1.4.arquitectura De Sist Distribuidos 2s5l4m

Sistemas Operativos II 1.4.Arquitectura de un Sistema Distribuido

Contenido   

  

Arquitectura de un sistema distribuido Arquitectura de un sistema paralelo Topologías de interconexión en sistemas distribuidos Topologías de interconexión en sistemas paralelos Comparación entre sistemas distribuidos y paralelos Especificación de procesos y tareas

Arquitectura de un sistema distribuido 

Sistema distribuido: 

Colección de computadoras separadas físicamente y conectadas entre sí por una red de comunicaciones distribuida; cada máquina posee sus componentes de hardware y software que el percibe como un solo sistema. [Wikipedia].

Arquitectura de un sistema distribuido … (2) 

¿Qué elementos conforman un sistema distribuido?     

Programas Procesos Datos Red de computadoras Protocolo de comunicación

Arquitectura de un sistema distribuido … (3) 

¿Cómo interaccionan entre sí los elementos del sistema?    

Cúmulos (Clusters) Cliente/Servidor Mallas (Grids) Igual a igual (peer-to-peer)

Arquitectura de un sistema distribuido … (4) 

Arquitectura típica de un cluster [SO Stallings]:  Conexión de las computadoras a través de una red de alta velocidad o conmutador Hw.  Capacidad de c/computadora de operar independientemente.  En cada computadora existe un Middleware que permite la operación del cluster. Aplicaciones paralelas Aplicaciones secuenciales

Entorno de programación paralela

Middleware del cluster (Imagen del sistema e infraestructura de disponibilidad)

PC/Estación de trabajo

PC/Estación de trabajo

PC/Estación de trabajo

PC/Estación de trabajo

PC/Estación de trabajo

Sw comunicaciones

Sw comunicaciones

Sw comunicaciones

Sw comunicaciones

Sw comunicaciones

Hw interfaz de red

Hw interfaz de red

Hw interfaz de red

Hw interfaz de red

Hw interfaz de red

Arquitectura de un sistema distribuido … (5) 

Arquitectura genérica Cliente/Servidor [SO Stallings] 

Cliente 



Servidor 



Solicita un servicio de a datos, recursos, o realizar operaciones en una máquina diferente. istra datos o cualquier recurso para hacerlos disponibles a otras máquinas.

Típicamente el cliente hace una petición y recibe una respuesta, por otro lado, el servidor atiende una petición y envía una respuesta. Estación de trabajo cliente Servicio de presentación Lógica de la aplicación (parte de cliente) Software de Comunicaciones

Sistema Operativo cliente Plataforma de hardware

Servidor Petición Lógica de la aplicación (parte de servidor) Respuesta Interacción del protocolo

Software de Comunicaciones Sistema Operativo servidor Plataforma de hardware

Arquitectura genérica cliente/servidor

Arquitectura de un sistema distribuido … (6) 

Mallas (Grids) 

Se puede definir como un conjunto de recursos hardware y software distribuidos por Internet que proporcionan servicios accesibles por medio de protocolos e interfases abiertos.

Arquitectura de un sistema distribuido … (7) 

Igual a Igual (peer to peer) 

En una arquitectura pura no hay clientes ni servidores fijos, sino una serie de nodos que se comportan simultáneamente como clientes y como servidores respecto a los demás nodos de la red.

Arquitectura de un sistema paralelo 



Un sistema paralelo debe ser capaz de ejecutar varias instrucciones simultáneamente. Objetivo 

Conseguir la máxima cantidad de cómputo en el menor tiempo posible.

Arquitectura de un sistema paralelo… (2) 

Niveles en la plataforma de hardware [A. Calderón]

Arquitectura de un sistema paralelo… (3) 

Taxonomía de Flynn  Es la forma más común de clasificar a los sistemas según sus capacidades de procesamiento.  Tipos de sistemas paralelos: 

SISD  



SIMD 





Una secuencia de instrucción y múltiples secuencias de datos MMX, SSE, …

MISD  



Una secuencia de instrucciones y una secuencia de datos. Monoprocesadores

Múltiples secuencias de instrucciones y una secuencia de datos No se utiliza

MIMD 

 

