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A obra Processamento de Dados em Larga Escala na Computação Distribuída de Celso Luiz Agra de Sá Filho
foi licenciada com uma Licença Creative Commons - Atribuição - Uso Não Comercial - Partilha nos Mesmos
Termos 3.0 Não Adaptada.
UNIVERSIDADE CATÓLICA DE PERNAMBUCO
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
PROCESSAMENTO DE DADOS EM
LARGA ESCALA NA COMPUTAÇÃO
DISTRIBUÍDA
por
CELSO LUIZ AGRA DE SÁ FILHO
Recife, Junho de 2011
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UNIVERSIDADE CATÓLICA DE PERNAMBUCO
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA
CURSO DE CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
Processamento de dados em larga escala na computação
distribuída
por
Celso Luiz Agra de Sá Filho
Monografia apresentada ao curso de Ciência
da computação da Universidade Católica de
Pernambuco, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do grau de Bacharel em
Ciência da Computação.
ORIENTADOR: Silvio Soares Bandeira, Mestre
Recife, Junho de 2011
© Celso Luiz Agra de Sá Filho, 2011
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"Sempre faço o que não consigo fazer para aprender
o que não sei"
Pablo Picasso
iii
Resumo da Monografia apresentada ao curso de Ciência da Computação da Universidade
Católica de Pernambuco.
PROCESSAMENTO DE DADOS EM LARGA ESCALA NA
COMPUTAÇÃO DISTRIBUÍDA
Celso Luiz Agra de Sá Filho
Junho/2011
Orientador: Silvio Soares Bandeira, Mestre.
Área de Concentração: Computação Distribuída.
Palavras-chave: MapReduce, GFS, Hadoop.
Número de Páginas: 42.
Este documento visa apresentar soluções para o problema do processamento de grandes
conjuntos de dados, com ênfase no paradigma MapReduce. Um Modelo abstrato de
programação que auxilia na execução de operações em ambientes distribuídos. Focando na
alta capacidade de manipulação de informações em larga escala, utilizando uma organização
definida por clusters. O uso desse paradigma está se popularizando de forma gradativa devido
aos benefícios que ela traz, tanto no desenvolvimento de aplicações quanto na performance
das operações nela contida. Agora, um sistema pode ser desenvolvido para que o programador
não necessite ter conhecimento sobre ambientes distribuídos. Sendo assim, a facilidade de
criar aplicações distribuídas contribuiu para o sucesso desse modelo. Atualmente, aplicações
como o Google File system (GFS) e o Hadoop, ganharam bastante notoriedade pela sua
eficiência e desempenho. Dessa forma, foram adotadas por grandes corporações como a
Google (precursor do MapReduce), Facebook, Twitter, entre outras. O principal interesse
dessas empresas está na alta capacidade de alocação de dados e no seu processamento.
iv
Abstract of Dissertation presented to UNICAP.
LARGE DATA PROCESSING ON DISTRIBUTED
COMPUTING
Celso Luiz Agra de Sá Filho
June/2011
Supervisor(s): Silvio Soares Bandeira, Master
Area of Concentration: Distributed Computing.
Keywords: MapReduce, GFS, Hadoop.
Number of Pages: 42.
This document presents solutions to the problem of processing large data, with
emphasis on MapReduce paradigm. An abstract programming model that helps in the
implementation of methods on distributed environments. Focusing on high capacity for
handling information with large scale, using an environment defined by clusters. This
paradigm is becoming popular because it has many benefits, both in the development of
applications and in performance. Now, a system can be implemented in a way that the
developer does not need to have knowledge about the environment. Thus, the facility of
creating distributed applications, contributed to the success of this model. Applications like
the Google File System (GFS) and Hadoop, gained enough notoriety for its efficiency and
performance. This model was adopted by large corporations like Google (forerunner of
MapReduce), Facebook, Twitter, among others. The main interest of these companies is the
high capacity of data allocation and processing.
v
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 2.1: Organização de uma arquitetura de sistema paralelo ............................................. 12
Figura 2.2: Modelo de sistema distribuído utilizando uma camada middleware ..................... 14
Figura 2.3: Exemplo de modelo de chamada RPC ................................................................... 15
Figura 2.4: Organização do modelo NFS ................................................................................. 18
Figura 2.5: Modelo Cloud Computing ...................................................................................... 19
Figura 3.1: Modelo trivial do processamento de dados em um cluster .................................... 23
Figura 3.2: Combinação das funções Map e Fold .................................................................... 28
Figura 3.3: Representação do modelo MapReduce .................................................................. 30
Figura 3.4: Diagrama de execução do algoritmo de contagem de palavras ............................. 31
Figura 3.5: Modelo MapReduce com os Partitioners e os Combiners .................................... 35
Figura 3.6: Distribuição de um modelo MapReduce ................................................................ 36
Figura 4.1: Modelo do Google File System ............................................................................. 42
Figura 4.2: Utilização do Hadoop em um cluster ..................................................................... 43
Figura 4.3: Arquitetura do modelo de arquivos do Hadoop (HDFS) ....................................... 45
vi
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 7
2 TÉCNICAS DE PROCESSAMENTO DE DADOS ........................................................ 10
2.1 Dividir para Conquistar .......................................................................................... 10
2.2 Computação Paralela .............................................................................................. 12
2.3 Computação Distribuída ......................................................................................... 13
2.3.1 Comunicação ...................................................................................................... 14
2.3.2 Classificação dos Sistemas Distribuídos ............................................................ 16
2.3.3 Sistema de Arquivos Distribuídos – DFS ........................................................... 16
2.4 Computação nas Nuvens ........................................................................................ 18
3 O MODELO DE PROGRAMAÇÃO MAPREDUCE ...................................................... 21
3.1 Motivação ............................................................................................................... 21
3.2 Paradigma da Programação Funcional ................................................................... 24
3.2.1 Funções generalizadoras: Mapeamento e Redução ............................................ 25
3.3 Combinando Map e Fold ........................................................................................ 27
3.4 Mappers e Reducers ............................................................................................... 28
3.5 Word Count MapReduce ........................................................................................ 30
3.6 Execução do Modelo em um Sistema Distribuído ................................................. 32
3.7 Considerações Finais .............................................................................................. 37
4 ESTUDO DE CASO ......................................................................................................... 39
4.1 Google File System - GFS ..................................................................................... 39
4.2 Hadoop ................................................................................................................... 42
4.2.1 Hadoop Distributed File System ........................................................................ 44
4.2.2 Interface Hadoop ................................................................................................ 45
4.3 Aplicações MapReduce em Sistemas Reais ........................................................... 46
5 CONCLUSÃO .................................................................................................................. 48
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 50
7
1 INTRODUÇÃO
A era da informação, surgiu com o intuito de contribuir com a sociedade em sua busca
por conhecimento. Essa necessidade só foi possível ser suprida, devido a evolução dos novos
dispositivos eletrônicos, que puderam fornecer meios para amadurecer cada vez mais as idéias
de um determinado conjunto de pessoas. Nos dias atuais, torna-se inevitável o surgimento
gradativo de novos dados no universo da tecnologia da informação (TI). Segundo White
(2009, p. 1): “Nós vivemos na era dos dados”. A partir dessa afirmação, é notável a
preocupação do momento atual, pois é necessário armazenar um alto volume de informações.
Sendo assim, as máquinas precisam fornecer melhores condições para que esses dados
possam ser manipulados de uma maneira simples e eficaz, aproveitando ao máximo toda a
capacidade que um ambiente computacional pode oferecer.
No mundo real, sistemas são utilizados diariamente por inúmeros usuários, que lêem e
escrevem constantemente dados, gerando uma alta taxa de transferência (throughput).
Portanto, é indispensável o uso de mecanismos capazes de suportar diversas solicitações,
como no caso dos sistemas distribuídos, que utilizam o conceito da redundância de
componentes, aumentando a escalabilidade, a segurança e outros benefícios que serão
abordados posteriormente. Atualmente, esses modelos estão sendo adotados por grandes
corporações, como um meio para fornecer um melhor desempenho às suas aplicações.
Sistemas como o Facebook chegaram a armazenar 1 petabyte de informações no ano de 2008,
registrando cerca de10 bilhões de fotos em seus servidores (WHITE, 2009, p. 1). Outro
exemplo encontra-se no site da Organização Européia de Pesquisa Nuclear (CERN), onde
afirmam que o acelerador de partículas LHC (Grande Colisor de Hádrons) poderá produzir
dados de até 15 petabytes ao ano
1
. De acordo com os exemplos citados, pode-se concluir a
real necessidade do uso de sistemas robustos com um alto poder de armazenamento e de
processamento dos dados nele contido.
É notável que ao longo do tempo, os computadores evoluíram seu poder de
armazenamento de bytes para terabytes. Esse desenvolvimento trouxe grandes benefícios aos
usuários, que puderam desfrutar de uma elevada quantidade de espaço para armazenar seus
dados. Contudo, o grande problema em questão não se baseia no tamanho das informações
armazenadas, e sim na quantidade de dados que podem ser processados pelo sistema. Tendo
1
http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/Computing-en.html
8
ainda como exemplo a rede social Facebook, estima-se que milhões de usuários acessem
diariamente o site, lendo e escrevendo inúmeras informações em frações de segundo. Para
esse problema, é preciso utilizar modelos eficazes (abordados em seções posteriores), capazes
de classificar os dados para que o sistema possa manipulá-los de forma rápida e eficiente.
A principal motivação pelo qual foi escolhido este tema é a preocupação da era atual,
relacionado ao crescimento desenfreado da quantidade de dados armazenados em todo o
universo da TI. Mecanismos como a mineração de dados (Data Mining) estão sendo bastante
utilizados atualmente, acumulando grandes quantidades de informações. Muitas empresas
utilizam técnicas baseadas em logs de atividades, que especificam as diversas ações realizadas
por um único usuário. Segundo Lin (2010, p. 1), essa prática pode trazer sérias conseqüências
quando utilizada de forma errada. Uma empresa pode adquirir tantas informações em pouco
tempo, que não conseguirá processá-las e nem organizá-las. Dessa forma, acabarão
desprezando-as, perdendo oportunidades que poderiam auxiliar na evolução do seu sistema.
Portanto, torna-se necessário que as máquinas possuam um hardware com alto poder de
processamento, para realizar as inúmeras atividades solicitadas pelo usuário. Gordon Moore
foi um dos primeiros a expressar tal preocupação, em seu artigo “Cramming more
components onto integrated circuit
2
”. Ele afirmou que desde a década de 50, a prática de
miniaturizar componentes eletrônicos, para incluir funcionalidades mais complexas em menos
espaço, vem sendo bastante difundida entre todos os pesquisadores da sua época. Dessa
forma, a cada 18 meses
3
o nível de transistores colocados em um circuito integrado iria
dobrar, ou seja, o nível complexidade aumentaria nos dispositivos. Esse documento ficou
conhecido como a Lei de Moore
4
. Por muito tempo, essa teoria esteve certa. Sistemas
necessitavam de supercomputadores com inúmeros componentes que pudessem realizar uma
vasta quantidade de cálculos em pouco tempo, fornecendo uma estrutura para que o sistema
pudesse operar com um melhor desempenho.
Recentemente este paradigma foi quebrado devido ao avanço dos componentes e a
criação de ambientes paralelos e distribuídos, que puderam fornecer um alto desempenho se
comparado aos sistemas centralizados. Agora, uma aplicação poderia ser executada
concorrentemente entre os diversos elementos de uma maquina, seja ela distribuída ou
multiprocessada. As técnicas de processamento de grandes quantidades de dados serão
abordados no próximo capitulo (Seção 2), que deverão apresentar conceitos e estratégias
2
Em português: Agrupando mais componentes em circuitos integrados.
