Sistema distribuito. Sistemi Operativi Giuseppe Prencipe. Sistema distribuito. Un sistema distribuito. Finalità di un sistema distribuito

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1 Sistemi Operativi Giuseppe Prencipe Strutture dei Sistemi Distribuiti Sistema distribuito Un sistema distribuito è un insieme di unità d elaborazione che non condividono la memoria o un clock Ogni unità ha la propria memoria locale Le unità sono connesse tramite una rete di comunicazione Ogni unità considera remote le altre unità e risorse, e considera locali le proprie risorse 1 2 Sistema distribuito Le unità presenti sono eterogenee Piccole unità di lavoro, grandi stazioni di lavoro, minicalcolatori Sono chiamate in vari modi Siti, nodi, calcolatori, macchine Uno degli scopi di un sistema distribuito è di fornire un ambiente efficiente e conveniente per la condivisione delle risorse Secondo voi, cosa si intende per risorse...???? Un sistema distribuito 3 4 Finalità di un sistema distribuito Condivisione delle risorse condivisione e stampa di file in siti remoti elaborazione delle informazioni in una base di dati distribuita utilizzo di dispositivi specializzati remoti Accelerazione dei calcoli Se una computazione può essere divisa in sottoparti eseguibili concorrentemente, si ha una ripartizione del carico In caso di sovraccarico di una stazione, il suo carico di lavoro può essere condiviso con altre unità condivisione del carico (load sharing) Finalità di un sistema distribuito Affidabilità Se il sistema è composto da unità indipendenti, il guasto di una di esse non incide Ma se ogni unità è responsabile per il compimento di qualche operazione cruciale (I/O, file system), un singolo guasto può fermare il funzionamento di tutto il sistema Rilevazione e ripristino dal guasto di uno dei siti, trasferimento della funzione, reintegrazione del sito che si era guastato 5 6 1

2 Finalità di un sistema distribuito Comunicazione Gli utenti delle varie unità devono poter comunicare A basso livello, la comunicazione avviene tramite scambio di messaggi Alcune delle funzioni disponibili: trasferimento file, sessioni di lavoro remote, posta elettronica, chiamate di procedure remote (RPC) Esistono due categorie generali di sistemi operativi orientati alle reti Sistemi operativi di rete 7 8 Sistemi operativi di rete Gli utenti, che sanno della presenza di più calcolatori, possono accedere alle risorse remote attraverso: Una sessione di lavoro sugli appropriati calcolatori remoti Trasferendo dati dai calcolatori remoti ai propri attraverso il protocollo FTP (file transfer protocol) Sessioni remote Una funzione importante dei SO di rete è di consentire agli utenti sessioni di lavoro remote A tale scopo Internet fornisce la funzione di telnet Questo comando fa sì che si realizzi una connessione tra un calcolatore locale e uno remoto telnet osiris.di.unipi.it 9 10 Sessioni remote Un altra funzione importante fornita dai SO di rete è il trasferimento di file remoti tra calcolatori Ogni calcolatore mantiene il proprio file system locale Per accedere a un file su un calcolatore remoto, si deve copiare esplicitamente il file Un programma comune è l ftp (file transfer protocol) ftp osiris.di.unipi.it get file.tex mio-file.tex put mio-file.tex Prevede autenticazione dell utente che effettua il trasferimento È prevista una modalità di trasferimento anonima 11 In un sistema operativo distribuito, gli utenti accedono alle risorse remote nello stesso modo in cui accedono alle risorse locali I trasferimenti di dati e processi tra siti sono sotto il controllo del sistema operativo distribuito Migrazione dei dati Si trasferisce l intero file È una sorta di ftp automatico Quando è terminato l accesso, se il file è stato modificato, lo si ritrasemette al sito che lo aveva inizialmente Si trasferiscono solo le porzioni dei dati immediatamente necessarie Se in seguito sono richieste altre parti, si effettuano nuovi trasferimenti Quando l utente non ha più bisogno del file, si trasmettono le parti modificate Adottato dal protocollo NFS della SUN Se si accede a piccole parti del file, conviene il secondo metodo; altrimenti il secondo Non si effettua solo il trasferimento di dati, ma anche una serie di operazioni collaterali Se ad esempio i dati sulle macchine coinvolte non sono compatibili, bisogna effttuare una traduzione 12 2

