Introducción a los Sistemas distribuidos

¿Qué es un sistema distribuido?

  Una de las primeras caracterizaciones de un sistema distribuido fue realizada por Enslow, ya en 1978, que le atribuye las siguientes propiedades:

• Está compuesto por varios recursos informáticos de propósito general, tanto físicos como lógicos, que pueden asignarse dinámicamente a tareas concretas.
• Estos recursos están distribuidos físicamente, y funcionan gracias a una red de comunicaciones.
• Hay un sistema operativo de alto nivel, que unifica e integra el control de los componentes.
• El hecho de la distribución es transparente, permitiendo que los servicios puedan ser solicitados especificando simplemente su nombre (no su localización).
• El funcionamiento de los recursos físicos y lógicos está caracterizado por una autonomía coordinada.

 

A pesar del tiempo transcurrido, esta definición sigue siendo, en esencia, válida. Así, para Coulouris un sistema distribuido es aquél que está compuesto por varias computadoras autónomos conectados mediante una red de comunicaciones y equipados con programas que les permitan coordinar sus actividades y compartir recursos. Bal ofrece una definición muy similar: ``Un sistema de computación distribuida está compuesto por varios procesadores autónomos que no comparten memoria principal, pero cooperan mediante el paso de mensajes sobre una red de comunicaciones''. Y según Schroeder, todo sistema distribuido tiene tres características básicas:

• Existencia de varias computadoras. En general, cada uno con su propio procesador, memoria local, subsistema de entrada/salida y quizás incluso memoria persistente.
• Interconexión. Existen vías que permiten la comunicación entre las computadoras, a través de las cuales pueden transmitir información.
• Estado compartido. Las computadoras cooperan para mantener algún tipo de estado compartido. Dicho de otra forma, puede describirse el funcionamiento correcto del sistema como el mantenimiento de una serie de invariantes globales que requiere la coordinación de varios computadoras.

 

  En cuanto a los campos de aplicación, podemos distinguir por un lado aquellos donde la distribución es fundamentalmente un medio para conseguir un fin y por otro aquellos donde es un problema en sí misma. Con respecto a los primeros, el uso de soluciones distribuidas sirve para acercarse a las siguientes metas:

•   Computación masivamente paralela, de propósito general y de alta velocidad.
•   Tolerancia a fallos (confianza, disponibilidad).
•   Respuesta a demandas con requisitos de tiempo real.

 

En los segundos, son los propios requisitos de la aplicación los que fuerzan a evolucionar hacia soluciones distribuidas:

• Bases de datos distribuidas. Es necesario acceder a los datos desde lugares geográficamente dispersos, y además puede ser conveniente (e incluso imprescindible) almacenarlos también en varios lugares diferentes.
• Fabricación automatizada. Es necesaria la colaboración de muchos procesadores para coordinar las tareas en una factoría.
• Supervisión remota y control. Los sensores, los actuadores y los nodos donde se toman las decisiones de control pueden estar en diferentes partes de un sistema distribuido.
• Toma de decisiones coordinada. Hay muchas aplicaciones donde es necesario que varios procesadores participen en la toma de decisiones, por ejemplo, porque cada uno de ellos tiene una parte de los datos relevantes.

 

Algunas ventajas de los sistemas distribuídos sobre los centralizados son:

Elemento	Descripción
Economía	Los microprocesadores ofrecen mejor proproción precio/rendimiento que los mainframes
Velocidad	Un sistema distribuído puede tener mayor poder de cómputo que un mainframe
Distribución inherente	Algunas aplicaciones utilizan maquinas que están separadas a cierta distancia
Confiabilidad	Si una máquina se descompone, el sistema puede sobrevivir como un todo
Crecimiento por incrementos	Se puede añadir poder de cómputo en pequeños incrementos

Algunas ventajas de los sistemas distribuídos sobre las computadoras aisladas son:

Elemento	Descripción
Datos compartidos	Permiten que varios usuarios tengan acceso a una base de datos común
Dispositivos compartidos	Permiten que varios usuarios compartan periféricos caros, como las impresoras de color
Comunicación	Facilita la comunicación de persona a persona; por ejemplo mediante el correo electrónico
Flexibilidad	Difunde la carga de trabajo entre las máquinas disponibles en la forma más eficaz en cuanto a los costos.

Algunas desventajas de los sistemas distribuídos son:

Elemento	Descripción
Software	Existe poco software para los sistemas distribuídos
Redes	La red se puede saturar o causar otros problemas
Seguridad	Un acceso sencillo también se aplica a datos secretos

 

Principales problemas y áreas de investigación

    Cuando se construye cualquier tipo de sistema distribuido hay varios problemas que deben ser resueltos. Estos problemas son fundamentales porque están presentes en cualquier sistema de este tipo, por su propia naturaleza. De hecho, algunos autores deciden incluso si un sistema es ``más o menos distribuido'' según el grado en que los presenta (y hablan entonces de síntomas de distribución). Los más relevantes son los siguientes:

•   Fallo independiente. Puede ocurrir que parte de las computadoras que componen el sistema dejen de funcionar, y sin embargo el resto continúe correctamente. En este caso, habitualmente se quiere que el sistema continúe prestando servicio, aunque quizás de forma reducida.
•   Comunicación no fiable. Las redes que conectan las computadoras no están, en general, exentas de errores. Es muy habitual que los datos transmitidos se pierdan, se corrompan o se repitan por problemas de la red. El sistema distribuido ha de estar diseñado de forma que tolere estas situaciones.
•   Comunicación insegura. En general, los datos que se transmiten por la red pueden ser observados sin autorización, o incluso modificados intencionadamente.
•   Alto costo de la comunicación. En la mayor parte de los casos la interconexión entre las computadoras proporciona menos ancho de banda y más latencia que sus buses de comunicación internos.

