possui o objetivo de projetar, programar e gerenciar aplicações distribuídas através do provimento de um simples, consistente e integrado ambiente para programação distribuída.

Diferentes plataformas de middleware suportam diferentes modelos de programação para objetos distribuídos.

Middleware Baseado em Objetos

• Um dos mais populares modelos de middleware.
• Ambiente de programação.
• Distribuição + orientação a objetos.
• Utilização de IDL´s.
• Serviços.
• A comunicação poderá ser síncrona ou assíncrona.
• Assume a utilização de um transporte confiável: Protocolo TCP.

Transmissão de Dados

• Dados em programas são estruturados, enquanto que mensagens carregam informação sequencial.
• Necessidade de linearização/restauração de dados.
• Heterogeneidade na representação de dados em computadores:
  • Uso de um formato externo comum.