Introduction aux systèmes répartis

Introduction aux systmes rpartisFrank Singhoff

Bureau C-203

Universit de Brest, France

LISyC/EA 3883

[email protected]

UE systmes rpartis, Universit de Brest Page 1/63

Sommaire

1. Principes gnraux sur les systmes rpartis.

2. Paradigmes et services de communication.

3. Principaux problmes de coordination et de cohrencede donne.

4. Conclusion, synthse.

5. Rfrences.

6. Acronymes.


Sommaire

Prsentation, dfinitions.

Principaux problmes soulevs et services offerts parun systme rparti.


Prsentation, dfinitions

"Un systme rparti est un ensemble de machinesautonomes connectes par un rseau, et quipes dunlogiciel ddi la coordination des activits du systmeainsi quau partage de ses ressources." Coulouris et al.[COU 94].

"Un systme rparti est un systme qui sexcute sur unensemble de machines sans mmoire partage, mais quepourtant lutilisateur voit comme une seule et uniquemachine." Tanenbaum [TAN 94].

Systmes fortement et faiblement coupls.

Notion dimage unique du systme = systmegnralement incomplet.


Pourquoi un systme rparti ?

1. Partage des ressources (donnes, applications, priphriqueschers). Optimisation de leur utilisation (ex : au LIP6, machines etprocesseurs libres 69% et 93% du temps).

2. Tolrance aux pannes (fiabilit, disponibilit).

3. Contraintes physiques (ex : avionique, usines automatises).

4. Interconnexion de machines ddies (ex : MVS-CICS + PCwindows).

5. Facilite la communication entre utilisateurs.

6. Concurrence, paralllisme = efficacit.

7. Prix des processeurs de petite puissance infrieur ceux de grandepuissance = raisons conomiques.

8. Flexibilit, facilit dextension du systme (matriels, logiciels).Sauvegarde de lexistant.


Ce quoffre un systme rparti

1. Transparence la localisation = dsignation. Lutilisateur ignorela situation gographique des ressources. Transparence lamigration.

2. Transparence daccs. Lutilisateur accde une ressource localeou distante dune faon identique.

3. Transparence lhtrognit. Lutilisateur na pas se soucierdes diffrences matrielles ou logicielles des ressources quil utilise.Notion dinteroprabilit.

4. Transparence aux pannes (rseaux, machines, logiciels). Lespannes et rincarnations sont caches lutilisateur. Transparence la rplication.

5. Transparence lextension des ressources. Extension ourduction du systme sans occasionner de gne pour lutilisateur(sauf performance).


Exemple 1 : le systme UNIX

printcap

hostprintcaphost

passwdpasswd

tetris

pacman

/jeux

Transparence daccs et la localisation : NFS, le servicedimpression. NIS : transparence la localisation mais pas daccs(ypcat).

Dsignation : nom de machine + port. Pas indpendante deladressage.

Interoprabilit : RPC (XDR), IP.


Exemple 2 : le Web

(machinevirtuelle)

Disque

Processus

Bytecode Java, fichier texte Netscape

httpd

GET

Transparence la localisation : liens hypertexte.

Transparence daccs : URL (site 6= adresse IP).

Dsignation : URL, DNS Internet.

Interoprabilit : Java bytecode et machine virtuelle, pages HTML,Web Services (J2EE, .NET).


Sommaire

Prsentation, dfinitions.

Principaux problmes soulevs et services offerts parun systme rparti.


Cohrence et synchronisation (1)

Architecture :

1. Centralise = 1 horloge. Ordre total.

2. Rpartie = plusieurs horloges non synchronises +communications asynchrones =plus dtat globalfacilement calculable et prsence dindterminismelogique.

Problmes : partage de donnes rparties etcoordination rpartie.

Solutions : algorithmes ddis dlection, dexclusionmutuelle, de consensus, de terminaison, etc.



Exemple 1 : partage de donnes rparties

Echanges demail = consensus rparti

Rponses reues avant les questions.

Exemple 2 : coordination rpartie

Mise au point dun programme : comment arrterplusieurs processus rpartis simultanment ? =synchronisation.

Comment rexcuter une application ? =indterminisme logique.


