Introdução

Introdução a Sistemas Distribuídos

Considera-se um Sistema Distribuído aquele em que componentes de hardware ou software localizados em computadores ligados em rede, comunicam e coordenam as suas ações através de troca de mensagens.

Computadores nesta rede podem estar separados por qualquer distância física, seja continental ou na mesma sala.

Esta definição resulta nas seguintes características:

• Há concorrência - Diferentes nós do sistema executam em concorrência.
• Não há relógio global - A comunicação entre nós é feita através de mensagens, que podem ser atrasadas. Não existe uma única noção global de tempo.
• As falhas são (normalmente) independentes - Falhas em um nó não afetam necessariamente outros nós.

Acesso a Recursos - Serviços e Servidores

Um dos principais motivadores para a criação de sistemas computacionais (não só os distribuídos) é a necessidade de acesso a recursos. Utilizadores esperam poder aceder a uma página web, desconhecendo o disco rígido onde a mesma se encontra.

As diferenças nos requisitos destes sistemas levam a que seja necessário definir mecanismos para o acesso. Usa-se o termo Serviço para designar uma parte distinta de um sistema computacional que gere um conjunto de recursos e apresenta a sua funcionalidade a utilizadores e aplicações.

Por exemplo, um serviço de ficheiros apresenta operações de escrita, leitura e remoção sobre um conjunto de ficheiros.

Serviços restringirem o acesso a recursos através de um conjunto bem definido de operações, reflete a organização de sistemas distribuídos, em específico a comunicação por mensagens. É necessário que os recursos sejam geridos por um processo que exponha uma interface de comunicação.

Um Servidor é um processo num computador numa rede que aceita pedidos de outros processos para cumprir um serviço e devolve uma resposta. Os processos que fazem pedidos são chamados Clientes e podem estar em qualquer computador da rede.

Desafios

Conforme referido anteriormente, os sistemas distribuídos apresentam algumas características que os tornam mais complexos, resultando em desafios que devem ser enfrentados. Os principais sendo:

• Heterogeneidade - Sistemas distribuídos são compostos por diferentes tipos de computadores, em redes diferentes, com diferentes arquiteturas, sistemas operativos e linguagens de programação. Protocolos Internet de comunicação são chave para esconder a diferença entre redes, e middleware pode lidar com as diferenças restantes.
• Abertura (Openness) - Para uma dada definição de serviço podem existir várias implementações.
• Segurança - Um sistema distribuído seguro requer confidencialidade (proteção contra acesso por indivíduos não autorizados), integridade (proteção contra alteração ou corrupção) e disponibilidade (proteção contra interferência com os meios de acesso aos recursos).
• Escalabilidade - Um sistema distribuído escalável deve ser capaz de acompanhar o crescimento da sua utilização, sem que a sua performance se degrade ou que o seu custo aumente de forma exponencial.
• Tratamento de Faltas - Qualquer processo, computador ou network pode falhar independentemente dos outros. Assim sendo, cada componente deve conhecer as possíveis falhas dos componentes em que depende e ser capaz de lidar com cada uma dessas falhas apropriadamente.
• Concorrência - A presença de múltiplos utilizadores num sistema distribuído é uma fonte de pedidos concorrentes aos seus recursos. Cada recurso deve ser desenhado para ser seguro num ambiente concorrente.
• Transparência - O objetivo da transparência é abstrair certos aspetos da distribuição, tornando desenvolvimento de aplicações mais simples.

Modelos Fundamentais

Modelos Fundamentais de um sistema destilam as características essenciais necessárias para compreender o sistema. Permitem:

• Tornar explicitos todos os pressupostos relevantes sobre o sistema a ser modelado; e
• Generalizar o que é possível ou impossível, dados esses pressupostos. Estas generalizações podem ser a garantia de propriedades desejadas, demonstradas através de análise lógica ou provas matemáticas.

Os aspetos do comportamento de sistemas distribuídos que são modelados são:

• Interação - O modelo de interação reflete a forma como a comunicação entre processos é realizada.
• Faltas - O modelo de faltas reflete a falibilidade dos componentes do sistema, definindo e classificando as faltas que podem ocorrer. Com base neste modelo, é possível analisar o potencial impacto das faltas e definir como lidar com elas.
• Segurança - O modelo de segurança reflete a susceptibilidade do sistema a ataques, definindo e classificando os ataques que podem ocorrer. Com base neste modelo, é possível encontrar os riscos que corre o sistema e definir como o defender de ataques.

Modelo de Interação

Processos interagem para realizar toda a atividade de um sistema distribuído. Cada processo tem o seu estado, constituído pelo conjunto de dados que pode aceder e atualizar. O estado de cada processo é completamente privado, ou seja, não pode ser acedido ou atualizado por outro processo.

Sendo assim, mensagens são transmitidas entre processos para transferir informação entre eles e coordenar a sua atividade. A taxa na qual cada processo prossegue e o timing de transmissão de mensagens entre eles não pode, em geral, ser previsto. Também é difícil descrever todos os estados de um algoritmo distribuído, porque ele deve lidar com as falhas de um ou mais dos processos envolvidos ou a falha de transmissões de mensagens.

É preciso então modelar a interação entre processos de forma a que seja possível compreender o comportamento do sistema.

