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5/21/2018 introduccion.ppt

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Sistemas Operativos Distribuidos

Presentacin


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Fernando Prez CostoyaJos Mara Pea Snchez


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Referencias Bsicas

Distributed Operating SystemsA. S. TanenbaumPrentice-Hall, 1995

Distributed Systems: Concepts and Design

G. Coulouris, J. Dollimore, T. KindbergAddison-Wesley, 2001

Pattern-Oriented Software Architecture: Patterns for

Concurrent and Networked Objects (Vol 2).D. Schmidt, M. Stal, H. Rohnert, F. BruschmannWiley, 2000


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Referencias Bsicas

Distributed Operating Systems: Concepts & PracticeD. L. GalliPrentice-Hall, 2000

Distributed Operating Systems & Algorithms

R. Chow, T. JohnsonAddison-Wesley, 1997

Traduccin al Castellano Sistemas Operativos Distribuidos

A. S. Tanenbaum

Prentice-Hall, 1996


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ndice del Curso

ndice de Temas Introduccin y conceptos Comunicacin en sistemas

distribuidos

Sistemas de ficheros distribuidosy servicios de directorio. Sincronizacin y coordinacin Sistemas de memoria distribuida

Gestin de procesos Seguridad en sistemasdistribuidos

TecnologasCORBA

DCOMDCEJava:

Jini

RMIEJB

En

tornosDistri

buidos

y

C

asosdeEstudio


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Objetivos

Conceptos

(Objetivo Principal) Diseo de sistemas distribuidos (No slo sistemas operativos). Problemtica de sistemas distribuidos:

Transacciones y concurrencia. Nombrado y organizacin.

Seguridad. Configuracin y optimizacin.

Tcnicas (Objetivo Secundario) Tecnologas y entornos de desarrollo distribuidos. Herramientas de desarrollo. Gua de referencias.


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Direcciones de Contacto

Informacin Actualizada: Pgina de la asignatura:

http://laurel.datsi.fi.upm.es/~ssoo/SOD/

Profesores Responsables: Fernando Prez Costoya

Jos Mara Pea Snchez


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Introduccin yConceptos


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Contenidos del Tema

Evolucin de los sistemas operativos: Definicin de sistema centralizado. Definicin de sistema distribuido.

Ventajas y desventajas de los sistemas distribuidos.

Sistemas operativos distribuidos. Sistemas operativos de red. Middlewares. Objetivos de un sistema distribuido. Componentes de un sistema distribuido. Notacin y formalismos.


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Arquitectura de Sistemas Centralizados

nico computador (caro y de gran potencia) con terminalesalfanumricos directamente conectados.

Entornos de empresa: Soporte multiusuario

Uso de mainframeso minicomputadores Entornos cientficos:

Ejecucin eficiente de aplicaciones Uso de supercomputadores

Uso ocasional de la red: Transferir ficheros o logins remotos Interfaz de usuario poco amigable

Interfaces grficas gastan muchos recursos


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Arquitectura de Sistemas Distribuidos

Conjunto de procesadores conectados por una red Cada usuario tiene capacidad de procesamiento local que

permite interfaces de usuario sofisticadas. Uso intensivo de la red para compartir recursos:

dispositivos datos procesadores (migracin de procesos)

Capacidad global de procesamiento disponible para:

Servicio a mltiples usuarios Ejecucin paralela de una aplicacin


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Nacimiento de los Sistemas Distribuidos

Causas: Tecnologa de microprocesadores: relacin potencia/coste.

Tecnologas de comunicaciones:

Protocolos de comunicaciones. Redes de rea local (LAN): Coste y prestaciones. Internet

Factores comerciales: Comercio electrnico: e-comerce. Informacin distribuida (WWW). Reduccin de costes.


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Caractersticas de un Sistema Distribuido

Definicin:[Tan95]Un sistema distribuido es una coleccin de computadoras

independientes que aparece ante los usuarios del sistema como

una nica computadora.

Recursos distribuidos para un trabajo comn.NcomputadorasUn servicionico a los usuarios.

