Εισαγωγή Χαρακτηρισµός Κατανεµηµένων Συστηµάτων Μαρία Ι. Ανδρέου ΗΜΥ417, ΗΜΥ 663 Κατανεµηµένα Συστήµατα Χειµερινό Εξάµηνο 2006-2007 Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Πανεπιστήµιο Κύπρου
Ορισµός Ορίζουµε ένα κατανεµηµένο σύστηµα (distributed system) σαν ένα σύστηµα στο οποίο το υλικό και το λογισµικό του είναι τοποθετηµένο σε δικτυοµένους υπολογιστές οι οποίοι επικοινωνούν και συγχρονίζουν τις ενέργειες τους Μόνο διαµέσου ΜΕΤΑΒΙΒΑΣΗΣ ΜΗΝΥΜΑΤΩΝ Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 2
Συνέπειες από το Ορισµό των ΚΣ Ένα ΚΣ αποτελείται από γεωµετρικά ανεξάρτητες, αυτόνοµες υπολογιστικές συσκευές, που επικοινωνούν µεταξύ τους µέσω ανταλλαγής µηνυµάτων για την επίτευξη ενός κοινού στόχου. Από τον ορισµό των ΚΣ προκύπτουν οι ακόλουθες συνέπειες: Ταυτόχρονη εκτέλεση διεργασιών και διαµοιρασµός των πόρων του συστήµατος Έλλειψη κοινής µνήµης και ρολογιού Παρουσία σφαλµάτων, στο υλικό, το λογισµικό, το δίκτυο Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 3
Έλλειψη κοινής µνήµης και ρολογιού Συµφωνία Στρατηγών υο στρατηγοί διοικούν τον «κόκκινο στρατό» και τον «πράσινο στρατό» και θέλουν να συντονίσουν της επίθεση τους απέναντι σε ένα κοινό εχθρό. Αν επιτεθεί ο καθένας από µόνος του τότε ο εχθρός θα τους νικήσει. Τι πρέπει να γίνει Συγχρονισµός των Ρολογιών των δυο στρατηγών. ΕΝ είναι εύκολη υπόθεση Μπορεί να µην επιτευχθεί η σωστή και έγκαιρη παράδοση του µηνύµατος του ενός στρατηγού προς τον άλλο µε στόχο το συγχρονισµό των ενεργειών τους ΓΙΑΤΙ; Πως µπορεί να γνωρίζει ο στρατηγός που έστειλε το µήνυµα ότι αυτό έφτασε ΣΩΣΤΑ (εντός του χρόνου και αναλλοίωτο); Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 4
Απαιτήσεις Λειτουργικότητας Ανταλλαγή πληροφοριών ιαµοιρασµός πόρων (π.χ. Πρόβληµα των Συνδαιτυµόνων φιλοσόφων) Αυξηµένη αξιοπιστία Αυξηµένη απόδοση µέσω παραλληλίας Αποποίηση του σχεδιασµού µέσω εξειδίκευσης Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 5
Θέµατα από την ανταλλαγή πληροφοριών, µέσω µηνυµάτων Χρειάζεται ανταλλαγή πληροφοριών µεταξύ χρηστών: ενός τοπικού δικτύου (LAN), ή µετροπολιτιακού δικτύου (WAN), ή κινητών συσκευών και/ή ασύρµατων συσκευών Ανοµοιογένεια Αξιοπιστία Χρονικοί περιορισµοί Ασφάλεια... Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 6
ιαµοιρασµός πόρων Αύξηση των υπολογιστών στο δίκτυο Αυτό έχει ως αποτέλεσµα αντίστοιχη αύξηση όλων των πόρων του συστήµατος; Π.χ., εκτυπωτών, µονάδες δίσκων κτλ ΟΧΙ δεν είναι απαραίτητο κάτι τέτοιο Οι υπολογιστές µπορούν να µοιράζονται την χρήση των άλλων πόρων του συστήµατος, φτάνει να βρεθεί κάποιος τρόπος συγχρονισµού τους και εξασφάλισης της σωστής εκτέλεσης των απαιτήσεων τους. Το ίδιο ισχύει και για την ταυτόχρονη, κοινή χρήση και του λογισµικού του συστήµατος Εξοικονόµηση χώρου στο δίσκο κάθε υπολογιστή Αποφυγή προβληµάτων συντήρησης πολλαπλών αντιγράφων του λογισµικού και κόστους αγοράς πολλαπλών αντιγράφων Χρειάζεται εγκατάσταση ειδικών διακοµιστών διαχείρισης λογισµικού Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 7