Dsigner les ressources du systme

"Dsigner un objet consiste lui affecter un nom permettant de lui fairerfrence" [MAR 88].

Nom indpendant de la localisation gographique (pannes,migrations) et du temps.

Nom = ressource = rutilisation.

Adresse 6= nom. Translation nom = adresse = service delocalisation (chane de rfrences, diffusion, fonctionnelle, serveur delocalisation).

Espace de nommage/adressage, contexte (ex : dsignationhirarchique).

Serveur centralis ou par type de ressource (systme de fichiers) ;performance, rsistance aux pannes, facilit de ralisation,rpartition ou non du catalogue (cohrence).


Support de lhtrognit

Services interoprables : comment saffranchir des diffrencesmatrielles et logicielles des machines du systme ?

Sources dhtrognit :

1. La reprsentation des donnes en mmoire :

Le problme des petits indiens (systmes big indian et littleindian).

Reprsentation des flottants (ex : PC sur 80 bits, norme IEEE en64 et 128 bits).

Entiers complments 1 ou 2.

Alignement des donnes en mmoire.

2. Les langages de programmation, les excutables, les systmesdexploitation.

3. Les protocoles de communication.


Transparence aux pannes (1)

Objectif : cacher lutilisateur loccurrence de pannes.Reste un problme difficile dans un systme asynchrone.

Un systme distribu est un systme avec lequel je nepeux rien faire car une machine que je ne connais pas esten panne". Lamport.

Type de pannes : pannes temporelles, pannes dites"silencieuses" (crash), pannes byzantines.

Solutions par points de reprise globaux = commentprendre un tat cohrent du systme (message dufutur).

Solutions base de redondance.



Redondance active :

Voteur

Composant

actif

Composant

actif

Composant

actif

Sortie

Entre

Entre

Entre

Groupe de serveurs + vote (consensus).

Application dterministe.

Consensus impossible dans un systme asynchrone.



Redondance passive :

Composant

actif

Composant

passif

Composant

passif

Entre

Etat Etat

Sortie

Matre/esclaves (journalisation).

Application non dterministe mais systmes coteux.

Quoi et comment journaliser ?


Autres problmes importants

Scurit. Accs aux donnes confidentielles.Authentification. Utilisation des ressources(priphriques, logiciels licencis). Malveillance.

Performance (ncessite de faire au moins aussi bienquun systme centralis) =mcanismes ajoutspour la tolrance aux pannes, la scurit, latransparence, etc.

Passage lchelle (algorithmes centraliss).

Administration (ex : NFS).

Etc.


Rsum : services offerts

En plus des services classiquement rencontrs dans unsystme, le systme rparti doit donc offrir :

Services de dsignation et de localisation.

Services de communication.

Services de synchronisation.

Services de tolrance aux pannes.

Services de scurit.


Aspects architecturaux

O se trouvent ces services ?

Dans la couche transport (UNIX + TCP/IP).

Dans le langage de programmation (Ada 95, Java RMI).

Dans le "Middleware"/intergiciel (CORBA, RPC, .NET).Logiciel se situant entre le systme dexploitation et lesapplications.

Dans le systme dexploitation (Chorus, Mach,Amoeba) =micro-noyau.


Sommaire





5. Rfrences.

6. Acronymes.


Sommaire

1. Paradigmes de coopration.

2. Services de communication.


Paradigme client/serveur (1)

Client

Rponse

Requte

Service

Serveur

Notion de client, service et serveur (ex : service dimpression, debase de donnes) [ORF 95].

Interaction synchrone entre le client et le serveur : le client est bloqutant que le serveur na pas rpondu.

Serveur concurrent (processus, thread) ; ex : ftp.

Serveur avec ou sans tat.

Extensibilit, intgration de produits divers.

Diffusion, flots de donnes.UE systmes rpartis, Universit de Brest Page 22/63

Paradigme client/serveur (2)

Client/serveur : extension naturelle de la notion deservice dans un environnement centralis ... mais.

Pannes possibles : perte de la requte ou de la rponse,panne du serveur ou du client.

Notion de smantique des oprations :

Exactement une fois.

Au moins une fois (opration idempotente).

Au plus une fois.

Rincarnation du serveur si serveur avec tat(synchronisation, journalisation).