Tradicionalmente (1972): Clasificacin de Flynn: SISD, SIMD, MISD, MIMD


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Caractersticas de un Sistema Distribuido

Un sistema distribuido implica las siguientes consecuencias: No existe un reloj comn: Afecta a cualquier aspecto de

coordinacin y mensajes. Concurrencia global: Los elementos del sistema se ejecutan

realmente en paralelo. Fallos independientes: Los modos de fallo del sistema

pueden ser locales a un subconjunto de sus componentes.


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Evolucin de los Sistemas Operativos

Sistemas OperativosCentralizados.

Sistemas Operativos

en Red

Sistemas Operativos

Distribuidos

SistemasCooperativos

Sistema Objetivos

Sistema OperativoCentralizado

Gestin de recursos,Mquina extendida,(Virtualidad)

Sistema Operativoen Red Comparticin de recursos,(Interoperabilidad)

Sistema OperativoDistribuido

Vista nica de variascomputadoras

(Transparencia)

SistemaCooperativa

Trabajo cooperativo,(Autonoma)


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Capas de un Sistema Operativo

La visin esquemtica de un sistema operativo comprende lossiguientes niveles:

Hardware.

Ncleo (kernel). Servicios del sistema. Programas de aplicacin.

Usuarios.Hardware

Kernel

Servicios

Aplicaciones

Usuarios


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Responsabilidades del Kernel

Kernel

Servicios

Kernel

Servicios

Computadora

Computadora

Kernel Kernel Kernel

Servicios

Kernels Monolticos:

Muchas funcionalidades dentro del kernel:planificador, gestin de memoria, drivers,...

Kernels:

Se sacan funcionalidades del kernel. Slo quedan:(i) comunicacin entre procesos, (ii) administracinde memoria, (iii) administracin y planificacin debajo nivel y (iv) entrada/salida de bajo nivel

Servicios Distribuidos:

Estructura de sistema distribuido. Dependiendodel nivel se habla de: Sistema OperativoDistribuido, Sistema en Red o (Cooperativo).


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Heterogeneidad de un SistemaDistribuido

Un sistema distribuido puede estar formado por multitud deelementos conectados por redes LAN o WAN:

Terminales X y Estaciones Java (Network Computer). PCs y estaciones de trabajo. Sistemas porttiles (redes mviles: GSM, WAP y ...) Minicomputadores. Supercomputadores. Multiprocesadores con memoria compartida o no. Servidores especializados (de almacenamiento, de impresin, ...).

Sistemas empotrados.Fomentada por los siguientes factores:

Extensibilidad de los sistemas distribuidos. Especializacin de los servidores.


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Ventajas de los Sistemas Distribuidos

Economa: Buena relacin rendimiento/coste Ley de Grosch (obsoleta):

Prestaciones = cte x (Precio)2

Alto rendimiento: Procesamiento paralelo.

Soporte de aplicaciones inherentemente distribuidas. Por ejemplo: empresa distribuida geogrficamente Capacidad de crecimiento: Escalabilidad. Fiabilidad y disponibilidad: Tolerancia a (ciertos) fallos.

Carcter abierto y heterogneo: Estndares de interoperabilidad.

Compartir recursos y datos.


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Desventajas de los Sistemas Distribuidos

Necesidad de un nuevo tipo de software: Ms complejo. No hay todava un acuerdo sobre cmo debe ser.

Red de interconexin introduce nuevos problemas: Prdida de mensajes y saturacin. Latencia puede provocar que al recibir un dato ya est obsoleto. La red es un elemento crtico.

Seguridad y confidencialidad


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Aplicaciones de los Sistemas Distribuidos

Servicios Internet: correo, noticias, Web, ... nuevos servicios. Redes corporativas e intranets. Procesamiento paralelo:

Procesamiento masivo (solucin a la eficiencia).