Θέµατα αυξηµένης αξιοπιστίας ενός ΚΣ Υπάρχει περίπτωση κάποια από τις µονάδες του συστήµατος να παρουσιάσει κάποιο σφάλµα Στόχος: οι υπόλοιπες µονάδες να µπορούν να αναλάβουν το έργο των µονάδων που είναι εκτός λειτουργίας Σε αντίθεση µε συστήµατα ανεξάρτητων υπολογιστών Οι Κατανεµηµένες αρχιτεκτονικές είναι ένας παραδοσιακός τρόπος σχεδιασµού υψηλά αξιόπιστων υπολογιστικών συστηµάτων Η διασφάλιση της σωστής λειτουργίας ενός ΚΣ (ανοχή σε σφάλµατα) κατά την παρουσία σφαλµάτων απαιτεί ΣΥΝΘΕΤΕΣ Αλγοριθµικές λύσεις Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 8
Αυξηµένη απόδοση µέσω παραλληλίας Εκµετάλλευση του πλήθους των υπολογιστών Στόχος: µείωση του χρόνου εκτέλεσης διεργασιών ιαµοιρασµός των εργασιών σε πολλούς επεξεργαστές Τα παράλληλα συστήµατα έχουν σχεδιαστεί συγκεκριµένα για αυτό το σκοπό Ένα κατανεµηµένο σύστηµα µπορεί να εκµεταλλευτεί αυτή την τεχνική ιοχέτευση διεργασιών σε διάφορούς υπολογιστές του συστήµατος Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 9
Απλοποίηση του σχεδιασµού µέσω της εξειδίκευσης Ο σχεδιασµός ενός πολύπλοκου υπολογιστικού συστήµατος είναι ύσκολη υπόθεση! Απλοποίηση µπορεί να προκύψει µε τη διάσπαση του συστήµατος σε επιµέρους Εξειδικευµένα τµήµατα τα οποία επικοινωνούν µεταξύ τους µε τέτοιο τρόπο ώστε να εξασφαλίζεται η κάλυψη του συνόλου της λειτουργικότητας του ολόκληρου του συστήµατος Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 10
Παραδείγµατα Κατανεµηµένων Συστηµάτων. Το Internet ISP intranet backbone satellite link desktop computer: server: network link: Σχήµα 1.1 ένα τυπικό τµήµα του Internet Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 11
Παραδείγµατα Κατανεµηµένων Συστηµάτων. Το Intranet print and other servers email server Desktop computers Web server Local area network email server File server print other servers the rest of the Internet router/firewall Σχήµα 1.2 ένα τυπικό intranet Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 12
Παραδείγµατα Κατανεµηµένων Συστηµάτων. Portable and handheld devices in a distributed system Internet Host intranet Wireless LAN WAP gateway Home intranet Printer Camera Mobile phone Laptop Host site Σχήµα 1.3. Portable and handheld devices in a distributed system Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 13
Παραδείγµατα Κατανεµηµένων Συστηµάτων. Web servers and web browsers www.google.com Web servers http://www.google.comlsearch?q=kindberg Browsers www.cdk3.net www.w3c.org Internet http://www.cdk3.net/ File system of www.w3c.org Protocols http://www.w3c.org/protocols/activity.html Activity.html Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 14
Πλήθος υπολογιστικών συσκευών στο Internet Date Computers Web servers 1979, Dec. 188 0 1989, July 130,000 0 1999, July 56,218,000 5,560,866 2003, Jan. 171,638,297 35,424,956 Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 15
