Βασικές έννοιες. Κατανεμημένα Συστήματα 1

Transcript

1 Βασικές έννοιες Κατανεμημένα Συστήματα 1 lalis@inf.uth.gr

2 Ορισμός κατανεμημένου συστήματος Ένα σύστημα από ξεχωριστές ενεργές οντότητες (ονομάζονται «κόμβοι» ή «διεργασίες») που εκτελούνται ταυτόχρονα/ανεξάρτητα μεταξύ τους παρουσιάζουν βλάβες ανεξάρτητα μεταξύ τους δεν διαθέτουν κοινή μνήμη ούτε κοινό ρολόι επικοινωνούν με μηνύματα (πάνω από ένα δίκτυο) Κατανεμημένα Συστήματα 2 lalis@inf.uth.gr

3 ρολόι κόμβος/διεργασία μήνυμα Κατανεμημένα Συστήματα 3 lalis@inf.uth.gr

4 Αφαίρεση P1 P2 P1 P2 Πραγματικότητα Κατανεμημένα Συστήματα 4 lalis@inf.uth.gr

5 Παράλληλα / κατανεμημένα συστήματα πολυεπεξεργαστές πολυυπολογιστές κοινή μνήμη γρήγορο δίκτυο με εγγυήσεις αργό δίκτυο με εγγυήσεις αργό δίκτυο χωρίς εγγυήσεις συστήματα υψηλών επιδόσεων κατανεμημένα συστήματα Κατανεμημένα Συστήματα 5 lalis@inf.uth.gr

6 Επιθυμητές ιδιότητες και προκλήσεις Απόδοση παρά τη σχετικά «αργή» επικοινωνία πάνω από το δίκτυο (πάντα σε σχέση με την ταχύτητα της CPU και της RAM) Διαθεσιμότητα παρά τις βλάβες που μπορούν να συμβούν ανά πάσα στιγμή και σε οποιοδήποτε μηχάνημα ή / και επίπεδο λογισμικού Συνέπεια παρά την ασύγχρονη/αναξιόπιστη επικοινωνία Ασφάλεια παρά την ανοιχτή επικοινωνία και την κατανεμημένη διαχείριση από πολλούς διαφορετικούς φορείς Διαφάνεια παρά την κατανεμημένη υλοποίηση του συστήματος Κατανεμημένα Συστήματα 6 lalis@inf.uth.gr

7 Κατανεμημένη λειτουργικότητα που υλοποιείται από το ίδιο το λειτουργικό Application Application Application Distributed OS Kernel Kernel Kernel Κατανεμημένα Συστήματα 7 lalis@inf.uth.gr

8 Κατανεμημένη λειτουργικότητα που υλοποιείται σε επίπεδο εφαρμογής Application API-1 for protocol P API-2 for protocol P API-3 for protocol P Network OS1 Network OS2 Network OS3 Kernel1 Kernel2 Kernel3 Κατανεμημένα Συστήματα 8 lalis@inf.uth.gr

9 Κατανεμημένη λειτουργικότητα που υλοποιείται από μεσοστρωματικό λογισμικό Application Application Application Middleware API-1 for protocol P API-2 for protocol P API-3 for protocol P Network OS1 Network OS2 Network OS3 Kernel1 Kernel2 Kernel3 Κατανεμημένα Συστήματα 9 lalis@inf.uth.gr

10 Κατανομή επιπέδων λειτουργικότητας User Interface User Interface User Interface User Interface User Interface User Interface network Application Logic Application Logic Application Logic Application Logic Application Logic Application Logic Database Database Database Database Database Database Κατανεμημένα Συστήματα 10

11 Αρχιτεκτονική κατανεμημένων υπηρεσιών Client Front- End Server Client Server Server Front- End Client Client Front- End Server Client Client service Κατανεμημένα Συστήματα 11

12 Αρχιτεκτονική ομότιμων συστημάτων Peer (Client/Server) Peer (Client/Server) Peer (Client/Server) Peer (Client/Server) service Κατανεμημένα Συστήματα 12

13 Βλάβες Κατανεμημένα Συστήματα 13

14 Βασικά μοντέλα βλαβών Silent crash Η διεργασία σταματά να εκτελείται και σταματά να επικοινωνεί με τις άλλες διεργασίες για πάντα (δεν παρέχεται μηχανισμός εντοπισμού βλαβών) Fail-stop Η διεργασία σταματά να εκτελείται/επικοινωνεί, αλλά «ειδοποιεί» τις άλλες διεργασίες για την βλάβη (ή παρέχεται μηχανισμός εντοπισμού βλαβών) Omission Η διεργασία χάνει μηνύματα, περιστασιακά (ή το δίκτυο χάνει μηνύματα) Κατανεμημένα Συστήματα 14

15 Μοντέλα βλαβών με επανεκκίνηση Restart with amnesia Η διεργασία ανακάμπτει από την βλάβη, έχοντας χάσει την πρότερη κατάσταση της Restart with persistent memory Η διεργασία ανακάμπτει από την βλάβη, μαζί με την πρότερη κατάσταση της Υλοποίηση persistence: τεχνική της σταθερής αποθήκης (stable storage), όπου τοποθετείται και ανανεώνεται κατάλληλα όλη η κρίσιμη πληροφορία κατάστασης της διεργασίας Κατανεμημένα Συστήματα 15