3 In alcune circostanze, si trasferiscono computazioni invece di dati Migrazione delle computazioni Si trasferisce la computazione, anziché i dati, attraverso il sistema Es.: elaborazione che accede a diversi file di grandi dimensioni meglio accedere ai file direttamente sui siti e riportare i risultati al sito che ha iniziato il calcolo, invece che trasferire tutti i file L accesso al file può essere avviato tramite RPC In alternativa il richiedente (processo P) invia un messaggio In locale il SO crea un processo (Q) il cui compito è di eseguire il compito designato Al termine, si invia il risultato con un ulteriore messaggio I processi P e Q possono essere esguiti concorrentemente 13 Migrazione dei processi Esegue un intero processo, o parte di esso, in siti diversi Vantaggi Bilanciamento del carico: i processi si possono distribuire tramite la rete per equilibrare il carico di lavoro Accelerazione dei calcoli: i sottoprocessi si possono eseguire in modo concorrente in siti diversi Preferenza di sistemi e dispositivi: il processo può avere caratteristiche che lo rendono più adatto a un esecuzione in un unità d elaborazione specializzata Preferenza di programmi: il processo può richiedere un programma disponibile solo in un particolare sito Accesso ai dati: se i dati da usare nella computazione sono numerosi, l esecuzione remota del processo può essere più efficiente del trasferimento dei dati 14 Migrazione dei processi Per spostare i processi si possono usare due metodi complementari Il sistema può cercare di nascondere che il processo è migrato L utente non deve codificare la migrazione Si usa normalmente per ottenere bilanciamento del carico o accelerazione dei calcoli in sistemi omogenei Si permette/richiede all utente di specificare come il processo debba migrare Si usa quando si deve soddisfare una preferenza di dispositivi Il Web ha molte caratteristiche de un ambiente d elaborazione distribuito Offre migrazione dei dati (Web server client) Offre migrazione delle computazioni Un client può attivare un operazione su una base di dati di un Web-server Offre migrazione di processi Ad esempio, con le java applet, che sono inviate dal server al client dove vengono eseguite Topologie I siti di un sistema si possono collegare fisicamente in diversi modi. Ogni configurazione ha i suoi pro e i suoi contro: Costo di installazione. Occorre considerare il costo necessario per collegare i vari siti di un sistema Costo della comunicazione. Un altro fattore importante è il tempo necessario per inviare un messaggio dal sito A al sito B Affidabilità. Se un collegamento o un sito del sistema si guasta, occorre stabilire se gli altri siti possono continuare a comunicare tra loro Le diverse topologie sono tipicamente rappresentate per mezzo di grafi i cui nodi corrispondono ai siti. Un arco dal nodo A al nodo B corrisponde a un collegamento diretto tra i due siti

4 In una rete totalmente connessa, ogni nodo ha un collegamento diretto a tutti gli altri Numero di collegamenti elevato (quadratico con il numero dei nodi) In una rete parzialmente connessa, esistono collegamenti diretti solo fra alcune coppie di siti Costo di installazione minore rispetto alla totalmente connessa In caso di guasto di un collegamento, i messaggi indirizzati su di esso devono essere dirottati su percorsi alternativi Ognuna delle topologie rappresentate ha le sue peculiarità Albero: la caduta di un collegamento comporta la partizione della rete, ma ha un costo d installazione relativamente basso Albero: la caduta di un collegamento comporta la partizione della rete, ma ha un costo d installazione relativamente basso Albero: la caduta di un collegamento comporta la partizione della rete, ma ha un costo d installazione relativamente basso Stella: un link guasto determina la partizione della rete, ma una delle partizioni contiene un solo sito (è come avere un sito guasto) Guasto del sito centrale rende irragiungibili tutti gli altri Basso costo di trasmissione Anello: costo basso, e per avere la partizione della rete devono cadere 2 collegamenti Costo di trasmissione alto: un msg attraversa molti collegamenti 23 Anello: costo basso, e per avere la partizione della rete devono cadere 2 collegamenti Costo di trasmissione alto: un msg attraversa molti collegamenti 24 4