Paradigme des agents mobiles

Migration

Site de cration

Site B

Agent

Site A

Migration

Agent autonome se dplaant au grs des machines pour raliserses tches [BER 99]. Possde un tat.

Asynchrone = mieux adapt que le client/serveur destraitements longs.

Exemple : recherche sur le Web, administration rseaux = moinsde transfert de donnes.

Nouveaux problmes : scurit (de lagent, de lhte), mobilit ducode, dsignation. UE systmes rpartis, Universit de Brest Page 24/63

Paradigme de la mmoire partage

Mmoire prive

Processus

Machine

Rseau

partageMmoire rpartie

Transparence daccs et la localisation.

Persistance possible. Ramasse miettes.

Donnes partageables : variables, pages, objets. Copie en lecture,migration en criture. Problme de cohrence.

Adapt pour les applications de calculs parallles. Efficacit ?


Sommaire

1. Paradigmes de coopration.

2. Services de communication.


Services disponibles

Echange de messages asynchrones.

Services synchrones.

Des services synchrones aux systmes objetsrpartis.


Messages asynchrones

receive() receive()

send()send()

Cest la brique de base. Mode le plus rencontr.

Producteur/consommateur. Asynchrone = tampon.

Perte, duplication, dsquencement.

Bloquant ou non bloquant.

Ordre total local + ordre causal.

Lourd et compliqu pour le dveloppeur (il doit assurer toute lasynchronisation) mais puissant et souple.


Messages asynchrones : UDP

Socket

ProcessusProcessus

Ports

read() write()

Adresse Adresse

Sockets UDP (connectes ou non) = tampons.

Lecture et criture bloquante ou non.

UDP = datagramme non fiable.

Pas de dsignation mais adressage. Pas de transparence daccs et la localisation. Pas de gestion de lhtrognit.

Exemple de service : NFS = do serveur sans tat.


Communications synchrones

call() call()

receive()

receive() reply()

Contrairement au message asynchrone, le protocole est maintenantasymtrique : notion de client et de serveur.

Le client est bloqu jusqu la rponse du serveur.

Proprit dordre plus forte (ordre total sur les requtes dun mmeclient).

Gnralement ralises par messages asynchrones

Smantique dinvocation si bas sur une couche transport non fiable.


Appel de procdures distance (1)

Emballagedes paramtres

Dballagedes rsultats

Dballagedes paramtres

Emballagedes rsultats

Excution de larequte(attente)

Requte

Rponse

proc(a,b)

SouchesProcessus

Suite instructions

Structure le programme de faon familire pour le programmeur.

Communication transparente lutilisateur

Prise en compte de lhtrognit : srialisation et encodage desdonnes.

Notion de souches : encodage/dcodage + communication. Souchessouvent gnres.


Appel de procdures distance (2)

Exemple : les RPC SUN [RIF 95].

Htrognit grce aux filtres XDR ; srialisation destructures complexes.

Description des donnes en XDR, puis, utilisation ducompilateur rpcgen (gnration des filtres, sources,programme principal).

Pas de transparence daccs (signature desprocdures), et pas de transparence la localisation(numro de programme, version, procdure + adresseIP ). Service portmap pour le port.

Exemple dutilisation : NFS, NIS.

Possibilit dinvocation asynchrone (sans rsultat).


Le modle objets rpartis (1)

Extension de lappel de procdure distance dans le monde objet.

Objet = code + donnes (unit dencapsulation). Ce sont trssouvent des serveurs tat.

Transparence lhtrognit, la localication, laccs :

Inter-oprabilit (reprsentation des donnes, langages deprogrammation, protocoles et systmes).

Notion de proxy (design-pattern) : reprsentation locale dunobjet distant. Gnration automatique de ces proxies.

Gnration des composants logiciels par compilation dinterface.

Service de dsignation/nommage, dvnements(design-pattern).



