ARQUITETURA DE SISTEMAS DISTRIBUIDOS (67)

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SISTEMAS DISTRIBUÍDOS 
Capítulo 2 
Arquiteturas e Modelos de Sistemas Distribuídos 
 
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SISTEMAS DISTRIBUÍDOS 
Capítulo 2 
Arquiteturas de Sistemas Distribuídos 
 
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NOTA PRÉVIA 
A estrutura da apresentação é semelhante e utiliza algumas 
das figuras do livro de base do curso 
 
G. Coulouris, J. Dollimore and T. Kindberg, 
Distributed Systems - Concepts and Design, 
Addison-Wesley, 5th Edition, 2011 
 
 
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CONTEXTOS - ARQUITETURA 
Camadas de software 
Reparte a complexidade de um sistema, em várias camadas, com 
interfaces bem definidas entre si. Cada camada pode usar os serviços da 
camada abaixo, sem conhecimento dos detalhes de implementação. 
Arquitetura (distribuída) multinível/camada 
as camadas do sistema são atribuídas a processos/máquinas diferentes 
 
Arquitetura distribuída 
Especifica como se organizam e quais as interações entre os vários 
componentes de um sistema distribuído 
 
Em todos os casos há implicações no desempenho, fiabilidade e segurança 
do sistema 
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CAMADAS DE SOFTWARE - MIDDLEWARE 
O middleware fornece uma interface homogénea e serviços mais complexos 
que os disponibilizados pelo sistema de operação 
Limitações: algumas funcionalidades apenas podem ser implementadas de forma 
eficaz com o conhecimento da semântica da aplicação, pelo que fornecer essa 
funcionalidade no sistema de middleware seria contraproducente (correção de erros, 
segurança, etc.) 
Sistema de comunicações 
Sistema de operação 
Sistema de comunicações 
Sistema de operação 
Sistema de comunicações 
Sistema de operação 
N computadores interligados 
Sistema middleware 
Aplicação distribuída 
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ARQUITECTURA EM CAMADAS: MODELO 3-CAMADAS 
Em aplicações de acesso a 
sistemas de informação/
comércio eletrónico, etc. 
Arquitetura de três níveis (3-tier) 
- Apresentação 
- (Lógica) Aplicação 
- (Armazenamento) Dados 
 
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ARQUITECTURA DISTRIBUÍDA 
Arquitetura do sistema 
 
Organização de um sistema (complexo) em componentes mais 
simples com funcionalidades/responsabilidades próprias 
 
Arquitetura do sistema distribuído 
 
Define os componentes, o que fazem, onde estão e como interagem 
entre si. 
 
Terá implicações em diversas propriedades do sistema: desempenho, 
fiabilidade e segurança do sistema 
 
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ARQUITECTURA DISTRIBUÍDA 
Arquitetura de um sistema distribuído pode (e deve) ser 
determinada por diversos fatores: 
 
Requisitos funcionais: 
“tudo relacionado com o propósito direto (a função) do sistema” 
ex. Lógica de negócio 
 
Requisitos não funcionais: 
Desempenho (escalabilidade, latência), disponibilidade 
Custo (de: desenvolvimento, operação, manutenção) 
Segurança, confiabilidade 
 
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CLIENTE/SERVIDOR 
Sistema em que os processos podem ser divididos em dois 
tipos, de acordo com o seu modo de operação: 
Cliente: programa que solicita pedidos a um processo servidor 
Servidor: programa que executa operações solicitadas pelos clientes, 
enviando-lhes o respectivo resultado 
Cliente Servidor 
pedido 
resposta 
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CLIENTE/SERVIDOR: PROPRIEDADES 
Arquitetura mais simples, muito usada em sistemas pouco 
exigentes – ponto de partida para criar sistemas mais 
complexos... 
 
Positivo 
Interação simples facilita implementação 
Segurança apenas tem de se concentrar no servidor 
Negativo 
Servidor é um ponto de falha único 
Não escala para além dum dado limite (servidor pode tornar-se ponto 
de contenção/estrangulamento) 
 
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CLIENTE/SERVIDOR: COMPOSIÇÃO 
Arquiteturas mais sofisticadas, com novas propriedades, podem 
ser obtidas por composição do modelo C/S base 
 Servidor [particionado, replicado, geo-replicado], 
 P2P, 3-Camadas, etc. 
 