Múltiples secuencias de instrucciones y múltiples secuencias de datos Procesadores multinúcleo Clusters

Arquitectura de un sistema paralelo… (4) 

Taxonomía de Flynn …

Arquitectura de un sistema paralelo… (5) 

Taxonomía de las arquitecturas paralelas Organización

SISD

SIMD

MISD

MIMD

Una secuencia de instrucciones, una secuencia de datos

Una secuencia de instrucción, múltiples secuencias de datos

Múltiples secuencias De instrucciones, una secuencias de datos

Múltiples secuencias de instrucciones, múltiples secuencias de datos

Monoprocesadores

Procesadores Vectoriales

Procesadores Matriciales

Memoria compartida

Memoria distribuida

(fuertemente acoplada)

(débilmente acoplada)

Multiprocesador Simétrico (SMP)

Clusters no Uniforme a memoria (NUMA)

Arquitectura de un sistema paralelo… (6) 

Multiprocesadores simétricos (SMP)  

   

Dos o más procesadores similares de capacidades comparables Los procesadores comparten la memoria con un tiempo de ~ igual Todos los procesadores comparten los dispositivos de E/S Están interconectados por un bus Todos los procesadores pueden desempeñar las mismas funciones El sistema está controlado por un sistema operativo integrado Procesador

Procesador

Cache L1

Cache L1

Cache L2

Cache L2

Memoria Principal

...

Procesador Cache L1

Cache L2

Adaptador de E/S

Adaptador de E/S

Arquitectura de un sistema paralelo… (7) 

Comparación entre arquitecturas con uno y múltiples núcleos [Intel-PRESS]

Arquitectura de un sistema paralelo… (8) 

no uniforme a memoria (NUMA) 

UMA   



NUMA  



uniforme a memoria Todos los procesadores pueden acceder a toda la memoria principal. El tiempo de es el mismo para todos los procesadores. Todos los procesadores pueden acceder a toda la memoria principal. El tiempo de depende de la región a la que se acceda.

CC-NUMA  

Cada nodo del sistema incluye cierta cantidad de memoria principal Desde el punto de vista de los procesadores existe un único espacio direccionable para todo el sistema

Topologías de interconexión en sistemas distribuidos 



Topología  Estructura de interconexión física de la red de computadoras Topologías de red  Redes de interconexión estática   



Las redes estáticas emplean enlaces directos fijos entre los nodos. La topología se establece cuando se instala el sistema. Se utilizan con eficiencia cuando puede predecirse el tipo de tráfico.

Redes de interconexión dinámica   

La topología puede cambiar durante el curso de la ejecución Facilitan la escalabilidad de la red Requieren de árbitros de bus, conmutadores (swithc).

Topologías de interconexión en sistemas distribuidos … (2) 

Tipos redes de interconexión estáticas 0

0 7

0

1

2

3

5

0 1

1

5 6

1

2

Formación lineal 2

4

Malla

5

3

2

4

3

4

3

Anillo

Anillo cordal de grado 3

Totalmente conectada

Cubo-3

Árbol binario

Estrella

Topologías de interconexión en sistemas paralelos 

Buses 



Conjunto de líneas que permiten comunicar selectivamente cierto número de componentes de acuerdo a ciertas normas de conexión. Solo se permite una transmisión al mismo tiempo  Ante peticiones simultáneas debe haber un árbitro de bus  Se trata de buses de tiempo compartido Procesador Memoria Principal

Cache L1

...

Procesador Cache L1

E/S Cache L2

Cache L2

BUS Estructura de BUS único

Topologías de interconexión en sistemas paralelos … (2) 

Estructura de bus jerarquizado 

Puede establecer una comunicación en su nivel independiente de y simultánea a los demás. Procesador Cache L1

Memoria Principal

...

Procesador Cache L1

E/S Cache L2

Cache L2

BUS Local Interfaz de Bus

Bus Principal Interfaz de Bus

BUS Local Procesador Memoria Principal

Cache L1

Cache L2

...

