Systemy rozproszone - wprowadzenie

Spis treści

• Literatura
• Wprowadzenie

Literatura

• A. Silberschatz, P. Galvin, rozdział 15 (z tej książki pochodzi część rysunków)
• G. Coulouris, J. Dollimore, T. Kindberg, rozdział 1-3.
• A. Tanenbaum, M. van Steen, rozdział 2 (z tej książki pochodzi część rysunków)

Wprowadzenie

Zalety systemów rozproszonych

• Dzielenie zasobów (dane, urządzenia sprzętowe, jak np. drukarki, dyski).
• Przyśpieszenie obliczeń (dzielenie obciążenia).
• Niezawodność (awaria jednego urządzenia nie powinna uniemożliwiać działania systemu, lecz co najwyżej pogorszyć jego wydajność).
• Komunikacja (np. poczta elektroniczna).
• Ekonomiczność (system rozproszony może być tańszy niż odpowiadający mu mocą obliczeniową system scentralizowany)
• Wewnętrzne rozproszenie (niektóre aplikacje są z natury rozproszone i wymagają rozproszonych komputerów).
• Stopniowy wzrost (można stopniowo zwiększać moc obliczeniową systemu; skalowalność to zdolność systemu do adaptowania się do wzrastających zapotrzebowań).

Wady systemów rozproszonych

• Oprogramowanie (zdecydowanie bardziej złożone; wymaga opracowania wspólnych standardów).
• Sieć (może ulec awarii lub zostać przeciążona).
• Bezpieczeństwo (komputer podłączony do sieci jest mniej bezpieczny).

Systemy rozproszone a systemy równoległe

Klasyfikacja systemów komputerowych wg Flynna (1972):

Klasyfikacja architektur MIMD:

Komputery równoległe i rozproszone:

• silnie powiązane: wieloprocesory (pamięć dzielona)
• słabo powiązane: wielokomputery (pamięć prywatna)

Cechy systemów rozproszonych

• Przezroczystość (ang. transparency)

  • dostępu (sposobu dostępu i różnic w reprezentacji danych),
  • położenia (zasobów sprzętowych i programowych),
  • migracji (zasoby, np. pliki, mogą migrować, czyli zmieniać położenie bez zmiany nazwy),
  • relokacji (zasoby mogą migrować w trakcie używania),
  • istnienia kopii (zasoby mogą istnieć w wielu kopiach dla zwiększenia wydajności i/lub niezawodności),
  • błędu (program zostanie dokończony bez względu na awarie),
  • trwałości - ang. persistence (zasób - programowy - może być w pamięci lub na dysku),
  • współużytkowania (użytkownicy mogą wspólnie korzystać z zasobów),
  • równoległości (obliczenia mogą przebiegać równolegle).

• Niejednorodność (ang. heterogeneity)

  • sprzętu komputerowego (różne architektury węzłów systemu komputerowego),
  • sieci (różne środki transmisji, sygnały, interfejsy sieciowe, protokoły),
  • oprogramowania.

• Autonomiczność (ang. autonomy)

  • wysoka (redundancja, niskie współużytkowanie zasobów, może wymagać centralnego sterowania),
  • niska (mniejsza elastyczność, większa zawodność).

Topologia systemu komputerowego

Kryteria oceny:

• koszt podstawowy - ile kosztuje połączenie różnych stanowisk w jeden system?
• koszt komunikacji - ile trwa przesłanie komunikatu z jednego stanowiska do innego?
• niezawodność - jeśli łącze lub stanowisko ulegnie awarii, to czy pozostałe stanowiska pozostaną w kontakcie?

Połączenie pełne

• koszt podstawowy - rośnie wprost proporcjonalnie do kwadratu liczby stanowisk,
• koszt komunikacji - komunikat pokonuje tylko jedno łącze,
• niezawodność - bardzo duża.

Połączenie częściowe

• koszt podstawowy - niższy niż dla sieci pełnej,
• koszt komunikacji - wysłanie komunikatu może wymagać przejścia przez kilka stanowisk pośrednich,
• niezawodność - awaria jednego łącza może rozbić sieć.

Hierarchia

• koszt podstawowy - na ogół mniejszy niż dla sieci częściowej,
• koszt komunikacji - wyższy niż dla sieci pełnej,
• niezawodność - awaria dowolnego węzła (z wyjątkiem liścia) powoduje na ogół rozbicie sieci.

Gwiazda

• koszt podstawowy - funkcja liniowa liczby stanowisk,
• koszt komunikacji - niski, ale węzeł centralny może być wąskim gardłem,
• niezawodność - awaria stanowiska centralnego powoduje rozbicie sieci.