3
Moore atualizou essa estimativa para 2 anos.
4
ftp://download.intel.com/museum/Moores_Law/Articles-Press_Releases/Gordon_Moore_1965_Article.pdf
9
utilizados para auxiliar na manipulação desses dados. Desde a origem da técnica de divisão e
conquista até as aplicações da computação nas nuvens.
No capitulo posterior (Seção 3) deverá abordar técnicas do novo paradigma da
computação distribuída, o MapReduce. Um sistema capaz de processar uma grande
quantidade de dados em apenas poucos segundos, utilizando uma estrutura hierárquica e
escalar, de fácil usabilidade. Após a apresentação desse novo paradigma, serão abordados
alguns estudos de caso (Seção 4), que obtiveram sucesso com a utilização desse modelo,
dando ênfase as duas aplicações mais populares que adotaram esse mecanismo, o Hadoop e o
Google File System.
10
2 TÉCNICAS DE PROCESSAMENTO DE DADOS
A era da informação proporcionou grandes benefícios, fornecendo máquinas capazes de
realizar com alta velocidade, milhares de cálculos. Na medida em que evoluíam, os
dispositivos ficavam cada vez mais robustos, suportando cargas elevadas de informações. A
melhoria dos recursos de um componente, tal como a evolução gradativa da capacidade de
armazenamento e processamento de uma simples máquina, aumenta o nível de complexidade
dos dispositivos, como previsto por Moore, ou seja, um simples computador deverá estar em
constante evolução para atender as necessidades de um sistema.
As técnicas de processamento de dados apresentadas nesta seção, visam proporcionar
maneiras simples e eficientes de solucionar este problema. É possível criar um sistema
robusto, que possa atender as demandas impostas pelos usuários. A primeira idéia a se pensar
é como podemos implantar sistemas sem a necessidade de utilizar máquinas de grande porte,
tais como um mainframe ou um supercomputador. Essa questão será abordada durante toda a
seção, apresentando soluções quanto à forma de processamento dessas informações. Vale
ressaltar que a grande dificuldade destacada por esse documento é a necessidade de processar
dados em larga escala e por isso é necessária a utilização de sistemas de alto desempenho.
Uma maneira de melhorar a performance de uma aplicação é a separação dos problemas
em partes independentes. A divisão dessas atividades contribui com a resolução das
dificuldades impostas pelo sistema, auxiliando em questões como a execução paralela dos
processos e o controle do nível de complexidade de uma aplicação.
Nesta seção serão abordados mecanismos para a realização do processamento de dados
de forma rápida e eficiente. Utilizando técnicas para a divisão de atividades, conceitos de
paralelismo e mecanismos de distribuição de problemas entre os componentes envolvidos.
2.1 Dividir para Conquistar
As técnicas de “divisão e conquista” foram utilizadas primeiramente por Karatsuba
Anatolii
5
, que desenvolveu um algoritmo, apresentado em um documento intitulado “The
5
http://www.mi.ras.ru/~karatsuba/index_e.html
11
complexity of Computations
6
”, que visa solucionar problemas matemáticos a partir da
separação dos cálculos, realizando atividades com um menor grau de dificuldade. A separação
de problemas em partes menores foi utilizada em ambientes computacionais com o intuito de
controlar a complexidade de um determinado algoritmo. É possível separar as ações em
etapas, para que possam ser utilizadas em fins de legibilidade do código, desempenho e
modularidade do sistema. Um sistema modular é composto por vários procedimentos que
visam alcançar um determinado objetivo. A principal vantagem de desse modelo simplista, é a
capacidade de reutilizar as atividades impostas dentro de um processo.
A utilização do conceito “dividir para conquistar” também pode ser aplicada para
solucionar problemas do mundo real. Como no caso de um processo de desenvolvimento de
software, que deverá seguir uma sequência de etapas até que o código esteja condizente com
as necessidades do cliente. Esses passos são executados de forma distinta a fim de estabelecer
um controle sobre o fluxo de atividades para a implementação de uma nova aplicação. Outro
exemplo pode ser visto em táticas militares, adotadas com o intuito de alcançar seus objetivos.
Um exército poderia utilizar estratégias para separar seus inimigos e derrotá-los com menor
esforço. Assim como nos campos de batalha, a computação utiliza-se desta técnica para
resolver problemas de forma eficiente e eficaz. Na medida em que um problema é dividido,
sua complexidade torna-se controlável, resultando em uma solução clara e concisa da
atividade.
As técnicas de divisão e conquista são comumente utilizadas em diversos algoritmos e
mostraram-se a maneira mais eficiente de executar atividades que necessitem de uma vasta
quantidade de execuções de comandos. Em destaque pode-se verificar o uso desse mecanismo
em algoritmos, como no caso do merge sort (CORMEN et al., 2002, p. 28), que visa ordenar
os valores separando-os em pequenos vetores e combinando-os na medida em que são
ordenados. O grande recurso por trás dos algoritmos que utilizam esse princípio é a prática da
recursividade, garantindo que as funções possam realizar chamadas a si mesmo,
caracterizando um processo repetitivo.
A utilização da técnica de divisão e conquista não está restrito apenas a algoritmos,
funções matemáticas ou estratégias militares. A utilização deste recurso também influenciou a
criação de sistemas capazes de separar e executar tarefas, como os sistemas paralelos e
distribuídos.
6
http://www.ccas.ru/personal/karatsuba/divcen.pdf
12
2.2 Computação Paralela
A computação paralela surgiu com o intuito de atender à necessidade de aumentar o
desempenho dos sistemas. Atualmente a capacidade de um processador chegou ao seu limite
(ao limite da tecnologia atual). A quantidade de componentes encontrados em um processador
é bastante alta, a única maneira encontrada de melhorar o desempenho de uma maquina é
inserindo novos recursos, ou seja, um novo processador.
A utilização de múltiplos processadores em computadores pessoais está se tornando
cada vez mais comum, devido à necessidade de processar uma quantidade maior de dados.
Sistemas estão executando tarefas cada vez mais complexas e necessitam de maior velocidade
em suas atividades. Um computador com multiprocessadores pode executar tarefas de forma
concorrente, onde cada processador poderá executar uma atividade solicitada, contribuindo
com o desempenho do sistema. A Figura 2.1 apresenta uma situação comum, onde um
sistema opera com mais de um processador.
Figura 2.1: Organização de uma arquitetura de sistema paralelo.
É possível notar que este tipo de arquitetura utiliza vários processadores operando de
forma concorrente e compartilhando os mesmos recursos, como no caso da memória
principal. A vantagem da utilização de um sistema fortemente acoplado (como também pode
ser chamado), é a garantia de um ambiente com maior desempenho. A quantidade de
processadores está proporcionalmente ligada ao throughput. Outra vantagem da utilização de
sistemas paralelos está na segurança das operações. No caso de uma falha em um dos
processadores, os demais automaticamente continuarão em funcionamento. Dessa forma, o
sistema continuará a execução de suas atividades, porem com um menor poder de
processamento.
Um sistema fortemente acoplado pode ser classificado de acordo com a divisão de
funções dentro de um ambiente. No caso dos sistemas de multiprocessamento paralelo
13
(SMP
7
), os processadores possuem um único nível em comum. Para os sistemas de
multiprocessamento assimétrico (AMP
8
), os processadores são classificados de forma
hierárquica, através do relacionamento mestre-escravo (SILBERSCHATZ et al. 2002, p. 8-9).
Todo o ambiente é controlado por um único processador que envia solicitações para os
demais. As diferenças entre os modelos simétrico e assimétrico podem ser visualizadas,
quando comparadas em questões de hardware e software.
2.3 Computação Distribuída
A computação distribuída consiste na utilização de um conjunto de máquinas
conectadas por uma rede de comunicação, atuando como um único sistema. Esse conjunto de
dispositivos, ao contrário dos sistemas paralelos, possuem seus próprios recursos, como a
memoria principal e o clock do processador. Sendo a comunicação estabelecida por uma rede
através de protocolos específicos. Um sistema distribuído visa atender às características
relevantes desse modelo, ou seja, precisa ser transparente, tolerante a falhas, escalar e ter um
alto poder de processamento
9
.
A principal motivação para a criação de uma aplicação distribuída é a sua capacidade de
fornecer a um grupo de usuários, os vários recursos mantidos por ela, garantindo uma melhor
disponibilidade e confiabilidade das informações e dos serviços contidos no sistema. Outra
vantagem dos sistemas distribuídos é o baixo custo se comparado a um modelo que utiliza
máquinas high-end
10
, como no caso de um supercomputador. É possível conectar um conjunto
de maquinas de baixo custo (denominadas commodities), para que possam compor um
sistema robusto e eficiente.
Um modelo de sistema distribuído pode comparar-se a vários cenários, como por
exemplo, um ambiente de construção civil. Cada funcionário, assim como os computadores,
desempenha um papel importante para a obra. Para o cliente, não importa a quantidade de
trabalhadores ou quais ferramentas estão sendo utilizadas. O importante para este exemplo, é
que o objetivo seja alcançado, neste caso, a construção precisa ser concluída.
Um sistema distribuído caracteriza-se principalmente por uma camada denominada
middleware, que provê transparência ao sistema. A utilização dessa camada fornece a
7
Symmetric Multiprocessing
8
Asymmetric Multiprocessing
9
No caso dos clusters, que serão explicados ainda nesta seção.
10
Os computadores high-end são caracterizados por serem produtos robustos e de alta capacidade.
14
capacidade de uma aplicação abstrair todas as informações a respeito da estrutura de um
ambiente distribuído para o usuário. Sendo assim, um conjunto heterogêneo de máquinas,
pode compor um único sistema, independente das questões de localização, de hardware ou
de software. Como apresentado na Figura 2.2, a camada middleware está situada logicamente
entre a camada do sistema operacional e da aplicação. É possível que diferentes programas
possam estabelecer uma comunicação entre si, comutando diversas informações através de
protocolos de comunicação, garantindo que sistemas distintos possam realizar troca de dados.
Figura 2.2: Modelo de sistema distribuído utilizando uma camada middleware. Essa
organização garante a interoperabilidade do sistema.
2.3.1 Comunicação
Toda a estrutura de um sistema distribuído só é garantida devido ao mecanismo de
comunicação entre os processos. É de extrema importância que esse modelo utilize técnicas
para a comutação de informações. Os principais modelos de comunicação destacam-se pela
transmissão de mensagens de baixo nível entre os diversos dispositivos. A utilização da troca
de dados em uma aplicação distribuída visa realizar chamadas como se estivessem executando
um serviço localmente. Assim como nos modelos centralizados, é preciso garantir que vários
processos possam compartilhar informações dentro do sistema. Porém a implementação
desses serviços em ambientes distribuídos são bastante complexos, e necessitam da utilização
de protocolos de comunicação para que dispositivos de diferentes espécies possam
comunicar-se.
15
O mecanismo mais comum, utilizado para a troca de informações é conhecido como
chamada de procedimento remoto (RPC), que estabelece uma comunicação com o servidor de
forma transparente, como se executasse uma chamada local. Primeiramente o cliente solicita
uma função através de um mecanismo denominado client stub. A solicitação é empacotada
(marshalling) e então enviada ao servidor, podendo passar também parâmetros dentro desse
método. Depois de capturar a mensagem, o computador que possui a implementação dessa
chamada deverá desempacotá-la (unmarshalling) para poder processá-la. A solicitação é
retornada ao cliente juntamente com os dados solicitados através do server stub . A chamada
RPC é ilustrada na Figura 2.3.
