Πρόλογος Εισαγωγή... 21

Transcript

1

2

3 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Περιεχόμενα Πρόλογος ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή Συστήματα πολλών επεξεργαστών Λειτουργικά συστήματα πολυεπεξεργαστών Λειτουργικά συστήματα δικτύων Κατανεμημένα λειτουργικά συστήματα Ενδιάμεσο λογισμικό κατανεμημένων συστημάτων Στόχοι κατανεμημένων συστημάτων Διαφάνεια Κλιμάκωση Υπηρεσίες κατανεμημένων συστημάτων Υπηρεσίες επικοινωνίας Υπηρεσίες εκτέλεσης Υπηρεσίες ονομασίας Υπηρεσίες αρχείων Υπηρεσίες συναλλαγών Υπηρεσίες αντικειμένων Υπηρεσίες παραγωγής αντιγράφων Υπηρεσίες ασφάλειας Μοντέλο πελάτη-εξυπηρετητή Μοντέλο πελάτη-εξυπηρετητή τριών επιπέδων Υλοποίηση μοντέλου πελάτη-εξυπηρετητή

4 6 Κατανεμημένα Συστήματα με Java 1.5. Μοντέλο ομοτίμων Δομημένα συστήματα ομοτίμων Μη δομημένα συστήματα ομοτίμων Κατανεμημένα συστήματα, υπολογισμοί και αλγόριθμοι Σύγχρονα και ασύγχρονα συστήματα Κατανεμημένοι υπολογισμοί Κατανεμημένοι αλγόριθμοι ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Διάταξη συμβάντων και καθολικές καταστάσεις Εισαγωγή Συγχρονισμός φυσικών χρονιστών Αλγόριθμοι Cristian και Berkeley Πρωτόκολλο Ώρας Δικτύου Διάταξη συμβάντων Λογικοί και διανυσματικοί χρονιστές Καθολικές καταστάσεις Παθητική στρατηγική: Παρατηρήσεις Παθητική στρατηγική: Παρατηρήσεις Ενεργητική στρατηγική: Στιγμιότυπα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Καθολικά κατηγορήματα Εισαγωγή Ιδιότητες καθολικών κατηγορημάτων Σταθερά κατηγορήματα Ασταθή κατηγορήματα Possibly(Φ) και Definitely(Φ) Αποτίμηση Possibly(Φ) Αποτίμηση Definitely(Φ) Αδιέξοδα Χειρισμός αδιεξόδων Ανίχνευση αδιεξόδων Συγκεντρωτική ανίχνευση αδιεξόδων Ιεραρχική ανίχνευση αδιεξόδων

5 Περιεχόμενα Κατανεμημένη ανίχνευση αδιεξόδων Αποκατάσταση αδιεξόδων Κατανεμημένος τερματισμός Αλγόριθμος του Dijkstra Αλγόριθμος ανάκτησης πίστωσης Αλγόριθμος των Dijkstra και Scholten Αλγόριθμος στιγμιότυπων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Αμοιβαίος αποκλεισμός Εισαγωγή Συγκεντρωτική προσέγγιση Κατανεμημένη προσέγγιση Αλγόριθμος του Lamport Αλγόριθμος των Ricart και Agrawala Προσέγγιση με μεταβίβαση σκυτάλης Τοπολογία δακτυλίου: Αλγόριθμος του LeLann Γενική τοπολογία: Αλγόριθμος του Chandy Τοπολογία δένδρου: Αλγόριθμος της Raymond ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Εκλογή αρχηγού Εισαγωγή Τοπολογία δένδρου Τοπολογία δακτυλίου Αλγόριθμος του LeLann Αλγόριθμος των Chang και Roberts Τοπολογία ισχυρά συνδεδεμένου γράφου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ανοχή βλαβών Εισαγωγή Πλεονασμός Ενεργή παραγωγή αντιγράφων...166

6 8 Κατανεμημένα Συστήματα με Java 6.4. Παθητική παραγωγή αντιγράφων Ένα σύγχρονο πρωτόκολλο Ένα ασύγχρονο πρωτόκολλο Αποκατάσταση Αντίστροφη αποκατάσταση Ευθεία αποκατάσταση Κατανεμημένη συμφωνία Πρόβλημα των δύο στρατών Πρόβλημα των Βυζαντινών στρατηγών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ατομικές συναλλαγές Εισαγωγή Κατηγορίες συναλλαγών Έλεγχος ταυτοχρονισμού Μέθοδοι ελέγχου ταυτοχρονισμού Κλείδωμα Αισιόδοξος έλεγχος ταυτοχρονισμού Διάταξη χρονοσφραγίδων Κατανεμημένες συναλλαγές ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Μηχανισμοί επικοινωνίας Πρωτόκολλα επικοινωνίας Μοντέλο αναφοράς ISO/OSI Μοντέλο αναφοράς TCP/IP Υποδοχές επικοινωνίας Δικτύωση στην Java Διευθύνσεις: Τάξη InetAddress Υποδοχές ρευμάτων δεδομένων: Τάξη ServerSocket Σειριακοποίηση αντικειμένων Υποδοχές δεδομενογραμμάτων: Τάξη DatagramSocket Υποδοχές πολυεκπομπής: Τάξη MulticastSocket Ομοιόμορφοι Εντοπιστές Πόρων: Τάξη URL

7 Περιεχόμενα Απομακρυσμένες κλήσεις διαδικασιών Μεταβίβαση παραμέτρων Αναπαράσταση παραμέτρων Πρωτόκολλα απομακρυσμένων κλήσεων Αντιγραφή μηνυμάτων Προδιαγραφές διαδικασιών Το σύστημα DCE ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 Ταυτοχρονισμός και νήματα Διεργασίες και νήματα Υλοποίηση νημάτων Αξιοποίηση των νημάτων Νήματα στην Java Νήματα εκτέλεσης: Τάξη Thread Αντικείμενα εκτέλεσης: Διεπαφή Runnable Νήματα δαίμονες Ομάδες νημάτων Συγχρονισμός νημάτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 Θέματα ασφάλειας Μηχανισμοί ασφάλειας Πάροχοι ασφάλειας Αφηρημένη τάξη Provider Λίστες ελέγχου προσπέλασης Διεπαφή Principal Διεπαφή Group Διεπαφή Permission Διεπαφή AclEntry Διεπαφή Owner Διεπαφή Acl Συνόψεις μηνυμάτων Αφηρημένη τάξη MessageDigest

