Computação Paralela e Distribuída

Código:

L.EIC028

Sigla:

CPD

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Engenharia Informática e Computação

Ocorrência: 2021/2022 - 2S

Ativa?	Sim
Unidade Responsável:	Departamento de Engenharia Informática
Curso/CE Responsável:	Licenciatura em Engenharia Informática e Computação

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
L.EIC	233	Plano Oficial	3	-	6	52	162

Língua de trabalho

Português - Suitable for English-speaking students

Objetivos

Dotar os estudantes com:

• conhecimentos conducentes à utilização simultânea de várias unidades de processaento num sistema de computação;
• bases sólidas sobre paralelização de algoritmos, modelos de programação, sincronização de processos e medidas de desempenho, através do desenvolvimento de programas;
• conhecimentos teóricos sobre sistemas distribuídos para que possam tomar decisões correctas quando confrontados com a necessidade de conceber/desenvolver/administrar um sistema ou aplicação distribuídos;
• experiência de programação para que possam desenvolver aplicações distribuídas.

Resultados de aprendizagem e competências

Após conclusão desta UC, os estudantes deverão ser capazes de:

• Analisar um problema e identificar o modelo de paralelização mais adequado;
• Escrever programas segundo o modelo de memória partilhada;
• Elaborar soluções paralelas para novos problemas;
• Utilizar modelos computacionais para estimar o tempo de computação das aplicações;
• Conhecer boas práticas para efetuar partilha de recursos entre processos concorrentes;
• Explicar as implicações da latência de comunicação, falhas parciais e assincronia numa aplicação distribuída;
• Implementar uma aplicação distribuída quer recorrendo a "threads" quer usando uma abordagem orientada a eventos;
• Identificar os riscos de segurança em aplicações distribuídas que podem ser mitigados por canais seguros;
• Identificar os protocolos e mecanismos  criptográficas necessários para a implementação desses canais;
• Identificar aplicações práticas de algoritmos básicos de sincronização, como eleições, ​​e explicar porque pequenas alterações nesses algoritmos, podem quebrá-los;
• Explicar o funcionamento de algoritmos básicos de tolerância a falhas e das garantias por eles dadas;
• Compreender a utilidade e o desafio da replicação de dados/serviços em aplicações distribuídas;
• Avaliar os compromissos entre desempenho, tolerância a falhas e consistência em serviços replicados.

Modo de trabalho

Presencial

Pré-requisitos (conhecimentos prévios) e co-requisitos (conhecimentos simultâneos)

Sistemas Operativos

Redes de Computadores

Programa

Introdução à computação paralela. Medidas de desempenho.
 
Máquinas paralelas. Organização de memória e efeito da gestão da memória cache no desempenho do processador.

Limitações da computação paralela (Amdahl Law).

Tipos de paralelismo:  funcional, de dados e  em “streams”. Metodologias para paralelização de algoritmos.

Modelos de programação paralela: Memória Partilhada e Memória Distribuída.

Problemas de concorrência. Programação de multi-cores pelo modelo de memória partilhada utilizando OpenMP. Modelos de Computação.

Introdução à computação distribuída.

Modelos de comunicação: troca de mensagens, invocação remota de funções. Comunicação multicast.

Segurança na comunicação. Ameaças e ataques. Canais de Comunicação seguros. 

Processamento em sistemas distribuídos. Serviços com manutenção de estado. Implementações concorrentes baseadas em eventos vs. “threads”.

Tolerância a falhas. Algoritmos de eleição. Protocolo “two-phase commit”.  Protocolo primário-apoio ("primary-backup").

Técnicas básicas  para aumentar a escalabilicade. Estudo de caso: Domain Name System (DNS).

 

Bibliografia Obrigatória

M. van Steen and A. S. Tanenbaum; Distributed systems, 3rd Ed., 2017 (https://www.distributed-systems.net/index.php/books/ds3/)

Bibliografia Complementar

Michael J. Quinn; Parallel programming in C with MPI and openMP. ISBN: 007-123265-6
George Coulouris; Distributed systems. ISBN: 0-201-61918-0
Andrew S. Tanenbaum; Distributed systems. ISBN: 0-13-613553-6
Ruud van der Pas, Eric Stotzer, Christian Terboven; Using OpenMP—The Next Step: Affinity, Accelerators, Tasking, and SIMD, MIT Press, 2017. ISBN: 9780262534789

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

As aulas teóricas são de exposição. Sempre que necessário, exemplos que ajudem à compreensão dos tópicos serão apresentados. A matéria exposta segue de perto a bibliografia principal recomendada. Para complementar, em tópicos muito pontuais, serão fornecidos apontamentos ou artigos.

Ao longo do semestre serão propostos problemas de programação e outros para consolidação dos conceitos apresentados nas aulas teóricas. Estes problemas serão discutidos nas aulas teórico-práticas, mas espera-se que os estudantes os resolvam fora das aulas. Os estudantes deverão ainda realizar 2 pequenos projetos, onde deverão aplicar os conceitos apresentados nas aulas teóricas.

Software

JDK
git

Tipo de avaliação

Avaliação distribuída com exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Exame	55,00
Trabalho prático ou de projeto	45,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Estudo autónomo	60,00
Frequência das aulas	52,00
Trabalho laboratorial	50,00
Total:	162,00

Obtenção de frequência

Não ultrapassagem do número limite de faltas .

Fórmula de cálculo da classificação final

min( 0,45 PP + 0,55ET, 1.15PP, 1.15ET)
onde:
PP - Nota global dos projetos
ET - Classificação do Exame Teórico

Avaliação especial (TE, DA, ...)

Idêntica à dos estudantes em regime normal.

Os estudantes em regime especial devem contactar o regente da unidade curricular para agendarem as datas da avaliação referentes ao projecto.

Melhoria de classificação

A melhoria da classificação do exame teórico é realizada mediante submissão a outro exame teórico semelhante ao da época normal (e com o mesmo peso) nas épocas previstas para o efeito.

A melhoria da classificação do projecto final só pode ser realizada na ocorrência seguinte da UC.

Observações

As aulas poderão ser dadas em Inglês se houver estudantes que não sabem português.