Figura 2.3: Exemplo de modelo de chamada RPC. Toda a requisição é feia por uma
biblioteca do ambiente de execução RPC (RPC Runtime Library).
Outros mecanismos de comunicação remota também se destacam, como no caso dos
sockets, que consistem em um mecanismo para estabelecer a troca de pacotes entre os
sistemas, através da camada IP. Esse artificio é definido como uma extremidade de um canal
de comunicação (SILBERSCHATZ et al. 1999, p. 355), que utiliza um socket para cada
processo, estabelecendo uma comunicação entre eles. A comutação de mensagens é
estabelecida utilizando uma arquitetura cliente-servidor, onde o servidor aguarda por uma
solicitação do cliente em uma determinada porta. A mensagem transmitida é composta por um
endereço IP juntamente com a porta de acesso a um serviço, podendo utilizar protocolos
orientados a conexão (Ex.: TCP) ou sem conexão (Ex.: UDP) (SILBERSCHATZ et al. 1999,
p. 356).
16
2.3.2 Classificação dos Sistemas Distribuídos
Os sistemas distribuídos podem ser classificados quanto à sua organização e a
finalidade com que são utilizados. Na computação em cluster, um sistema é composto por um
conjunto de dispositivos idênticos (tanto pelo hardware quanto pelo software utilizado),
visando o alto desempenho. Portanto, é garantido também um baixo custo devido à utilização
de máquinas commodities. A principal característica desse modelo é a sua homogeneidade
entre os dispositivos. É necessário que os computadores possam se comunicar de forma rápida
e eficiente, inclusive realizando transferência de processos entre os diversos dispositivos.
A disponibilidade é uma das principais vantagens desse sistema, pelo fato de garantir a
tolerância a falhas. Caso uma máquina venha a falhar, o sistema continuará em execução, sem
que o usuário perceba a ocorrência do problema. Porém se a falha ocorrer em determinadas
regiões, como no caso de uma falta de energia, então o sistema poderá não funcionar
corretamente.
No caso da computação em grade (grid), o ambiente é baseado na dispersão das
funcionalidades de cada servidor. A principal característica desse modelo é a especialização
funcional, proporcionando uma maior segurança aos serviços. Este tipo de modelo pode ser
estruturado para que vários dispositivos atuem de forma conjunta, constituindo uma única
aplicação. Cada máquina ficará encarregada de fornecer um determinado serviço. O principal
objetivo para esse tipo de ambiente é garantir a disponibilidade e confiabilidade dos serviços.
Mesmo que ocorra uma falha em determinadas regiões, o sistema poderá continuar em
execução.
2.3.3 Sistema de Arquivos Distribuídos – DFS
Um sistema de arquivos fornece uma estrutura que apresenta a possibilidade de
armazenar dados, disponibilizando serviços para nomeação, alteração e compartilhamento de
dados, garantindo uma estrutura que determina a autenticidade de um arquivo, como no caso
de um identificador, visando também a segurança quanto ao acesso desses dados.
Assim como em um ambiente distribuído, um DFS deve garantir que as particularidades
dessas aplicações sejam atendidas, como no caso da transparência, da escalabilidade, da
segurança, da tolerância a falhas e da heterogeneidade. Um sistema de arquivos distribuídos
17
deve garantir que várias maquinas estejam conectadas comutando informações através de
protocolos.
Alguns mecanismos são utilizados para melhorar o desempenho deste tipo de sistema,
como no caso da replicação. Além de garantir a segurança, a técnica de replicar dados pelo
sistema, garante uma maior disponibilidade, realizando também o balanceamento de carga
entre os dispositivos. Outra maneira para auxiliar na performance do sistema é o uso do
esquema de caching. As informações são armazenadas em cache, para que quando solicitadas,
o cliente possa recuperá-la rapidamente. Vale ressaltar que em um DFS é necessário que as
informações estejam consistentes, para isso é realizado verificações sempre que houver
alguma atualização nos arquivos.
Existem vários sistemas DFS. Um dos mais conhecidos é denominado o Network File
System (NFS), que tem como finalidade fornecer acesso, armazenamento e compartilhamento
de arquivos remotos, através de uma Local Area Network (LAN) ou Wide Area Network
(WAN). Trata-se de um sistema que utiliza uma arquitetura cliente-servidor, onde diversas de
maquinas estão conectadas por uma rede, permitindo realizar operações especificas do
sistema de arquivos comum. A comunicação do NFS ocorre a partir de um conjunto de RPC‟s
que fornece diversos serviços, como a consulta, a leitura e a escrita de informações, além de
manipular links e diretórios controlando o acesso aos dados.
A arquitetura do NFS possui três camadas como ilustrada na Figura 2.4: a primeira
camada representa a interface do sistema de arquivos, que deverá realizar operações comuns,
tais como, open, close, read e write. A segunda camada é conhecida como Virtual File System
(VFS), que realiza funções importantes ao sistema. Sendo assim, esta camada irá realizar
operações especificas para a manipulação de dados de forma clara e concisa, sempre
fornecendo transparência a este modelo. A terceira camada representa o sistema de arquivos
local, que realiza a manipulação dos arquivos locais.
Além do NFS, existem outros tipos de DFS, como no caso do Andrew File System
11
(AFS), desenvolvido pela Universidade de Carnegie Mellon
12
(CMU), e mais tarde
comercializado pela Transarc em 1989. Assim como todo sistema de arquivos distribuídos,
ele proporciona vários benefícios provenientes da computação distribuída. O AFS fornece
serviços de caching, escalabilidade, controle de acesso e simplificação na administração dos
arquivos.
11
http://www.cmu.edu/corporate/news/2007/features/andrew/what_is_andrew.shtml
12
http://www.cmu.edu
18
Figura 2.4: Organização do modelo NFS. As solicitações são feitas
através da camada de interface de chamada ao sistema, que deverá
chamar o VFS. Este por sua vez deverá solicitar a operação ao
sistema de arquivos, podendo ser realizada localmente ou
remotamente.
2.4 Computação nas Nuvens
A computação nas nuvens (Cloud Computing) consiste na disponibilização de serviços
dentro do universo da Internet. Neste caso, todo e qualquer sistema pode ser abstraído como
parte integrante de uma nuvem. Esse tipo de modelo é produto da evolução dos sistemas, que
puderam adquirir uma alta capacidade em seu poder de processamento, melhorando o
desempenho de suas atividades e a sua alta escalabilidade. A implantação de ambientes
distribuídos trouxe uma maior disponibilidade aos serviços inclusos nessa nuvem. Agora, uma
aplicação poderia ser solicitada por milhões de pessoas, acessando vários sistemas que se
comunicam e trocam informações.
Uma nuvem pode ser classificada de três maneiras distintas: a primeira é classificada
como nuvem pública (Public Cloud), que visa atender as solicitações públicas e gratuitas dos
clientes. A segunda pode ser classificada como privada (Private Cloud), devido ao fato de
utilizar uma infraestrutura para fornecer serviços pagos ou de uso interno de uma corporação.
A junção dessas duas nuvens é conhecida como híbrida (Hybrid Cloud), que utiliza
características das nuvens privadas e publicas.
O termo “nuvem” é proveniente da expressão metafórica utilizada para caracterizar o
modelo da web (VELTE, A.;VELTE, T.;ELSENPETER, 2010, p. 3), onde todos os
19
dispositivos encontram-se interligados por uma rede de comunicação. A computação funciona
de forma semelhante à Internet, todos os dispositivos estão interligados por uma nuvem,
compartilhando informações entre diversos sistemas de diferentes gêneros. A Figura 2.5
ilustra o modelo Cloud Computing, onde vários elementos estão conectados por uma nuvem.
Cada componente deste ambiente é caracterizado por uma funcionalidade, como os clientes e
os sistemas (ou aplicações).
Figura 2.5: Modelo Cloud Computing. Cada cliente pode realizar requisições de serviços de
diversos sistemas através da internet. Todos conectados a uma única núvem.
Um cliente consiste em um dispositivo de qualquer natureza (Ex.: um smartphone, um
notebook ou um tablet) conectado a uma rede, que realizará solicitações aos sistemas. Este
por sua vez, desempenha o papel de disponibilizar serviços para a manipulação,
compartilhamento e armazenamento de dados. Grandes corporações adotaram este modelo
para fornecer variados serviços. Algumas aplicações adotaram o sistema conhecido como
“pague o que consumir” (pay-as-you-go), onde um cliente poderá usufruir de uma aplicação
de uso privado. Essa visão é semelhante a qualquer serviço do mundo real, onde uma pessoa
paga somente àquilo que foi utilizado, como o serviço de energia elétrica.
A nuvem pode fornecer diversos tipos de serviços, que pode ser classificados por três
categorias (ANTONOPOULOS, 2010, p. 4-5; VELTE, 2010, p. 11-16):
Infra-estrutura como um serviço (IaaS
13
): Fornece um ambiente para que o
usuário possa desfrutar de uma estrutura fornecida na web, como
13
Infrastructure as a service.
20
armazenamento ou até mesmo como um sistema operacional, através da
virtualização. Um cliente pode alugar uma determinada estrutura, escolhendo a
capacidade do seu hardware, como memória principal, espaço de
armazenamento e até a capacidade do processador.
Plataforma como um serviço (PaaS
14
): Oferece um ambiente capaz de auxiliar
no desenvolvimento de uma aplicação, sem a utilização de um programa
especifico. Atualmente diversos sistemas fornecem sua própria API
15
para que o
usuário possa criar aplicações e disponibilizá-las na web.
Software como um serviço (SaaS
16
): Um programa pode ser utilizado como
um serviço disponibilizado na nuvem, onde o cliente poderá desfrutar da
aplicação apenas utilizando o navegador. O exemplo mais comum desse modelo
são os editores de texto, que se popularizou rapidamente pela sua facilidade de
fornecer um serviço onde vários usuários podem acessar e alterar a mesma
informação de forma consistente.
A principal característica desses serviços é a facilidade do uso dessas aplicações apenas
utilizando o navegador como programa local. Todo o sistema está dentro de uma nuvem,
podendo ser acessada em qualquer local. Essa facilidade permitiu a popularização desses
sistemas, onde o cliente não se preocupa com questões de acessibilidade ou segurança. Toda
sua informação está armazenada na web.
O uso da computação nas nuvens está se tornando cada vez mais popular entre os
diversos usuários. Este tipo de aplicação fornece serviços que utilizam um alto poder de
resposta apenas utilizando um simples navegador. A tendência para esse modelo, é que cada
vez mais as aplicações estarão sendo incluídas nessa nuvem, que dará espaço a aplicações
mais robustas e complexas, como no caso de um sistema operacional.
14
Plataform as a service.
15
Application Programming Interface.
16
Software as a service.
21
3 O MODELO DE PROGRAMAÇÃO MAPREDUCE
Desde o inicio da era da informação, a busca por maior quantidade de armazenamento
era imprescindível. Há quem diga que na década de 80, 640KB eram necessários para guardar
todas suas informações
17
. Atualmente já estamos falando de muitos gigabytes para armazenar
informações de um único usuário. Sendo assim é necessário utilizar meios capazes de
processar uma grande quantidade de dados. Qualquer aplicação pode armazenar inúmeras
informações dos seus usuários ou diversos arquivos do sistema. Para aumentar a
escalabilidade e o seu poder de processamento, é necessário criar uma estrutura capaz de
agrupar diversos dispositivos, podendo ser um conjunto de processadores para sistemas
fortemente acoplados ou um conjunto de dispositivos no caso dos sistemas fracamente
acoplados.
