1. Sistemas Operativos Distribuidos
Luis Alberto Yallerco Q.

2. Arquitectura de Sistemas
Centralizados
• Único computador (caro y de gran potencia) con terminales alfanuméricos
directamente conectados.
• Entornos de empresa:
•
•
Soporte multiusuario
Uso de mainframes o minicomputadores
• Entornos científicos:
•
•
Ejecución eficiente de aplicaciones
Uso de supercomputadores
• Uso ocasional de la red:
•
Transferir ficheros o logins remotos
• Interfaz de usuario poco amigable
•
Interfaces gráficas gastan muchos recursos

3. Arquitectura de Sistemas
Distribuidos
• Conjunto de procesadores conectados por una red
• Cada usuario tiene capacidad de procesamiento local que permite
interfaces de usuario sofisticadas.
• Uso intensivo de la red para compartir recursos:
• dispositivos
• datos
• procesadores (migración de procesos)
• Capacidad global de procesamiento disponible para:
• Servicio a múltiples usuarios
• Ejecución paralela de una aplicación

4. Nacimiento de los Sistemas
Distribuidos
Causas:
• Tecnología de microprocesadores: relación potencia/coste.
• Tecnologías de comunicaciones:
•
•
•
Protocolos de comunicaciones.
Redes de área local (LAN): Coste y prestaciones.
Internet
• Factores comerciales:
•
•
•
Comercio electrónico: e-comerce.
Información distribuida (WWW).
Reducción de costes.

5. Características de un Sistema
Distribuido
Definición:
Un sistema distribuido es una colección de computadoras independientes que
aparece ante los usuarios del sistema como una única computadora.
• Recursos distribuidos para un trabajo común.
• N computadoras
• Un “servicio” único a los usuarios.
Tradicionalmente (1972):
• Clasificación de Flynn: SISD, SIMD, MISD, MIMD

6. Características de un Sistema
Distribuido
Un sistema distribuido implica las siguientes
consecuencias:
• No existe un reloj común: Afecta a cualquier aspecto de
coordinación y mensajes.
• Concurrencia global: Los elementos del sistema se
ejecutan realmente en paralelo.
• Fallos independientes: Los modos de fallo del sistema
pueden ser locales a un subconjunto de sus componentes.

7. Evolución de los Sistemas
Operativos
Objetivos
Gestión de recursos,
Sistema Operativo
“Máquina extendida”,
Centralizado
(Virtualidad)
Sistema
Sistema Operativo Compartición de recursos,
(Interoperabilidad)
en Red
Vista única de varias
Sistema Operativo
computadoras
Distribuido
(Transparencia)
Sistema
Cooperativa
Trabajo cooperativo,
(Autonomía)

8. Capas de un Sistema Operativo
La visión esquemática de un
sistema operativo comprende
los siguientes niveles:
Usuarios
Aplicaciones
Servicios
Kernel
Hardware

9. Responsabilidades del Kernel
Kernels Monolíticos:
Muchas funcionalidades dentro del kernel:
planificador, gestión de memoria, drivers,...
Servicios
Kernel
Computadora
m Kernels:
Se sacan funcionalidades del kernel. Sólo quedan:
(i) comunicación entre procesos, (ii) administración
de memoria, (iii) administración y planificación de
bajo nivel y (iv) entrada/salida de bajo nivel
Servicios
m Kernel
-
m Kernel
-
m Kernel
-
Servicios
m Kernel
Computadora
Servicios Distribuidos:
Estructura de sistema distribuido. Dependiendo
del nivel se habla de: Sistema Operativo
Distribuido, Sistema en Red o (Cooperativo).

10. Heterogeneidad de un Sistema
Distribuido
Un sistema distribuido puede estar formado por multitud de elementos
conectados por redes LAN o WAN:
•
•
•
•
•
•
•
•
Terminales X y Estaciones Java (Network Computer).
PCs y estaciones de trabajo.
Sistemas portátiles (redes móviles: GSM, WAP y ...)
Minicomputadores.
Supercomputadores.
Multiprocesadores con memoria compartida o no.
Servidores especializados (de almacenamiento, de impresión, ...).
Sistemas empotrados.
Fomentada por los siguientes factores:
•
•
Extensibilidad de los sistemas distribuidos.
Especialización de los servidores.

11. Ventajas de los Sistemas Distribuidos
• Economía: Buena relación rendimiento/coste
•
Ley de Grosch (obsoleta):
Prestaciones = cte x (Precio)2
• Alto rendimiento: Procesamiento paralelo.
• Soporte de aplicaciones inherentemente distribuidas.
•
Por ejemplo: empresa distribuida geográficamente
• Capacidad de crecimiento: Escalabilidad.
• Fiabilidad y disponibilidad: Tolerancia a (ciertos) fallos.
• Carácter abierto y heterogéneo:
•
Estándares de interoperabilidad.
• Compartir recursos y datos.