Topologa distribuida (problemas de naturaleza distribuida) Sistemas distribuidos de gestin de bases de datos y

explotacin de los mismos: e.g. Data Warehousing. Aplicaciones multimedia. Sistemas industriales distribuidos y aplicaciones de control. Sistemas distribuidos de tiempo real. ..... < y muchos ms >


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Distribucin de los Sistemas Operativos

Sistemas operativos para multiprocesadores con memoriacompartida (SMP): Software fuertementeacoplado sobre Hardware fuertementeacoplado

Sistema operativo distribuido (SOD): Software fuertementeacoplado sobre Hardware dbilmenteacoplado

Sistema operativo en red: Software dbilmenteacoplado sobre Hardware dbilmenteacoplado


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Sistemas Operativos para SMPs

Arquitecturas de varios procesadores (2 a 8) con memoriacompartida de acceso uniforme (SMP: Simetric Multiprocesors)

Caractersticas:

Ligeras variaciones sobre versiones tradicionales. Slo hay una copia del sistema operativo. Concurrencia se traduce en paralelismo real (tiempo compartido). Comercialmente aceptados (Linux, WinNT, Solaris, AIX, ...). Plantea retos para: la ejecucin del ncleo en varios procesadores

(llamadas al sistema concurrentes) , los mecanismos desincronizacin (spin-locks), optimizacin y planificacin (afinidad alprocesador), ...


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Sistemas Operativos Distribuidos (SOD)

Definicin:[Gal00]Un sistema operativo distribuido es un conjunto de procesadores

interconectados por redes que ocultan dicha caracterstica

mostrando una visin al usuario de uniprocesador virtual.

Caractersticas: Ejecuta sobre un sistema distribuido haciendo creer a los usuarios

que se trata de un sistema centralizado.

Trasparencia: Debe ocultar factores derivados de la distribucin. Es fcil de decir pero no de hacer. Cada sistema alcanza hasta cierto punto esta meta. Los fracasos pueden generar frustraciones en los usuarios.


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Sistemas Operativos Distribuidos (SOD)

Problemtica: Cada nodo tiene su copia del sistema operativo: Qu tareas se

realizan localmente y cules son globales? Cmo lograr exclusin mutua sin memoria compartida? Cmo tratar los interbloqueos sin un estado global?

Planificacin de procesos: Cada copia del sistema operativo tiene sucola de planificacin (migracin de procesos).

Cmo crear un rbol de ficheros nico? Implicaciones de la falta de reloj nico, la presencia de fallos o la

heterogeneidad.Principal aportacin: Se han desarrollado nuevos conceptos y planteamientos que se han

podido trasladar a los otros modelos de sistemas distribuidos.


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Evolucin de los SOD

Primeros SO de red: Incluir servicios de red en SO convencional Ejemplo: UNIX 4BSD (1980)

Paulatina incorporacin de ms funcionalidad: ONC de Sun (1985): incluye NFS, RPC, NIS

Primeros SOD: Nuevos SO pero basados en arquitecturas convencionales

(monolticas) Ejemplo: Sprite de la Universidad de Berkeley (1988)

SOD basados en m-kernel. Ejemplos: Mach de CMU (1986) Amoeba diseado por Tanenbaum (1984) Chorus de INRIA en Francia (1988)


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Sistemas Operativos en Red

Definicin:[Cho97]Red de computadoras dbilmente acopladas en las que no existe

un control externo directo sobre el hardware/software de cada

computadora para la comparticin de recursos.

Caractersticas: No dan la visin de uniprocesador virtual (mquinas independientes). Cada una ejecuta una copia de sistema operativo (distinto).

Sistema operativo convencional + utilidades de red. Protocolos de comunicacin para intercambio de recursos y acceso a

servicios de alto nivel. Desde rcp/rloginhasta Open Network Computing(ONC) de Sun.


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Sistemas Cooperativos

Definicin:[Cho97]Sistemas software orientados a servicios de alto nivel que

requieren el soporte de mecanismos de comunicacin en base a

los cuales los protocolos de comunicaciones de alto nivel se

construyen.

Caractersticas: Se mantiene el grado de trasparencia sacrificando la visin de nico

sistema. Son sistemas autnomos independientes. Se construyen en base a middlewares(CORBA, DCE, DCOM, ...) Los sistemas resultan de la integracin de mltiples servicios

proporcionados por diferentes elementos de la red.


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Middleware

Middleware: Capa de software que ejecuta sobre el sistema operativo local

ofreciendo unos servicios distribuidos estandarizados. Sistema abierto independiente del fabricante. No depende del hardware y sistema operativo subyacente.