O uso de ambientes distribuídos está se tornando essencial para atender às necessidades
dos usuários. Uma simples aplicação de grande porte necessita de centenas ou até milhares de
servidores para suportar todas as solicitações dos clientes. A criação de sistemas dessa
natureza é algo bastante complexo, pois é extremamente importante atender a todos os
requisitos necessários de um ambiente distribuído, tal como a transparência, a segurança, a
escalabilidade e a concorrência de componentes. Porém o desenvolvimento dessas aplicações
é bastante complexo, pois demanda um alto conhecimento do funcionamento desses
ambientes. É nessa visão que iremos abordar novas técnicas, dando ênfase ao MapReduce.
Um modelo que está se tornando popular entre as grandes corporações, utilizando estratégias
de desenvolvimento de aplicações fornecendo uma estrutura capaz de manipular, gerenciar e
processar dados em sistemas distribuídos.
3.1 Motivação
Quando um programa é desenvolvido em um ambiente distribuído ou multiprocessado,
o programador precisa estar ciente de toda estrutura do sistema, especificando as referências
de cada dispositivo, para que possa estabelecer uma comunicação e sincronização entre os
17
Palavras proferidas por Bill Gates em um discurso sobre softwares e a indústria da computação, onde ele
afirma que o aumento da memoria de 64Kb para 640 Kb seria um grande salto, porém disse sentir-se
arrependido pois em pouco tempo, usuários reclamavam da quantidade mínima de espaço encontrada no
sistema. Disponivel em <http://www.csclub.uwaterloo.ca/media/1989 Bill Gates Talk on Microsoft.html>.
22
processos. A tarefa do desenvolvedor de criar um sistema transparente é bastante complexa,
para isso são utilizadas técnicas para “esconder” toda a estrutura dessas aplicações, tal como o
OpenMP (Open Multi-Processing) e o MPI (Message Passing Interface), que são utilizados
com a finalidade de auxiliar o programador a fornecer transparência a uma aplicação, seja ela
paralela ou distribuída.
A OpenMP é uma interface para a programação de aplicativos (API) que utiliza a
linguagem C/C++, cuja finalidade é fornecer uma estrutura para auxiliar no desenvolvimento
de aplicações escaláveis em sistemas paralelos. Agindo como se o programador utilizasse o
mesmo mecanismo da memória compartilhada. No caso da MPI, trata-se de uma biblioteca de
especificação de interface para a transmissão de mensagens em um ambiente paralelo. Os
dados são transferidos a partir de um endereçamento entre processos. Todos esses
mecanismos tentam auxiliar o programador a desenvolver sistemas sem a preocupação de
estabelecer comunicação e sincronização entre os processos de cada dispositivo.
Assim como a OpenMP e a MPI, o MapReduce é um modelo de programação que
auxilia o desenvolvedor a implementar sistemas com transparência. Trata-se de uma camada
entre a aplicação e o ambiente, capaz de abstrair ao desenvolvedor, a preocupação que o
mesmo necessita ter ao trabalhar em um ambiente distribuído. Sua implementação utiliza o
conceito de cluster de computadores, fornecendo um sistema escalar e com alto poder de
processamento. Com este modelo é possível processar uma grande quantidade de dados em
vários computadores. Todo o tratamento deve ser realizado pelo MapReduce, que irá
manipular e gerenciar os dados em um conjunto de dispositivos. Sua principal característica é
a capacidade de separar os dados e distribuí-los junto ao código que deverá ser executado
entre os diversos nós do sistema.
Esse modelo possui raízes na programação funcional, utilizando o conceito de mapear e
reduzir, característica comum do paradigma funcional. Este modelo foi desenvolvido por dois
funcionários da Google, Jeffrey Dean e Sanjay Ghemawat, que o apresentaram na conferência
OSDI‟04 (The Operating System Design and Implementation Conference 2004). A principal
preocupação de Dean e Ghemawat era encontrar uma possível maneira de paralelizar o
processamento, distribuir os dados, manipular falhas e gerenciar o balanceamento de cargas
no sistema. Neste documento, foi apresentado um sistema capaz de solucionar esses
problemas relacionados ao processamento distribuído, operando em grandes clusters. Esse
modelo foi denominado MapReduce, proveniente da junção do nome de duas funções, mapear
(map) e reduzir (reduce). Inicialmente, o sistema foi desenvolvido utilizando a linguagem de
23
programação LISP (List Processing), devido a sua característica de adotar o paradigma
funcional.
O modelo MapReduce, utiliza uma sequência de passos, como ilustrado na Figura 3.1.
Dado um conjunto de dados, é possível separá-los em pequenas partes e distribuí-las entre os
diversos nós de um cluster, que deverá ser especificado pelo programador. Essas distribuições
são transferidas e organizadas em pares definidos por uma chave e um valor. Cada par deverá
ser direcionado a um determinado nó. No exemplo da Figura 3.1, são transferidos documentos
entre as diversas máquinas do sistema. Os dados distribuídos entre as máquinas são definidos
por uma chave (c1) representada pelo identificador do documento e por um valor (v1). No
caso da Figura 3.1, a chave é especificada pelo nome do arquivo enquanto o valor é
determinado pelo seu conteúdo.
O documento é processado pelas máquinas que possuem a função map e encaminhado
através de um par de chave-valor (c2, v2) para outro dispositivo, encarregado de processar a
função reduce, cuja finalidade é combinar os valores recebidos. A saída (gerada pelo node 05)
é definida por um par de chave-valor, especificado por um identificador e o resultado da
combinação da saída de cada nó que executou a função map.
Figura 3.1: Modelo trivial do processamento de dados em um cluster. Os documentos são separados e
distribuídos entre os diversos nós, que processam essas informações e enviam a um outro nó que
deverá executar a função de combinação e retornar uma saída.
O exemplo apresentado nesta seção, demonstra um modelo trivial sobre a definição do
MapReduce. Ao longo deste capitulo, serão apresentados novos conceitos com o intuito de
amadurecer esse sistema, apresentando uma melhor definição do seu funcionamento,
mostrando cada etapa desse processo, desde a separação dos dados até a combinação dos
24
resultados. A próxima abordagem trata-se do levantamento do conceito de programação
funcional, dando ênfase às duas funções principais que resultaram no modelo abordado neste
documento: map e fold (neste contexto, agrupar).
3.2 Paradigma da Programação Funcional
A programação funcional originou-se antes mesmo do início da era da informática,
sendo criada sobre forte influência do cálculo lambda (cálculo-λ). Sua principal característica
é o uso de funções de ordem superior
18
(THOMPSON, 1999, p. 155-156), utilizado para
definir notações lógicas de funções matemáticas. O cálculo-λ foi criado em 1930 por Alonzo
Church e Stephen C. Kleene (PETRICEK;SKEET, 2009, p. 21), com o intuito de determinar
funções matemáticas através de uma notação. Eles desenvolveram uma solução para reduzir
expressivamente cálculos abordando uma maneira sistemática para expressar fórmulas
matemáticas, auxiliando seus estudos com o fundamento da matemática.
As linguagens de programação funcional utilizam artifícios influenciados pelo cálculo-λ
para oferecer uma linguagem elegante e sucinta capaz de organizar algoritmos de forma
legível. Com o avanço da tecnologia, a programação funcional perdeu espaço entre os
programadores atuais, porém, esta visão vem se invertendo ao longo do tempo. Linguagens
funcionais mostraram-se bastante eficientes para o processamento de grandes conjuntos de
dados, melhorando drasticamente o desempenho de sistemas.
Uma das principais características das linguagens funcionais são as funções de alta
ordem, que podem ser transmitidas via argumentos para outras funções, resultando em um
alto nível de abstração. Esse mecanismo torna o código mais elegante e legível. Outra técnica
bastante utilizada em linguagens funcionais é denominada Currying, cuja finalidade é receber
múltiplos parâmetros em uma única função (THOMPSON, 1999, p. 185). A utilização dessa
técnica, combinada ao uso de funções de alta ordem, trouxe uma maior flexibilidade às
aplicações, que puderam aumentar seu desempenho e alcançar um nível de escalabilidade
maior.
A programação funcional mostrou-se mais eficiente quando utilizada em sistemas
paralelos, pois ela possui uma característica bastante importante na maioria das estruturas, a
imutabilidade. Os programas podem ser executados em paralelo sem a preocupação de ocorrer
18
O termo ‘ordem superior’ é designado para informar o uso de passagem de funções como argumento de
outra função, ou seja, pode-se passar como valor de uma função, outra função.
25
problemas, como no caso das condições de corrida e a criação de seções críticas
(PETRICEK;SKEET, 2009, p. 6). O conceito de imutabilidade dos valores, trouxe grandes
benefícios ao desenvolvimento do modelo MapReduce, pois é possível executar funções
idênticas em grandes clusters de máquinas sem a preocupação do compartilhamento de
informações entre os processos.
A primeira linguagem que se popularizou entre os cientistas, matemáticos e
desenvolvedores, foi a LISP, criada por John McCarthy em 1958, uma linguagem flexível e
baseada no cálculo-λ (PETRICEK;SKEET, 2009, p. 21). O uso dessa linguagem trouxe
grandes benefícios à computação atual. A partir dela surgiram grandes idéias tais como
estruturas de dados e a coleta de lixo (Carbage Collection). Outras linguagens funcionais
também contribuíram para a evolução da computação como as linguagens ML, Haskell, F# e
a OCaml.
3.2.1 Funções generalizadoras: Mapeamento e Redução
O uso de funções generalizadoras (THOMPSON, 1999, p. 152; DE SÁ, 2006, p. 146)
na programação funcional, desempenhou um papel importante na legibilidade e desempenho
dos algoritmos que utilizam esse paradigma. Esse tipo de característica é um padrão utilizado
para auxiliar o caso da reusabilidade de código, onde o desenvolvedor pode implementar
sistemas utilizando técnicas de funções de alta ordem. Devido a essa particularidade, é
possível que linguagens de programação funcional possam generalizar funções em qualquer
situação.
A principal utilização das funções generalizadoras é a manipulação de estruturas de
dados, onde é possível desenvolver funções que definam resultados sobre essas estruturas,
gerando novos valores a partir dos dados recebidos. As funções mais populares utilizadas em
algoritmos da linguagem funcional são conhecidas como map e fold. Essas permitem que os
dados possam ser manipulados, gerando uma nova informação sem alterar os dados de
entrada.
A função de mapeamento consiste em modificar os valores de uma lista, onde cada
componente deverá ser modificado, resultando em uma nova lista com novos componentes.
Por convenção, o código de uma função de mapeamento será apresentado utilizando a notação
da linguagem Haskell (DE SÁ; DA SILVA, 2006, p. 147-148):
26
#1 maiusc :: String -> String
#2 maiusc :: [] -> []
#3 maiusc :: (a:b) toUpper a: maiusc b
#4
#5 ret_maiusc :: [String] -> [String]
#6 ret_maiusc :: [] -> []
#7 ret_maiusc :: (a:b) maiusc a: ret_maiusc b
A função map é definida como um método que recebe e retorna uma lista de strings
(linha 1). Caso receba alguma lista vazia, então o resultado também deverá retornar uma lista
vazia. A notação a:b afirma que será realizada a função “maiusc” para o primeiro elemento da
lista e novamente os demais elementos restantes, serão enviados como parâmetros para a
função “ret_maiusc”. Na função “maiusc”, são verificadas todas as letras pertencentes à
cadeia de caracteres, e então executada a função “toUpper”.
