PDF de programación - Arquitecturas de Hardware en Sistemas Distribuidos - Sistemas de Operación II

Sistemas de Operación II

Arquitecturas de Hardware
en Sistemas Distribuidos

Prof. Carlos Figueira

Basado en material de
Yudith Cardinale (USB)

Andrew Tanembaum y Marteen van Steen

Contenido

● Definición de Sistemas Distribuidos
● Aspectos de software
● Aspectos de hardware
● Aspectos de diseño

Carlos Figueira/USB

2

Definición de Sistemas

Distribuidos

Colección de computadores independientes
que se presentan ante los usuarios como un

único sistema coherente

 Aspectos de hardware: Los computadores son
independientes
 Aspectos de software: los usuarios piensan que
existe un único sistema

Carlos Figueira/USB

3

Definición de Sistemas

Distribuidos

Consecuencias de los sistemas
distribuidos:

 Concurrencia
 Inexistencia de reloj global
 Fallas independientes

Carlos Figueira/USB

4

Aspectos de Software:

Conceptos

Los sistemas de operación para sistemas
distribuidos se dividen en:

 Software débilmente acoplado:

 Permite a los usuarios y máquinas ser
fundamentalmente independientes unos de otros

 Los componentes interactúan cuando es necesario

 Software fuertemente acoplado:

 Se requiere la colaboración de todos los elementos

del software para llevar a cabo un objetivo común

 Comunicación intensiva

Carlos Figueira/USB

5

Aspectos de Software:

Conceptos

SISTEMAS DE OPERACIÓN DISTRIBUIDOS:

 Colección de componentes de software que
simplifican las tareas de programación y soportan un
amplio rango de aplicaciones

 Son modulares y extensibles: se pueden agregar
respuesta a nuevas

nuevos componentes en
necesidades

 Poseen mecanismos de comunicación y esquemas

de protección globales

 Software fuertemente acoplado
 Usados para sistemas homogéneos

Carlos Figueira/USB

6

Aspectos de Software:

Conceptos

 SISTEMAS PARALELOS:

 Buscan obtener máxima velocidad en problema(s)

determinado(s)

 Software fuertemente acoplado

 SISTEMAS DE OPERACIÓN DE REDES:

 Conjunto de computadores conectados por una red
 Existe autonomía en cada estación

 Software débilmente acoplado
 Usados para sistemas heterogéneos

Localización de los objetos no es transparente

Carlos Figueira/USB

7

Aspectos de Software:

Conceptos

 SISTEMAS DE OPERACIÓN PARA

MULTIPROCESADORES
 Conjunto de procesadores conectados por un

bus

 Existe una sola memoria (memoria

compartida)

 Existe un único sistema de operación
 Sincronización con semáforos y monitores

Carlos Figueira/USB

8

Aspectos de Software:

Conceptos

 SISTEMAS DE OPERACIÓN PARA

MULTICOMPUTADORES
 Conjunto de máquinas conectadas por una

red

 Desarrollado para multicomputadores



homogéneos
La comunicación se realiza a través de pase
de mensajes

Carlos Figueira/USB

9

Aspectos de Software:

Conceptos

 SISTEMAS DE MEMORIA COMPARTIDA

DISTRIBUIDA:
 Sobre sistemas multicomputadores, de
memoria distribuida, se simula memoria
compartida

 Se usan los mecanismos de comunicación y
sincronización de sistemas multiprocesadores

Carlos Figueira/USB

10

Aspectos de Software:

Conceptos

 Capas intermedias (Middlewares)

 Componentes (no son sistemas) que toman las

ventajas de los sistemas de operación distribuidos
(transparencia y facilidad de uso) y los sistemas de
operación de redes (escalabilidad y flexibilidad)
 Se monta sobre sistemas de operación locales

diferentes
Integra total heterogeneidad



Carlos Figueira/USB

11

Aspectos de Hardware

● Hardware fuertemente acoplado:

 El retardo del envío de un mensaje es poco:

baja latencia

 La tasa de transferencia de datos es alta: buen

ancho de banda

 Generalmente son de memoria compartida

● Hardware débilmente acoplado:

 Latencia alta
 Bajo ancho de banda

Carlos Figueira/USB

12

Aspectos de Hardware

● Taxonomía de Flynn (1972): - Basada en el
Nro. de flujos de instrucciones y en el Nro.
de flujos de datos.
 SISD: Single Instruction, Single Data

 Computadores de 1 CPU.

 SIMD: Single Instruction, Multiple Data

 Computadores vectoriales.
 Computadores paralelos.

Carlos Figueira/USB

13

Aspectos de Hardware

Multiple

 MISD:
Data.
 No hay computadores en esta clasificación.

Instruction, Single

Instruction, Multiple

Multiple

 MIMD:
Data.
 Sistemas Distribuidos.
 Computadores paralelos.
 Clusters de PCs y estaciones de trabajo

Carlos Figueira/USB

14

Aspectos de Hardware

● Clasificación de Tanenbaum para los Sistemas

MIMD.

