Memoria Compartida Distribuida
Los sistemas de memoria compartida distribuida (DSM) representan la creación hibrida de dos tipos de computación paralelos: la memoria distribuida en sistemas multiprocesador y los sistemas distribuidos. Ellos proveen la abstracción de memoria compartida en sistemas con memorias distribuidas físicamente y consecuentemente combinan las mejores características de ambos enfoques. Debido a esto, el concepto de memoria compartida distribuida es reconocido como uno de los enfoques mas atractivos para la creación de sistemas escalables, de alto rendimiento de sistemas multiprocesador.
La memoria compartida distribuida (DSM) es una abstracción utilizada para compartir datos entre computadores que no comparten memoria física. Los procesos acceden a DSM para leer y actualizar, dentro de sus espacios de direcciones, sobre lo que aparenta ser la memoria interna normal asignada a un proceso. Sin embargo, existe un sistema subyacente en tiempo de ejecución que asegura de forma transparente que procesos diferentes ejecutándose en computadores diferentes observen las actualizaciones realizadas entre ellas. Es como si 1os procesos accedieran a una única memoria compartida, pero de hecho la memoria física está distribuida
La principal característica de DSM es que ahorra al programador todo lo concerniente al paso de mensajes al escribir sus aplicaciones, cuestión que en otro sistema debería tenerse muy presente. DSM es fundamentalmente una herramienta para aplicaciones paralelas o para aplicaciones o grupos de aplicaciones distribuidas en las que se puede acceder directamente a datos individuales que ellas comparten. En general, DSM es menos apropiado para sistemas cliente-servidor, ya que los clientes ven al servidor como un gestor de recursos en forma de datos abstractos que se acceden a través de peticiones (por razones de modularidad y protección). Sin embargo, los servidores pueden proporcionar DSM compartido entre los clientes. Por ejemplo, los archivos plasmados en memoria (memory mapped) que son compartidos y sobre los que se gestiona un cierto grado de consistencia son una forma de DSM
MODELOS DE CONSISTENCIA
La duplicidad de los bloques compartidos aumenta el rendimiento, pero produce un problema de consistencia entre las diferentes copias de la página en caso de una escritura. Si con cada escritura es necesario actualizar todas las copias, el envío de las páginas por la red provoca que el tiempo de espera aumente demasiado, convirtiendo este método en impracticable. Para solucionar este problema se proponen diferentes modelos de consistencia, que establezcan.
Nombramos algunos modelos de consistencia, del más fuerte al más débil: consistencia estricta, secuencial, causal, PRAM, del procesador, débil, de liberación y de entrada
ESTRICTA, CASUAL, SECUENCIAL, DEBIL, DE LIBERACION Y DE ENTRADA.
CONSISTENCIA CASUAL: La condición a cumplir para que unos datos sean causalmente consistentes es:
• Escrituras que están potencialmente relacionadas en forma causal deben ser vistas por todos los procesos en el mismo orden.
• Escrituras concurrentes pueden ser vistas en un orden diferente sobre diferentes máquinas.
Es permitida con un almacenamiento causalmente consistente, pero no con un almacenamiento secuencialmente consistente o con un almacenamiento consistente en forma estricta.
CONSISTENCIA SECUENCIAL: La consistencia secuencial es una forma ligeramente más débil de la consistencia estricta. Satisface la siguiente condición:
El resultado de una ejecución es el mismo si las operaciones (lectura y escritura) de todos los procesos sobre el dato fueron ejecutadas en algún orden secuencial
a) Un dato almacenado secuencialmente consistente.
b) Un dato almacenado que no es secuencialmente consistente.
CONSISTENCIA DÉBIL: Los accesos a variables de sincronización asociadas con los datos almacenados son secuencialmente consistentes.
Propiedades.
No se permite operación sobre una variable de sincronización hasta que todas las escrituras previas de hayan completado.
No se permiten operaciones de escritura o lectura sobre datos hasta que no se hayan completado operaciones previas sobre variables de sincronización.