C S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente Cliente 
Cliente 
Cliente 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
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Modelo alternativo para lidar com limitações do 
modelo cliente/servidor 
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MODELO PEER-TO-PEER (P2P) / ENTRE-PARES 
Todos os processos têm funcionalidades semelhantes 
Durante a sua operação podem assumir o papel de clientes e servidores 
do mesmo serviço em diferentes momentos 
Exemplos: partilha de ficheiros, VoIP, edição colaborativa 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
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MODELO PEER-TO-PEER: PROPRIEDADES 
Positivo 
Não existe ponto único de falha (improvável que todos os pares falhem) 
Grande potencial de escalabilidade (+ pares --> + recursos) 
Baixo custo de operação (os pares contribuem c/ os recursos) 
Negativo 
Interação mais complexa (do que num sistema cliente/servidor) leva a 
implementações mais complexas 
Operações de pesquisa são complexas 
Maior número de computadores envolvidos pode colocar questões 
relativas a heterogeneidade e segurança 
Apropriado para ambientes em que todos os participantes 
querem cooperar para fornecer uma dado serviço 
Capacidade agregada muito maior que a capacidade individual de cada 
par 
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Variantes do modelo cliente/servidor para lidar com 
limitações de escalabilidade e tolerância a falhas 
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Servidor 
 
 
 
 
Cliente/servidor particionado 
Existem vários servidores com a mesma interface, cada um capaz de 
responder a uma parte dos pedidos 
 
Quando o servidor não pode responder: 
Redirige o cliente para outro servidor (iterativo); 
Ou, invoca pedido noutro servidor (recursivo) 
exemplo: DNS (.mz, .com, .org, etc.) 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
VARIANTES DO MODELO CLIENTE/SERVIDOR: SERVIDOR 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente Cliente 
ClienteCliente 
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VARIANTES DO MODELO CLIENTE/SERVIDOR: SERVIDOR 
Cliente/servidor particionado 
 
Positivo 
Permite distribuir a carga, melhorando o desempenho (potencialmente) 
Não existe um ponto de falha único 
 
Negativo 
Falha de um servidor impede acesso aos dados presentes nesse servidor 
Difícil de aplicar em alguns modelos de dados 
 
Sendo: w : nº de escritas; r : nº de leituras; n : nº de partições 
Cada partição recebe, em média: w / n + r / n pedidos 
ou seja, potencialmente divide as escritas e as leituras por todos os 
servidores, melhorando o desempenho do sistema 
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VARIANTES DO MODELO CLIENTE/SERVIDOR: SERVIDOR 
Cliente/servidor replicado 
 
Existem vários servidores idênticos 
portanto, capazes de responder aos mesmos pedidos 
 
 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente Cliente 
Cliente 
Cliente 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
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VARIANTES DO MODELO CLIENTE/SERVIDOR: SERVIDOR 
Cliente/servidor replicado 
 
Positivo 
Redundância - não existe um ponto de falha único 
Permite distribuir a carga, melhorando o desempenho, mas depende do 
rácio entre escritas e leituras) 
 
Negativo 
Custo da Coordenação - garantir coerência entre todas as réplicas 
Recuperar uma réplica que tenha falhado (sem parar o resto do sistema) 
 
Sendo: w : nº de escritas; r : nº de leituras; n : nº de réplicas 
Se todas as réplicas receberem todos os pedidos de escrita, cada 
réplica recebe: w + r / n pedidos 
Ou seja, as leituras podem ser distribuídas entre as réplicas, mas as 
escritas têm que ser feitas em todas elas 
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VARIANTES DO MODELO CLIENTE/SERVIDOR: SERVIDOR 
Cliente/servidor geo-replicado 
 
Servidor replicado, com réplicas distribuídas geograficamente 
 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente 
Cliente Cliente 
Cliente 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
Servidor 
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VARIANTES DO MODELO CLIENTE/SERVIDOR: SERVIDOR 
Cliente/servidor geo-replicado 
 
Positivo 
Proximidade aos clientes melhora a qualidade de serviço (latência) 
Redundância acrescida – as falhas das réplicas são (ainda) mais 
independentes 
 
Negativo 
Coordenação mais dispendiosa – maior separação física das réplicas 
traduz-se na utilização de canais com latência/atrasos significativos 
 
 
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VARIANTES DO MODELO CLIENTE/SERVIDOR: CLIENTE 
Cliente leve (thin client)/servidor 
 
O cliente apenas inclui uma interface (gráfica) para executar operações 
no servidor (ex.: browser + formulários) 
 