A chamada a função é realizada através de um console (MEIRA, 1988, p. 9),
representado por uma seta (->), que recebe uma lista strings para executar o procedimento
“maiusc”:
-> ret_maiusc [“Celso”, “Haskell”, “Mapeamento”]
Pode-se verificar resultado da função, através da saída do nosso console fictício:
-> maiusc [“CELSO”, “HASKELL”, “MAPEAMENTO”]
A função de agrupamento incide em combinar os valores de uma determinada lista. O
código da função de agregação é apresentado utilizando a notação da linguagem Haskell (DE
SÁ; DA SILVA. 2006. p. 149):
#1 concat :: [String] -> String
#2 concat :: [] -> []
#3 concat :: (a:b) a ++ (concat b)
A entrada da função fold, consiste em uma lista de strings que deverá ser concatenada e
retornada como uma única string. Cada valor da lista deverá ser concatenado através da
notação ++. A função de agrupamento é executada pela seguinte chamada:
-> concat [“exemplo ”, “de função ”, “fold.”]
27
O resultado gerado pela função fold é apresentado da seguinte forma:
-> “exemplo de função fold.”
A utilização do conceito de funções generalizadoras, como no caso das funções de
mapeamento e agrupamento, influenciou bastante no desenvolvimento do MapReduce. Trata-
se de simples processos que dão suporte ao paralelismo e à escalabilidade devido às
particularidades adotadas pelo paradigma funcional. A utilização dos métodos map e fold
atuando em conjunto em diversos sistemas, geram grandes benefícios para a organização
desse modelo auxiliando no processamento de dados, sem a preocupação da concorrência de
informações.
3.3 Combinando Map e Fold
Uma das técnicas aplicadas no MapReduce bastante úteis para a estruturação do modelo
é a combinação das funções generalizadoras, ilustrada na Figura 3.2. Dado um conjunto de
informações (representado por uma circunferência) é possível separá-las em várias partes e
processá-las em paralelo, a partir de uma função de mapeamento (definida pela letra m). O
resultado de cada map (representado por um triângulo) servirá de entrada para cada elemento
fold (definida pela letra f), que também receberá como parâmetro o resultado da função de
combinação anterior (representado pelo quadrado). No caso da primeira execução fold, os
valores iniciais (representado pelo primeiro quadrado, da esquerda para a direita) deverão ser
um conjunto de dados vazio, por questões óbvias.
As utilizações das funções de alta ordem podem ser verificadas da seguinte forma:
Suponha que em nosso problema exista uma lista de valores. A função map captura um único
valor dessa lista e utiliza-o como argumento para o resultado da função, que é retornado como
um valor arbitrário (apenas um valor intermediário). A saída da função é definida de acordo
com as regras especificadas pelo programador que desenvolveu o algoritmo. A função fold
utiliza os valores intermediários, retornados pelo map e utiliza-os como argumento para a sua
função. Vale ressaltar que a função de agrupamento utiliza dois argumentos, um valor inicial
e o valor intermediário. O resultado desta função retorna também um valor intermediário, que
servirá de argumento para a próxima etapa.
28
Figura 3.2: Combinação das funções map (representada pela
função m) e fold (representada pela função f).
É notável que este tipo de implementação possua total influência do conceito ”dividir
para conquistar”. Na função map cada valor de uma determinada lista é separado de forma
independente, para que possa ser executado em paralelo. Caso nosso exemplo utilize um
cluster, as tarefas podem ser divididas e distribuídas entre cada um dos nós do sistema. No
caso da função fold existe uma restrição quanto à dependência das atividades. Para ele é
necessário obter a saída de outra função. Porém, essa dependência não é tão critica como se
espera, na medida em que os elementos da lista são separados, a função de agrupamento
também é executada em paralelo.
A combinação das funções generalizadoras, definem de forma superficial o conceito do
MapReduce. Dado um cluster, um conjunto de máquinas deverá realizar a tarefa map,
enquanto os demais executam a tarefa reduce, que são similares à função mapeamento e
agrupamento da programação funcional. O framework utiliza a execução dessas atividades
forma paralela, garantindo o desempenho do sistema.
3.4 Mappers e Reducers
Até o momento foram apresentados somente conceitos do MapReduce. Esta seção
define a estruturação deste modelo, onde cada máquina que compõe este sistema realiza uma
atividade específica.
29
Como já visto no capitulo anterior, um cluster utiliza um conjunto de máquinas para
processar o sistema de forma transparente. O modelo MapReduce também utiliza este
conceito de transparência. Cada dispositivo é responsável por uma atividade dentro do
sistema. No caso dos dispositivos responsáveis pela função map, estes são denominados
mappers enquanto os que executam a função reduce são conhecidos como reducers (LIN,
2010, p. 22). Para os respectivos agentes, as assinaturas de cada função são especificadas com
as seguintes assinaturas (DEAN; GHEMAWAT, 2004, p 2):
map: (c1, v1) -> (c2, v2)
reduce: (c2, list(v2)) -> (c3, v3)
Por convenção uma lista de valores será representada pelo uso da marcação „list (...)‟,
que deverá conter como argumento da função o tipo dos valores. A saída da função será
especificada pela seta (->), onde as informações anteriores a ela informam os argumentos de
entrada da função, enquanto os dados após a seta especificam o resultado gerado pela mesma.
Para executar um mapper, é necessário utilizar dois argumentos, uma chave
(especificada pelo componente c1) e o seu respectivo valor (v1). O resultado dessa função é
gerado como um dado intermediário, com uma chave e um valor (c2, v2). Esse tipo de
resultado é conhecido como par de chave-valor, que é sempre apresentado como uma
indexação, ou seja, para cada valor, existe uma determinada chave. Os dados utilizados
durante a função map são especificados pelo programador, que podem ser representados por
qualquer tipo, tais como variáveis de inteiros, pontos flutuantes e strings, ou até mesmo
estruturas complexas como listas e arrays. Outras estruturas também podem ser utilizadas
dentro do modelo MapReduce, como no caso das páginas web e dos grafos. Exemplos da
utilização dessas estruturas podem ser encontradas em Lin (2010, p. 96 - 102), nos algoritmos
de pagerank e Dijkstra.
O MapReduce, utiliza uma camada implícita entre as fases map e reduce para ordenar e
agrupar os valores que possuem a mesma chave em comum, dessa forma, um conjunto de
valores é agrupado para uma única chave. Os reducers recebem como argumentos, a saída dos
mappers, para cada chave intermediaria (c2) existe um conjunto de valores intermediários (list
(v2)), ou seja, uma lista de valores é relacionada a uma chave, que será designada a um
reducer. A saída gerada deste, resulta em um novo par de chave-valor (c3, v3), cada resultado
é armazenado no sistema de arquivos distribuídos. Caso exista uma quantidade R de reducers,
um conjunto de R arquivos deverá ser cadastrado. As saídas geradas pelos agentes que
30
utilizam a função reduce, nem sempre são transformadas em um único arquivo. Porém, nada
impede que eles sejam processados novamente por outra tarefa MapReduce, neste caso, um
outro reducer poderia se encarregar de unir as R saídas. A Figura 3.3 ilustra toda a
organização dos mappers e reducers.
Figura 3.3: Representação do modelo MapReduce. A camada ‘Shuffle and
Sort’ indica que os pares de chave-valor serão agrupados de acordo com as
chaves em comum, estes servirão de entrada para os Reducers, que deverá
gerar uma nova chave com um novo valor de acordo com a função
especificada pelo programador. (LIN; DYER, 2010, p. 23).
3.5 Word Count MapReduce
Nesta seção será abordada a execução de um modelo MapReduce utilizando um
algoritmo de contagem de palavras, que deverá retornar a quantidade de palavras existente em
um conjunto de textos. Para os mappers, as entradas são especificadas por um par de chave-
valor, onde a chave é definida pelo documento e o valor pelo conteúdo do documento. Os
reducers possuem a capacidade de agrupar cada incidência de palavra de acordo com uma
chave como demonstrado pelo algoritmo:
#1 map (String chave, String valor) {
#2 foreach L in valor;
#3 gerarPalavraIntermediaria (L, “1”)
#4 }
31
#5 reduce (String chave, List valor) {
#6 int resultado = 0;
#7 foreach v in valor;
#8 resultado += (int) v;
#9 emitirResultado( (String) resultado);
#10 }
A função „gerarPalavraIntermediaria‟ é utilizada para gerar um novo par de chave-
valor. Neste caso, para cada palavra, a função map deverá gerar o valor 1 (um), simbolizando
que foi encontrada uma palavra. É possível que este tipo de processamento possa ser realizado
em paralelo. Dado um cluster de máquinas, é possível que cada documento possa ser separado
em várias partes, que serão enviadas para os mappers, que deverão emitir um novo par de
chave-valor.
Para os reducers, a única tarefa a ser realizada é a combinação de todos os resultados
gerados pela função de mapeamento. Neste caso, os resultados são armazenados de uma
maneira que essa informação seja compartilhada entre todos os dispositivos pertencentes ao
sistema, como no caso de um arquivo alocado em um ambiente distribuído. O resultado final
é apresentado pela função „emitirResultado‟ que retorna o valor de toda a combinação feita
pelo reducer. A Figura 3.4 ilustra todo o processo do exemplo citado.
Figura 3.4: Diagrama de execução do algoritmo de contagem de palavras.
No exemplo da Figura 3.4, o fluxo de execução do modelo MapReduce é definido por
etapas. Na separação dos dados, a entrada é dividida em partes, de acordo com as
especificações impostas pelo programador. Para o exemplo citado, as informações foram
separadas de acordo com a quebra de linha. Sendo assim, cada nó mapper deverá executar
uma pequena parte do arquivo. Cada instância da função map deverá emitir um par de chave-
valor, onde a chave será especificada pela palavra e o valor pela quantidade que ela aparece
32
no texto (neste caso um única vez). A etapa de ordenação
19
é definida a partir da semelhança
entre as chaves, ou seja, cada instância deverá armazenar um conjunto de pares que possuam a
mesma chave em comum. Por fim, cada par será combinado dentro dos reducers, que deverão
retornar a quantidade de palavras contidas no texto. Neste exemplo, o resultado final foi
combinado em uma única saída, porém, nada impede que esta função resulte em um conjunto
de R saídas definidas pelos R reducers.
O exemplo da contagem de palavras pode resolver um problema conforme a seguinte
situação. Suponha que em um ambiente distribuído existem 10 bilhões de documentos, e cada
um desses possui cerca de 50 KB. Para esse exemplo, um sistema precisa processar
aproximadamente 500 terabytes de informação. Com uma quantidade elevada de dados, um
dispositivo poderia demorar horas processando uma quantidade imensa de informações,
sobrecarregando o sistema e reduzindo o poder de resposta da aplicação, algo totalmente
relevante para atender às necessidades dos usuários.
Utilizando o modelo de programação paralela, o sistema seria capaz de executar o
mesmo cálculo para cada página da web de forma rápida e eficiente, utilizando conceitos
complexos de bloqueios de seção crítica entre outros artifícios. Ainda assim, o sistema estaria
sobrecarregado para executar uma quantidade significativa de processos. Devido a utilização
dos conceitos da programação funcional, o MapReduce não necessita fazer o uso de artifícios
tais como bloqueios, nem garantir algum controle de concorrência para executar o
processamento em paralelo, resultando em códigos mais limpos e de fácil legibilidade
processando dados com maior velocidade.