5 Tipi di reti LAN (local-area network): unità d elaborazione distribuite su piccole aree Nate nei primi anni 70 Reti con bus multiaccesso, ad anello o a stella Velocità dal megabit al secondo (Appletalk) fino al gigabit al secondo (Gigabit Ethernet) Broadcast veloce e poco costoso Broadcast: inviare una informazione contenuta in un nodo della rete a tutte le altre Algoritmi di broadcast Nodi: In genere workstation e/o personal computer Alcuni (in genere uno o due) mainframe Gateway: danno accesso ad altre reti Tipi di reti Una tipica rete locale Tipi di reti Le WAN (wide-area network) comprendono unità d elaborazione autonome distribuite su vaste aree geografiche Nate alla fine degli anni 60 come progetto di ricerca accademico La prima fu Arpanet: partì con soli quattro siti, e poi si sviluppò fino a diventare Internet Connessioni punto-punto, in genere affittando linee dalle compagnie telefoniche o canali via satellite Collegamenti tipicamente lenti e inaffidabili I collegamenti sono controllati da speciali unità d elaborazione di comunicazione, che definiscono l interfaccia tramite cui i siti comunicano nella rete Velocità 100 kilobit al secondo (più lente delle LAN) 27 Tipi di reti WAN Internet I calcolatori vengono inseriti in LAN, che a loro volta sono collegate alla rete Internet per mezzo di reti regionali, che sono interconnesse tramite router per formare la rete mondiale I router possono instradare dinamicamente (per bilanciare il traffico) o staticamente (per ridurre rischi per la sicurezza) I collegamenti tra le reti impiegano spesso un servizio telefonico detto T1 (1,544 Mbit/sec) Per siti che richiedono un accesso più veloce, i T1 sono raccolti in unità di più T1 che lavorano in parallelo T3 è composto da 28 T1 (45 Mbit/sec) 28 Unità d elaborazione di comunicazione in una rete geografica Comunicazione Il progettista di una rete di comunicazione deve considerare quattro problemi fondamentali: Nominazione e risoluzione dei nomi: come due processi si individuano l un l altro allo scopo di comunicare Strategie d instradamento: come si inviano i messaggi attraverso la rete Strategie di connessione: scambio di sequenze di messaggi tra due processi Contesa: problemi di conflittualità legati all uso della rete come risorsa condivisa

6 Nominazione e risoluzione dei nomi Affinché due processi in esecuzione su due siti differenti possano scambiarsi informazioni, devono poter fare riferimento l uno all altro All interno di un sistema di calcolo, ciascun processo ha un identificatore di processo I messaggi si possono indirizzare con l identificatore di processo Ma inizialmente i sistemi in rete non hanno info sul calcolatore in cui è in esecuzione il processo destinatario Per riolvere questo problema, i processi di un sistema remoto sono in genere identificati dalla coppia <nome_del_calcolatore, identificatore> nome_del_calcolatore è un nome unico all intero della rete Identificatore è un identificatore di processo (o nome unico) all interno del calcolatore I nomi sono solitamente associati a numeri bisogna risolvere i nomi negli identificatori corrispondenti Per fare questo, o ogni calcolatore possiede una lista di tutti i nomi di calcolatori raggiungibili in rete (poco pratico!!!!), o la lista si distribuisce sulla rete stessa Ora si adotta il secondo metodo, noto con sistema dei nomi di dominio (domain name system DNS), che specifica la struttura di nominazione dei calcolatori e la risoluzione dei nomi in indirizzi 31 Nominazione e risoluzione dei nomi DNS I calcolatori in Internet si indirizzano logicamente con un nome composto, le cui parti progrediscono dalla più specifica alla più generale di.unipi.it Il sistema risolve il nome analizzando ciascun elemento Per ciascun elemento c è un server dei nomi (un processo in un sistema) che accetta un nome e riporta l indirizzo del server dei nomi responsabile per la risoluzione di quel nome Es.: una richiesta di comunicare con osiris.di.unipi.it inoltrata da un