12. Desventajas de los Sistemas
Distribuidos
• Necesidad de un nuevo tipo de software:
• Más complejo.
• No hay todavía un acuerdo sobre cómo debe ser.
• Red de interconexión introduce nuevos problemas:
• Pérdida de mensajes y saturación.
• Latencia puede provocar que al recibir un dato ya esté
obsoleto.
• La red es un elemento crítico.
• Seguridad y confidencialidad

13. Aplicaciones de los Sistemas
Distribuidos
• Servicios Internet: correo, noticias, Web, ... nuevos servicios.
• Redes corporativas e intranets.
• Procesamiento paralelo:
• Procesamiento masivo (solución a la eficiencia).
• Topología distribuida (problemas de naturaleza distribuida)
• Sistemas distribuidos de gestión de bases de datos y explotación de
los mismos: e.g. Data Warehousing.
• Aplicaciones multimedia.
• Sistemas industriales distribuidos y aplicaciones de control.
• Sistemas distribuidos de tiempo real.

14. Distribución de los Sistemas
Operativos
• Sistemas operativos para multiprocesadores con memoria
compartida (SMP):
• Software fuertemente acoplado
• sobre Hardware fuertemente acoplado
• Sistema operativo distribuido (SOD):
• Software fuertemente acoplado
• sobre Hardware débilmente acoplado
• Sistema operativo en red:
• Software débilmente acoplado
• sobre Hardware débilmente acoplado

15. Sistemas Operativos para SMPs
Arquitecturas de varios procesadores (2 a 8) con memoria
compartida de acceso uniforme (SMP: Simetric Multiprocesors)
Características:
• “Ligeras” variaciones sobre versiones tradicionales.
• Sólo hay una copia del sistema operativo.
• Concurrencia se traduce en paralelismo real ( tiempo compartido).
• Comercialmente aceptados (Linux, WinNT, Solaris, AIX, ...).
• Plantea retos para: la ejecución del núcleo en varios procesadores
(llamadas al sistema concurrentes) , los mecanismos de sincronización
(spin-locks), optimización y planificación (afinidad al procesador), ...

16. Sistemas Operativos Distribuidos
(SOD)
Definición:
Un sistema operativo distribuido es un conjunto de procesadores interconectados por
redes que ocultan dicha característica mostrando una visión al usuario de
“uniprocesador virtual”.
Características:
• Ejecuta sobre un sistema distribuido haciendo creer a los usuarios que se
trata de un sistema centralizado.
•
•
•
•
Trasparencia: Debe ocultar factores derivados de la distribución.
Es fácil de decir pero no de hacer.
Cada sistema alcanza hasta cierto punto esta meta.
Los fracasos pueden generar frustraciones en los usuarios.

17. Sistemas Operativos Distribuidos
(SOD)
Problemática:
• Cada nodo tiene su copia del sistema operativo: ¿Qué tareas se realizan
localmente y cuáles son globales?
• ¿Cómo lograr exclusión mutua sin memoria compartida?
• ¿Cómo tratar los interbloqueos sin un estado global?
• Planificación de procesos: Cada copia del sistema operativo tiene su cola de
planificación (migración de procesos).
• ¿Cómo crear un árbol de ficheros único?
• Implicaciones de la falta de reloj único, la presencia de fallos o la
heterogeneidad.
Principal aportación:
• Se han desarrollado nuevos conceptos y planteamientos que se han podido
trasladar a los otros modelos de sistemas distribuidos.

18. Evolución de los SOD
• Primeros SO de red:
•
•
Incluir servicios de red en SO convencional
Ejemplo: UNIX 4BSD (1980)
• Paulatina incorporación de más funcionalidad:
•
ONC de Sun (1985): incluye NFS, RPC, NIS
• Primeros SOD:
•
•
Nuevos SO pero basados en arquitecturas convencionales (monolíticas)
Ejemplo: Sprite de la Universidad de Berkeley (1988)
• SOD basados en m-kernel. Ejemplos:
•
•
•
Mach de CMU (1986)
Amoeba diseñado por Tanenbaum (1984)
Chorus de INRIA en Francia (1988)

19. Sistemas Operativos en Red
Definición:
Red de computadoras débilmente acopladas en las que no existe un control externo
directo sobre el hardware/software de cada computadora para la compartición de
recursos.
Características:
• No dan la visión de uniprocesador virtual (máquinas independientes).
• Cada una ejecuta una copia de sistema operativo (distinto).
• Sistema operativo convencional + utilidades de red.
• Protocolos de comunicación para intercambio de recursos y acceso a servicios
de alto nivel.
• Desde rcp/rlogin hasta Open Network Computing (ONC) de Sun.