3.6 Execução do modelo em um Sistema Distribuído
Em um sistema distribuído, diversas máquinas executam várias tarefas
simultaneamente. Utilizando a técnica MapReduce, o sistema adquire uma capacidade de
melhor escolha para a execução dos seus processos. A arquitetura desse modelo está baseada
na divisão hierárquica dentro de um cluster de computadores, que adotam um modelo de
divisão de atividades onde uma máquina deverá enviar solicitações para a execução de
processos enquanto as demais executam essas requisições.
19
Esta função será explicada posteriormente quando for apresentado o conceito de partitioners e combiners.
33
As máquinas conhecidas como masters possuem a capacidade de separar e direcionar os
processos dentro de um sistema, garantindo que uma solicitação seja direcionada a uma
máquina arbitrária, denominada worker. Neste tipo de sistema, a divisão hierárquica das
funções é garantida através de uma organização, onde ao menos uma máquina master
gerencia um grupo de workers, podendo esses serem mappers ou reducers, conforme a função
obtida a partir de uma solicitação do master.
A execução de um programa MapReduce baseia-se em separar os dados em pequenas
partes para que possa ser executado por vários nós de um cluster. Porém, em alguns casos
estas divisões extrapolam a quantidade de nós existentes no sistema. Para evitar uma
sobrecarga dessas atividades, alguns programas utilizam técnicas de escalonamento para que
os dados possam ser processados de forma eficiente. Uma fila de atividades é utilizada, e
assim que um dos workers torna-se disponível, o sistema transfere uma tarefa para este nó.
Outro fator que torna o MapReduce um modelo ideal para processamento de grandes
quantidades de dados, é a capacidade de transferir o código para os nós que armazenam estas
informações. Dessa forma, os dados são processados em sua unidade local, e caso um
processo necessite das informações de um nó que esteja executando alguma funcionalidade, o
sistema replica estes dados (através da rede) para nós ociosos a fim de executar as atividades
pendentes. Um grande avanço para os sistemas que utilizam este modelo é o fato de escolher
computadores que se encontram no mesmo datacenter, para que não seja preciso a utilização
de uma maior largura de banda.
O processo de sincronização auxilia na confiabilidade do sistema, pois se trata de um
compartilhamento de informações. Tanto mappers quanto reducers precisam garantir que os
dados estejam sincronizados de acordo com suas referências através da camada “shuffle and
sort”. Esse tipo de organização necessita que os dados sejam copiados e transferidos pela web,
e no caso de utilizarem M mappers e R reducers, a quantidade de dados trafegados pela rede
deverá ser o produto desses dois agentes, ou seja, M x R. É possível verificar que os reducers
necessitam dos resultados gerados pelos mappers. Neste caso, alguns nós que utilizam a
função reduce deverão esperar por uma resposta da função map. O Hadoop
20
desenvolveu
uma solução para evitar a ociosidade entre as máquinas. Quando um mapper emite alguma
resposta, essa é automaticamente transferida para o reducer, ou seja, à medida que as
respostas são emitidas, elas são replicadas e transferidas imediatamente para que um nó possa
processá-la.
20
http://hadoop.apache.org/.
34
As práticas de divisão e conquista são bem aplicadas neste modelo, é notável o ganho
quanto ao desempenho do sistema. Porém ainda existe um desafio para a organização dos
dados processados. Com o modelo organizado desta forma, a criação dos arquivos pelo
reducer poderia gerar um alto índice de informações descentralizadas. Em cada cluster de
máquinas poderia ser encontrado uma parte das informações necessárias para o usuário,
contribuindo para o aumento do tráfego de dados pela rede, diminuindo o desempenho do
sistema.
Como uma forma de solucionar esse problema, foram criados dois elementos cuja
finalidade é organizar e direcionar as informações que possuem alguma relação. O primeiro
agente é conhecido como combinador (combiner), sua função é realizar o agrupamento dos
valores que possuem a mesma chave em comum. Este tipo de implementação auxilia o
desempenho do sistema, pois evita que mais dados sejam trafegados entre os diversos
clusters. Trata-se basicamente de um agrupamento, realizado localmente, antes mesmo das
saídas dos mappers.
O segundo elemento que trouxe benefícios ao desempenho do modelo MapReduce é
denominado particionador (partitioner), este por sua vez, garante a classificação dos pares
chave-valor em diversas máquinas. Dessa forma, os dados que possuem a mesma chave são
alocados em um único local para evitar fragmentação das informações. Dessa forma, toda
informação que possuir uma chave de mesmo valor (geralmente essa comparação é feita a
partir de uma função hash) será direcionada a um determinado computador, gerando um
conjunto de dados que possuem alguma semelhança (na maioria dos casos), direcionado a um
determinado reducer.
A Figura 3.5 apresenta uma exemplificação de como atuam esses dois procedimentos.
Os combiners realizam um agrupamento dos valores gerados pelo mapper. Dessa forma,
evita-se a transmissão desnecessária de informações, melhorando o desempenho do sistema,
pois a combinação é realizada antes mesmo da informação ser enviada a um reducer. No caso
dos partitioners, cada par de chave-valor deverá ser redirecionado a um determinado reducer,
ou seja, sua principal funcionalidade é direcionar cada informação à um determinado nó, de
acordo com as especificações do programa.
Os Sistemas distribuídos foram mostrados apenas como uma técnica capaz de
solucionar diversos casos de processamentos de dados. Em ambientes cuja comunicação
ocorre através da comutação de mensagem pela web, erros são bastante frequentes, podendo
35
ocorrer falhas na conectividade ou em um hardware de um nó, ou seja, nenhum sistema está
livre de problemas.
Figura 3.5: Modelo de organização do MapReduce apresentando os
procedimentos realizados pelos Partitioners e Combiners. A camada shuffle
and Sort, trata de agrupar todos os valores que possuem uma chave em
comum. (LIN; DYER, 2010, p. 30).
O master verifica periodicamente se os workers estão conectados à rede através do
comando ping
21
, caso nenhuma resposta seja recebida, então o nó recebe uma marcação
informando que o mesmo encontra-se inativo. Se um determinado nó inacessível estivesse
realizando alguma tarefa map ou reduce, então esta atividade torna-se elegível para o
escalonador e poderá ser executada novamente por outra máquina. Todos os demais workers
são informados que ocorreu uma falha em um determinado nó e deverão apontar suas
referências de um conjunto de dados especifico, ou seja, ao novo nó que executou a tarefa da
máquina defeituosa. O modelo MapReduce é um sistema bastante robusto e tolerante a falhas,
21
O commando ping é utilizado para verifica se as máquinas estão conectadas na rede, este utiliza o protocolo
ICMP que envia várias mensagens para um determinado computador. A sintaxe para a execução deste
comando é realizada pelo comando ‘ping endereço’, onde o endereço especifica o IP da máquina que receberá
a mensagem.
36
mesmo que um grupo de máquina estejam inacessíveis, o master detecta falhas no sistema e
reexecuta todas as tarefas incompletas.
É notável que o sistema tolerante a falhas somente verifique problemas em nós workers.
Em uma situação onde a falha ocorre no nó master, o sistema poderá parar. No entanto, uma
cópia do master é iniciada e o trabalho poderá ser reexecutado a partir de um checkpoint. A
Figura 3.6 ilustra uma distribuição hierárquica dos nós em um sistema, o programa do usuário
executa o nó master que transfere as funções aos respectivos workers, os mappers e os
reducers a partir de uma biblioteca MapReduce. Nota-se que toda saída da função map é
armazenada em um arquivo localmente.
Figura 3.6: Distribuição de um modelo MapReduce, demonstrando todas os passos do processo.
(DEAN; GHEMAWAT, 2004, p 3)
O exemplo da Figura 3.6 trata-se de um diagrama idealizado e utilizado por Dean e
Ghemawat. O programa do usuário inicia todo o processo executando a função MapReduce.
Primeiramente, a biblioteca do sistema separa os arquivos em M partes de tamanhos variados
37
entre 16 e 64 MB. Após a separação dos arquivos, o programa do usuário inicia várias cópias
do processo em vários nós de um cluster (executado na marcação 1 da Figura 3.6)
22
.
O dispositivo que recebe a cópia do sistema master, tem como principal função
associar as funções map e reduce aos nós workers (2). Assim como os arquivos separados,
existem M nós mappers e R reducers. A associação das funções é realizada somente aos nós
que se encontram ociosos. Cada um dos M arquivos deverá estar associado aos workers que
receberam a tarefa de executar a função map (3). A saída desses processos estará armazenada
em um buffer de memória e assim que concluída, deverão ser escritas em disco local (4).
Após serem armazenados localmente, os Mappers passam a localização exata dos arquivos
para o master que deverá informar aos reducers onde procurar as informações necessárias
para a execução do processo.
Quando um reducer é notificado sobre a localização de um determinado arquivo
localizado em um mapper, este executa uma chamada RPC para copiar as informações para a
memória (5), as informações serão copiadas, classificadas e agrupadas de acordo com os
dados que possuem a mesma chave em comum. Caso a quantidade de dados seja maior que o
esperado, e o nó não possua capacidade de processá-lo, então deverá ser necessária a
utilização de um recurso externo para executar o processo de classificação e agrupamento dos
dados. Após todos os dados serem copiados e processados, os resultados da operação reduce
deverão gerar um arquivo e armazená-lo localmente em um nó reducer (6).
Após todas as funções serem executadas, o master é notificado e envia uma mensagem
ao programa do usuário informando que o processo foi concluído conforme solicitado. O
resultado gerado pelo programa MapReduce apresenta como saída um conjunto de R
arquivos, um para cada Reducer. Cada saída poderá ser processada novamente por um novo
programa MapReduce ou armazenada em um sistema de arquivos distribuído, conforme as
regras especificadas pelo programador.
3.7 Considerações Finais
O MapReduce pode ser definido de diversas formas distintas: pode referir-se a um
modelo de programação desenvolvido por Dean e Ghemawat, ou ser visto como um
22
Na Figura 3.5 foi apresentada a criação dessas copias utilizando o comando fork, porém a utilização desse
comando só ocorre em sistemas locais, não podendo ser executado em ambientes distribuídos. Trata-se
apenas de um conceito onde auxilia no entendimento das etapas do processo MapReduce.
38
framework em execução que manipula e gerencia a execução de alguns programas
específicos, ou até mesmo ser atribuído a uma implementação especifica que utiliza o modelo
de programação junto a um framework, tais como a implementação realizada pela Google ou
o Hadoop, sistemas que estão se popularizando cada vez mais devido ao seu alto poder de
escalabilidade e desempenho.
Os conceitos apresentados anteriormente expressam corretamente o que vem a ser este
modelo. Porém o MapReduce vai além destas definições. Trata-se de uma ideologia capaz de
classificar os dados, processá-los e indexar os resultados de forma rápida e eficiente. Podendo
ser aplicado a inúmeros problemas, onde cada entidade receberá uma determinada função para
aplicá-la junto à informação que recebera, com o mínimo de tráfego na rede. Grande parte do
processamento é executado localmente. As tarefas são divididas em grupos de M mappers e R
reducers, para o master a quantidade de escalonamento a ser realizado é na ordem de O (M +
R) e mantém O (M * R) estados em memória (DEAN; GHEMAWAT. 2004. p. 5). A
quantidade de espaço armazenado na memória é mínima, aproximadamente 1 (um) byte por
worker (no modelo do Google File System, que será abordado na próxima seção).
