Tópicos em redes e sistemas distribuídos

1. Tópicos em redes e sistemas distribuídos Carlos Oberdan Rolim Ciência da Computação Sistemas de Informação

2. Sincronização em Sistemas Distribuídos [C10,C13, T3]

3. Conteúdo • Relógios lógicos • Relógicos físicos • Exclusão mútua • Algoritmos de eleição

4. Eventos e relógios • A ordem de eventos que ocorrem em processos distintos pode ser crítica em uma aplicação distribuída (ex: protocolo de consistência de réplicas). • Em um sistema com n computadores, cada um dos n cristais terá uma frequência própria, fazendo com que os n relógios percam seu sincronismo gradualmente.

5. Relógios lógicos • Princípios: 1. Somente processos que interagem precisam sincronizar seus relógios. 2. Não é necessário que todos os processos observem um único tempo absoluto; eles somente precisam concordar com relação à ordem em que os eventos ocorrem. » Ordenação parcial de eventos » Ordenação causal potencial

6. Relógios lógicos (cont.) • Relação acontece-antes ( -» ): 1. Sejam x e y eventos num mesmo processo tal que x ocorre antes de y. Então x -» y é verdadeiro. 2. Seja x o evento de uma mensagem a ser enviada por um processo, e y o evento dessa mensagem ser recebida por outro processo. Então x -» y é verdadeiro. 3. Sejam x, y e z eventos tal que x -» y e y -» z. Então x -» z é verdadeiro.

7. Relógios lógicos (cont.)

8. Relógios lógicos (cont.) • Implementação: Cada processo p mantém seu próprio relógio lógico (um contador, por software), Cp, usado para fazer timestamp de eventos. Cp(x) denota o timestamp do evento x no processo p, e C(x) denota o timestamp do evento x em qualquer processo. LC1: Cp é incrementado antes de cada evento em p. LC2: (a) Quando um processo p envia uma mensagem m, ele concatena a informação t=Cp a m, enviando (m,t). (b) Quando um processo q recebe a mensagem (m,t), ele computa Cq := max(Cq, t) e aplica LC1 antes de fazer timestamp do evento de recebimento da mensagem.

9. Exemplo de aplicação do algoritmo de relógios lógicos P3 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 P1 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 P2 0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 A B C D

10. Exemplo de aplicação do algoritmo de relógios lógicos P3 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 P1 0 6 12 18 24 30 36 42 48 70 76 P2 0 8 16 24 32 40 48 61 69 77 85 A,0 B,24 C,60 D,69

11. Relógios lógicos (cont.) • Ordenação total de eventos: dois eventos nunca ocorrem exatamente no mesmo instante de tempo. 1. Se x ocorre antes de y no mesmo processo, então C(x) é menor que C(y). 2. Se x e y correspondem ao envio e ao recebimento de uma mensagem, então C(x) é menor que C(y). 3. Para todos os eventos x e y, C(x) é diferente de C(y). Implementação: concatenar o número do processo ao timestamp.

12. Relógios físicos • GMT: Greenwich Mean Time • BIH: Bureau Internacional de l’Heure • TAI: International Atomic Time • UTC: Universal Coordinated Time • NIST: National Institute of Standard Time • WWV: estação de rádio de ondas curtas • GEOS: Geostationary Environment Operational Satellite

13. Relógios físicos (cont.) • Algoritmo de Berkeley: • A rede não dispõe de uma máquina com um receptor WWV • A rede dispõe de um time server que faz polling nas outras máquinas a fim de obter a hora marcada por cada uma, fazer uma média entre essas horas e divulgar essa média para todas as máquinas. • NTP: Network Time Protocol • Sub-rede hierárquica de sincronização • Servidores primários (WWV) e secundários

14. Relógios físicos (cont.) • Algoritmo de Cristian: • A rede dispõe de um time server (receptor WWV) • Uma máquina cliente envia uma mensagem pedindo a hora certa ao time server • Ao receber a mensagem resposta do time server, o cliente adiciona o tempo médio de envio de mensagens à hora recebida. Esse tempo médio é calculado pelo próprio cliente considerando as horas de envio e recebimento das mensagens e ainda o tempo gasto pelo time server para processar o pedido.