processo A Il nucleo del sistema di A inoltra una richiesta al server dei nomi del dominio it, richiedendo l indirizzo del server dei nomi di unipi.it (il server dei nomi it deve avere un indirizzo noto) Il server dei nomi it riporta l indirizzo richiesto Il nucleo del sistema A interroga il server dei nomi a quell indirizzo, richiedendo l indirizzo per il server dei nomi di di.unipi.it Si invia infine la richiesta all indirizzo ottenuto per osiris.di.unipi.it. e si ottiene in risposta l indirizzo IP corrispondente 32 Strategie di instradamento Supponiamo che un msg debba andare da un sito A a B Se esistono vari percorsi che il msg può seguire, devono esistere delle strategia che facciano scegliere il percorso migliore in base a qualche criterio Ogni sito ha una tabella di instradamento (tabella di routing), che indica i percorsi che si possono seguire nel recapitare un messaggio ad altri siti La tabella può contenere informazioni sulla velocità o sul costo dei vari percorsi Es. di tabella di routing Strategie di instradamento Instradamento fisso. Un percorso da A a B viene determinato in anticipo e non cambia se non per un guasto fisico che interrompe il percorso stesso. Poiché si sceglie generalmente il percorso più breve, i costi della comunicazione sono minimizzati Non si adatta a malfunzionamenti nelle linee di comunicazione o a cambiamenti nel carico Assicura che i messaggi arrivino nell ordine in cui sono stati trasmessi Instradamento virtuale. Si fissa un percorso da A a B per la durata di una sessione. Sessioni diverse con messaggi che vanno da A a B possono avere percorsi diversi Risolve parzialmente il problema del cambiamento del carico Assicura che i messaggi arrivino nell ordine in cui sono stati trasmessi 34 Strategie di instradamento Instradamento dinamico. Il percorso da impiegare per inviare un messaggio dal sito A al sito B si sceglie al momento dell invio del messaggio Generalmente un sito invia un messaggio al sito connesso tramite il collegamento che in quel momento è meno usato Si adatta al cambiamento del carico evitando di instradare messaggi sui percorsi più utilizzati I messaggi possono arrivare fuori sequenza. L inconveniente può essere risolto assegnando a ogni messaggio un numero di sequenza 35 Pacchetti I messaggi sono tipicamente di lunghezza variabile Di solito si realizza la comunicazione usando messaggi di lunghezza costante, detti pacchetti Le informazioni si possono inviare tramite una comunicazione priva di connessione (inaffidabile) In alternativa, si invia un nuovo pacchetto solo dopo aver ricevuto conferma dell arrivo del primo (chiaramente la conferma può andare persa) Se ci sono vari pacchetti da inviare, si può stabilire una connessione fra mittente e destinatario (affidabile) 36 6

7 Strategie di connessione I processi possono instaurare sessioni si comunicazione per scambiarsi informazioni. Le connessioni possono avvenire in vari modi Commutazione di circuito. Se due processi vogliono comunicare, si stabilisce tra essi un collegamento fisico permanente (simile alla comunicazione telefonica) Commutazione di messaggio. Se due processi vogliono comunicare, si stabilisce un collegamento temporaneo per la durata del trasferimento di un messaggio Commutazione di pacchetto. Un messaggio logico si può dividere in un dato numero di pacchetti ciascuno dei quali si può inviare alla sua destinazione separatamente; perciò deve contenere, oltre ai dati, un indirizzo di provenienza e uno di destinazione. Ogni pacchetto può seguire un percorso diverso attraverso la rete. Quando arrivano a destinazione, i pacchetti devono essere ricomposti nei messaggi originari 37 Strategie di connessione Le varie strategie di connessione hanno diversi pro e contro. La commutazione di circuito richiede un sostanziale tempo d impostazione e può sprecare banda della rete, ma richiede un minor carico per la spedizione di ogni messaggio La commutazione di messaggi e pacchetti, invece, richiede un tempo di impostazione minore, ma un carico maggiore per ogni messaggio 38 Contesa Numerosi siti possono trasmettere contemporaneamente informazioni sulla stessa linea. Per evitare collisioni ripetute, sono state sviluppate numerose