8 10 Κατανεμημένα Συστήματα με Java Κρυπτογραφία Διεπαφή Key Κρυπτογραφία μυστικού κλειδιού Κρυπτογραφία δημόσιου κλειδιού Τάξη Cipher Ψηφιακές υπογραφές Αφηρημένη τάξη Signature Ψηφιακά πιστοποιητικά Αφηρημένη τάξη Certificate Εργαλείο keytool Τάξη KeyStore ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11 Κατανομή φόρτου Οργάνωση πόρων Μοντέλο δεξαμενής Μοντέλο σταθμών εργασίας Υβριδικό μοντέλο Πολιτικές καταχώρισης επεξεργαστών Προσέγγιση εξισορρόπησης φόρτου Προσέγγιση καταμερισμού φόρτου Μετεγκατάσταση κώδικα Είδη μετεγκατάστασης Δέσμευση πόρων Μετεγκατάσταση σε ετερογενή συστήματα Μετεγκατάσταση σε εικονικές μηχανές Μετεγκατάσταση κώδικα στην Agent TCL ΚΕΦΑΛΑΙΟ 12 Κατανεμημένα συστήματα ονομασίας Ονομασία οντοτήτων Χώροι ονομάτων Ανάλυση ονομάτων Συγχώνευση χώρων ονομάτων

9 Περιεχόμενα Υπηρεσίες ονομασίας Σύστημα DNS Υπηρεσίες ευρετηρίων Σύστημα Active Directory Σύστημα Novell Directory Service Υπηρεσίες εντοπισμού Ευρεία εκπομπή και πολυεκπομπή Δείκτες προώθησης Αρχική τοποθεσία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 13 Κατανεμημένοι πίνακες κατακερματισμού Εισαγωγή Κατανεμημένος κατακερματισμός Το σύστημα Chord Κόμβοι και κλειδιά Απλή αναζήτηση κλειδιών Σύνθετη αναζήτηση κλειδιών Προσχώρηση κόμβων Αποχώρηση και αποτυχία κόμβων Το σύστημα Pastry Κόμβοι και κλειδιά Δρομολόγηση μηνυμάτων Προσχώρηση, αποχώρηση και αποτυχία κόμβων Βελτιστοποίηση διαδρομών Πολυεκπομπή στο σύστημα Scribe Δημιουργία δένδρου πολυεκπομπής Αντιμετώπιση αποτυχιών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14 Κατανεμημένα συστήματα αποθήκευσης Εισαγωγή Διεπαφή συστήματος αρχείων Διεπαφή υπηρεσίας αρχείων Διεπαφή υπηρεσίας ευρετηρίων

10 12 Κατανεμημένα Συστήματα με Java Ονόματα και αναγνωριστικά αρχείων Εξυπηρετητές αρχείων και ευρετηρίων Προσωρινή αποθήκευση απομακρυσμένων αρχείων Σημασιολογία καταμερισμού αρχείων Συνέπεια συστήματος αρχείων Το σύστημα NFS Διεπαφή του NFS Προσωρινή αποθήκευση αρχείων στο NFS Το σύστημα AFS Διεπαφή του AFS Προσωρινή αποθήκευση αρχείων στο AFS Το σύστημα PAST Λειτουργία του PAST Παραγωγή αντιγράφων στο PAST Το σύστημα CFS Το σύστημα αρχείων του CFS Λειτουργία του CFS ΚΕΦΑΛΑΙΟ 15 Κατανεμημένος καταμερισμός αρχείων Εισαγωγή Αναζήτηση αρχείων σε συστήματα ομοτίμων Αναζήτηση μέσω εξυπηρετητών Αναζήτηση μέσω πλημμύρας Αναζήτηση σε ημιδομημένα δίκτυα Ανταλλαγή αρχείων σε συστήματα ομοτίμων Το σύστημα BitTorrent ΚΕΦΑΛΑΙΟ 16 Κατανεμημένα συστήματα αντικειμένων Εισαγωγή Απομακρυσμένα αντικείμενα Αναφορές σε αντικείμενα Εξυπηρετητές αντικειμένων Προσαρμογείς αντικειμένων Υποτακτικές τάξεις και εργαστηριακές μέθοδοι

11 Περιεχόμενα Εκκαθάριση αντικειμένων Μετρητές και λίστες αναφορών Java RMI Επικοινωνία με αντικείμενα Μεταβίβαση παραμέτρων και επιστροφή αποτελεσμάτων Εντοπισμός αντικειμένων Δυναμική φόρτωση κώδικα Υλοποίηση και εκτέλεση εφαρμογών Παράδειγμα Ενεργοποίηση αντικειμένων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 17 Μηνυματοστρεφές ενδιάμεσο λογισμικό Εισαγωγή Υπηρεσία Μηνυμάτων της Java Προηγμένο Πρωτόκολλο Αναμονής Μηνυμάτων Άλλες προσεγγίσεις ΚΕΦΑΛΑΙΟ 18 Υπηρεσίες Ιστού Εισαγωγή Γλώσσα Περιγραφής Υπηρεσιών Ιστού Υπηρεσίες Ιστού βασισμένες στο πρωτόκολλο SOAP Υπηρεσίες Ιστού με στυλ REST Σύγκριση μεταξύ SOAP και REST Σχεδιασμός και υλοποίηση υπηρεσιών Ιστού ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α Επικεφαλίδες μεθόδων της Java Μέθοδοι της τάξης InetAddress Μέθοδοι της τάξης Socket Μέθοδοι της τάξης ServerSocket Μέθοδοι της τάξης DatagramPacket Μέθοδοι της τάξης DatagramSocket Μέθοδοι της τάξης MulticastSocket...676