Pierścień

• koszt podstawowy - funkcja liniowa liczby stanowisk,
• koszt komunikacji - może być wysoki,
• niezawodność - awaria stanowiska (lub łącza) powoduje rozbicie sieci.

Szyna wielodostępna

• koszt podstawowy - funkcja liniowa liczby stanowisk,
• koszt komunikacji - dość niski,
• niezawodność - awaria stanowiska nie zakłóca komunikacji, awaria szyny powoduje rozbicie sieci.

Typy sieci

• Sieci lokalne (ang. LAN) - obejmują niewielki obszar geograficzny (budynek, kilka sąsiadujących ze sobą budynków)

  
  • szyna wielodostępna, sieć pierścieniowa lub gwiaździsta,
  • prędkość rzędu 10 Mbitów/s, 100 Mbitów/s lub wyższa (1 Gbit/s),
  • opóźnienia komunikacyjne i współczynnik błędów są niewielkie,
  • wysokiej jakości kable (drogie): skrętka, światłowody,
  • wspólne korzystanie z zasobów bardzo naturalne,
  • rozgłaszanie jest tanie i szybkie,
  • węzły - zwykle stacje robocze i komputery osobiste, kilka (niewiele) komputerów typu mainframe.

• Sieci globalne (ang. WAN) - obejmują duży obszar geograficzny

  
  • linie telefoniczne, łącza mikrofalowe, kanały satelitarne,
  • prędkość rzędu 1.544-45 Mbit/s,
  • duże opóźnienia i częste błędy w transmisji,
  • kinie telefoniczne, łącza mikrofalowe, kanały satelitarne,
  • złożone systemy zarządzania,
  • rozgłaszanie zwykle wymaga wielu komunikatów,
  • węzły - zwykle duży procent komputerów typu mainframe.

Komunikacja w systemach rozproszonych

1. Nadawanie nazw i rozpoznawanie nazw: jak dwa procesy mogą "odszukać" się w sieci?

   DNS (ang. Domain Name Service) - określa sposób nadawania nazw komputerom macierzystym w sieci Internet.

2. Strategie wyboru trasy: którędy komunikaty są przesyłane przez sieć? (wybór na podstawie tablicy tras - ang. routing table, brama, ruter)

   • trasa stała (ang. fixed routing) - droga od A do B jest ustalona i zmienia się jedynie w przypadku sprzętowej awarii; zwykle najkrótsza, brak dostosowania do zmian obciążenia, komunikaty dotrą w kolejności wysłania,
   • trasa wirtualna (ang. virtual circuit) - drogę z A do B ustala się na okres jednej sesji; możliwość dostosowania do zmian obciążenia, komunikaty dotrą w kolejności wysłania,
   • trasa dynamiczna (ang. dynamic routing) - drogę z A bo B wybiera się w chwili wysyłania komunikatu; zwykle wybiera się najmniej obciążone łącze, komunikaty mogą docierać w innej kolejności - można je numerować.

3. Strategie połączeń: jak dwa procesy wysyłają ciąg komunikatów, czyli tworzą sesję komunikacji?

   • komutowanie łączy (ang. circuit switching) - stałe fizyczne połączenie na czas trwania komunikacji; analogia z połączeniem telefonicznym, w tym czasie nie może z tego łącza korzystać żaden inny proces,
   • komutowanie komunikatów (ang. message switching) - ustala się czasowe łącze na czas przesyłania jednego komunikatu, łącza fizyczne są przydzielane korespondentom dynamicznie, tym samym łączem można wysyłać wiele komunikatów (od różnych użytkowników)
   • komutowanie pakietów (ang. packet switching) - komunikaty zmiennej długości dzieli się na pakiety o stałym rozmiarze, każdy pakiet może być wysłany inną drogą, pakiety trzeba ponownie łączyć w komunikaty w miejscu przeznaczenia.

4. Współzawodnictwo: jak rozwiązywać konflikty wynikające ze współużytkowania sieci?

   • CSMA/CD (ang. Carrier sense with multiple access and collision detection) - stanowisko prowadzi nasłuch łącza; jeśli łącze jest wolne, to rozpoczyna transmisję (dalej nasłuchując); jeśli wykryje kolizję, to przestaje nadawać i generuje sygnał informujący o kolizji, po losowym czasie próbuje znowu; niebezpieczeństwo wielu kolizji w przeciążonym systemie; standard IEEE 802.3; używane w Ethernecie,
   • przekazywanie żetonu (ang. token passing) - komunikat-żeton krąży stale w sieci (zwykle pierścień); stanowisko, które chce wysłać komunikat czeka na żeton, usuwa go z sieci, transmituje komunikat i ponownie przesyła żeton; standard IEEE 802.5,
   • przegródki na komunikaty (ang. message slots) - pewna liczba stałej długości przegródek na komunikaty stale krąży w sieci (zwykle pierścień); stanowisko czeka aż nadejdzie pusta przegródka, wstawia do niej komunikat (ew. podzielony na pakiety) i informację kontrolną.

