Redes e
Sistemas
Distribuídos II –
Cód. 30127
Prof. MSc. Ronnison Reges
Vidal
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05/11/2015
Redes e Sistemas
Distribuídos II
Consistência e réplica, Tolerância a falhas, Sistemas de
arquivos distribuídos, Sistemas baseados em objetos
distribuídos, Sistemas de arquivos distribuídos (NFS),
Sistemas baseados em documentos distribuídos
(WWW), Sistemas baseados em coordenação
distribuídos (JINI)
Mater Christi
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05/11/2015
Tolerância a Falhas
Introdução
Mater Christi
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05/11/2015
Introdução



Aspecto característico dos sistemas distribuídos
 Falha parcial
Uma falha pode afetar a operação adequada
de outros componentes
Objetivo importante do projeto de Sist. Dist.:
 Construir o sistema de modo tal que ele possa
se recuperar automaticamente de falhas
parciais sem afetar seriamente o desempenho
global
Mater Christi
5
05/11/2015
Introdução

Sempre que um componente falhar o sistema
deve continuar a funcionar de maneira aceitável


Tolerar falhas e continuar a funcionar, mesmo na
presença de falhas
Técnica fundamental para manipulação de
falhas:

redundância
Mater Christi
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05/11/2015
Introdução
 Conceitos básicos
 O que é tolerar falhas?
 Relação entre tolerância a falhas e sistemas
confiáveis

Confiabilidade em sistemas distribuídos

É o conjunto de requisitos úteis para sistemas
distribuídos




Disponibilidade
Confiabilidade
Segurança
Capacidade de manutenção
Mater Christi
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05/11/2015
Introdução
 Disponibilidade


Propriedade de um sistema estar pronto
para ser usado imediatamente
É a probabilidade de um sistema estar
funcionando corretamente em qualquer
momento determinado e estar disponível
para executar suas funções em nome de
seus usuários
Mater Christi
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05/11/2015
Introdução
 Confiabilidade



É a propriedade de um sistema poder
funcionar continuamente sem falha
É definida em termos de um intervalo de
tempo em vez de um instante no tempo
Um sistema de alta confiabilidade
continuará funcionando sem interrupção
durante um período de tempo
relativamente longo
Mater Christi
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05/11/2015
Introdução
 Segurança


Refere-se a situação onde caso o sistema
deixe de funcionar num determinado
período de tempo na catastrófico
acontecerá
Se tais sistemas falharem temporariamente,
como uma usina nuclear, os efeitos seriam
desastrosos
Mater Christi
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05/11/2015
Introdução
 Capacidade


de manutenção
Facilidade com que um sistema que falhou
pode ser consertado
Um sistema de alta capacidade de
manutenção demonstra uma alta
disponibilidade, em especial se as falhas
puderem ser detectadas e reparadas
automaticamente.
Mater Christi
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05/11/2015
Introdução
 Caraterização
de problemas quanto a
tolerância a falhas



Defeito: quando um sistema não presta o
devido serviço
Erro: é uma parte do sistema que pode
levar a uma falha
Falha: Causa de um erro
Mater Christi
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05/11/2015
Introdução
 Conceito

Um sistema pode prover seus serviços
mesmo na presença de falhas
 Falhas



de tolerância a falhas
são classificadas como
Transiente
Intermitente
Permanente
Mater Christi
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05/11/2015
Introdução
 Transiente


Tipo de falha que ocorre somente uma vez
depois desaparece
Exemplo
 Um
pássaro que voa sobre um feixe
transmissor de micro-ondas pode causar
perdas de bits em alguma rede
Mater Christi
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05/11/2015
Introdução
 Intermitente


Ocorre e desaparece por sua própria
vontade, depois reaparece e assim por
diante. São difíceis de diagnosticar
Exemplo
 Um
conector frouxo muitas vezes causará
uma falha intermitente
Mater Christi
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05/11/2015
Introdução
 Permanente


É aquele que continua a existir mesmo que
o componente faltoso seja substituído
Exemplos
 Chips
queimados, bugs de software, quebra
de cabeçote de discos
Mater Christi
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05/11/2015
Tolerância a falhas
Modelos de Falhas
Mater Christi
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05/11/2015
Modelos de Falhas
 Um
sistema que falha não fornece
adequadamente seus serviços
 Exemplo


Conjunto de servidores que se comunicam
uns com os outros e com os clientes
Servidores ou canais de comunicação ou
ambos não estão fazendo o que deveriam
 Quando
o servidor está funcionando mal,
nem sempre é a falha que estamos
procurando
Mater Christi
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05/11/2015
Modelos de Falhas
 Dependência
de outros servidores
podem ser a causa
 As relações dependência são
abundantes em Sist. Dist.