12 14 Κατανεμημένα Συστήματα με Java Μέθοδοι της τάξης URL Μέθοδοι της αφηρημένης τάξης URLConnection Μέθοδοι της τάξης Thread Μέθοδοι της τάξης ThreadGroup Μέθοδοι της τάξης Object Μέθοδοι της αφηρημένης τάξης Provider Μέθοδοι της διεπαφής Principal Μέθοδοι της τάξης PrincipalImpl Μέθοδοι της διεπαφής Group Μέθοδοι της τάξης GroupImpl Μέθοδοι της τάξης PermissionImpl Μέθοδοι της διεπαφής AclEntry Μέθοδοι της τάξης AclEntryImpl Μέθοδοι της διεπαφής Owner Μέθοδοι της τάξης OwnerImpl Μέθοδοι της διεπαφής Acl Μέθοδοι της τάξης AclImpl Μέθοδοι της αφηρημένης τάξης MessageDigest Μέθοδοι της διεπαφής Key Μέθοδοι της τάξης KeyGenerator Μέθοδοι της τάξης KeyPair Μέθοδοι της αφηρημένης τάξης KeyPairGenerator Μέθοδοι της τάξης Cipher Μέθοδοι της αφηρημένης τάξης Signature Μέθοδοι της αφηρημένης τάξης Certificate Μέθοδοι της τάξης KeyStore Μέθοδοι της τάξης UnicastRemoteObject Μέθοδοι της διεπαφής Registry Μέθοδοι της τάξης LocateRegistry Μέθοδοι της τάξης Naming Βιβλιογραφία Ευρετήριο

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή 1.1. Συστήματα πολλών επεξεργαστών Ένα κατανεμημένο σύστημα είναι ένα σύνολο ετερογενών υπολογιστών οι οποίοι συνδέονται μέσω ενός δικτύου, με στόχο την από κοινού παροχή υπηρεσιών στους χρήστες του συστήματος. Η εξέλιξη των κατανεμημένων συστημάτων επηρεάζεται από την εξέλιξη της τεχνολογίας των υπολογιστών και των δικτύων, αλλά και από τις μεταβαλλόμενες ανάγκες των χρηστών τους. Από τεχνολογικής πλευράς, οι εξελίξεις στο χώρο των υπολογιστών (βλ. και Τόμο I, Κεφ. 0) έχουν επιτρέψει τη μαζική παραγωγή πολύ οικονομικών μικροεπεξεργαστών, οι οποίοι αποτελούν τις Κεντρικές Μονάδες Επεξεργασίας, ΚΜΕ (Central Processing Units, CPUs) των σύγχρονων μικροϋπολογιστών. Από τη δεκαετία του 1980, οι περισσότεροι χρήστες έχουν το δικό τους προσωπικό υπολογιστή (personal computer) ή σταθμό εργασίας (workstation), χωρίς να χρειάζεται πια να μοιράζονται ένα μεγάλο υπολογιστικό σύστημα με άλλους χρήστες. Όμως, σημαντικές τεχνολογικές εξελίξεις έχουν σημειωθεί και στα δίκτυα υπολογιστών, τα οποία επιτρέπουν την οικονομική σύνδεση δεκάδων, εκατοντάδων ή και εκατομμυρίων συστημάτων με τέτοιο τρόπο, ώστε τα συνδεδεμένα συστήματα να ανταλλάσσουν μεγάλο όγκο πληροφοριών σε μικρό χρονικό διάστημα. Έτσι, παρότι κάθε χρήστης έχει το δικό του σταθμό εργασίας, ο σταθμός αυτός μπορεί να επικοινωνήσει εύκολα και γρήγορα με οποιονδήποτε άλλον. Η δυνατότητα εύκολης και οικονομικής σύνδεσης πολλών προσωπικών υπολογιστών μέσω τοπικών δικτύων και δικτύων ευρείας περιοχής έχει δώσει ώθηση στη σχεδίαση υπολογιστικών συστημάτων πολλών επεξεργαστών, τα οποία ονομάζονται κατανεμημένα συστήματα (distributed systems), σε αντιδιαστολή με τα 21

14 22 Κατανεμημένα Συστήματα με Java παραδοσιακά συγκεντρωτικά συστήματα (centralized systems) ενός επεξεργαστή. Στην πράξη, ο όρος κατανεμημένο σύστημα είναι πιο εξειδικευμένος: Κατανεμημένο σύστημα ονομάζουμε κάθε υπολογιστικό σύστημα το οποίο αποτελείται από ανεξάρτητους υπολογιστές και το οποίο παρουσιάζει στους χρήστες του την εικόνα ενός ενιαίου συστήματος. Το ενδιαφέρον για τα συστήματα αυτά οφείλεται στο ότι μπορούν να κατασκευαστούν με βάση απλούς (συγκεντρωτικούς ή μη) υ- πολογιστές και στο ότι, εκτός από αυξημένη επίδοση, επιτρέπουν και τον (κατα)μερισμό των πόρων των ανεξάρτητων συστημάτων από τα οποία αποτελούνται. Αφού τα κατανεμημένα συστήματα είναι μια ειδική περίπτωση των συστημάτων πολλών επεξεργαστών, θα εξετάσουμε αρχικά τα συστήματα πολλών επεξεργαστών για να δούμε τις ομοιότητες και τις διαφορές μεταξύ τους. Η πιο προφανής σχεδιαστική προσέγγιση για τα συστήματα πολλών επεξεργαστών είναι αυτή των πολυεπεξεργαστών (multiprocessors). Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.1, στους πολυεπεξεργαστές πολλοί (συνήθως πανομοιότυποι) επεξεργαστές μοιράζονται την ίδια κύρια μνήμη, δηλαδή έχουμε κατανομή μόνο της επεξεργασίας (βλ. Τόμο I, Κεφ. 4.11). Για να είναι αποδοτικός ο καταμερισμός της κύριας μνήμης, οι επεξεργαστές και η μνήμη πρέπει να συνδέονται μέσω ενός δικτύου ή μιας λεωφόρου 1 πολύ υψηλής ταχύτητας και να βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους, αν γίνεται στο ίδιο κουτί, για ελαχιστοποίηση των καθυστερήσεων. Αν και οι πολυεπεξεργαστές είναι πολύ χρήσιμοι για εφαρμογές οι οποίες μπορούν να διασπαστούν εύκολα σε παράλληλες διεργασίες ή για να εκτελούν χρέη Επεξεργαστής 1 Επεξεργαστής 2 Επεξεργαστής 3 Λεωφόρος Συστήματος Κοινή μνήμη Σχήμα 1.1. Δομή ενός πολυεπεξεργαστή. 1 Σ.τ.Ε.: Στην ελληνική βιβλιογραφία, ο όρος bus αναφέρεται και ως δίαυλος.