 

Los campos donde se concentra la investigación en sistemas distribuidos suelen estar, bien relacionados con estos problemas, o bien con los dominios de aplicación donde se pretende usar la distribución. También hay campos donde temas ``tradicionalmente'' resueltos cobran nueva vida al intentar extenderlos con soluciones distribuidas (por ejemplo, los servicios de nombrado de un sistema operativo o los planificadores de procesos) . A continuación se ofrece una lista, extensa pero por supuesto no exhaustiva, de las áreas más activas en el ámbito de los sistemas distribuidos en los últimos años, construida a partir de la ofrecida en: redes de área local y extensa, sistemas operativos distribuidos, bases de datos distribuidas, servidores de ficheros distribuidos, lenguajes de programación concurrentes y distribuidos, lenguajes de especificación para sistemas concurrentes, teoría de algoritmos paralelos, teoría de computación distribuida, arquitecturas paralelas y estructuras de interconexión, sistemas ultraconfiables y tolerantes a fallos, sistemas distribuidos de tiempo real, técnicas de resolución cooperativa de problemas, depuración distribuida, simulación distribuida, aplicaciones distribuidas y metodologías para el diseño, construcción y mantenimiento de sistemas distribuidos grandes y complejos, y herramientas de trabajo cooperativo.

 

Técnicas más habituales

  Aunque los dominios de aplicación de los sistemas distribuidos son muchos, hay una serie de problemas comunes a todos ellos. Precisamente la recurrencia de estos problemas es lo que hace que sistemas en principio muy diferentes (como por ejemplo, bases de datos distribuidas o sistemas de encaminamiento en redes) puedan tratarse, al menos parcialmente, de forma similar. Para resolverlos se han ido desarrollando en los últimos años unas técnicas que componen hasta cierto punto el ``corpus teórico'' en el que se apoya la investigación sobre sistemas distribuidos. Para ver cuáles son éstas, basta con consultar el índice de cualquiera de los textos clásicos sobre el tema. La siguiente lista incluye los más habituales:

•   Comunicaciones ``uno a varios'' (multienvíos u omnienvíos, en el caso de ser ``uno a todos''). Cuando se trata de comunicar varios procesos entre sí, las ``tradicionales'' comunicaciones punto a punto ofrecen una funcionalidad demasiado básica, y por ello es necesario construir protocolos más complejos. Esto puede ocurrir por las propias necesidades de las aplicaciones (por ejemplo, teleconferencia sobre red de área extensa), o para aprovechar mejor la infraestructura de comunicaciones (que en muchos casos proporciona mecanismos de multienvío poco costosos, por ejemplo, omnienvío en Ethernet).
•   Replicación. Utilizada fundamentalmente para conseguir fiabilidad y disponibilidad. Muy importante cuando el sistema ha de ser de confianza.
•   Consenso distribuido. Muy útil siempre que hay un conjunto de procesos que han de tomar una decisión coordinada (por ejemplo, para sincronizar relojes o para comprometer una transacción atómica).
•   Sincronización de relojes. Especialmente necesaria en sistemas distribuidos de tiempo real. En muchos casos no se necesita una sincronización ``real'', y basta con una ``lógica'' (por ejemplo, la lograda mediante relojes lógicos de Lamport o vectores de tiempo.
•   Cálculo de instantáneas (o panorámicas de un sistema). Necesaria siempre que un proceso quiere tener una percepción de alguna parte del estado del sistema distribuido, sobre la que la información está repartida. Una vez percibida esa información, pueden comprobarse propiedades de ese estado, que sirvan para tomar decisiones (por ejemplo, estimaciones de la afiliación de un grupo de procesos), o detectar propiedades del sistema (terminación, interbloqueos, etc.).
•   Técnicas de nombrado global. El primer requisito para lograr disponibilidad de recursos remotos es poder nombrarlos. Casi cualquier solución en sistemas distribuidos requiere de la existencia de un servicio de nombrado global para sus elementos.
•   Cifrado. Técnica básica para garantizar desde seguridad en el paso de mensajes hasta autenticación de un proceso frente a otros.

 

La mayor parte de estas técnicas están fuertemente interrelacionadas, y a menudo se utilizan juntas en los sistemas reales. Por ejemplo, uno de los niveles de comunicaciones más utilizados proporciona multienvío atómico y causal. Para conseguirlo se usan habitualmente comunicaciones uno a varios, consenso distribuido, sincronización lógica de relojes y cálculo de instantáneas globales.