CONSISTENCIA DE LIBERACIÓN Se basa en el supuesto de que los accesos a variables compartidas se protegen en secciones críticas empleando primitivas de sincronización, como por ejemplo locks. En tal caso, todo acceso esta precedido por una operación adquiere y seguido por una operación release. Es responsabilidad del programador que esta propiedad se cumpla en todos los programas.
Memoria Compartida Distribuida con base en páginas.
El esquema de DSM propone un espacio de direcciones de memoria virtual que integra la memoria de todas las computadoras del sistema, y su uso se realiza mediante paginación. Las páginas quedan restringidas a estar necesariamente en un único nodo. Cuando un programa intenta acceder a una posición virtual de memoria, se comprueba si esa página se encuentra de forma local. Si no se encuentra, se provoca un fallo de página, y el sistema operativo solicita la página al resto de nodos. El sistema funciona de forma análoga al sistema de memoria virtual tradicional, pero en este caso los fallos de página se propagan al resto de ordenadores, hasta que la petición llega al nodo que tiene la página virtual solicitada en su memoria local. A primera vista este sistema parece más eficiente que el acceso a la memoria virtual en disco, pero en la realidad ha mostrado ser un sistema demasiado lento en ciertas aplicaciones, ya que provoca un tráfico de páginas excesivo.
Memoria Compartida Distribuida con Variables.
Un método más estructurado que la DSM con base a páginas consiste en compartir sólo ciertas variables y estructuras de datos necesarias para más de un proceso. Ahora el problema pasa a ser la forma de mantener una base de datos distribuida, en potencia duplicada, consistente en las variables compartidas.
Uno de los aspectos más importantes a tratar de estos sistemas es el de si las variables compartidas deben o no duplicarse, y de qué manera, parcial o total. Si se duplicasen existiría más potencial que en un sistema DSM basado en páginas, en términos de actualización, dado que las escrituras en las variables compartidas individuales se pueden aislar. Dos de los ejemplos más interesantes de este tipo de sistemas son el Munin y el Midway; el primero se basa en una implantación software de la consistencia de liberación, y el segundo consiste en compartir las estructuras de datos individuales, permitiendo que los programas multiprocesador existentes y los nuevos se ejecuten de manera eficiente en las multicomputadores, con ligeros cambios de código.
Memoria Compartida Distribuida basada en objetos.
Una alternativa al uso de páginas es tomar el objeto como base de la transferencia de memoria. Aunque el control de la memoria resulta más complejo, el resultado es al mismo tiempo modular y flexible, y la sincronización y el acceso se pueden integrar limpiamente. Otra de las restricciones de este modelo es que todos los accesos a los objetos compartidos han de realizarse mediante llamadas a los métodos de los objetos, con lo que no se admiten programas no modulares y se consideran incompatibles.
Casos de estudio.
La memoria compartida distribuida se implementa utilizando uno de los siguientes métodos o bien una combinación de ellos, hardware especializado, memoria virtual paginada convencional o middleware:
Hardware: las arquitecturas multiprocesador de memoria compartida basadas en una arquitectura NUMA (por ejemplo, Dash [Lenoski y otros 1992] y PLUS [Bisiani y Ravishankar 1990] se basan en hardware especializado para proporcionar a los procesadores una visión consistente de la memoria compartida. Gestionan las instrucciones de acceso a memoria LOAD y STORE de forma que se comuniquen con la memoria remota y los módulos de caché según sea necesario para almacenar y obtener datos. Esta comunicación se realiza sobre sistemas de interconexión de alta velocidad similares a una red. El prototipo del multiprocesador Dash tiene 64 nodos; conectados mediante una arquitectura NUMA.
Memoria virtual paginada: muchos sistemas, incluyendo Ivy [Li y Hudak 1989], Munin [Carter y otros 1991], Mirage [Fleisch y Popek 1989], Clouds [Dasgupta y otros 1991], Choices [Sane y otros 1990], COOL (Lea y otros 1993] y Mether [Minnich y Farber 1989], implementan DSM como una región de memoria virtual que ocupa el mismo rango de direcciones en el espacio de direcciones de cada proceso participante. Este tipo de implementación normalmente sólo es factible sobre una colección de computadores homogéneos con formatos de datos y de paginación comunes.
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