O MapReduce se popularizou entre os diversos sistemas da atualidade, empresas
utilizam o conceito deste modelo para garantir desempenho, escalabilidade e agilidade no
desenvolvimento de aplicações para sistemas fracamente acoplados. Diversas empresas como
a Microsoft, Amazon e a Yahoo utilizam este modelo para o processamento de grandes
quantidades de dados e ferramentas como a API Google garantem a abstração das máquinas
para os programadores, mesmo os que não possuem experiências com ambientes distribuídos
podem com facilidade implementar diversas aplicações. Outro fator importante é o
processamento dos dados em máquinas locais, esse artifício auxilia o desempenho de diversas
funções ao longo do sistema e permite um melhor balanceamento de carga, pois gerencia os
dados associando-os a máquinas que aguardam por algum processo. Dessa forma, vários
processos podem ser executados paralelamente sem a preocupação de sobrecarga de
maquinas.
Até o presente momento, foram apresentados somente exemplos de algoritmos fictícios
para a resolução de simples problemas, a próxima seção deverá abordar um estudo de caso
sobre diversas ferramentas utilizadas por grandes empresas que disponibilizam seus serviços
através das nuvens com alto desempenho e integridade das informações.
39
4 ESTUDO DE CASO
Até o presente momento foram apresentados conceitos do que vêm a ser e como são
processados os dados do MapReduce. Nesta seção serão abordados sistemas que utilizam este
modelo para o processamento de grandes conjuntos de dados com alto desempenho. O
desenvolvimento de sistemas que utilizam essa forma de implementação está aumentando
cada vez mais todos os dias, empresas como a Facebook, LinkedIn e o Twitter, adotaram a
implementação de ferramentas que abordam este conceito com o intuito de melhorar o poder
de resposta. Para estes sistemas é necessário que as informações sejam lidas e escritas de
forma rápida e segura, garantindo a confiabilidade do sistema.
4.1 Google File System - GFS
O Google File System trata-se de um sistema de arquivos distribuídos proveniente da
Google. Inicialmente foi projetado para ser um sistema utilizado para atender às necessidades
relacionadas ao armazenamento e processamento de grandes conjuntos de dados. É utilizado
para diversas finalidades e desenvolvido em clusters que alocam centenas ou até milhares de
nós. O maior já implementado, utiliza um conjunto de 1000 nós, com uma capacidade acima
de 300 terabytes, podendo ser acessado por centenas de clientes em diferentes máquinas
simultaneamente e em bases continuas (GHEMAWAT, 2003, p. 1). Esse sistema visa atender
às demandas de um problema que vem crescendo constantemente: a capacidade de
processamento de dados em larga escala, garantindo a escalabilidade, confiabilidade e
disponibilidade das informações.
Uma das facilidades do GFS está na sua interface simples e intuitiva, semelhante aos
sistemas de arquivos comuns. Sendo organizados de forma hierárquica através de diretórios e
especificados por identificadores, como os nomes dos arquivos e o caminho onde estão
alocados. Além das questões de acesso, a interface suporta diversas operações, como a
abertura de arquivos, leitura, escrita e remoção do mesmo.
A principal motivação do GFS é garantir a segurança das informações contidas no
sistema. Falhas podem ocorrer a qualquer momento, portanto é necessário garantir um sistema
que possa solucionar esses problemas, utilizando estratégias como a replicações de dados e o
monitoramento dos dispositivos que compõem o sistema. Outra preocupação do sistema de
40
arquivos da Google é garantir a manipulação e o gerenciamento de grandes conjuntos de
dados, visando sempre que esses arquivos estão sendo constantemente acessados. Dessa
forma é necessário criar um sistema que seja rápido o suficiente para a leitura dessas
informações. Os dados acessados podem ser alterados de forma concorrente, ou seja, vários
usuários podem alterar os mesmos elementos através do mecanismo de record append, ao
mesmo tempo que garante também a atomicidade do arquivo.
A arquitetura do sistema GFS, consiste na mesma idéia do MapReduce, onde existem
nós separados por uma hierarquia de funcionalidade. O master (assim mesmo chamado) é
designado para manipular todos os demais nós (workers), associando a cada máquina uma
determinada atividade a ser realizada. Esses são conhecidos como chunkservers e acessados
por múltiplos clientes.
Assim como no MapReduce, os dados são separados em blocos, denominados chunks.
Cada bloco possui pequenas informações sobre a sua criação, conhecidas como
manipuladores de blocos (chunk handle), esses elementos são imutáveis e únicos para o
sistema. Cada chunk é armazenado nos chunkservers como um arquivo e possui um tamanho
fixo de 64 MB (por padrão), podendo ser alterado caso seja necessário, para evitar a
fragmentação interna
23
. A grande vantagem de separar os dados em blocos ocorre devido às
questões de desempenho. Um cliente não necessita solicitar escrita e leitura de arquivos ao
master, essas ações podem ser realizadas diretamente ao chunk, evitando uma grande
sobrecarga do servidor central. Esse procedimento será explicado futuramente nesta seção. As
informações sobre cada chunk é armazenada pelo master, que replica os blocos por todo o
sistema (por padrão, são replicados para outros três nós do cluster).
A principal função do master é garantir o controle do sistema. Para isso, é necessário
que ele obtenha informações de todos os chunkservers. Essas informações são conhecidas
como metadados, que possui dados relacionados ao arquivo, a localização de cada chunk e
também o namespace
24
. As informações referentes ao mapeamento dos dados e a sua
localização, são armazenadas em logs pelo master. Dessa forma, dados sobre os chunkservers
são armazenados em locais separados, para que as informações possam continuar persistentes
em caso de falha do nó master. Além da segurança, outra vantagem do uso de logs dentro do
sistema, ocorre por questões de desempenho. É possível que o master possa replicar alguns
23
A fragmentação interna consiste na perda de espaço em blocos de tamanho fixo. A fragmentação ocorre
quando os espaços dos blocos não são preenchidos por completo.
24
Um namespace contém informações relevantes sobre um determinado arquivo, como o seu identificador,
seu caminho e outras demais informações necessárias para garantir que esse seja um arquivo único dentro do
sistema. Assim como nos sistemas de arquivos comuns.
41
chunks para diminuir a sobrecarga dos chunkservers, além de garantir a limpeza do sistema,
utilizando o mecanismo de garbage collection.
O Google File System utiliza diversas estratégias de desempenho. Porém a utilização de
alguns artifícios para essa finalidade, como no caso da memoria cache, são raramente
utilizadas. Nesse caso, a utilização desse mecanismo só é valida no armazenamento dos
metadados. Um chunkserver não necessita colocar os arquivos em cache, uma vez que esses
estão alocados em um disco local. Por outro lado os clientes também não precisam armazenar
em cache esses arquivos, devido à complexidade existente na alocação de grandes conjuntos
de dados em máquinas cliente. A utilização do cache para armazenar informações importantes
ao invés de incluir dados, trouxe simplicidade ao modelo. Devido a esse artificio, é possível
que o nó master possa executar suas tarefas sem ser sobrecarregado por várias solicitações
dos clientes. Dessa forma, evita a criação de um gargalo, pois clientes não lêem ou escrevem
através de requisições ao master, apenas solicitam qual a localização de um determinado
chunk. Todas as alterações de uma determinada informação são realizadas diretamente entre o
cliente e o chunkserver.
A Figura 4.1 apresenta o modelo de funcionamento do GFS (GHEMAWAT; LEUNG;
GOBIOFF, 2003, p. 3). Primeiramente o cliente solicita ao master a localização do chunk,
enviando o nome e o índice do arquivo. Em seguida a aplicação recebe como resposta, o
chunk handle e a localização dos chunks no sistema. O cliente armazena essas informações
em cache, utilizando como índice os parâmetros utilizados na solicitação realizada
inicialmente ao master. A partir desse momento toda a comunicação é realizada com o
chunkserver, que recebe requisições do cliente, sendo essas o chunk hadle e o índice dentro do
chunk. É possível que sejam solicitadas ao Master diversas solicitações de um mesmo cliente,
dessa forma a resposta dessas requisições podem conter várias informações de diversos
chunks. Esse conjunto de informações enviadas ao cliente auxilia no desempenho da
aplicação, pois evita ao máximo a comunicação do master com o cliente.
O Google File System mostrou ser um modelo bastante eficiente para armazenamento
de grandes conjuntos de dados. Além de garantir o armazenamento de grandes quantidades de
dados, possui um alto poder de respostas às requisições dos clientes. Realizando um
balanceamento de carga eficiente através de replicações de dados entre os servidores e
utilizando estratégias para diminuir a quantidade de requisições ao master. Atualmente, esse
sistema vem sendo utilizado constantemente pela Google em plataformas de armazenamento e
42
desenvolvimento do sistema, tanto para pesquisas quanto para serviços disponibilizados na
web.
Figura 4.1: Modelo do Google File System. (GHEMAWAT; LEUNG; GOBIOFF, 2003, p. 3)
4.2 Hadoop
O Hadoop é uma versão Open-Source do MapReduce, desenvolvida na linguagem de
programação Java e comumente utilizada para o processamento de grandes conjuntos de
dados. Inicialmente foi criado por Doug Cutting e adquirido pela Apache Software
Foudations, possui a Yahoo como uma das maiores organizações que investem neste projeto.
Atualmente a popularização dessa ferramenta vem crescendo de forma acelerada. Empresas
como o Facebook, IBM e Twitter adotaram esse sistema para o gerenciamento e manipulação
das suas informações. Esta seção apresentará uma visão superficial do Hadoop, com ênfase
nas técnicas abordadas pelo MapReduce e pelo processamento distribuído, demonstrando qual
a sua finalidade dentro do universo da tecnologia da informação.
O grande sucesso da popularização do Hadoop entre diversas empresas é pelo fato de se
tratar de um sistema capaz processar várias informações de aplicações em ambientes
distribuídos, processando com eficiência e velocidade, grandes quantidades de dados. Trata-se
de uma ferramenta executada em sistemas de clusters, para que clientes possam enviar
requisições e receber respostas com alto desempenho, seguindo a linha de toda aplicação
MapReduce: “Write once, read many”. A grande vantagem da utilização deste sistema é a sua
capacidade de ser escalável, robusto, acessível e fácil de implementar. É possível criar
43
códigos que possam ser processados em paralelo de forma rápida e simples, dentro de um
ambiente com uma arquitetura linearmente escalável e tolerante a falhas. A Figura 4.2
apresenta uma ilustração de um sistema executando a ferramenta Hadoop.
Figura 4.2: Utilização do Hadoop em um Cluster que aloca e
processa grandes conjuntos de dados. O cliente solicita uma
requisição e recebe uma resposta com alto desempenho.
Neste sistema cada solicitação do cliente é realizada dentro de uma nuvem e retornada
rapidamente. A grande vantagem das aplicações Hadoop é o fato de utilizarem uma das
características mais importantes do modelo MapReduce, a transferência de código entre os
nós de um cluster. Dessa forma, não há necessidade de transmitir de dados por todo o
ambiente. Apenas códigos são encaminhados para os nós que possuem uma determinada
informação e então executados localmente.
Em um ambiente Hadoop, os nós são separados de forma hierárquica. Para o nó master,
foi designado a nomenclatura de jobTracker, enquanto os Workers foram denominados
taskTrackers, seguindo o mesmo raciocínio da organização vista no capitulo anterior. As
entradas são separadas em blocos de 64 MB (por padrão), podendo ser alterada conforme a
escolha do programador. Trata-se de arquivos intermediários denominados chunks, esses
deverão ser processados em paralelo pelos nós de um cluster. A saída de um nó reducer,
deverá ser replicada em um sistema de arquivos distribuídos.