20. Sistemas Cooperativos
Definición:
Sistemas software orientados a servicios de alto nivel que requieren el
soporte de mecanismos de comunicación en base a los cuales los protocolos
de comunicaciones de alto nivel se construyen.
Características:
• Se mantiene el grado de trasparencia sacrificando la visión de
único sistema. Son sistemas autónomos independientes.
• Se construyen en base a middlewares (CORBA, DCE, DCOM, ...)
• Los sistemas resultan de la integración de múltiples servicios
proporcionados por diferentes elementos de la red.

21. Middleware
Middleware:
• Capa de software que ejecuta sobre el sistema operativo local ofreciendo
unos servicios distribuidos estandarizados.
• Sistema abierto independiente del fabricante.
• No depende del hardware y sistema operativo subyacente.
Ejemplos:
• DCE (Open Group).
• CORBA (OMG).
• ...
Middleware
SO
SO
SO
Hardware
Hardware
Hardware

22. Objetivos de un Sistema Distribuido
En general el desarrollo de sistemas distribuidos intenta poner
solución a los siguientes objetivos:
• Transparencia.
• Fiabilidad.
• Rendimiento.
• Capacidad de crecimiento.
• Flexibilidad.
• Seguridad.
Sistemas operativos distribuidos, sistemas en red y sistemas
cooperativos requieren diferentes facetas de estos objetivos.

23. Transparencia
Existen varios perfiles de trasparencia:
•
•
•
•
•
•
•
•
Acceso: Manera de acceder a recurso local igual que a remoto.
Posición: Se accede a los recursos sin conocer su localización.
Migración: Recursos pueden migrar sin afectar a los usuarios.
Concurrencia: Acceso concurrente no afecta a los usuarios.
Replicación: La existencia de réplicas no afecta a los usuarios.
Fallos: La ocurrencia de fallos no afecta a los usuarios.
Crecimiento: El crecimiento del sistema no afecta a los usuarios.
Heterogeneidad:Carácter heterogéneo no afecta a los usuarios.
¿Es buena tanta transparencia?
•
A veces el usuario precisa conocer cómo es el sistema subyacente

24. Fiabilidad
Fiabilidad como disponibilidad:
• Teóricamente: OR-lógico de sus componentes.
• En ciertos casos: AND-lógico de varios componentes.
• Mecanismos: redundancia y evitar componentes críticos.
• Tolerancia a fallos: Los componuentes pueden no caerse pero
funcionan de forma errónea.
Fiabilidad como coherencia:
• Se dificulta con la redundancia: inconsistencias
La fiabilidad está relacionada con la seguridad (otro objetivo).

25. Rendimiento
Rendimiento para un servicio multiusuario:
•
Objetivo: Rendimiento no peor que un sistema centralizado
Rendimiento para la ejecución paralela de aplicaciones:
•
Objetivo: Rendimiento proporcional a procesadores empleados
Factores:
•
•
Mayor número de procesadores
Elementos críticos:
•
•
•
•
Especialmente la red: Latencia de la comunicación, uso de caches, ...
Grano de paralelismo (relación proceso/comunicación).
Replicación de elementos/tareas.
Equilibrado de carga.

26. Capacidad de Crecimiento
Diseño de un sistema distribuido debe evitar “cuellos de botella”:
• Componentes centralizados
• Tablas centralizadas
• Algoritmos centralizados
Problemática agravada por el número de elementos:
• Ninguna máquina tiene información completa del estado del sistema
• Las decisiones se basan sólo en información disponible localmente
• El fallo de una máquina no debe invalidar el algoritmo
• No debe asumir la existencia de un reloj global

27. Flexibilidad
Capacidad para ampliarlo o extenderlo con nuevas funcionalidades de
forma sencilla.
Definición de responsabilidades:
• Sistemas con µ-kernel:
•
•
•
•
Comunicación entre procesos.
Cierta administración de memoria.
Administración y planificación de procesos (limitada y de bajo nivel).
Entrada/salida de bajo nivel.
• El resto, servicios a nivel de usuario.