tecniche, tra cui: CSMA/CD (carrier sense with multiple access collision detection) Prima di trasmettere un messaggio in una linea di comunicazione, un sito deve verificare se su quella linea non sia già in corso la trasmissione di un altro messaggio. Se la linea è libera, il sito può iniziare la trasmissione; se due o più siti iniziano a trasmettere nello stesso istante, si ha un rilevamento di collisione (CD, collision detection) e i due siti interrompono la trasmissione Quando il sistema è molto impegnato, possono verificarsi numerose collisioni, con un conseguente calo delle prestazioni Il metodo CSMA/CD è impiegato con successo nel sistema Ethernet, il sistema di rete più diffuso Contesa Passaggio di contrassegno. Nel sistema, di solito con una struttura ad anello, circola continuamente un messaggio di tipo unico avente la funzione di contrassegno (token): un sito che intenda trasmettere informazioni deve attendere finché non arriva il contrassegno, quindi lo rimuove dall anello e inizia a trasmettere i propri messaggi; completata la trasmissione dei messaggi, ritrasmette il contrassegno. Questo schema è utilizzato nei sistemi IBM e Apollo Contesa Intervalli di messaggi Nel sistema, normalmente con una struttura ad anello, circola continuamente un certo numero di contenitore di messaggi (message slot) di lunghezza fissa Poiché ogni contenitore può contenere solo un messaggio di dimensione fissa, un singolo messaggio logico può dover essere spezzato in pacchetti più piccoli, e ciascuno di essi inviato in un contenitore separato Questo schema è stato adottato nel sistema di comunicazione sperimentale Cambridge Digital Communication Ring 41 Protocolli di comunicazione Nel progettare una rete di comunicazione bisogna considerare i problemi relativi al coordinamento di operazioni asincrone che comunicano in un ambiente lento e potenzialmente soggetto a errori Per semplificare la progettazione e la realizzazione di un sistema di rete, si adotta una suddivisione in strati Ciascuno strato di un sistema comunica con lo strato corrispondente negli altri sistemi che fanno parte della rete Ogni strato può avere i suoi protocolli 42 7

8 Strati di rete Secondo il modello di riferimento OSI (open systems interconnections) dell ISO (international standards organization), gli strati di rete sono definiti come segue Strato fisico: è responsabile della gestione dei particolari meccanici ed elettrici della trasmissione fisica di un flusso di bit Strato di collegamento dati: è responsabile delle funzioni di gestione dei frame, o di parti di pacchetti di lunghezza fissa, comprese l individuazione e la correzione degli errori che si sono verificati nello strato fisico Strato di rete: è responsabile della fornitura dei collegamenti e dell instradamento dei pacchetti nella rete di comunicazione, comprese la gestione degli indirizzi dei pacchetti in uscita, la decodifica degli indirizzi dei pacchetti in arrivo e la gestione delle informazioni d instradamento per rispondere adeguatamente ai cambiamenti dei livelli del carico. Gli instradatori operano in questo strato 43 Strati di rete Strato di trasporto: è responsabile delle funzioni d accesso a basso livello alla rete e del trasferimento dei messaggi tra i client, comprese la suddivisione dei messaggi in pacchetti, l ordinamento dei pacchetti, il controllo del flusso e la generazione degli indirizzi fisici Strato di sessione: è responsabile della realizzazione di sessioni, o di protocolli di comunicazione da processo a processo Strato di presentazione: è responsabile della risoluzione delle differenze di formato che si possono presentare tra diversi siti della rete, fra cui la conversione di caratteri e o modi half duplex/full duplex (eco dei caratteri) Strato di applicazione: è responsabile dell interazione diretta con gli utenti; tratta il trasferimento di file, i protocolli per la gestione delle sessioni di lavoro remote, la posta elettronica e gli schemi per le basi di dati distribuite 44 Ambiente definito da due calcolatori comunicanti Messaggio di rete OSI Logicamente la comunicazione avviene tra strati corrispondenti, ma fisicamente parte dall applicaizone, va in basso e poi risale Strati del protocollo OSI Strati del protocollo TCP/IP