Um disco que pode estar falhando
 Dificulta
a vida de um servidor de arquivos
 Altera o funcionamento de um banco de
dados distribuído
Mater Christi
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05/11/2015
Modelos de Falhas
 Classificação







de falhas
Falha por queda
Falha por omissão
Falha por temporização
Falha de resposta
Falha de transição de estado
Falha arbitrária ou falha bizante
Falha por parada
Mater Christi
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05/11/2015
Modelos de Falhas
 Falha

Quando um servidor pára
prematuramente, mas estando
funcionando corretamente até parar
 Falha

por queda
por omissão
Quando um servidor não responde a uma
requisição
Mater Christi
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05/11/2015
Modelos de Falhas
 Falha

Quando uma reposta se encontra fora de
um intervalo de tempo real específico
 Falha

de reposta
Falha na qual a resposta do servidor
simplesmente é incorreta
 Falha

de temporização
de transição de estado
Quando o servidor reage inesperadamente
a uma requisição que chega
Mater Christi
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05/11/2015
Modelos de Falhas


Falhas arbitrárias
 Quando o servidor está produzindo saídas que
nunca deveriam ter sido produzido, mas que
não podem ser detectados como incorreto
Falhas por parada
 Caracterizadas como falha por queda
 Quando o servidor falha desse modo
simplesmente pára de produzir saídas de modo
tal que sua parada pode ser detectada por
outros processos
Mater Christi
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05/11/2015
Modelos de Falhas
Tipos de falhas
Descrição
• Falha por queda
•
O servidor pára de funcionar,
mas estava funcionando
corretamente até parar
• Falha por omissão
• Omissão de
recebimento
• Omissão de envio
•
O servidor não consegue
responder a requisições que
chegam
O servidor não consegue receber
mensagens que chegam
O servidor não consegue enviar
mensagens
•
•
Mater Christi
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05/11/2015
Modelos de Falhas
Tipos de falhas
Descrição
• Falha de temporização
•
A resposta do servidor se
encontra fora do intervalo de
tempo
• Falha de resposta
• Falha de valor
• Falha de transição de
estado
•
A resposta do servidor está
incorreta
O valor da resposta está errado
O servidor se desvia do fluxo de
controle correto
• Falha arbitrária
•
•
•
Um servidor por produzir respostas
arbitrárias em momentos
arbitrários
Mater Christi
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05/11/2015
Tolerância a Falhas
Mascaramento de Falha por redundância
Mater Christi
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05/11/2015
Mascaramento de Falha
por redundância
 Um
sistema para ser tolerante o melhor
que pode se fazer é ocultar de outros
processos a ocorrência de falhas

Redundância
 Tipos



de redundância:
Informação
Tempo
Física
Mater Christi
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05/11/2015
Mascaramento de Falha
por redundância
 Informação


São adicionados bits extras para permitir a
recuperação de bits deteriorados
Exemplo
 Código
de Hamming pode ser adicionado a
dados transmitidos pera recuperá-los de
ruído na linha de transmissão
Mater Christi
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05/11/2015
Mascaramento de Falha
por redundância
 Tempo


Uma ação é realizada, e então, se for
preciso, realizada novamente
Exemplo
 Transações
utilizam essa abordagem
 Redundância de tempo são especialmente
utilizadas para falhas transientes e
intermitentes
Mater Christi
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05/11/2015
Mascaramento de Falha
por redundância
 Física


São adicionados equipamentos ou
processos extra para possibilitar que o
sistema como um todo tolere a perda ou o
mal funcionamento de alguns
componentes
Pode ser aplicada a hardware ou software
 Exemplo