15 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 23 εξυπηρετητών 2, στην πράξη αποδεικνύεται ότι είναι δύσκολο να αυξήσουμε πολύ το πλήθος των επεξεργαστών, χωρίς να αντιμετωπίσουμε προβλήματα επίδοσης τα οποία απαιτούν εξειδικευμένο υλισμικό 3 για την επίλυσή τους, πράγμα που ανεβάζει το κόστος τους. Μιας και στα συστήματα πολυεπεξεργαστών οι μηχανές (ή μάλλον οι επεξεργαστές) δεν είναι ανεξάρτητες (ανεξάρτητοι), ένας μόνο πολυεπεξεργαστής δεν μπορεί να αποτελεί κατανεμημένο σύστημα, ανεξάρτητα από το λογισμικό που χρησιμοποιεί. Μια πιο σύνθετη προσέγγιση είναι η σύνδεση αυτόνομων υπολογιστών, δηλαδή επεξεργαστών με ιδιωτική κύρια μνήμη, οι οποίοι μπορούν να λειτουργήσουν και αυτόνομα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.2. Τα συστήματα αυτά, γνωστά και ως πολυ-υπολογιστές (multicomputers), αποτελούνται από απλούς σταθμούς εργασίας συνδεδεμένων μέσω δικτύου, με αποτέλεσμα να έχουν χαμηλό κόστος αφού δεν απαιτούν εξειδικευμένο υλισμικό. Στην απλούστερη περίπτωση, όλες οι μηχανές είναι πανομοιότυπες, δηλαδή το σύστημα είναι ομοιογενές (homogeneous), ενώ στην πιο σύνθετη περίπτωση οι μηχανές διαφέρουν, οπότε το σύστημα είναι ετερογενές (heterogeneous). Στα ομοιογενή συστήματα μπορούμε να έχουμε το ίδιο ακριβώς λειτουργικό σύστημα σε κάθε μηχανή, ενώ στα ετερογενή συστήματα τα λειτουργικά συστήματα μπορεί να διαφέρουν σημαντικά. Τα ετερογενή συστήματα παρουσιάζουν μεγαλύτερο ενδιαφέρον αφού μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας οποιονδήποτε διαθέσιμο εξοπλισμό. Και οι δύο κατηγορίες πολυ- Μνήμη 1 Μνήμη 2 Μνήμη 3 Επεξεργαστής 1 Επεξεργαστής 2 Επεξεργαστής 3 Δίκτυο Σχήμα 1.2. Δομή ενός πολυ-υπολογιστή. 2 Σ.τ.Ε.: Στην ελληνική βιβλιογραφία, ο όρος server αναφέρεται και ως διακομιστής. 3 Σ.τ.Ε.: Στην ελληνική βιβλιογραφία, ο όρος hardware αναφέρεται και ως υλικό.

16 24 Κατανεμημένα Συστήματα με Java Επεξεργαστής 1 Πυρήνας 1 Πυρήνας 2 Επεξεργαστής 1 Πυρήνας 1 Πυρήνας 2 Λεωφόρος Συστήματος Λεωφόρος Συστήματος Κοινή μνήμη Κοινή μνήμη Δίκτυο Σχήμα 1.3. Δομή ενός υβριδικού πολυ-υπολογιστή. υπολογιστών μπορούν να αποτελούν κατανεμημένα συστήματα, αν χρησιμοποιούν το κατάλληλο λογισμικό. Από τα μέσα της δεκαετίας του 2000 κυριαρχούν οι πολυπύρηνοι επεξεργαστές (multicore processors), οι οποίοι συνδυάζουν πολλούς πυρήνες επεξεργασίας στο ίδιο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Μια αυτόνομη μηχανή που βασίζεται σε πολυπύρηνο επεξεργαστή είναι ένας πολυεπεξεργαστής, αλλά όταν συνδέεται μέσω δικτύου με άλλες αυτόνομες μηχανές, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.3, μπορεί να αποτελεί μέρος ενός υβριδικού πολυ-υπολογιστή (hybrid multicomputer). Γενικότερα, σε ένα ετερογενές κατανεμημένο σύστημα μπορούν να συνδυάζονται μηχανές με απλούς επεξεργαστές, πολυπύρηνους πολυεπεξεργαστές και (κλασικούς) πολυεπεξεργαστές Λειτουργικά συστήματα πολυεπεξεργαστών Τα Λειτουργικά Συστήματα Πολυεπεξεργαστών, ΛΣΠ (Multiprocessor Operating Systems, MOS) χρησιμοποιούνται στους πολυεπεξεργαστές με κοινή κύρια μνήμη. Οι χρήστες των συστημάτων αυτών βλέπουν μόνο ένα λειτουργικό σύστημα, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για τη λύση ενός προβλήματος με παράλληλο τρόπο είτε για την ταυτόχρονη εκτέλεση προγραμμάτων πολλών χρη-