Exemple 1 : Java RMI

Object exec(Task t);

Proxy (souche)

Client

}

Interface Java

Interface Java

Interface Java

public interface calcul extends Remote {

Serveur

rmiregistry

1. Quasi-totale transparence daccs = service dcrit par une interface Java. Pas detransparence la localisation.

2. Proxy gnr par rmic, srialisation.

3. Service de dsignation obligatoire (rmiregistry).

4. Protocoles de communication : JRMP ou GIOP (CORBA).

5. Support de linteroprabilit ... limit Java sauf GIOP.



Exemple 2 : CORBA

Bus objets/GIOP

IDLIDL

Client Serveur/objets

1. Transparence la localisation mais pas de transparence daccs = service dcriten IDL et API spcifique.

2. Gnrateur IDL = utilisation de proxy mais approche plus statique.

3. Service de dsignation optionnel.

4. Protocole de communication (bus) : GIOP.

5. Support de lhtrognit plus tendu. Portabilit, intgration de service.


Sommaire





5. Rfrences.

6. Acronymes.



Architecture :

1. Centralise = 1 horloge. Ordre total.

2. Rpartie = plusieurs horloges non synchronises +communications asynchrones =plus dtat globalfacilement calculable et prsence dindterminismelogique.

Problmes : partage de donnes rparties etcoordination rpartie.

Solutions : algorithmes ddis dlection, dexclusionmutuelle, de consensus, de terminaison, etc.



Exemple 1 : partage de donnes rparties

Echanges demail = consensus rparti

Rponses reues avant les questions.

Exemple 2 : coordination rpartie

Mise au point dun programme : comment arrterplusieurs processus rpartis simultanment ? =synchronisation.

Comment rexcuter une application ? =indterminisme logique.


Sommaire

Algorithmes de coordination/synchronisation et departage de donnes rparties :

1. Algorithmes centraliss.

2. Algorithmes rpartis.

3. Construction dhorloges globales.


Algorithmes centraliss vs rpartis

Facilit de ralisation, comportement dterministe.

Solutions asymtriques = dploiement, administration(placement).

Goulot dtranglement : performance, tolrance aux pannes.

vs

Gnralement symtrique.

Flexibilit (administration). Tolrance aux pannes.

Passage lchelle. Performance ? (complexit).

Trs difficiles mettre au point = effet de sonde, indterminisme.


Algorithme centralis (1)

Exemple : le squenceur (diffusion atomique avec ordre total).

Site D

Squenceur

Site C

Site E

M1 M2

M1,M2

Site BSite A

M1,M2 M1,M2

Algorithme simple utilisable pour toutes les ressources (exclusionmutuelle, partage de donnes ou de priphriques).

Exemple : NFS.


Algorithme centralis (2)

Algorithme dlection de Chang et Roberts [CHA 79] :

30

30

11 1

2

6

9

20

16

30

5

1

10

12

23

11

Boucle physique ou logique. Initiateur multiple.

Rception dun message : (1) sitemessage = modification du message.

Rotation de confirmation.


Algorithme rparti (1)

Algorithme de Li et Hudak [LI 89].

Plusieurs sites se partagent laccs un groupe depages de mmoire.

Applicable sur toute forme de donne, exclusionmutuelle : pages, variables, fichiers, ...

Implante une cohrence forte des donnes = lecture= dernire criture.



Chaque site maintient une table de pages,comprenant pour chaque page :

Le propritaire (Owner) de la page = dernier rdacteur.

Le type daccs (Access) du site sur la page (lecture,criture ou nil).

Liste des lecteurs (Copyset) : liste des sites possdantune copie en lecture = invalidations lors des critures

Un smaphore pour protger les accs la table depages.



Algorithme par diffusion, requte en criture :

Site B Site C

Site A

Siteslecteurs

Autressites

(1)

(1)

(1)

(1)

(1)

(3)(2)

Site propritaire

Site demandeur

(1) Le site A diffuse sa requte tous les sites.

(2) Le site C, propritaire, envoie la page et le copyset audemandeur, A.

(3) Le site A envoie des invalidations aux sites lecteurs (dtenteursdune copie de la page concerne en lecture).



Algorithme par diffusion, requte en lecture :

Site B Site C

Site A Autressites

(1)

(1)

(1)(2)

Site propritaire

Site demandeur(1)

(1) Le site A diffuse sa requte tous les sites.

(2) Le site C, propritaire, envoie une copie de la page et insre lesite A dans le copyset.