Πλήθος υπολογιστικών συσκευών έναντι Web servers στο Internet Date Computers Web servers Percentage 1993, July 1,776,000 130 0.008 1995, July 6,642,000 23,500 0.4 1997, July 19,540,000 1,203,096 6 1999, July 56,218,000 6,598,697 12 2001, July 125,888,197 31,299,592 25 42,298,371 Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 16
Σχεδιαστικές προκλήσεις Ετερογένεια Ανοικτότητα Ασφάλεια υνατότητα Κλιµάκωσης Ανεκτικότητα σφαλµάτων Παραλληλία ιαφάνεια Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 17
Ετερογένεια Ένα ΚΣ µπορεί να αποτελείται από Υπολογιστές που ανήκουν σε ΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΥ Τύπου δίκτυα και Εκτελούν διαφορικά λειτουργικά συστήµατα (ΛΣ) Χρησιµοποιούν διαφορικό υλικό Παρέχουν συγκεκριµένο λογισµικό Π.χ. Το internet Όλα τα ΛΣ µπορούν να συνδεθούν στο internet εφόσον υλοποιήσουν τα πρωτόκολλα του Internet εν προσφέρουν την ίδια διεπαφή προγραµµατισµού για την ανάπτυξη εφαρµογών σε αυτά τα πρωτόκολλα Π.χ. Οι κλήσεις για ανταλλαγή µηνυµάτων στο Unix είναι διαφορετικές από ότι στα Windows Κάθε γλώσσα προγραµµατισµού (ΓΠ) χρησιµοποιεί διαφορετικές απεικονίσεις για χαρακτήρες και δοµές δεδοµένων Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 18
Ετερογένεια (2). Λογισµικό Ενδιάµεσου επιπέδου Λύση 1: Χρήση λογισµικού Ενδιάµεσου Επιπέδου Παρεµβάλλεται µεταξύ του ΛΣ και της εφαρµογής Επιτρέπει την αφαίρεση της ετερογένειας των υποκείµενων δικτύων, υλικών, ΛΣ και ΓΠ Παρέχουν ένα Οµογενές υπολογιστικό µοντέλο το οποίο χρησιµοποιείται από προγραµµατιστές Παραδείγµατα: Corba Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 19
Ετερογένεια (3). Κινητός Κώδικας Λύση 2: χρήση κινητού κώδικα Κινητός κώδικας είναι ο κώδικας ο οποίος µπορεί να σταλεί από ένα υπολογιστή σε ένα άλλο και να εκτελεστεί στον προορισµό του Η χρήση κινητού κώδικα προϋποθέτει ένα περιβάλλον εκτέλεσης του, το οποίο να είναι κατάλληλο από Ολους τους υπολογιστές Π.χ. Java Applets. Κάθε υπολογιστής έχει την δυνατότητα δηµιουργίας µιας εικονικής Java µηχανής (JVM), η οποία παρέχει ένα τρόπο να κάνει εκτελέσιµο τον κώδικα σε οποιοδήποτε υλικό Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 20
Ανοικτότητα Ανοικτότητα ενός υπολογιστικού συστήµατος είναι το χαρακτηριστικό του εκείνο που καθορίζει αν ένα σύστηµα µπορεί να επεκταθεί και να επαναϋπολογιστεί µε διαφορετικούς τρόπους Αρχικά καθορίζεται από το βαθµό στον οποίο µπορούν να προστεθούν νέες υπηρεσίες διαµοιρασµού πόρων Οι νέες υπηρεσίες είναι διαθέσιµες για χρήση από µια ποικιλία δευτερευόντων προγραµµάτων Πρέπει να είναι διαθέσιµες οι προδιαγραφές και τα τεχνικά χαρακτηριστικά των διεπαφών που προσφέρει το σύστηµα στους προγραµµατιστές που αναπτύσσουν το λογισµικό Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 21