Protokoły komunikacyjne

Protokół - zbiór formalnych reguł i konwencji dotyczących formatu i synchronizacji w czasie wymiany komunikatów między procesami.

Architektura sieci: podział na warstwy i protokoły.

Open System Interconnection (OSI) Reference Model of the International Organization for Standarization (ISO) - czyli model ISO/OSI

1. Warstwa fizyczna

   Odpowiada za fizyczną transmisję bitów między dwoma warstwami łącza danych. Zajmuje się synchronizacją na poziomie bitów i sygnałami zależnymi od środka transmisji (jak fizycznie wygląda bit 1 i bit 0, jaka jest prędkość transmisji w bitach/s, czy transmisja może przebiegać równocześnie w dwóch kierunkach itp.)

2. Warstwa łącza danych

   Zajmuje się grupowaniem bitów w ramki i ich transmisją, wykrywaniem i usuwaniem błędów (tworzy sumy kontrolne).

3. Warstwa sieci

   Zajmuje się ustalaniem tras pakietów w sieci, organizacją połączeń, obsługą adresów, utrzymywaniem informacji o trasach i reagowaniem na zmieniające się obciążenie. W tej warstwie działają rutery. Protokół połączeniowy: X.25, protokół bezpołączeniowy: IP.

4. Warstwa transportu

   Dostarcza warstwie sesji niezawodne połączenie. Odpowiada za przesyłanie komunikatów między klientami, dzielenie komunikatów na pakiety i łączenie pakietów w komunikaty, pilnowanie kolejności pakietów, generowanie adresów fizycznych. Protokół połączeniowy: TCP, protokół bezpołączeniowy: UDP.

5. Warstwa sesji

   Ulepszona wersja warstwy transportu. Odpowiada za implementację sesji. Na tym poziomie realizuje się RPC.

6. Warstwa prezentacji

   Odpowiada za pokonywanie różnic w formatach danych między różnymi stanowiskami w sieci, za kompresję i kodowanie/dekodowanie danych, za konwersję znaków.

7. Warstwa aplikacji

   Odpowiada za bezpośrednią interakcję z użytkownikami, przesyłanie plików, obsługę telnetu, poczty elektronicznej, rozproszonych baz danych.

• Każdy komputer w sieci musi zapewniać trzy najniższe warstwy.
• Każda warstwa przed wysłaniem dołącza do przesyłanej informacji pewien nagłówek (ew. stopkę), a po odebraniu - usuwa (kapsułkowanie , ang. encapsulation).

  1: strumień bitów, 2: ramka, 3: pakiet, 4 i 5: komunikat, 6: zaszyfrowane dane, 7: dane użytkownika

• Model ISO/OSI jest bardzo ogólny. Każda warstwa to dodatkowy narzut na transmisję. Często implementuje się mniejszą liczbę warstw (np. TCP/IP - cztery warstwy).

Klasyfikacja systemów operacyjnych dla SR

• Sieciowy system operacyjny
  • każdy komputer ma swój prywatny system operacyjny,
  • użytkownik wie, na którym komputerze pracuje, użycie zdalnego komputera wymaga jawnego zarejestrowania się na nim (rlogin, telnet),
  • użytkownik wie, gdzie znajdują się jego pliki, musi jawnie przesyłać pliki między komputerem zdalnym i lokalnym (FTP),
  • mała tolerancja na błędy,
  • przykład: NFS (ang. Network File System firmy Sun).
  
• Rozproszony system operacyjny
  • słabo powiązany sprzęt, silnie powiązane oprogramowanie,
  • jeden system operacyjny,
  • użytkownicy nie muszą być świadomi liczby komputerów ani położenia swoich plików,
  • dostęp do zasobów zdalnych uzyskują tak samo jak do zasobów lokalnych,
  • przemieszczanie danych, obliczeń i procesów z jednego komputera na drugi odbywa się pod nadzorem SO.

    przemieszczanie danych: można przemieszczać całe pliki lub ich fragmenty,
    przemieszczanie obliczeń: czasem bardziej opłaca się przesłać obliczenia zamiast danych,
    przemieszczanie procesów: równoważenie obciążenia, przyśpieszenie obliczeń, preferencje sprzętowe, preferencje oprogramowanie; migracja procesu może być jawna lub niejawna.

  • komputery w systemie rozproszonym nie są autonomiczne,
  • duża tolerancja na błędy,
  • przykłady: Amoeba. Mach, Chorus, DCE.
  
• Usługi typu middleware

Porównanie systemów operacyjnych dla SR