Processos extras para no caso de queda o
sistema possa continuar funcionando Mater Christi
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05/11/2015
Tolerância a Falhas
Resiliência de Processos
Mater Christi
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05/11/2015
Resiliência de Processos


A abordagem fundamental para tolerar um
processo faltoso é:
 Organizar vários processos idênticos em um
grupo
Propriedade:
 Uma mensagem que é enviada ao grupo em si,
todos os membros do grupo a recebem

Nesse caso se algum processo falhar, espera-se
que algum outro se encarregue da mensagem
em seu lugar
Mater Christi
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05/11/2015
Resiliência de Processos

Grupos de processo podem ser dinâmicos







Novos grupos podem ser criados
Velhos grupos podem ser eliminados
Um processo pode se juntar a um grupo
Um processo pode sair de um grupo
Um processo pode ser membro de vários grupos ao mesmo
tempo
São necessário mecanismos para gerenciar grupos e
associações
A finalidade de introduzir grupos é permitir que
processos tratem conjuntos de processos como uma
abstração

Quem são, quanto são, onde estão
Mater Christi
33
05/11/2015
Resiliência de Processos
 Grupos
simples versus Grupos
hierárquicos


Uma distinção importante entre grupos é o
funcionamento interno
Em alguns grupos todos são iguais


Ninguém manda e todas as decisões são tomadas
coletivamente
Em outros existe uma hierarquia


Quando uma requisição de trabalho é gerada
esta é remetida a um processo coordenador
Hierarquias mais complexas são possíveis
Mater Christi
34
05/11/2015
Resiliência de Processos


Cada uma tem suas vantagens e desvantagens
Vantagens – Grupos Simples



Os grupos simples são simétricos
Não têm ponto de falha único
Desvantagens

Tomada de decisão complexa


Votação: atraso e custo adicional
Grupos Hierárquicos

Têm propriedades opostas


A perda do coordenador pode causar parada repentina do
grupo inteiro
Entretanto enquanto está funcionando toma decisões sem se
incomodar
Mater Christi
35
05/11/2015
Resiliência de Processos

Grupos simples versus Grupos hierárquicos
Mater Christi
36
05/11/2015
Resiliência de Processos

Associação a um grupo



Método de criação e eliminação de grupos
Permite que outros processos se juntem a grupos e saiam
deles
Uma abordagem possível é a criação de um:



Servidor de grupos
Manter um banco de dados com todos os grupos e de
quem são seus associados
Método:



Direto
Eficiente
Razoavelmente fácil de implementar
Mater Christi
37
05/11/2015
Resiliência de Processos

Método:

Porém é uma abordagem centralizada


Outra abordagem:

Gerenciamento de associação ao grupo de modo
distribuído


Único ponto de falha
Multicast (confiável)
Operações de entrada e saída

Síncronas

Converter as operações de a entrada e saída integradas
ao fluxo de dados em uma sequencia de mensagens
enviadas a todo o grupo
Mater Christi
38
05/11/2015
Resiliência de Processos

Mascaramento de Falhas e Replicação



grupos de processos são parte da solução para
construir sistemas tolerantes a falhas
Ter um grupo de processos idênticos permite
mascarar um ou mais processos faltosos
Pode-se replicar processos e organizá-los em um
grupo para poder substituir um único processo
(vulnerável) por um grupo (tolerante a falhas)
Mater Christi
39
05/11/2015
Resiliência de Processos

Acordo em sistemas com falha




Considerando que processos replicados em um
grupo ajudam a aumentar a tolerância a falhas
Existe a premissa de que os processos não se juntam
para produzir um resultado errada
A complexidade é maior ao se exigir que um
grupo de processos chegue a um acordo
Exemplos:

Eleger um coordenador, decidir a validação ou não
de uma transação, repartir tarefas entre operários e
sincronização
Mater Christi
40
05/11/2015
Resiliência de Processos

Objetivo geral de algoritmos de acordo
distribuídos:


É que todos os processos que não apresentam falha
cheguem a um consenso sobre alguma questão e
estabeleçam esse consenso dentro de um número
finito de etapas
O problema é complicado pelo fato de que
premissas diferentes sobre o sistema subjacente
requer soluções diferentes
Mater Christi
41
05/11/2015
Resiliência de Processos

Distinguem-se os seguintes casos:




Sistemas síncronos versus Sistemas assíncronos
O atraso de comunicação é limitado ou não
A entrega de mensagens é ordenada ou não
A transmissão de mensagens é feita em unicast ou
multicast
Mater Christi
05/11/2015
Resiliência de Processos
Ordenação de Mensagens
Não Ordenada
Limitado
Não Limitado
x
Síncrono
Assíncrono
Ordenada
X
X
X
unicast
Multicast
X
X
Limitado
X
X
Não Limitado
unicast
Multicast
Atraso de Comunicação
Comportamento do Processo
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Transmissão de Mensagens
Circunstâncias sob as quais se pode chegar a um acordo distrubuído
Mater Christi
43
05/11/2015
Resiliência de Processos
 Detecção



de falhas
Para mascarar uma falha é necessário
detectá-la
Esta é uma das pedras fundamentais da
tolerância a falhas
No caso de um grupo de processos, os
membros não faltosos devem ser capazes
de decidir quem ainda é um membro e
quem não é
É
preciso ser capaz de descobrir quando um
Mater Christi
membro falhou
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05/11/2015
Resiliência de Processos
 Para


detectar falhas há duas maneiras:
Os processos mandam ativamente uns aos
outros mensagens “vocês está vivo?”
(esperando respostas)
Esperam passivamente a entrada de
mensagens do processos diferentes
Mater Christi
45
05/11/2015
Resiliência de Processos
A
última abordagem só faz sentido
quando se pode garantir que haja
comunicação suficiente
 Usualmente é enviado pings ativamente
entre processos
Mater Christi
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05/11/2015
Resiliência de Processos

Essência:
 Falhas são detectadas através de mecanismos
de timeouts



Definir timeouts de maneira eficiente é muito difícil
e depende da aplicação
É difícil distinguir falhas dos processos das falhas da
rede
Possível Solução
 Considerar possíveis notificações de falhas
entre os membros do sistema


Gossiping
Árvores onde os processos “fingem” que falharam
Mater Christi
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05/11/2015
Tolerância a Falhas
Comunicação Confiável Cliente e Servidor
Mater Christi
48
05/11/2015
Comunicação Confiável
Cliente-Servidor
E



as falhas de comunicação?
Canais de comunicação podem exibir
falhas por queda, por omissão, de
temporização e arbitrárias
Na construção de canais de
comunicação: evitar falhas por queda e
omissão
Falhas arbitrárias podem ocorrer sob a
forma de mensagens duplicadas
Mater Christi
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05/11/2015
Comunicação Confiável
Cliente-Servidor
 Ponto-a-Ponto

O único modo de mascarar falhas de
comunicação é permitir que o sistema
tente estabelecer automaticamente uma
nova conexão, simplesmente com o
reenvio de uma requisição de conexão
Mater Christi
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05/11/2015
Comunicação Confiável
Cliente-Servidor
 Ponto-a-Ponto

5 classes de problemas que podem
acontecer em sistemas RPC
 (1)
Cliente não consegue localizar o servidor
 (2) A mensagem de requisição do cliente
para o servidor se perde
 (3) O servidor cai após receber uma
requisição
 (4) A mensagem de resposta do servidor para
o cliente se perde
 (5) O cliente cai após enviar uma requisição
Mater Christi
51
05/11/2015
Tolerância a Falhas
Comunicação Confiável de Grupo
Mater Christi
52
05/11/2015
Tolerância a Falhas
Comprometimento Distribuído
Mater Christi
53
05/11/2015
Tolerância a Falhas
Recuperação
Mater Christi
54
05/11/2015
Atividade
 Resumir





as 5 classes de falhas de RPC
(1) Cliente não consegue localizar o
servidor
(2) A mensagem de requisição do cliente
para o servidor se perde
(3) O servidor cai após receber uma
requisição
(4) A mensagem de resposta do servidor
para o cliente se perde
(5) O cliente cai após enviar uma
requisição
Mater Christi