Ejemplos: DCE (Open Group). CORBA (OMG). ...

Hardware

SO

Hardware

SO

Hardware

SO

iddlew re


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Objetivos de un Sistema Distribuido

En general el desarrollo de sistemas distribuidos intenta ponersolucin a los siguientes objetivos:

Transparencia. Fiabilidad. Rendimiento. Capacidad de crecimiento. Flexibilidad. Seguridad.

Sistemas operativos distribuidos, sistemas en red y sistemascooperativos requieren diferentes facetas de estos objetivos.


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Transparencia

Existen varios perfiles de trasparencia: Acceso: Manera de acceder a recurso local igual que a remoto. Posicin: Se accede a los recursos sin conocer su localizacin. Migracin: Recursos pueden migrar sin afectar a los usuarios. Concurrencia: Acceso concurrente no afecta a los usuarios.

Replicacin: La existencia de rplicas no afecta a los usuarios. Fallos: La ocurrencia de fallos no afecta a los usuarios. Crecimiento: El crecimiento del sistema no afecta a los usuarios. Heterogeneidad:Carcter heterogneo no afecta a los usuarios.

Es buena tanta transparencia? A veces el usuario precisa conocer cmo es el sistema subyacente


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Fiabilidad

Fiabilidad como disponibilidad: Tericamente: OR-lgico de sus componentes. En ciertos casos: AND-lgico de varios componentes. Mecanismos: redundancia y evitar componentes crticos. Tolerancia a fallos: Los componuentes pueden no caerse pero

funcionan de forma errnea.Fiabilidad como coherencia:

Se dificulta con la redundancia: inconsistencias

La fiabilidad est relacionada con la seguridad (otro objetivo).


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Rendimiento

Rendimiento para un servicio multiusuario: Objetivo: Rendimiento no peor que un sistema centralizado

Rendimiento para la ejecucin paralelade aplicaciones: Objetivo: Rendimiento proporcional a procesadores empleados

Factores: Mayor nmero de procesadores Elementos crticos:

Especialmente la red: Latencia de la comunicacin, uso de caches, ... Grano de paralelismo (relacin proceso/comunicacin). Replicacin de elementos/tareas. Equilibrado de carga.


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Capacidad de Crecimiento

Diseo de un sistema distribuido debe evitar cuellos de botella: Componentes centralizados Tablas centralizadas Algoritmos centralizados

Problemtica agravada por el nmero de elementos: Ninguna mquina tiene informacin completa del estado del sistema Las decisiones se basan slo en informacin disponible localmente El fallo de una mquina no debe invalidar el algoritmo No debe asumir la existencia de un reloj global


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Flexibilidad

Capacidad para ampliarlo o extenderlo con nuevasfuncionalidades de forma sencilla.

Definicin de responsabilidades:

Sistemas con m-kernel: Comunicacin entre procesos. Cierta administracin de memoria. Administracin y planificacin de procesos (limitada y de bajo nivel). Entrada/salida de bajo nivel.

El resto, servicios a nivel de usuario.


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Flexibilidad

Un elemento fundamental de la flexibilidad son los sistemasabiertos.

El desarrollo de estos sistemas requiere:

Sus interfaces y protocolos deberan ser pblicos. Contrario a tecnologa propietaria. Uso de estndares siempre que sea posible. Disponibilidad de su cdigo fuente (libremente o no). Regulacin por parte de un colectivo (usuarios u organizaciones) y

no por particulares (fabricantes).


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Componentes de un Sistema Distribuido

El desarrollo de un sistema distribuido complejo requiere el usode las siguientes funciones y servicios:

Servicios de comunicacin. Sistemas de ficheros y nombrado distribuido. Servicios de sincronizacin y coordinacin.

Memoria compartida distribuida. Gestin de procesos. Servicio de seguridad.

Estas funcionalidades se plasman en elementos concretos delsistema: componentes, protocolos, algoritmos, soportehardware/software, ...