Características dos Canais de Comunicação

Independentemente do modo como os canais de comunicação são implementados, comunicação numa rede de computadores tem sempre as seguintes propriedades de desempenho:

• Latência - O tempo entre o começo da transmissão de uma mensagem num processo e o começo da sua receção no destino.
• Largura de Banda - A quantidade total de informação que pode ser transmitida num canal num dado intervalo de tempo.
• Jitter - A variação no tempo que leva a transmitir uma série de mensagens.

Outras considerações importantes para além das de desempenho:

• Ordem de mensagens - Se o canal assegura que as mensagens são recebidas na mesma ordem em que foram enviadas.
• Repetição de mensagens - Se o canal assegura que as mensagens são recebidas apenas uma vez.

Relógios

Cada computador num sistema distribuído tem o seu próprio relógio, que pode ser usado por processos para obter o tempo atual. No entanto, mesmo que dois processos em computadores diferentes obtenham valores para o tempo atual ao mesmo tempo, não é garantido que os valores sejam iguais.

Isto é causado pelo facto de que os relógios, com o passar do tempo, se afastam do tempo real e a taxa a que este afastamento ocorre varia de computador para computador. Mesmo que inicialmente os relógios do sistema distribuído estejam sincronizados, eventualmente irão divergir.

A deriva do relógio é a taxa a que o relógio se afasta do tempo real.

Duas Variantes do Modelo de Interação

Na prática, é dificil colocar limites no tempo de execução de processos, latência ou na deriva de relógios. Sendo assim, usamos os dois casos extremos para criar variantes simples do modelo.

• Sistema Distribuído Síncrono - O tempo de execução de cada passo de um processo, a latência e a deriva do relógio têm todos limites superiores e inferiores conhecidos. Simplificam os problemas a resolver, mas são pouco comuns na prática.
• Sistema Distribuído Assíncrono - O tempo de execução do processo, a latência ou a deriva do relógio são arbitrários. Na prática, a maioria dos sistemas distribuídos são deste tipo.

Se um sistema distribuído não é síncrono, então é assíncrono.

Modelo de Faltas

Em sistemas distribuídos, tanto os processos como os canais de comunicação podem falhar. O modelo de faltas define os tipos de faltas que podem ocorrer de forma a permitir compreender os efeitos de cada.

Faltas Silenciosas (Omissão)

Uma falha silenciosa ocorre quando um componente do sistema distribuído deixa de realizar a sua função.

As faltas silenciosas podem tanto ocorrer em processos como em canais de comunicação.

Uma falta silenciosa de processo ocorre quando um processo pára e não responde a nenhum estímulo externo. Caso seja detetável por outros processos é designada por fail-stop, caso contrario é designada por crash.

Num sistema distribuído síncrono, todas as faltas silenciosas de processo são detetáveis por timeouts dado que é conhecido o limite superior do tempo de execução e da latência. Ou seja, são do tipo fail-stop.

Por outro lado, num sistema distribuído assíncrono, é muito díficil distinguir se um processo falhou ou se apenas ocorreu um atraso (na execução ou na transmissão).

Uma falta silenciosa de comunicação ocorre quando um canal de comunicação não transmite uma mensagem. Isto pode ocorrer em 3 etapas distintas do processo de comunicação, ilustrado na figura abaixo.

Caso a mensagem seja perdida antes de chegar ao buffer de emissão, é designada por send-omission.

Caso seja perdida depois de chegar ao buffer de receção, mas antes de chegar ao processo recetor, é designada por receive-omission.

Por fim, se for perdida no próprio canal de comunicação, trata-se de uma channel-omission.

Faltas Arbitrárias (Bizantinas)

As faltas préviamente abordadas são comuns e consideradas benignas, por outro lado, faltas arbitrárias são o pior cenário possível, em que qualquer erro pode ocorrer.

Uma falta arbitrária de processo não responde ou responde de forma errada a um estímulo, ou quando um processo responde sem receber qualquer estímulo. Não é garantido que a falta ocorra de forma consistente, tornando a deteção destas faltas muito difícil.

Uma falta arbitrária de comunicação ocorre quando um canal de comunicação altera os conteúdos de uma mensagem, quando uma mensagem é repetida, ou quando é entregue uma mensagem que não existe. Como será visto já de seguida, estas faltas são mais simples de mascarar do que as de processo.

Mascarar Faltas

Cada componente de um sistema distribuído é geralmente construído de um conjunto de outros componentes. É possível construir componentes confiáveis a partir de componentes que exibem faltas.

Conhecendo as características das faltas de cada componente, permite que um novo serviço mascare as faltas dos componentes subjacentes. Define-se mascarar como esconder por completo a falta ou torná-la noutra falta mais aceitável.

Alguns exemplos de serviços que mascaram faltas:

• Checksums podem ser usadas para detetar corrupção de mensagens, e números de sequência para detetar repetição de mensagens. Mascarando assim faltas arbitrárias de comunicação.
• O protocolo TCP mascara faltas silenciosas de comunicação, garantido que as mensagens são entregues através de retransmissões.

Modelo de Segurança

Este modelo será abordado mais tarde.

Referências

• Coulouris et al - Distributed Systems: Concepts and Design (5th Edition)
  • Secções 1.1, 1.4, 1.5 e 2.4
• Departamento de Engenharia Informática - Slides de Sistemas Distribuídos (2022/2023)
  • 1 Introdução, 4a Tolerância a Faltas