15. Algoritmo de Cristian Máquina M Timer Server R ? T0 I d d T1 R T = R + d d = ( T1 – T0 – I ) / 2

16. Exclusão mútua • Controle de acesso a regiões críticas • Algoritmo centralizado: • Um processo é eleito o coordenador • Os processos concorrentes devem requisitar permissão de acesso ao coordenador • Um processo que termina de fazer acesso a uma região crítica deve comunicar a liberação da região ao coordenador • Processos que tentam entrar em uma região crítica ocupada devem aguardar em uma fila controlada pelo coordenador

17. Alg. Centralizado - Exemplo

18. Alg. Centralizado - Exemplo Processo 3 aguardando na fila pela liberação do recurso

19. Alg. Centralizado - Exemplo

20. Exclusão mútua (cont.) • Algoritmodistribuído: • Baseado em ordenação total de eventos e comunicação confiável em grupo (multicast ou broadcast). • Um processo que deseja entrar em uma região crítica constrói uma mensagem com o nome da região, o número do processo e a hora, e a envia a todos os demais processos concorrentes. • Um processo que recebe a mensagem: • Caso não esteja na região crítica e não intencione entrar nela, retorna OK. • Caso já esteja na região crítica, não responde e enfileira a requisição. • Caso também intencione entrar na região crítica, determina o processo que tentou primeiro (comparando timestamps) e responde OK ou enfileira a requisição, apropriadamente.

21. Alg. Distribuído - Exemplo

22. Alg. Distribuído - Exemplo

23. Alg. Distribuído - Exemplo Após algum tempo 1 responde a 3 OK e então este entra na Região crítica pois já possuía OK do 2 anteriormente

24. Exclusão mútua (cont.) • Algoritmo de Token Ring: • Os processos são conectados por um anel e numerados sequencialmente a partir de 0. • Na iniciação do anel, uma token é dada ao processo 0. • A token é passada do processo k para o processo k+1. • Ao receber a token, um processo pode retê-la ou passá-la imediatamente para o próximo processo, dependendo se deseja ou não, respectivamente, entrar na região crítica. Enquanto o processo estiver na região crítica, a token fica retida, e somente ao sair da região crítica é repassada adiante.

25. Alg. Token Ring - Exemplo

26. Algoritmos de eleição • Algoritmo de Bully • O algoritmo de Bully serve para eleger um líder (processo coordenador) em algoritmos distribuídos • Processos são identificados por um identificador numérico, único, fixo e atribuído antes do início da eleição. • A topologia não é limitada a um anel e cada um dos processos pode se comunicar com qualquer outro no sistema. • Novamente a execução do algoritmo busca eleger o processo de maior identificador e fazer com que todos reconheçam o novo líder.

27. Algoritmos de eleição • Algoritmo Bully: • Se um dos processos identifica a perda de contato com o líder, inicia uma nova eleição enviando a todos os outros uma mensagem contendo seu identificador. • Todos os nós respondem ao processo que iniciou a eleição com os seus próprios identificadores. • Se o processo que iniciou a eleição possui o maior identificador entre todos os outros, proclama-se líder e avisa todos os outros. Senão aguarda que o processo de maior identificador inicie uma eleição e se torne líder. • Este algoritmo possui este nome justamente por seu comportamento de bully. (Bullying é um termo em inglês utilizado para descrever atos de violência física ou psicológica, intencionais e repetidos) • O processo de maior identificador predomina sobre os de menor número e mesmo que um destes ganhe uma eleição, rapidamente toma o posto do eleito propondo uma nova eleição. 1. Um processo P envia uma mensagem ELECTION para todos os processos de maior número. 2. Se nenhum processo responde, P vence a eleição e se torna o coordenador. 3. Se um dos processos responde este inicia sua participação na eleição a partir do passo 1. O trabalho de P está feito.

28. Algoritmos de eleição (cont.) • Algoritmo de Anel: • O algoritmo em anel ou LCR, iniciais de Le Lann, Chang e Roberts, serve para eleger um líder se os processos estiverem dispostos em um anel. • Cada processo deve conhecer seu vizinho à direita e à esquerda e deve ter um identificador numérico, único, fixo e atribuído antes do início da eleição. • Originalmente este algoritmo visava a recuperação de um token perdido em uma rede com topologia em forma de anel, elegendo um nó da rede que servisse como ponto de partida para o novo token.

29. Algoritmos de eleição (cont.) • Algoritmo de Anel: • Se um dos processos identifica a perda de contato com o líder, inicia uma nova eleição enviando a todos os outros uma mensagem contendo seu identificador. • Esse processo constrói uma mensagem ELECTION contendo seu número e envia ao seu sucessor. Se o sucessor estiver parado, a mensagem é enviado ao sucessor do sucessor. • O processo que recebe a mensagem insere seu próprio número na mensagem e passa para o seu sucessor. • Quando a mensagem retorna ao processo que originou a eleição, este descobre quem é novo coordenador (o processo com número maior) e, em seguida, envia uma mensagem COORDINATOR comunicando o fato.