9 Robustezza Un sistema distribuito può soffrire di guasti fisici di diverso tipo Per assicurare la robustezza del sistema bisogna effettuare Rilevamento dei guasti Riconfigurazione Ripristino Rilevamento dei guasti Non è facile identificare il tipo di guasto Per rilevare un guasto, si usa una procedura di negoziazione (handshaking) Si supponga che i siti A e B abbiano tra loro un collegamento fisico diretto. A intervalli fissi entrambi i siti si inviamo il messaggio I-am-up Se il sito A non riceve questo messaggio entro un dato periodo di tempo, può supporre che il sito B sia guasto, che sia guasto il collegamento tra A e B, oppure che sia andato perduto il messaggio proveniente da B A questo punto il sito A può inviare un messaggio Areyou-up? al sito B Se il sito A non riceve risposta, può ripetere la procedura o tentare un percorso alternativo verso il sito B Rilevamento dei guasti Se il sito A non riceve più alcuna risposta dal sito B, può concludere che si è verificata una o più delle seguenti situazioni Tipi di guasto: - il sito B è fuori servizio - il collegamento diretto tra A e B è fuori servizio - il percorso alternativo da A a B è fuori servizio - il messaggio è andato perduto È necessario utilizzare schemi di time-out (non si conoscono a priori i tempi di trasmissione) Tuttavia, il sito A non è in grado di determinare esattamente perché si è verificato il guasto 51 Riconfigurazione Quando il sito A scopre che si è determinato un guasto, deve riconfigurare il sistema: 1. Se si è guastato un collegamento diretto tra A e B questa informazione deve essere diffusa in ogni sito del sistema 2. Se il guasto si imputa al sito, poiché tale sito non è più raggiungibile, si deve informare della situazione ciascun sito del sistema in modo che non tenti più di usare i servizi del sito guasto Il guasto di un sito utilizzato come coordinatore di qualche servizio (es., rilevamento stallo) richiede di rimpiazzare il coordinatore Se il sito non è effettivamente guasto, ma solo non raggiungibile, ci si può trovare nella situazione in cui ci sono due coordinatori 52 Ripristino Quando il collegamento o il sito guasto è stato riparato, l informazione deve essere comunicata a tutti gli altri siti Se il sito è stato riparato, potrebbe essere necessario inviargli informazioni aggiornate su cosa è successo nel sistema (es., tabelle di routing) Problemi di progettazione Trasparenza: un sistema distribuito dovrebbe apparire ai suoi utenti come un sistema centralizzato convenzionale L interfaccia non deve distinguere fra locale e remoto Mobilità: un utente deve poter aprire sessioni in qualsiasi calcolatore del sistema, e non deve essere obbligato a usare un particolare calcolatore Tolleranza ai guasti: il sistema deve continuare a funzionare, sia pure in modo ridotto, anche in presenza di guasti (fault-tolerant system) Fail-stop (guasto della macchina), rottura dispositivi di memoria sono in una certa misura tollerabili Guasti di tipo bizantino sono i peggiori

10 Problemi di progettazione Scalabilità: capacità del sistema ad adattarsi a un maggior carico di servizio Un sistema scalabile reagisce più favorevolmente a un carico maggiore di quanto non lo faccia un sistema non scalabile Le sue prestazioni degradano più moderatamente Le sue risorse raggiungono la saturazione più tardi Scalabilità e tolleranza ai guasti sono interdipendenti (un sistema saturo può comportarsi come uno guasto) Batterie di calcolatori (cluster): insieme di batterie semi-autonome che agisce come un unico sistema Un esempio di comunicazione in rete Trasferimento di un pacchetto tra due calcolatori su una rete Ethernet Ciascun calcolatore possiede un indirizzo IP unico e un corrispondente indirizzo Ethernet (MAC) La comunicazione richiede entrambi gli indirizzi Per conoscere gli indirizzi IP si può usare il sistema dei nomi di dominio (DNS) Per la corrispondenza tra indirizzi MAC e indirizzi IP si usa il protocollo ARP (address resolution protocol) Se i calcolatori sono sulla stessa rete, si può usare ARP Se sono su reti differenti, il mittente invierà un pacchetto al router, che lo instraderà alla rete di destinazione Pacchetto Ethernet Per oggi basta!!!!