Procesador Cache L1

Cache L2

E/S

Topologías de interconexión en sistemas paralelos … (3) 

Memoria compartida

Comparación entre sistemas distribuidos y paralelos 

Tienen propiedades que los diferencian 



Sistemas Paralelos  Dividen una aplicación en tareas que son ejecutadas al mismo tiempo.  Los programas se ejecutan en arquitecturas homogéneas Sistemas distribuidos  Dividen una aplicación en tareas que son ejecutadas en diferentes ubicaciones utilizando diferentes recursos  A menudo es un sistema heterogéneo  No se tiene una memoria compartida a nivel de hardware

Comparación entre sistemas distribuidos y paralelos … (2) 

Tienen varias características en común 

    

Múltiples procesadores Los procesadores están interconectados de alguna forma (generalmente por una red) Múltiples procesos están en progreso y cooperan unos con otros El problema es dividido en partes a ejecutar en un procesador diferente Comienzan a utilizar las mismas arquitecturas (al menos en concepto) Muchos aspectos del paralelismo y la distribución son comunes

Comparación entre sistemas distribuidos y paralelos … (3)

Sistemas Paralelos

Sistemas Distribuidos

Sistemas Distribuidos y Paralelos

Comparación entre sistemas distribuidos y paralelos … (4) 

Las dos eras de la computación

Comparación entre sistemas distribuidos y paralelos … (5) 

Tipos de sistemas

Comparación entre sistemas distribuidos y paralelos … (6) 

Sistemas distribuidos v.s. paralelos - Memoria MIMD Sistemas Distribuidos y Paralelos

Memoria Compartida

Memoria Distribuida (privada)

Multiprocesador

Multicomputador

Comparación entre sistemas distribuidos y paralelos … (7)

Especificación de procesos y tareas 

Niveles de paralelismo 

La granularidad de los trozos de código pueden definir el nivel de paralelismo. Tamaño (Granularidad)

Elemento de código

Paralelizado por

Grande

Programa dividido en tareas pesadas

Programador

Mediano

Funciones concurrentes y/o paralelas

Programador

Fino

Bloques y/o ciclos paralelos

Compilador Paralelo

Muy fino

Instrucciones paralelas

Procesador SMP

Especificación de procesos y tareas … (2) 

Niveles de paralelismo … Mensajes

Mensajes Tarea i-1

…

func1() { … }

a[0]=… b[0]=…

paddusb

Tarea i

…

Tarea i+1

Granularidad Grande (Nivel de tareas)

…

func2() { … }

func3() { … }

Granularidad Mediana (Nivel de control)

a[1]=… b[1]=…

a[2]=… b[2]=…

Granularidad Fina (Nivel de datos)

jmp

load

Granularidad Muy fina (Múltiples cuestiones)

Especificación de procesos y tareas … (3) 

La especificación de un algoritmo paralelo no trivial puede incluir algunos de los siguientes aspectos     

Identificar que porciones de trabajo pueden realizarse de forma simultánea (tareas) Asignar cada tarea a uno de los procesos que se ejecutan en paralelo Distribuir los datos de entrada, intermedios y de salida asociados al programa Gestionar el a los datos compartidos por varios procesadores o nodos Sincronizar a los procesos en distintas fases de su ejecución paralela

Especificación de procesos y tareas … (4) 

Descomposición de tareas 







Es la división de una computación secuencial en porciones o tareas que pueden ejecutarse simultáneamente Un problema dado puede dar lugar a descomposiciones diferentes El objetivo es obtener una solución que permita reducir el tiempo de resolución del problema completo

Técnicas de descomposición más comunes [P. Guillen]   

Descomposición del dominio Descomposición funcional Una combinación de las dos anteriores

Especificación de procesos y tareas … (5) 

Descomposición del dominio 

Cada tarea paralela trabaja en una porción de los datos

Existen diferentes maneras de particionar los datos 1D

2D

Especificación de procesos y tareas … (6) 

Descomposición funcional  

El problema es descompuesto de acuerdo al trabajo que debe ser hecho. Cada tarea ejecuta una porción del trabajo

Especificación de procesos y tareas … (7) 

Balanceo de carga 





Se refiere a la distribución de las tareas, de una manera tal, que se asegura más eficientemente la ejecución en paralelo Si las tareas no están distribuidas de manera balanceada, se podría estar esperando por la culminación de una tarea, mientras las otras ya han finalizado. El desempeño puede ser incrementado si el trabajo puede ser uniformemente distribuido