17 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 25 στών. Σε ένα ΛΣΠ υπάρχει μόνο ένας εικονικός χώρος διευθύνσεων, ο οποίος καταμερίζεται μεταξύ των διαφόρων επεξεργαστών του συστήματος, και έναν κοινό χρονιστή, δηλαδή όλοι οι επεξεργαστές έχουν κοινή αντίληψη του χρόνου. Τα ΛΣΠ δεν διαφέρουν πολύ από τα κλασικά λειτουργικά συστήματα ενός επεξεργαστή. Όλα τα σύγχρονα λειτουργικά συστήματα υποστηρίζουν συμμετρική πολυεπεξεργασία (symmetric multiprocessing, SMP), προκειμένου να μπορούν να αξιοποιούν τους πολυπύρηνους επεξεργαστές, ενώ τα περισσότερα συστήματα υποστηρίζουν και (κλασικούς) πολυεπεξεργαστές. Ο αμοιβαίος αποκλεισμός των κρίσιμων περιοχών των διεργασιών που εκτελούνται ταυτόχρονα σε διαφορετικούς επεξεργαστές μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση ειδικών εντολών του υλισμικού που συγχρονίζουν την πρόσβαση σε καταμεριζόμενες δομές δεδομένων στην κοινή μνήμη (βλ. Τόμο II, Κεφ ). Το βασικό χαρακτηριστικό των ΛΣΠ είναι μια κεντρική λίστα έτοιμων διεργασιών (λίστα διανομέα) (βλ. Τόμο II, Κεφ. 5.13) που είναι αποθηκευμένη στην κοινή μνήμη. Ο μόνος παράγοντας που μπορεί να επηρεάσει την επιλογή μιας ΚΜΕ για την εκτέλεση μιας διεργασίας από τη λίστα αυτή είναι η μικρή ελάττωση της καθυστέρησης, αν η συγκεκριμένη ΚΜΕ περιέχει ήδη στην κρυφή μνήμη της μέρος του χώρου διευθύνσεων της υπό διανομή διεργασίας. Σε μερικά ΛΣΠ, μία από τις ΚΜΕ αφιερώνεται στην εκτέλεση του πυρήνα και των διεργασιών του λειτουργικού συστήματος, ενώ οι υπόλοιπες ασχολούνται με τις διεργασίες των χρηστών, με αποτέλεσμα η συγκεκριμένη ΚΜΕ να καταλήγει να αποτελεί σημείο συνωστισμού ή συμφόρησης (bottleneck). Το δίκτυο σύνδεσης των επεξεργαστών μπορεί επίσης να καταλήξει σε σημείο συνωστισμού, ειδικά στην περίπτωση που οι επεξεργαστές συνδέονται μέσω μιας κοινής λεωφόρου. Για το λόγο αυτόν, πολλά συστήματα πολυεπεξεργαστών χρησιμοποιούν κρυφές μνήμες (βλ. Τόμο I, Κεφ ) μεταξύ των επεξεργαστών και της κύριας μνήμης. Όλες οι αιτήσεις για προσπέλαση λέξεων της κύριας μνήμης γίνονται μέσω των κρυφών μνημών. Αν η απαιτούμενη από έναν επεξεργαστή λέξη βρίσκεται ήδη στην κρυφή του μνήμη, τότε αποφεύγεται η μεταφορά της μέσω του δικτύου σύνδεσης. Η προσθήκη ιδιωτικών κρυφών μνημών σε κάθε επεξεργαστή εισάγει το εξής πρόβλημα: Αν δύο επεξεργαστές περιέχουν στις κρυφές τους μνήμες την ίδια λέξη και ένας από αυτούς τροποποιήσει τα περιεχόμενά της, τότε, αν ο δεύτερος επιχειρήσει αργότερα να την αναγνώσει, θα ανακαλέσει τα παλιά της περιεχόμενα (βλ. Τόμο I, Κεφ ). Σε αυτή την περίπτωση, οι μνήμες είναι μη συνεκτικές (in-

18 26 Κατανεμημένα Συστήματα με Java coherent) και τα προγράμματα θα δώσουν λανθασμένα αποτελέσματα. Μία λύση στο πρόβλημα αυτό είναι οι κρυφές μνήμες να σχεδιάζονται με τέτοιο τρόπο ώστε κάθε φορά που μια λέξη γράφεται σε αυτές, αυτή η λέξη να αποθηκεύεται και στην κύρια μνήμη. Τέτοιες κρυφές μνήμες προξενούν κυκλοφορία δεδομένων στο δίκτυο όχι μόνο στις αποτυχίες ανάγνωσης λέξεων, αλλά σε όλες τις εγγραφές λέξεων, ακόμα και στις επιτυχείς. Επιπλέον, οι ελεγκτές των μνημών αυτών παρακολουθούν συνέχεια το δίκτυο σύνδεσης. Όταν ένας ελεγκτής διαπιστώσει ότι γίνεται εγγραφή σε μια λέξη της κύριας μνήμης που βρίσκεται στη δική του κρυφή μνήμη, είτε διαγράφει αυτή τη λέξη από την κρυφή μνήμη του είτε αντικαθιστά απλά τα περιεχόμενα της λέξης στην κρυφή του μνήμη με τα νέα περιεχόμενα της λέξης από την κύρια μνήμη. Ένα σύστημα πολυεπεξεργαστών που χρησιμοποιεί τέτοιου είδους κρυφές μνήμες ονομάζεται συνεκτικό (coherent) Λειτουργικά συστήματα δικτύων Τα Λειτουργικά Συστήματα Δικτύων, ΛΣΔ ( etwork Operating Systems, OS) χρησιμοποιούνται σε ετερογενή και ομοιογενή συστήματα πολυυπολογιστών και δίνουν στους χρήστες τη δυνατότητα να χρησιμοποιούν πόρους που διατίθενται από άλλους υπολογιστές του δικτύου, χωρίς όμως να κρύβουν ότι οι πόροι αυτοί δεν είναι τοπικοί. Για παράδειγμα, σε ένα ΛΣΔ οι χρήστες μπορούν να αντιγράφουν αρχεία μεταξύ διαφορετικών μηχανών, να εκτελούν εντολές σε απομακρυσμένες μηχανές ή να συνδέονται σε απομακρυσμένες μηχανές χρησιμοποιώντας το τοπικό τους σύστημα σαν τερματικό. Το λειτουργικό σύστημα κάθε μηχανής του δικτύου είναι ουσιαστικά ίδιο με ένα λειτουργικό σύστημα ενός επεξεργαστή, με ορισμένες προσθήκες για την υλοποίηση των δικτυακών υπηρεσιών. Οι μηχανές μπορεί να διαθέτουν είτε όλες το ίδιο λειτουργικό σύστημα είτε διαφορετικά λειτουργικά συστήματα, αρκεί να συμφωνούν στο μορφότυπο (format) και στη σημασία των μηνυμάτων που μπορούν να ανταλλάξουν. Οι προσθήκες αυτές δεν αλλάζουν τη βασική δομή του λειτουργικού συστήματος αφού κάθε μηχανή διατηρεί πλήρη αυτονομία, ελέγχει πλήρως τους πόρους της και τους διαθέτει μέσω δικτύου κατόπιν ρητών αιτήσεων από απομακρυσμένους χρήστες. Στην πραγματικότητα, το ΛΣΔ καθιστά ιδιαίτερα εμφανές το ότι το σύστημα αποτελείται από ανεξάρτητους υπολογιστές. Για παράδειγμα, κάθε μηχανή έχει το δικό της σύστημα αρχείων, οπότε οι χρήστες όχι μόνο πρέπει να ορίζουν ρητά τις μηχανές ανάμεσα στις οποίες θέλουν να αντιγράψουν ένα αρχείο, αλλά θα πρέπει