44
4.2.1 Hadoop Distributed File System
Para entender melhor o funcionamento do Hadoop, é preciso entender como funciona o
seu sistema de arquivos, conhecido como Hadoop Distributed File System (HDFS). Foi
desenvolvido para armazenar grandes conjuntos de dados e uma alta capacidade de streaming
de dados. O HDFS separa uma grande quantidade de informação em pequenos blocos e
armazena esses blocos no sistema. A grande vantagem de incluir um arquivo em partes ocorre
devido fato de um arquivo poder ser grande o suficiente para não caber em um único nó.
Outro fator importante é a simplificação de um sistema de arquivos distribuídos, onde é
possível verificar a quantidade de blocos que pode ser incluído em cada nó (sem a
necessidade de criar arquivos de metadados para delimitar permissões de onde esses arquivos
podem ser armazenados). Dados também podem ser replicados ao longo de todo o sistema,
garantindo um ambiente tolerante a falhas e de alta disponibilidade.
No sistema HDFS, existe uma estruturação semelhante à hierarquia dos nós, seguindo a
mesma visão do framework MapReduce (Google) e do Hadoop. Um nó master é denominado
namenode, enquanto os nós workers são conhecidos como datanodes. O gerenciamento de
todo o sistema de arquivos fica por parte do namenode. Ele mantém informações de todos os
datanodes e a localização de cada bloco, além de conter uma árvore de arquivos e seus
respectivos metadados, que armazena informações sobre esses arquivos e seus diretórios
(WHITE, 2009, p. 65).
A grande dificuldade do HDFS é manter um sistema seguro e tolerante a falhas, porém
toda essa preocupação só é direcionada aos datanodes. Caso o namenode venha a falhar, todas
as informações quanto aos blocos de arquivos seriam perdidas. É de extrema importância
garantir a vitalidade desse nó, pois caso haja alguma falha, todas as informações estariam
perdidas e desencontradas, causando danos irreparáveis ao sistema. Para este tipo de situação,
são realizadas rotinas de backup dos metadados e dos estados de cada datanode. Outra
implementação do Hadoop para manter a segurança do namenode, é a criação de um nó
auxiliar, cuja finalidade é garantir uma cópia, tal como uma imagem, do nó master.
A Figura 4.3 apresenta uma arquitetura do funcionamento do HDFS. O namenode
gerencia e manipula todas as informações dos arquivos, tal como a localização e o acesso.
Enquanto os datanodes se encarregam da leitura e escrita das informações nos sistemas de
arquivos cliente.
45
Figura 4.3: Arquitetura do modelo de arquivos do Hadoop (HDFS). (Fonte:
http://hadoop.apache.org/common/docs/r0.17.0/hdfs_design.html).
Analisando a estrutura do HDFS e do Hadoop, é notável que ambos implementam o
modelo MapReduce, e portanto é de suma importância esclarecer diferenças quanto às partes
que compõem os dois sistemas. O Hadoop é um framework utilizado para aplicações
distribuídas, enquanto o HDFS é utilizado para armazenamento das informações processadas
pelo Hadoop. Em ambos sistemas é implementado o modelo master-workers proveniente do
MapReduce.
4.2.2 Interface Hadoop
A grande dificuldade para um programador é verificar se seus dados estão consistentes
dentro da aplicação. Uma vez que o modelo MapReduce trata todo e qualquer arquivo de um
sistema em blocos distribuídos por diversos nós. Para este tipo de problema, a Apache utilizou
softwares para capazes de verificar os dados contidos no Hadoop ou em seu sistema de
arquivos. Esses tipos de programas são designados para fornecer uma interface ao sistema e
são comumente utilizados no HDFS, por questões obvias, pois é necessário verificar se os
dados estão sendo armazenados corretamente.
Uma das interfaces mais utilizadas por esse sistema é chamada de Thrift (WHITE,
2009, p. 49). Trata-se de uma interface que auxilia outras linguagens no acesso às
informações dentro do sistema. Como mencionado no inicio deste capitulo, o Hadoop, assim
como o HDFS, são sistemas desenvolvidos inicialmente na linguagem Java e logo possuem
certas restrições quanto às aplicações que não foram desenvolvidas nessa linguagem. A
46
utilização do Thrift só possível com a utilização de um servidor Java em execução, pois ele
fornece suporte à várias linguagens, tais como PHP, C++ e Ruby, através de stubs pré-
gerados.
Outras interfaces são bem populares em sistemas HDFS e Hadoop como o FUSE, que
utiliza uma biblioteca conhecida como libhdfs, desenvolvida na linguagem C para acessar os
sistemas de arquivos do Hadoop. Essa biblioteca utiliza uma interface Java Nativa (JNI) para
acessar as informações do sistema.
4.3 Aplicações MapReduce em Sistemas Reais
O MapReduce trouxe grandes benefícios a diversas aplicações. Um dos casos da
utilização deste modelo em sistemas reais é a implantação da ferramenta Hadoop no site
Last.fm
25
(WHITE, 2009, p. 405). Trata-se de uma aplicação voltada ao conteúdo musical,
que ao longo do tempo evoluiu de milhares para milhões de pessoas. Os usuários dispõem de
informações rápidas e precisas, manipulando, alocando e gerenciando os dados no sistema.
Devido a essa sobrecarga, foi adotada a ferramenta Hadoop, que trouxe um bom resultado ao
site em termos de desempenho e segurança.
O sistema Last.fm possui uma infra-estrutura de clusters, garantindo a escalabilidade da
aplicação. Esse tipo de estrutura fornece uma melhor eficiência ao site. Outro beneficio
trazido pelo Hadoop, é a utilização de logs de usuários e a replicação de dados dentro do
sistema, fornecendo a segurança das informações de uma maneira simples e transparente. Por
se tratar de um software Open-Source, é possível desenvolver novas funcionalidades ao
sistema utilizando uma API clara e concisa.
Em 2009, o site Last.fm era composto de dois clusters Hadoop, com mais de 50
máquinas em processamento, utilizando 300 cores e com uma capacidade de 100 terabytes.
Inúmeras operações são realizadas diariamente, gerando informações relevantes para o estudo
da performance do sistema, como a análise de arquivos de log, avaliação de testes em
máquinas e geração de gráficos do sistema.
Outro caso de sucesso do modelo MapReduce, é encontrado na rede social do jovem
Mark Zuckerberg. O Facebook necessitava de um sistema que pudesse armazenar a sua
25
O site Lasft.fm foi desenvolvido em 2002, com o intuito de oferecer serviços de radio e musica para os
usuários. Calcula-se que 25 milhões de pessoas utilizam este site mensalmente. Disponível em
<http://www.lastfm.com>. Acesso em 23 Mai.
47
imensa carga de logs, gerada diariamente pelos seus usuários. A base de dados utilizada não
era suficiente para lidar com uma alta carga de informações. Para solucionar esse problema,
foram colocadas algumas instâncias do Hadoop no sistema. O resultado foi bem sucedido,
devido à simplicidade com que o sistema realizava suas operações. A evolução da ferramenta
Open-Source de alta escalabilidade dentro do Facebook só se popularizou dentro da
corporação, após o desenvolvimento do Hive
26
, uma interface capaz de realizar consultas SQL
em cima da plataforma Hadoop.
No ano de 2009, o Facebook possuía o segundo maior cluster Hadoop do mundo
(WHITE, 2009, p. 415), com um espaço superior a 2PB, processando mais de 10TB de
informações diariamente. O sistema possui um conjunto de 2.400 cores e cerca de 9TB de
memória. O desenvolvimento da ferramenta Hive trouxe grandes benefícios ao Hadoop, sendo
uma ferramenta adotada nos diversos subprojetos da Apache, que auxiliam no gerenciamento
dos sistemas de alta escalabilidade.
26
http://hive.apache.org/
48
5 CONCLUSÃO
A computação distribuída consiste em um conjunto de dispositivos trabalhando em
paralelo, para atender com eficiência os serviços disponibilizados pelo sistema, seja ele um
cluster ou um grid. A criação de um ambiente distribuído contribuiu com o desenvolvimento
dos datacenters, que puderam aperfeiçoar seus recursos, sem a utilização de máquinas de
grande porte, como no caso de um supercomputador. Desta forma, uma corporação poderia
implantar um ambiente altamente robusto e eficiente, utilizando máquinas de pequeno porte e
de baixo custo, se comparadas a uma máquina high-end.
A criação de um ambiente distribuído irá fornecer um sistema eficiente e com alto poder
de resposta. Além de garantir maior disponibilidade e interoperabilidade dos serviços,
utilizando uma infra-estrutura escalável e tolerante a falhas. Esse modelo organizacional
trouxe grandes benefícios para aplicações de grande porte. Porém, trata-se de sistemas
complexos, que precisam ser bem estruturados e para isso necessitam de profissionais que
possuam grande conhecimento na área. Uma simples falha estrutural poderia causar danos
cruciais para uma corporação. Outra desvantagem está relacionada ao desenvolvimento de
aplicações em ambientes dessa natureza. É necessário que o programador tenha um alto
conhecimento, para que possa desenvolver serviços em aplicações distribuídas. Para esse
problema, foram criados mecanismos capazes de abstrair o problema da implementação
ambientes distribuídos, utilizando interfaces e padrões, tais como a OpenMP e a MPI.
O MapReduce mostrou ser um excelente modelo para a computação distribuída. É
possível criar aplicações que possam processar terabytes de informações sem causar uma
exagerada sobrecarga ao sistema. Dessa forma, milhares de usuários podem desfrutar de
sistemas que contenham inúmeras informações, com um elevado poder de resposta. A
abordagem deste modelo também se baseia no conceito de transparência, auxiliando no
desenvolvimento de aplicações, sem que o programador tenha experiência alguma com
ambientes distribuídos. Trata-se de um sistema seguro, que possui um mecanismo de
processamento paralelo, utilizando técnicas de balanceamento de carga e um alto poder de
indexação de dados.
O modelo possui simplicidade em sua arquitetura, onde os dispositivos são separados
conforme suas funções. Cada informação é processada localmente, ao invés de ser transmitida
pela rede, evitando um aumento no tráfego de dados dentro do sistema. Outra preocupação
que o modelo possui, é a probabilidade da ocorrência de problemas entre os nós do sistema.
49
Nesse caso, a importância de desenvolver um sistema tolerante a falhas é garantida a partir de
vários mecanismos, como o uso da replicação de dados e a verificação de logs de cada
dispositivo, analisando o estado e o comportamento de cada componente.
É importante afirmar que a utilização da computação distribuída garantiu uma maior
expansão dos sistemas. É possível encontrar milhões de usuários comunicando-se e
conectando-se graças ao poder dessas aplicações. Atualmente a quantidade de informações
geradas pelo universo da web, garante que possamos conhecer ambientes e realizar trocas de
informações com o menor esforço possível. É assim que podemos imaginar o futuro para a
computação, um ambiente altamente escalável com uma alta capacidade de armazenamento e
um elevado poder de resposta, com o menor custo possível.
O MapReduce é apenas o um dos modelos empregados dentro do âmbito da
computação distribuída. Novas pesquisas são realizadas todos os anos, e novos algoritmos
estão surgindo, com um maior poder de processamento, como no caso do novo sistema
denominado Caffeine
27
, utilizado para realizar buscas mais rápidas e melhores. Segundo o
Google, idealizador do novo sistema, é possível realizar buscas de sites com até 50% a mais
de velocidade do que o motor de busca atual, proveniente do MapReduce.
27
http://googleblog.blogspot.com/2010/06/our-new-search-index-caffeine.html
50
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APACHE HADOOP. The Hadoop Distributed File System: Architecture and Design.
Disponível em <http://hadoop.apache.org/common/docs/r0.17.0/hdfs_design.html>. Acesso
em 10 Jun.
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