Carlos Figueira/USB

15

Aspectos de Hardware

 Multiprocesadores basados en Buses

Alivia la

sobrecarga del
bus y aumenta el

rendimiento

Problema con el cache: Memoria Incoherente
 Solución:

–Cache de escritura (write-through cache)
–Cache Monitor (snoopy cache)
–Software de consistencia

Carlos Figueira/USB

16

Aspectos de Hardware

 Multiprocesadores

basados

en

conmutadores:
Útil para conectar alrededor de 64
procesadores
Se basan en
 Dividir la memoria en módulos
 Conectar los CPUs a la memoria a través de

conmutadores

Carlos Figueira/USB

17

Aspectos de Hardware

 Con conmutador de cruceta (crossbar switch)

N memorias

N procesadores

– Problema: El Nro.
de puntos de cruce
puede ser alto: N2
– Solución: Redes
bloqueantes (p.e.,
Omega)

Carlos Figueira/USB

18

Aspectos de Hardware

Usando una Red
Omega

– Nro. de etapas:
log2N
– Nro. de
conmutadores por
etapa: N/2
– Nro. Total de
conmutadores: N/2 *
log2N
– Problema: Retardo

Carlos Figueira/USB

19

Aspectos de Hardware

Usando un Sistema jerárquico o Acceso
no uniforme a Memoria (NUMA)
– Cada CPU
tiene su memoria
Acceso rápido a su propia memoria y
lento a la memoria de otros CPUs
– Otro Problema: Distribución de
los
programas y datos para que los accesos
sean rápidos.

local

Carlos Figueira/USB

20

Aspectos de Hardware

 Multicomputadores basados en Buses:

Estaciones
de Trabajo

 Ventaja frente a esquemas anteriores: sólo hay que
resolver los problemas de comunicación entre
CPUs y no entre CPUs - Memoria.

Carlos Figueira/USB

21

Aspectos de Hardware

 Multicomputadores con conmutadores:

 Malla (Parsytec)

– El último elemento en una fila está conectado al
primero en la próxima.

 Hipercubos (Ncube)

Carlos Figueira/USB

22

Aspectos de Hardware

 Multicomputadores con conmutadores:

 MPPs (Massively Parallel Processors)

 Clusters

 Multicomputadores heterogéneos conectados con

conmutadores
 Clusters Heterogéneos

Carlos Figueira/USB

23

Aspectos de Hardware

 Massively Parallel Processors

 Computadores paralelos con cientos de procesadores
 Top 500

Aspectos de Hardware

Procesadores masivamente paralelos

 Lista de las máquinas más rápidas (TOP 500, www.top500.org)

Aspectos de Hardware

 CLUSTERS

 Computadoras genéricas unidas por red de alta
velocidad y bajo retardo

 Clusters y MPP dominan la lista TOP500

 Cómo construir clusters:

 Conjunto de estaciones de trabajos, PCs
 En Racks

 Sin disco
 Con Disco

Carlos Figueira/USB

26

Aspectos de Hardware

Cluster Miranda, Lab. CAR, USB

Carlos Figueira/USB

27

Aspectos de Hardware

 Ventajas de los clusters:

 Alto rendimiento
 Alta disponibilidad
 Balance de carga
 Mejor relación costo/beneficio
 Escalabilidad
 Reutilización
 Disponibilidad de herramientas Open source (Ej.

Gluster, MOSIX, etc.)

Carlos Figueira/USB

28

Los Sistemas Distribuidos proveen:

● Transparencia
● Concurrencia
● Compartir recursos
● Inexistencia de un reloj global
● Integración de heterogeneidad
● Fallas independientes
● Ejemplos: Internet, Intranets, Computación móvil,

Computación Ubicua.

Carlos Figueira/USB

29

Aspectos del Diseño de los SOD

HETEROGENEIDAD

● En aspectos como redes, hardware,
sistemas de operación, lenguajes de
programación e implementaciones de
diferentes desarrolladores

● Se puede ocultar con una capa

middleware.

Carlos Figueira/USB

30

Aspectos del Diseño de los SOD

COMPARTIR RECURSOS

● Importante para reducir costos y por

necesidades específicas

● Se requiere de administradores de recursos

para acceder, manipular y actualizar los
recursos en forma confiable y consistente

Carlos Figueira/USB

31

Aspectos del Diseño de los SOD

TRANSPARENCIA

● No debe hacer distinciones entre recursos

locales y remotos

● Debe facilitar la movilidad del usuario
● Puede ser alcanzada en dos niveles:

 Ocultar la distribución a los usuarios
 Haciendo que el sistema luzca transparente a

los programas

Carlos Figueira/USB

32

Aspectos del Diseño de los SOD

TRANSPARENCIA

● Tipos de Transparencia:

 De localización. Esconde dónde se localizan los

recursos
 Los usuarios no pueden indicar la ubicación de los

recursos de hardware o software

 machine1: proc.c

 De acceso. Esconde diferentes representaciones de

datos y cómo son accedidos los recursos
 Permite acceder los recursos locales y remotos

empleando las mismas operaciones

Carlos Figueira/USB

33

Aspectos del Diseño de los SOD

TRANSPARENCIA

 De migración: No hay cambio de nombres cuando

se moviliza un recurso

 De replicación

 El SO copia los archivos más usados en los

diferentes servidores sin que lo noten los
usuarios

 Cada servidor tiene toda la estructura del árbol

de directorios

Carlos Figueira/USB

34

Aspectos del Diseño de los SOD

TRANSPARENCIA

 De concurrencia

 Los usuarios no deben notar la existencia de otros

cuando accedan a un mismo recurso.

 De paralelismo

 Ideal: Los programadores y usuarios no necesitan indicar
en forma explícita cómo se van a distribuir sus procesos
y datos (El Sistema de Operación se ayuda con el
compilador).

 Frente a fallas: esconde la falla y recuperación de

un recurso

Carlos Figueira/USB

35

Aspectos del Diseño de los SOD

FLEXIBILIDAD

● Posibilidad de que el sistema pueda ser

extendido de varias formas.

● Núcleo Monolítico vs. Micro-núcleo

 Núcleo Monolítico (Sprite):

 Propo