19 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 27 να γνωρίζουν και τη δομή του συστήματος αρχείων κάθε μηχανής. Αυτό σημαίνει ότι η θέση των αρχείων δεν είναι διαφανής (transparent) στους χρήστες, με την έννοια ότι οι χρήστες πρέπει να γνωρίζουν πού ακριβώς (μηχανή και διαδρομή) βρίσκονται τα αρχεία που τους ενδιαφέρουν. Για να αυξηθεί η ευελιξία των ΛΣΔ, πολλά τέτοια συστήματα παρέχουν ένα καταμεριζόμενο καθολικό σύστημα αρχείων το οποίο υποστηρίζεται από μία ή περισσότερες μηχανές, γνωστές ως εξυπηρετητές αρχείων (file servers). Οι υπόλοιπες μηχανές, γνωστές ως πελάτες (clients), μπορεί να υποστηρίζουν και τα δικά τους τοπικά συστήματα αρχείων, αν έχουν τοπικούς δίσκους. Όλα τα αρχεία που μπορούν να καταμεριστούν βρίσκονται αποθηκευμένα στους εξυπηρετητές, με α- ποτέλεσμα η θέση κάθε αρχείου να είναι διαφανής στους χρήστες οι οποίοι προσπελάζουν τα απομακρυσμένα αρχεία με τον ίδιο τρόπο που προσπελάζουν τα τοπικά. Ανάλογα με το σύστημα, κάθε πελάτης μπορεί να έχει είτε την ίδια εικόνα του συστήματος αρχείων είτε διαφορετική εικόνα. Τα κατανεμημένα συστήματα αρχείων είναι ουσιαστικά το πρώτο βήμα των ΛΣΔ προς την κατεύθυνση της παρουσίασης της εικόνας ενός ενιαίου συστήματος Κατανεμημένα λειτουργικά συστήματα Τα Κατανεμημένα Λειτουργικά Συστήματα, ΚΛΣ (Distributed Operating Systems, DOS) χρησιμοποιούνται σε ομοιογενή συστήματα πολυ-υπολογιστών. Αν και ένα ΚΛΣ εκτελείται σε μηχανές χωρίς κοινή μνήμη ή κοινό χρονιστή, παρέχει στους χρήστες την εικόνα ενός μόνο συστήματος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.4. Οι χρήστες του δεν χρειάζεται να γνωρίζουν αν υπάρχουν περισσότεροι του ενός επεξεργαστές, σε ποιους επεξεργαστές εκτελούνται οι διεργασίες τους ή πού βρίσκονται αποθηκευμένα τα αρχεία τους. Έτσι λοιπόν, σε αντίθεση με τα ΛΣΠ και τα ΛΣΔ, τα ΚΛΣ είναι πραγματικά κατανεμημένα συστήματα. Τα ΚΛΣ διαφέρουν σημαντικά από τα συστήματα ενός επεξεργαστή. Για παράδειγμα, μπορούν να επιτρέπουν σε διάφορες διεργασίες να εκτελούνται σε διαφορετικούς επεξεργαστές, με αποτέλεσμα να απαιτούν σύνθετους αλγόριθμους χρονοπρογραμματισμού για βελτιστοποίηση της επίδοσης. Η επικοινωνία των μηχανών μέσω του δικτύου οδηγεί σε καθυστερήσεις, με αποτέλεσμα οι κατανεμημένοι αλγόριθμοι να εκτελούνται συχνά με μη πλήρεις, απαρχαιωμένες ή ακόμα και λανθασμένες πληροφορίες. Η εικόνα αυτή διαφέρει ριζικά από εκείνη του λειτουργικού συστήματος ενός επεξεργαστή, το οποίο έχει στη διάθεσή του σε κάθε χρονική στιγμή πλήρεις και ακριβείς πληροφορίες για την κατάσταση του συστήματος.