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Servicios de Comunicacin

Modelos de interaccin: Cliente/servidor: (2-niveles, 3-niveles o n-niveles) Peer-to-peer: Equilibrio de roles. Intermediarios: Proxy, Dispacher, Caches, ... Unicastvs Multicast

Fiabilidad. Sncronos vs Asncronos

Tecnologas de comunicacin:

Paso de mensajes: Berkeley sockets. Llamada a procedimientos remotos: RPC. Tecnologas de objetos distribuidos: CORBA, DCOM, EJB Cdigo mvil: Entornos de agentes.


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Sistemas de Ficheros Distribuidos

Identificacin, localizacin y acceso a elementos del entornodistribuido.

Comprende:

Sistemas de ficheros distribuidos (SFD): NFS, AFS. Servicios de nombres: DNS, COS-Naming (CORBA). Servicios de directorio: X.500, LDAP, JNDI.

Cuestiones: Arquitectura de los servicios. Almacenamiento intermedio: caching. Replicacin y coherencia.

Servicios de Sincronizacin y


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Servicios de Sincronizacin yCoordinacin

Comprende los conceptos de: Tiempo en entornos distribuidos: Sincronizacin de relojes y relojes

lgicos. Concurrencia y Paralelismo: Exclusin mutua e interbloqueos. Algoritmos distribuidos: Eleccin de lder, coordinacin, ...

Transacciones: Propiedades ACID, modelos de commit/rollback.

Afecta a otros servicios: Nombrado e identificacin. Seguridad y fiabilidad. Comunicaciones. ...


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Memoria Compartida Distribuida (DSM)

Hardware: Memoria fsicamente compartida. Memoria distribuida (lgicamente compartida). Acceso uniforme vs acceso no uniforme.

Distributed Shared Memory: Basada en pginas. Basada en variables compartidas. Basada en objetos.

Modelos de consistencia


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Gestin de Procesos

Taxonoma de los procesos: Niveles de granularidad. Congelacin de procesos (persistencia). Migracin de procesos (estado/cdigo).

Planificacin de procesos: Planificacin interna: Procesos y threads. Planificacin global. Migracin y equilibrado de carga.

Aprovechamiento de mquinas inactivas.


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Servicio de Seguridad

Tipologa de los ataques: Privacidad y confidencialidad. Autenticacin (spoofing). Denegacin de servicio.

Modelos y herramientas de seguridad: Cifrado: clave pblica (RSA) y privada (DES). Protocolos de seguridad: IPsec, SSL. Certificados y firmas digitales: X.509. Elementos de seguridad: Firewalls.

Entornos seguros: e.g. Kerberos.


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Notacin

La asignatura tiene dos partes: Parte de la asignatura dependiente de ciertas tecnologas:

API de sockets. RPCs. CORBA.

DCOM. Java: RMI, EJB y Jini. Parte de la asignatura independiente de tecnologas:

Conceptos. Tcnicas.

Algoritmos. Estrategias de diseo.


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Notacin y Formalismos

Objetivo de la notacin: No atar ninguna solucin a unatecnologa concreta.

Notaciones y formalismos usados:

Pseudocdigo: Algoritmos y ejemplos. Objetos: Escenarios de interaccin, patrones distribuidos. Formalismos matemticos: Seguridad, sincronizacin. Metodologas y arquitecturas: Nomenclatura y semntica.

Se optar por el ms apropiado en cada caso. No debe ser un impedimento para entender el concepto.


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Wrapper Facade

Patrn de diseo que encapsula los factores y caractersticasdependientes de las APIs de desarrollo del sistema operativo otecnologa usada. [SSR00]

Escenario:Aplicacin

API FuncinA

API FuncinB

API FuncinC

Wrapper Facade

Datos

mtodo1()...

metodoN()

mtodo1(){funcinA();

funcinB();}

mtodoN(){

funcinC();}

llamadasllamadas

llamadas

llamadas


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Wrapper Facade

Ejemplo: Semforo genrico.

Protege un regin deexclusin mtua

acquire(): entrada

en la regin. release(): salida

de la regin.

Implementacin:Depende del SO.

class Thread_Mutex

{

public:

Thread_Mutex();

Thread_Mutex();

void acquire();

void release();};

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