Ανοικτότητα (2) Η περιγραφή των διεπαφών είναι µόνο η αρχή για τη δηµιουργία και την επέκταση των υπηρεσιών Οι προγραµµατιστές πρέπει να χειριστούν την πολυπλοκότητα των ΚΣ Αποτελούνται από πολλά συστατικά Τα συστατικά έχουν σχεδιαστεί από διαφορετικούς ανθρώπους Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 22
Ασφάλεια Πολλοί από τους πόρους ενός συστήµατος έχουν υψηλή πραγµατική αξία για τους χρήστες τους Η ασφάλεια τους είναι ιδιαίτερης σηµασίας Η ασφάλεια έχει τρεις πτυχές Εµπιστοσύνη προστασία από έκθεση σε άτοµα χωρίς εξουσιοδότηση Ακεραιότητα προστασία από αλλαγές ή διαφθορά ιαθεσιµότητα προστασία από παρεµβολές µε σκοπό να υπάρξει πρόσβαση στους πόρους Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 23
Ασφάλεια (2) Κατά την επικοινωνία, µέσω µηνυµάτων, υπολογιστών που συµµετέχουν σε ένα ΚΣ υπάρχει κίνδυνος ασφάλειας εαν υπάρχει ελεύθερη πρόσβαση σε όλους τους πόρους του τοπικού δικτύου Χρήση Firewall για την προφύλαξη του δικτύου, περιορισµός των εισερχόµενων και εξερχόµενων κλήσεων ΕΝ διασφαλίζει την κατάλληλη χρήση των πόρων από τις διεργασίες στο ίδιο τοπικό δίκτυο ΕΝ διασφαλίζει την κατάλληλη χρήση των πόρων του δικτύου που δεν προστατεύονται από Firewalls Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 24
Ασφάλεια (3) Η πρόκληση είναι η αποστολή ευαίσθητων πληροφοριών µέσω µηνυµάτων µε ασφαλή τρόπο Η ασφάλεια δεν είναι µόνο θέµα απόκρυψης περιεχοµένου των µηνυµάτων Πρέπει να είναι γνωστή η ταυτότητα του χρήστη Πως θα γίνει σωστή πιστοποίηση ενός χρήστη εξ αποστάσεως; Αντιµετώπιση των προκλήσεων αυτών µε χρήση τεχνικών ΚΡΥΠΤΟΓΡΑΦΗΣΗΣ Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 25
Ασφάλεια (4) Επιθέσεις άρνησης υπηρεσιών Ένας κακόβουλος χρήστης, για κάποιο λόγο, θέλει να διακόψει µια υπηρεσία «βοµβαρδίζει» την υπηρεσία µε ένα τεράστιο αριθµό ψευδών αιτηµάτων Οι υπόλοιποι χρήστες εν µπορούν να χρησιµοποιήσουν την υπηρεσία Ασφάλεια κινητού κώδικα Ο κινητός κώδικας πρέπει να χειρίζεται µε ΠΡΟΣΟΧΗ Κάποιος λαµβάνει ένα εκτελέσιµο αρχείο µέσω email. Πως µπορεί να ξέρει εκ των προτέρων αν µπορεί να το εκτελέσει; Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 26
υνατότητα Κλιµάκωσης Τα ΚΣ λειτουργούν αποτελεσµατικά και αποδοτικά σε διαφορετικά επίπεδα, που εκτείνονται από µικρά τοπικά δίκτυα έως το internet Ένα σύστηµα διαθέτει δυνατότητα κλιµάκωσης αν οι ρυθµοί εκτέλεσης των διεργασιών διατηρούνται στα Ι ΙΑ επίπεδα ανεξάρτητα από πιθανές αυξήσεις των απαιτήσεων των χρηστών Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 27
υνατότητα Κλιµάκωσης (2) Έλεγχος του κόστους των φυσικών πόρων. Όσο αυξάνεται η απαίτηση για ένα πόρο, θα πρέπει να είναι δυνατή η επέκταση του συστήµατος, µε λογικό κόστος, έτσι ώστε αυτή να ικανοποιείται Π.χ.Η συχνότητα πρόσβασης σε ένα φάκελο στο τοπικό δίκτυο είναι πιθανό να αυξηθεί όσο αυξάνεται ο αριθµός των χρηστών Λύση: εγκατάσταση πρόσθετων διαχειριστών αποθηκευτικών µονάδων για να αποφευχθεί κώλυµα στην απόδοση Για να έχει ένα σύστηµα µε n χρήστες δυνατότητα κλιµάκωσης, η ποσότητα των φυσικών πόρων που απαιτούνται για να τους υποστηρίξει θα πρέπει να είναι το πολύ O(n) Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 28