20 28 Κατανεμημένα Συστήματα με Java Εφαρμογή Εφαρμογή Εφαρμογή ΚΛΣ Επεξεργαστής 1 Επεξεργαστής 2 Επεξεργαστής 3 Δίκτυο Σχήμα 1.4. Κατανεμημένο Λειτουργικό Σύστημα. Για να παρέχεται η εικόνα ενός ενιαίου συστήματος, το ΚΛΣ πρέπει να παρέχει ακριβώς τις ίδιες κλήσεις του πυρήνα σε όλες τις μηχανές και να υποστηρίζει τους ίδιους μηχανισμούς επικοινωνίας διεργασιών σε όλους τους επεξεργαστές του συστήματος, ανεξάρτητα από το αν οι διεργασίες εκτελούνται στην ίδια ή σε διαφορετικές μηχανές. Επίσης, πρέπει να παρέχει μια καθολική εικόνα όλων των πόρων του, για παράδειγμα ένα και μοναδικό καθολικό σύστημα αρχείων, καθώς και ένα και μοναδικό καθολικό μηχανισμό προστασίας. Για να ικανοποιούνται οι παραπάνω απαιτήσεις, οι πυρήνες που εκτελούνται σε όλες τις μηχανές του συστήματος πρέπει να παρέχουν ακριβώς την ίδια διεπαφή (interface) κλήσεων του συστήματος και να συντονίζονται για ορισμένες εργασίες. Για παράδειγμα, όταν μια διεργασία χρειάζεται να αρχίσει την εκτέλεσή της, όλοι οι πυρήνες πρέπει να συνεργαστούν προκειμένου να βρεθεί ο καταλληλότερος επεξεργαστής για να την εκτελέσει. Παρόλα αυτά, κάθε πυρήνας μπορεί να ασκεί σημαντικό έλεγχο στους δικούς του πόρους. Για παράδειγμα, εφόσον δεν υπάρχει κοινή μνήμη, είναι λογικό κάθε πυρήνας να διαχειρίζεται τη δική του φυσική μνήμη, δηλαδή να αποφασίζει ποια τεμάχια θα αντικαταστήσει, πότε και ποια θα προσκομίσει στη μνήμη και πού ακριβώς θα τα τοποθετήσει (βλ. Τόμο II, Κεφ. 8) Ενδιάμεσο λογισμικό κατανεμημένων συστημάτων Αν και τα ΚΛΣ παρέχουν την εικόνα ενός ενιαίου συστήματος που αποτελείται από ανεξάρτητους υπολογιστές, οι προσπάθειες ανάπτυξης ΚΛΣ κατά τη δεκαετία του 1990 είχαν περιορισμένη επιτυχία, σε αντίθεση με την τεράστια επιτυχία των

21 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 29 ΛΣΔ που ουσιαστικά αντικατέστησαν πλήρως τα απλά λειτουργικά συστήματα ενός επεξεργαστή μέσα στην ίδια δεκαετία. Για παράδειγμα, όλα τα σύγχρονα λειτουργικά συστήματα έχουν δυνατότητες καταμερισμού αρχείων και εκτυπωτών, δηλαδή καλύπτουν τη βασική λειτουργικότητα των παλιότερων ΛΣΔ. Οι λόγοι της περιορισμένης επιτυχίας των ΚΛΣ σε σχέση με τα ΛΣΔ είναι πολλοί. Αρχικά, η απαίτηση το σύστημα να είναι ομοιογενές σημαίνει ότι χρειαζόμαστε πολλές πανομοιότυπες μηχανές, σε αντίθεση με τα ΛΣΔ που λειτουργούν με οποιοδήποτε διαθέσιμο υλισμικό. Ιδιαίτερα προβληματική είναι η απαίτηση όλες οι μηχανές να εκτελούν το ίδιο λειτουργικό σύστημα, το οποίο σε πολλές περιπτώσεις μπορεί να μη συμβαδίζει με τις ανάγκες ή τις προτιμήσεις των χρηστών. Αντίθετα, ένα ΛΣΔ απαιτεί μόνο προσθήκες σε υπάρχοντα λειτουργικά συστήματα, κάτι που διευκολύνει την αποδοχή του. Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι το ΚΛΣ απαιτεί από τους χρήστες να παραδώσουν κατά ένα μέρος τον έλεγχο των μηχανών τους σε αυτό, με αποτέλεσμα να χάνουν την αυτονομία τους και πιθανόν και την ασφάλειά τους. Σε ένα σύστημα πολυ-υπολογιστή ειδικά κατασκευασμένο για την εκτέλεση απαιτητικών εφαρμογών, η δυνατότητα να χρησιμοποιούνται όλοι οι πόροι χωρίς περιορισμούς είναι απαραίτητη. Όμως, σε ένα τοπικό δίκτυο με σταθμούς εργασίας, οι χρήστες διστάζουν να επιτρέψουν σε οποιονδήποτε χρήστη να χρησιμοποιεί τους πόρους τους σε βάρος της επίδοσης των δικών τους εφαρμογών. Παρότι οι περισσότεροι χρήστες μπορεί να μην ενδιαφέρονται για ένα πλήρως κατανεμημένο σύστημα, ειδικά αν αυτό απαιτεί να θυσιάσουν την αυτονομία τους, συχνά ενδιαφέρονται για συγκεκριμένες εφαρμογές που απαιτούν κατανεμημένη επεξεργασία. Για παράδειγμα, τα κατανεμημένα συστήματα αρχείων, τα οποία α- ντιπροσωπεύουν ένα πραγματικά κατανεμημένο μοντέλο εργασίας, είναι μέρος όλων των σύγχρονων λειτουργικών συστημάτων. Ο λόγος είναι ότι καλύπτουν πραγματικές ανάγκες: εύκολη ανταλλαγή αρχείων, προσπέλαση αρχείων από ο- ποιονδήποτε σταθμό εργασίας και αυξημένη αξιοπιστία λόγω χρήσης ειδικού υλισμικού για τους εξυπηρετητές. Τα κατανεμημένα συστήματα αρχείων προκύπτουν από ΛΣΔ με την προσθήκη ενός επιπέδου ενδιάμεσου λογισμικού (middleware) το οποίο αξιοποιεί τις βασικές υπηρεσίες ενός ΛΣΔ για να παρέχει υποστήριξη σε κατανεμημένες εφαρμογές. Τέτοιο ακριβώς ενδιάμεσο λογισμικό είναι η βάση των σύγχρονων κατανεμημένων συστημάτων. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.5, το ενδιάμεσο λογισμικό εκτελείται επάνω από το ΛΣΔ κάθε μηχανής και έτσι παρέχει μια σειρά από υπηρεσίες υψη-