28. Flexibilidad
Un elemento fundamental de la flexibilidad son los sistemas
abiertos.
El desarrollo de estos sistemas requiere:
• Sus interfaces y protocolos deberían ser públicos.
• Contrario a ”tecnología propietaria”.
• Uso de estándares siempre que sea posible.
• Disponibilidad de su código fuente (libremente o no).
• Regulación por parte de un colectivo (usuarios u organizaciones) y no
por particulares (fabricantes).

29. Componentes de un Sistema
Distribuido
El desarrollo de un sistema distribuido complejo requiere el uso de las
siguientes funciones y servicios:
• Servicios de comunicación.
• Sistemas de ficheros y nombrado distribuido.
• Servicios de sincronización y coordinación.
• Memoria compartida distribuida.
• Gestión de procesos.
• Servicio de seguridad.
Estas funcionalidades se plasman en elementos concretos del sistema:
componentes, protocolos, algoritmos, soporte hardware/software, ...

30. Servicios de Comunicación
• Modelos de interacción:
•
•
•
•
•
•
Cliente/servidor: (2-niveles, 3-niveles o n-niveles)
Peer-to-peer: Equilibrio de roles.
Intermediarios: Proxy, Dispacher, Caches, ...
Unicast vs Multicast
Fiabilidad.
Síncronos vs Asíncronos
• Tecnologías de comunicación:
•
•
•
•
Paso de mensajes: Berkeley sockets.
Llamada a procedimientos remotos: RPC.
Tecnologías de objetos distribuidos: CORBA, DCOM, EJB
Código móvil: Entornos de agentes.

31. Sistemas de Ficheros Distribuidos
Identificación, localización y acceso a elementos del entorno distribuido.
Comprende:
•
•
•
Sistemas de ficheros distribuidos (SFD): NFS, AFS.
Servicios de nombres: DNS, COS-Naming (CORBA).
Servicios de directorio: X.500, LDAP, JNDI.
Cuestiones:
•
•
•
Arquitectura de los servicios.
Almacenamiento intermedio: caching.
Replicación y coherencia.

32. Servicios de Sincronización y
Coordinación
Comprende los conceptos de:
• Tiempo en entornos distribuidos: Sincronización de relojes y relojes
lógicos.
• Concurrencia y Paralelismo: Exclusión mutua e interbloqueos.
• Algoritmos distribuidos: Elección de líder, coordinación, ...
• Transacciones: Propiedades ACID, modelos de commit/rollback.
Afecta a otros servicios:
• Nombrado e identificación.
• Seguridad y fiabilidad.
• Comunicaciones.

33. Memoria Compartida Distribuida
(DSM)
Hardware:
• Memoria físicamente compartida.
• Memoria distribuida (lógicamente compartida).
• Acceso uniforme vs acceso no uniforme.
Distributed Shared Memory:
• Basada en páginas.
• Basada en variables compartidas.
• Basada en objetos.
Modelos de consistencia

34. Gestión de Procesos
• Taxonomía de los procesos:
• Niveles de granularidad.
• Congelación de procesos (persistencia).
• Migración de procesos (estado/código).
• Planificación de procesos:
•
•
•
•
Planificación interna: Procesos y threads.
Planificación global.
Migración y equilibrado de carga.
Aprovechamiento de máquinas inactivas.

35. Servicio de Seguridad
Tipología de los ataques:
• Privacidad y confidencialidad.
• Autenticación (spoofing).
• Denegación de servicio.
Modelos y herramientas de seguridad:
• Cifrado: clave pública (RSA) y privada (DES).
• Protocolos de seguridad: IPsec, SSL.
• Certificados y firmas digitales: X.509.
• Elementos de seguridad: Firewalls.
Entornos seguros: e.g. Kerberos.

36. Notación
La asignatura tiene dos partes:
•
Parte de la asignatura dependiente de “ciertas“ tecnologías:
•
•
•
•
•
•
API de sockets.
RPCs.
CORBA.
DCOM.
Java: RMI, EJB y Jini.
Parte de la asignatura independiente de tecnologías:
•
•
•
•
Conceptos.
Técnicas.
Algoritmos.
Estrategias de diseño.

37. Notación y Formalismos
• Objetivo de la notación: No atar ninguna solución a una tecnología
concreta.
• Notaciones y formalismos usados:
•
•
•
•
Pseudocódigo: Algoritmos y ejemplos.
Objetos: Escenarios de interacción, patrones distribuidos.
Formalismos matemáticos: Seguridad, sincronización.
Metodologías y arquitecturas: Nomenclatura y semántica.
• Se optará por el más apropiado en cada caso.
• No debe ser un impedimento para entender el concepto.

38. Sistemas Operativos Distribuidos
Gracias
por su atención…
Yallerco