υνατότητα Κλιµάκωσης (3) Έλεγχος της απώλειας απόδοσης. Έστω η διαχείριση ενός συνόλου πληροφοριών του οποίου το µέγεθος είναι ανάλογο µε τον αριθµό των χρηστών ή των πόρων του συστήµατος Οι αλγόριθµοι που χρησιµοποιούν ιεραρχικές δοµές έχουν µεγαλύτερη δυνατότητα κλιµάκωσης από αυτούς που χρησιµοποιούν γραµµικές δοµές Η µέγιστη απώλεια απόδοσης ΕΝ πρέπει αν είναι χειρότερη από O(log n ) που είναι ο χρόνος πρόσβασης σε ιεραρχικές δοµές. Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 29
υνατότητα Κλιµάκωσης (4) Παρεµπόδιση εξάντλησης πόρων λογισµικού. Π.χ., η ονοµατολογία που χρησιµοποιείται στις διευθύνσεις των υπολογιστών στο Internet. Αποφυγή κωλυµάτων απόδοσης- οι αλγόριθµοι πρέπει να αποκεντρώνονται Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 30
Ανεκτικότητα σε σφάλµατα Οποιαδήποτε διεργασία, υπολογιστής ή δίκτυο µπορεί να συναντήσει κάποιο σφάλµα στη λειτουργία του Όταν προκύψουν σφάλµατα : Οι διεργασίες µπορεί να παράγουν λανθασµένα αποτελέσµατα Οι διεργασίες µπορεί να σταµατήσουν πριν ολοκληρώσουν τον υπολογισµό Πρέπει να διασφαλιστεί η ανοχή σε σφάλµατα µε κατάλληλο τρόπο έτσι ώστε Να αποτρέπονται λανθασµένα αποτελέσµατα Αν ολοκληρώνεται ο υπολογισµός Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 31
Ανεκτικότητα σε σφάλµατα (2) Τα σφάλµατα στα ΚΣ µπορεί να αφορούν συγκεκριµένες µονάδες Ορισµένες µονάδες παύουν να λειτουργούν Άλλες συνεχίζουν να λειτουργούν κανονικά Σωστός χειρισµός σφαλµάτων συνιστά τις ακόλουθες τεχνικές: 1. Ανίχνευση σφαλµάτων 2. Αντιµετώπιση σφαλµάτων 3. Ανοχή σφαλµάτων 4. Ανάκτηση από σφάλµατα 5. Πλεονασµός 6. ιαθεσιµότητα Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 32
Παραλληλία Ένα ΚΣ µπορεί να έχει πολλούς χρήστες Υπάρχει περίπτωση να προκύψουν παράλληλες αιτήσεις για ένα πόρο του συστήµατος Κάθε πόρος του συστήµατος πρέπει να προσφέρεται µε συνέπεια σε όλα τα µέρη του συστήµατος που επιθυµούν να τον χειριστούν ταυτόχρονα Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 33
ιαφάνεια ιαφάνεια είναι η απόκρυψη από ένα χρήστη ή ένα προγραµµατιστή του διαχωρισµού των συστατικών σε ένα ΚΣ, έτσι ώστε το σύστηµα να γίνεται αντιληπτό σαν ένα σύνολο και όχι σαν µια συλλογή ανεξάρτητων συστατικών ιαφάνεια πρόσβασης ιαφάνεια Τοποθεσίας ιαφάνεια Μετατόπισης ιαφάνεια Αναπαραγωγής ιαφάνεια Παραλληλίας ιαφάνεια Κλιµάκωσης ιαφάνεια Απόδοσης ιαφάνεια Σφάλµατος Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 34
ιαφάνεια (2) Η ιαφάνεια Πρόσβασης και η ιαφάνεια Τοποθεσίας είναι οι σηµαντικότερες µορφές διαφάνεια και πολλές φορές καλούνται ιαφάνεια ικτύου Μαρία Ι. Ανδρέου Κατανεµηµένα Συστήµατα 35