22 30 Κατανεμημένα Συστήματα με Java λού επιπέδου στις κατανεμημένες εφαρμογές. Ο βασικός έλεγχος κάθε μηχανής γίνεται από το τοπικό ΛΣΔ, προκειμένου κάθε μηχανή να έχει την αυτονομία της. Οι μηχανές μπορεί να είναι ετερογενείς και από πλευράς υλισμικού και από πλευράς λογισμικού, αρκεί να υποστηρίζουν ένα βασικό σύνολο υπηρεσιών που απαιτούνται από το ενδιάμεσο λογισμικό. Το ενδιάμεσο λογισμικό, αντί να παρέχει μια ολοκληρωμένη εικόνα ενός ενιαίου συστήματος, παρέχει ένα περιορισμένο μοντέλο κατανεμημένης επεξεργασίας κατάλληλο για συγκεκριμένες εφαρμογές. Για παράδειγμα, ένα απλό μοντέλο είναι οι κλήσεις απομακρυσμένων διαδικασιών (remote procedure calls, RPC), με τις οποίες μια διεργασία σε μία μηχανή μπορεί να καλεί μια διαδικασία σε μια α- πομακρυσμένη μηχανή με τον ίδιο ακριβώς τρόπο που θα καλούσε μια τοπική διαδικασία. Στο μοντέλο αυτό, το ενδιάμεσο λογισμικό αποκρύπτει πού βρίσκεται κάθε διαδικασία, αλλά δεν κατανέμει τις διαδικασίες στους διαθέσιμους επεξεργαστές. Επέκταση της προσέγγισης αυτής είναι η κλήση απομακρυσμένων μεθόδων (remote method invocation, RMI) στην οποία η κλήση των μεθόδων ενός απομακρυσμένου αντικειμένου δεν διαφέρει από την κλήση των μεθόδων ενός τοπικού αντικειμένου. Και σε αυτή την περίπτωση η κατανομή των αντικειμένων σε μηχανές δεν καθορίζεται από το ενδιάμεσο λογισμικό που υποστηρίζει τις απομακρυσμένες κλήσεις. Οι ακριβείς υπηρεσίες που παρέχονται από το ενδιάμεσο λογισμικό εξαρτώνται από το μοντέλο κατανεμημένης επεξεργασίας που υποστηρίζει και το βαθμό στον Εφαρμογή Εφαρμογή Εφαρμογή Ενδιάμεσο Λογισμικό ΛΣ 1 ΛΣ 2 ΛΣ 3 Επεξεργαστής 1 Επεξεργαστής 2 Επεξεργαστής 3 Δίκτυο Σχήμα 1.5. Ενδιάμεσο λογισμικό κατανεμημένου συστήματος.

23 Κεφάλαιο 1: Εισαγωγή 31 οποίο προσπαθεί να προσεγγίσει την εικόνα ενός ενιαίου συστήματος. Σε γενικές γραμμές, το ενδιάμεσο λογισμικό πρέπει να παρέχει υπηρεσίες επικοινωνίας υψηλού επιπέδου, όπως κλήση απομακρυσμένων μεθόδων, υπηρεσίες ονομασίας οι οποίες θα υποστηρίζουν έναν κοινό χώρο ονομάτων για τους πόρους ολόκληρου του συστήματος και υπηρεσίες ασφάλειας, προκειμένου να περιφρουρούνται οι πόροι κάθε μηχανής. Άλλες υπηρεσίες που μπορεί να παρέχονται, αν απαιτούνται, είναι υπηρεσίες συγχρονισμού διεργασιών, υπηρεσίες κλειδώματος πόρων και υ- πηρεσίες κατανεμημένων συναλλαγών Στόχοι κατανεμημένων συστημάτων Οι υπηρεσίες που παρέχουν τα κατανεμημένα συστήματα είναι παρόμοιες με αυτές που παρέχονται από τα ΛΣΔ, αλλά υποστηρίζουν ένα υψηλότερο επίπεδο αφαίρεσης προκειμένου να διευκολύνουν τον προγραμματισμό κατανεμημένων εφαρμογών. Ο βασικός στόχος των υπηρεσιών αυτών είναι η σύνδεση των χρηστών με τους διαθέσιμους πόρους, οπουδήποτε και αν βρίσκονται αυτοί στο σύστημα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η σύνδεση αυτή έχει οικονομικά οφέλη για παράδειγμα, όταν ένας ακριβός εκτυπωτής διατίθεται σε ένα ολόκληρο τμήμα ή ένας υπερυπολογιστής διατίθεται για απομακρυσμένη εκτέλεση εφαρμογών. Σε άλλες περιπτώσεις, η σύνδεση χρησιμεύει για την ανάπτυξη εφαρμογών που διευκολύνουν τη συνεργασία των χρηστών για την επίτευξη ενός κοινού στόχου για παράδειγμα, για τη συγγραφή μιας έκθεσης από πολλά άτομα ή την επεξεργασία μιας παραγγελίας από μια σειρά τμημάτων μιας επιχείρησης. Για να παρέχονται οι υπηρεσίες αυτές με ομοιογενή τρόπο, το κατανεμημένο σύστημα πρέπει να δίνει στον προγραμματιστή και το χρήστη την εικόνα ενός ε- νιαίου συστήματος, τουλάχιστον στο βαθμό που κάτι τέτοιο απαιτείται από τις ε- φαρμογές. Έτσι, ανεξάρτητα από το μοντέλο κατανεμημένης επεξεργασίας που υποστηρίζει ένα κατανεμημένο σύστημα, υπάρχουν ορισμένες αρχές σχεδίασης που θέλουμε να ακολουθούνται σε κάθε περίπτωση. Ευελιξία (flexibility), δηλαδή ευκολία αλλαγής ή επέκτασης του συστήματος από τους σχεδιαστές ή τους προγραμματιστές του. Είναι φανερό ότι ένα σύστημα με μονολιθικό πυρήνα είναι λιγότερο ευέλικτο από ένα στρωματοποιημένο σύστημα που διαθέτει έναν ελάχιστο πυρήνα (βλ. Τόμο II, Κεφ. 4.2). Η χρήση ενδιάμεσου λογισμικού για την κατασκευή κατανεμημένων συστημάτων είναι μία κοινή τεχνική αύξησης της ευελιξίας.

24