Positivo: 
Cliente pode ser muito simples (não implementa a lógica da aplicação) 
 
Negativo 
Maior peso no servidor (a lógica da aplicação reside no servidor) 
Impacto na interatividade (devido ao tempo de ida e volta da rede entre o 
cliente e o servidor) 
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VARIANTES DO MODELO CLIENTE/SERVIDOR: CLIENTE 
Cliente completo (estendido)/servidor 
 
O cliente executa localmente algumas operações que seriam 
executadas pelo servidor 
 
a lógica da aplicação reside em boa parte no cliente; o servidor fornece 
armazenamento 
 
exemplo: Google Docs, Gmail 
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VARIANTES DO MODELO CLIENTE/SERVIDOR: CLIENTE 
Cliente completo (estendido)/servidor 
 
Positivo: 
Permite funcionar desligado/offline, quando não é possível contactar o 
servidor (recorrendo a caching) 
Permite diminuir a carga do servidor e melhorar o desempenho e a 
interatividade 
 
Negativo: 
Implementação do cliente mais complexa 
Necessário tratar da coerência dos dados entre o cliente e o servidor 
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Variantes do modelo P2P com diferentes propriedades 
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VARIANTES DO MODELO PEER-TO-PEER 
Sistema P2P não estruturado 
 
As ligações entre os pares são formadas de forma não-determinista 
 
Quando se junta à rede, um par liga-se um conjunto de outros pares 
conhecidos (os seus vizinhos na rede P2P) 
Os vizinhos podem variar durante a execução do sistema e de sessão para 
sessão 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
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VARIANTES DO MODELO PEER-TO-PEER 
Sistema P2P não estruturado 
Positivo: 
Simplicidade, robusto ao dinamismo da rede (churn) 
 
Negativo: 
Pesquisa pesada (geralmente por inundação), não determinista / incompleta 
Latência/escalabilidade depende da árvore formada 
xpto.mp3? 
xpto.mp3? 
.mp3? 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
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VARIANTES DO MODELO PEER-TO-PEER 
Sistemas P2P estruturados 
 
Os membros do sistema além 
do endereço físico, têm um 
endereço lógico 
 
A topologia da rede reflete um 
relação determinista 
(matemática) entre os 
endereços lógicos dos pares 
 
Existem topologias para todos 
os gostos, por exemplo um anel 
 
 
32
60
79
70
113
102
40
52
80
85
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S C 
S 
C 
S 
C 
S 
C 
S 
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VARIANTES DO MODELO PEER-TO-PEER 
Sistemas P2P estruturados 
 
Uma boa topologia, consegue 
custos de encaminhamento e 
pesquisas por identificador 
O(log N) 
 
Cada passo reduz o espaço de 
pesquisa/encaminhamento 
pela metade... 
 
Ideia: cada nó liga-se a nós 
noutros pontos da topologia 
P2P e usa essas ligações como 
atalhos: ex: O(log N) vizinhos 
60
79
70
113
102
40
52
80
85
32
Lookup(80) 
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Podem existir mais componentes num sistema 
distribuído, cujo papel é simultaneamente cliente e 
servidor 
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NOÇÃO DE PROXY DE UM SERVIÇO 
Proxy de um serviço 
Processo que fornece um serviço recorrendo a um servidor (desse serviço) para executar 
o serviço 
Utilizaçõespossíveis 
Intermediário simples (apenas encaminha pedidos e respostas) 
Intermediário complexo (gateway) 
Transformação dos pedidos 
Serviço adicional, através do armazenamento de respostas a pedidos anteriores. 
Diminuição do tempo de resposta (latência inferior para o proxy) 
Diminuição da carga do servidor 
Mascarar falhas do servidor / desconexão 
Proxy 
Web 
server 
Web 
server 
server 
Servidor 
WEB 
Servidor 
WEB 
PROXY 
Browser 
Browser 
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SERVIDORES DA PERIFERIA 
Sistemas com servidores localizados na periferia da Internet 
Contratados junto dos ISP para responder a certos pedidos 
 
Objectos pesados como vídeos e imagens são servidos de cópias alojadas 
nos ISPs, obtidas a pedido. 
 
CDNs – Redes de distribuição de conteúdos pesados (exemplo: AKAMAI) 
 
 
Propriedades 
Menor latência, filtragem, 
distribuição de carga, etc. 
 
 
src: https://clickmotive.files.wordpress.com/2009/11/akamaiedgeplatform.jpg