Gestionnaire de dfauts en lectureVerrouiller ( PTable[p].smaphore )

diffuser une demande en lecture pour p

attendre la rception de p

PTable[p].accs := lecture

Dverrouiller ( PTable[p].smaphore )

Serveur en lectureVerrouiller ( PTable[p].smaphore )

Si je suis le propritaire de p

Alors

PTable[p].copyset := PTable[p].copyset

{s}

PTable[p].accs := lecture

Envoyer p au site s

FSi




Gestionnaire de dfauts en critureVerrouiller ( PTable[p].smaphore )

Diffuser une demande en criture pour p

Attendre la rception de p et de son copyset

Pour tout i dans copyset Faire

Envoyer i Invalidation ( p )

PTable[p].accs := criture

PTable[p].copyset :=

PTable[p].propritaire := ego




Serveur en critureVerrouiller ( PTable[p].smaphore )

Si je suis le propritaire de p

Alors

Envoyer p et PTable[p].copyset au site s

PTable[p].accs := nil

PTable[p].propritaire := s

FSi


Serveur dinvalidationVerrouiller ( PTable[p].smaphore )

PTable[p].accs := nil



Ordonner les vnements (1)

Systmes rpartis : pas dhorloge globale.

Production dune horloge dans le systme rparti =imposer un ordre des vnements.

=Utilisation dhorloges logiques [RAY 96]. Basessur les communications.



Notion dvnements pertinents pour une application donne.

Observation de la progression des autres processus du systme grce la notion de causalit [LAM 78]. Ordre partiel.

x est causalement dpendant de y (not x y) si :

1. x et y sont des vnements locaux (dits internes) et x sexcuteavant y.

2. x et lmission dun message et y sa rception sur un site diffrent.

3. Si x z et z y alors x y.

x y signifit que x prcde temporellement y.



1 2 3 8 9

4 5

10 11

7651

1 3

P1

P2

P3

9

74

2

Un compteur par site (Hi).

Mise jour de lhorloge locale :

1. Rception message : Hi = max(Hi, Hmsg).

2. Autres vnements : Hi = Hi + 1.

Horloge globale : ordre total de Lamport (not ) ; soient deuxvnements, x sur le site i, y sur j :

x y [Hx < Hy ou (Hx = Hy et i < j)]

Lordre total de Lamport masque la causalit (ex : evt 3).UE systmes rpartis, Universit de Brest Page 52/63


Comment connatre la progression des autres sites :=horloges vectorielles [FID 91, MAT 89, SCH 88]

Un vecteur de compteurs par site (V [1...n]).V [i] = horloge du site i. V = vue des horloges des autres sites.

Mise jour de lhorloge locale :

1. Rception message :

k avec k 6= i : V [k] = max(V [k], msg[k])

2. Pour tous les autres vnements : V [i] = V [i] + 1.

Horloges coteuses mais capture lordre causal.



Exemple :

P1

P3

P2

001

010

200

220

240

230

564

554

534

234

234

100

200

300

534

434

230

232

233



Ordre causal vnements x et y tel que V X et V Y soientleur vecteur destampilles :

x y V X < V Y

x y V X V Y

Avec :

V X V Y i : V X[i] V Y [i]

V X < V Y (V X V Y ) ( i : V X[i] < V Y [i])

V X V Y (V X < V Y ) (V Y < V X)


Sommaire





5. Rfrences.

6. Acronymes.


Conclusion, synthse et perspectives

"Un systme distribu est un systme qui sexcute surun ensemble de machines sans mmoire partage, maisque pourtant lutilisateur voit comme une seule et uniquemachine." Tanenbaum [TAN 94].

Objectifs : partage de ressources , tolrance auxpannes, cots, contraintes physiques.

Services : communication, dsignation, htrognit,synchronisation et coordination.

Un mot clef important retenir : Transparence=partielle actuellement.


Sommaire





5. Rfrences.

6. Acronymes.


Rfrences

[BER 99] G. Bernard. Applicabilit et performances des systmes dagents mobiles dansles systmes rpartis . pages 5768. 1re Confrence franaise sur les systmesdexploitation, juin 1999.

[CHA 79] E. G. Chang and R. Roberts. An improved algorithm for decentralizedextrema-finding in circular configurations of processors . Communications of the ACM,22(5):281312, 1979.