16 Το πιο γενικό μοντέλο βλαβών Byzantine Η διεργασία μπορεί (τυχαία ή συστηματικά) να συμπεριφέρεται απρόβλεπτα, ανά πάσα στιγμή Μπορεί όμως να συμπεριφέρεται και κανονικά Η βυζαντινή βλάβη δεν εντοπίζεται (άμεσα) Η βυζαντινή βλάβη μοντελοποιεί, με τον πιο γενικό τρόπο, την ύπαρξη bugs σε όλα τα επίπεδα Η απόδειξη ιδιοτήτων υπό βυζαντινές βλάβες είναι ιδιαίτερα δύσκολη η επιθυμητή ιδιότητα πρέπει να ισχύει για το χειρότερο δυνατό σενάριο συνδυασμένων βλαβών Κατανεμημένα Συστήματα 16

17 Σύγχρονο / ασύγχρονο σύστημα Σύγχρονο σύστημα υπάρχει εγγυημένο και εκ των προτέρων γνωστό άνω χρονικό όριο για την καθυστέρηση επικοινωνίας (μετάδοση μηνυμάτων) ανάμεσα στις διεργασίες η καθυστέρηση επεξεργασίας θεωρείται αμελητέα (ισοδύναμα: συμπεριλαμβάνεται στο άνω όριο μετάδοσης) Ασύγχρονο σύστημα δεν υπάρχει άνω όριο για την καθυστέρηση επικοινωνίας Βασικό πρόβλημα: σε ασύγχρονο σύστημα είναι αδύνατο να εντοπιστούν (ορθά) βλάβες silent crash Κατανεμημένα Συστήματα 17 lalis@inf.uth.gr

18 Εντοπισμός crash σε σύγχρονο σύστημα Πρωτόκολλο: Α στέλνει στον Β ping, Β απαντά στον Α με pong A B ping max T max T pong Α δεν έλαβε pong σε χρόνο 2 Τ Β έχει βλάβη Α έλαβε pong σε χρόνο 2 Τ Β δεν έχει βλάβη* (*) για να είμαστε πιο ακριβείς: ο Β δεν είχε βλάβη πριν από Τ Κατανεμημένα Συστήματα 18 lalis@inf.uth.gr

19 Εντοπισμός crash σε ασύγχρονο σύστημα Το πρωτόκολλο εντοπισμού βλαβών crash για σύγχρονο σύστημα δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε ασύγχρονο σύστημα δεν υπάρχει άνω όριο καθυστέρησης Αν ο Α δεν λάβει ping μετά από «μακρά» αναμονή, και αποφασίσει ότι ο Β έχει βλάβη, ίσως κάνει λάθος το μήνυμα ping ή το μήνυμα pong μπορεί να είναι καθοδόν Αν ο Α αποφασίσει να περιμένει μέχρι να έρθει ping, και ο Β όντως έχει βλάβη, ο Β δεν θα ανακηρυχθεί ποτέ σε βλάβη ο Α θα περιμένει για πάντα να του απαντήσει ο Β Ότι και να αποφασίσει ο Α, μπορεί να κάνει λάθος! Κατανεμημένα Συστήματα 19

20 Υλοποίηση fail-stop σε ασύγχρονο σύστημα Αν ο Α θεωρήσει ότι ο Β έχει παρουσιάσει βλάβη, στέλνει μήνυμα «Β failed» σε όλες τις διεργασίες και στον εαυτό του Όποιος λάβει μήνυμα «Β failed», βγάζει τον Β από την λίστα των διεργασιών (αν δεν το έχει κάνει ήδη) Αν όμως ο Β δεν έχει βλάβη, θα αγνοηθεί (άδικα) στην ουσία, ο Β οδηγείται σε «αυτοκτονία» Μπορεί να προβλέπεται διαδικασία «επανένταξης» ισοδύναμο με την περίπτωση όπου σε ένα σύστημα προβλέπεται η επανεκκίνηση διεργασιών μετά από βλάβη (restarts) και η επανένταξη τους στο σύστημα Κατανεμημένα Συστήματα 20

21 Silent crash + restart & persistence Μετατροπή silent crash σε fail-stop Στην σταθερή μνήμη αποθηκεύεται πληροφορία (π.χ. προηγούμενος αριθμός ζωής incarnation number) με βάση την οποία η διεργασία εντοπίζει ότι ανέκαμψε μετά από βλάβη Η διεργασία ειδοποιεί τις υπόλοιπες διεργασίες για την δική(!) της βλάβη, και μετά «αυτοκτονεί» Απόκρυψη βλάβης Στην σταθερή μνήμη αποθηκεύεται η «κρίσιμη» κατάσταση εκτέλεσης της διεργασίας Όταν η διεργασία ανακάμψει, συνεχίζει την εκτέλεση από όπου σταμάτησε απλά φαίνεται «αργή» Κατανεμημένα Συστήματα 21 lalis@inf.uth.gr

22 Μετατροπή crash σε fail-stop A A B C set status failure B C running running A A B failed! restart B C check status running I failed! B C B failed! Κατανεμημένα Συστήματα 22 lalis@inf.uth.gr

23 Απόκρυψη βλάβης A A B C save state failure B C state state A A restart B C recover state B C state back in business Κατανεμημένα Συστήματα 23 lalis@inf.uth.gr

24 Απόκρυψη βλάβης & διαφάνεια επικοινωνίας Μια διεργασία χάνει μηνύματα όσο βρίσκεται σε βλάβη ακυρώνεται η αξιοπιστία του δικτύου (αν υπάρχει) Η αξιοπιστία πρέπει να υλοποιηθεί σε πιο ψηλό επίπεδο ρητή επιβεβαίωση παραλαβής μηνυμάτων επανεκπομπή μηνυμάτων που παραμένουν ανεπιβεβαίωτα Μπορεί να υλοποιηθεί ως ξεχωριστό στρώμα/υπηρεσία η υλοποίηση πρέπει να χρησιμοποιεί την μόνιμη μνήμη, για να θυμάται τα μηνύματα που έχει στείλει κάθε διεργασία Κατανεμημένα Συστήματα 24