[COU 94] G. Coulouris, J. Dollimore, and T. Kindberg. Distributed SystemsConcepts andDesign, 2nd Ed. Addison-Wesley Publishers Ltd., 1994.

[FID 91] C. J. Fidge. Logical Time in Distributed Computing Systems . IEEE Computer,24(8):2833, August 1991.

[LAM 78] L. Lamport. Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System .Communications of the ACM, 21(7):558565, July 1978.

[LI 89] K. Li and P. Hudak. Memory Coherence in Shared Virtual Memory Systems . ACMTrans. on Computer Systems, 7(4):321359, November 1989.


Rfrences

[MAR 88] J. Legatheaux Martins and Y. Berbers. La dsignation dans les systmesdexploitation rpartis . Technique et Science Informatiques, 7(4):359372, avril 1988.

[MAT 89] F. Mattern. Virtual time and global states of distributed systems . In Proc. of Int.Workshop on Parallel and Distributed Algorithms, Bonas, pages 215226, 1989.

[ORF 95] R. Orfali, D. Harkey, and J. Erwards. Client/Serveur : guide de survie. InternationalThomson Publishing, Paris, 1995.

[RAY 96] R. Raynal and M. Singhal. Capturing Causality in Distributed Systems . IEEEComputer, 29(2):4956, February 1996.

[RIF 95] J. M. Rifflet. La communication sous UNIX : applications rparties. EdiscienceInternational, 2rd edition, 1995.

[SCH 88] F. Schmuck. The use of efficient broadcast in asynchronous distributed systems. Tr88-928, Cornell University, 1988.

[TAN 94] A. Tanenbaum. Systmes dexploitation : systmes centraliss et systmesdistribus. Interditions, Paris, 1994.


Sommaire





5. Rfrences.

6. Acronymes.


Acronymes (1)

NFS. Network File System.

NIS. Network Information Service.

RPC. Remote Procedure Call.

XDR. External Data Representation.

URL. Universal Resource Locators.

DNS. Domain Name System.

HTML. Hypertext Markup Language.

HTTP. Hypertext Transfer Protocol.

RMI. Remote Method Invocation.

CORBA. Common Object Request Broker.

IDL. Interface Definition Language.


Acronymes (2)

NTP. Network Time Protocol.

UDDI. Universal Description, Discovery and Integration.

SOAP. Simple Object Access Protocol.

WSDL. Web Services Description Language.

XML. Extensible Markup Language.

GIOP. General Inter-ORB Protocol.


SommaireSommairePr'esentation, d'efinitions Pourquoi un système r'eparti ?Ce qu'offre un système r'epartiExemple 1~:~le système UNIXExemple 2~:~le WebSommaireCoh'erence et synchronisation (1)Coh'erence et synchronisation (2)D'esigner les ressources du systèmeSupport de l'h'et'erog'en'eit'eTransparence aux pannes (1)Transparence aux pannes (2)Transparence aux pannes (3)Autres problèmes importantsR'esum'e~:~services offerts Aspects architecturaux SommaireSommaireParadigme client/serveur (1)Paradigme client/serveur (2)Paradigme des agents mobilesParadigme de la m'emoire partag'eeSommaireServices disponiblesMessages asynchronesMessages asynchrones~:~UDPCommunications synchronesAppel de proc'edures à distance (1)Appel de proc'edures à distance (2)Le modèle objets r'epartis (1)Le modèle objets r'epartis (2)Le modèle objets r'epartis (3)SommaireCoh'erence et synchronisation (1)Coh'erence et synchronisation (2)SommaireAlgorithmes centralis'es extbf {vs} r'epartisAlgorithme centralis'e (1)Algorithme centralis'e (2)Algorithme r'eparti (1)Algorithme r'eparti (2)Algorithme r'eparti (3)Algorithme r'eparti (4)Algorithme r'eparti (5)Algorithme r'eparti (6)Algorithme r'eparti (7)Ordonner les 'ev'enements (1)Ordonner les 'ev'enements (2)Ordonner les 'ev'enements (3)Ordonner les 'ev'enements (4)Ordonner les 'ev'enements (5)Ordonner les 'ev'enements (6)SommaireConclusion, synthèse et perspectivesSommaireR'ef'erences R'ef'erences SommaireAcronymes (1)Acronymes (2)

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