4. Architekturen und Systemmodelle

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1 Überblick 4. Architekturen und Systemmodelle 4.1 Grundlegende Architektur- und Systemmodelle 4.2 /-Modell 4.3 Erweiterte /-Systeme 4.4 Gleichrangige Prozesse (Peer Processes) O. Kao Webbasierte Informationssysteme Grundlegende Architekturund Systemmodelle Architekturmodell eines webbasierten Systems Aus welchen Bestandteilen besteht das System? Wie sehen die Beziehungen zwischen den Bestandteilen aus? Variationen entstehend beispielsweise durch Replikation, Caching, Verwendung mobiler Codes, Ad-hoc-Kommunikation, Grundlegende Systemmodelle liefern eine formale Beschreibung der Eigenschaften, die allen Architekturmodellen gemeinsam sind Interaktionsmodell Fehlermodell Sicherheitsmodell Jedes Modell (Interaktionsmodell, Fehlermodell, Sicherheitsmodell) liefert eine abstrakte, vereinfachte und konsistente Beschreibung des Systems O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-2

2 Übersicht über Architekturmodelle Aufteilung der Verantwortlichkeiten zwischen Systemkomponenten (Anwendungen,, andere Prozesse) ist ein offensichtlicher Aspekt beim Entwurf webbasierter Systeme Klassifikation bzgl. Platzierung von Prozessen /-Modell: asymmetrisch, einfach, am häufigsten eingesetzt Dienste, die von mehreren n bereitgestellt werden Replikation eines Dienstes auf mehreren n Erweiterte Elemente eines /-Systems, z.b. Proxy- Peer-Prozesse (Gleichrangige Prozesse) Symmetrisches Modell keine Unterscheidung zwischen und Alle Prozesse haben ähnliche Rollen und arbeiten zusammen zur verteilten Lösung eines Problems O. Kao Webbasierte Informationssysteme /-Modell Gliederung in zwei logische Teile Ein oder mehrere s: Nehmen Dienste oder Daten des s nach einer Anforderung in Anspruch : stellt Dienste oder Daten zur Verfügung und sind zwei Ausführungspfade oder einheiten mit Interaktion nach dem Muster Erzeuger/Verbraucher s sind auslösende Elemente, d.h. sie können zu jedem beliebigen Zeitpunkt eine Anfrage starten sind reagierende Elemente Aufruf Aufruf Ergebnis Ergebnis Prozess: Rechner: O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-4

3 Zwei- und Dreischichten- Modelle Grundkomponenten einer verteilten Anwendung Benutzungsoberfläche Benutzungsinterface Verarbeitung oder Anwendungslogik Datenmanagement Persistente Datenspeicherung Einfache Verteilung dieser Komponenten in und, d.h. in zwei Stufen (Two Tier Model) Dreischichtenmodell (Three Tier Model) s (Präsentationsschicht) Anwendungs- und Verarbeitungsserver Datenbankserver O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-5 Grafische Darstellung: Two Tier vs. Three Tier Schicht 1 Schicht 2 Präsentation: Web Browser Verarbeitung: Web +Datenbank Schicht 1 Präsentation: Web Browser Schicht 2 Verarbeitung: Web Schicht 3 Speicherung: Datenbank O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-6

4 Nachteile konventioneller /-Konstrukte Ausfallsicherheit: ausfall nicht zu kompensieren Leistungsprobleme: als Engpass bei steigendem Volumen Mögliche Lösung 1: Leistungsfähigkeit des s erhöhen Mögliche Lösung 2: Erweiterte /-Systeme, d.h. Implementierung von Diensten als mehrere -Prozesse in separaten Rechnern Partitionierung: Jeder verwaltet einen Teil der Information Beispiel: Web- mit unterschiedlichen Websites Replikation: Verteilung von konsistenten Datenmengen auf mehreren unabhängigen Rechnern Beispiel: Abbildung des Suchindexes auf mehreren Webservern, die unter der gleichen Adresse erreichbar sind Bei Bedarf Zusammenarbeit zur Bereitstellung von Diensten, z.b. ---Systeme O. Kao Webbasierte Informationssysteme Erweiterte /- Systeme Aufbau von /-Ketten Rekursiv: Der aktuelle reicht einen Teil der Anforderung an einen weiteren und bekommt dann die Ergebnisse zurück Transitiv: Der bekommt die Antwort von dem letzten in der Kette, nicht von dem, an den die Anforderung gerichtet war Klassifikation bzgl. der Funktionalität der dazwischen liegenden Elemente bei ---Systemen Proxy: Stellvertreter für mehrere Broker: Vermittlung zwischen mehreren s und mehreren n Trader: Sucht aus einer Menge ihm bekannter denjenigen heraus, der für die gestellte Anforderung am besten geeignet ist Balancer: Verteilung der Arbeitslast verursacht durch die aktuellen anforderungen gleichmäßig über die vorhandenen Agent: Koordiniert mehrere anfragen für den steuernden O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-8

5 Balancer Balancer und Proxy Mehrere identische in der Regel replizierte stehen zur Verfügung Balancer überprüft laufend die Auslastung der Teilelemente und wertet die Last durch die ankommenden Anfragen aus Die Anforderungen werden so verteilt, dass die Antwortzeit minimiert wird und alle im Verbund etwa gleichzeitig ausgelastet sind Proxy: Häufigste Ausprägung als gemeinsamer Cacheverwalter für mehrere s Proxy fängt die anforderungen an und versucht diese sofort z.b. aus dem Cache zu bedienen Falls nicht möglich, leitet er die Anfragen an den weiter und leitet die Rückantwort zurück antworten werden zwischengespeichert und stehen den anderen s zur Verfügung O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-9 Proxy- und Caches Proxy-Konzept bei Webbrowsern Inhalte, auf denen eine Gruppe von Benutzern / Anwendungen zugegriffen hat Mit spezieller HTTP-Anforderung und Mitarbeit des Originalservers wird die Aktualität des Caches überprüft Installation von Proxies reduziert die Anfragelast auf die Webserver und verringert unnötige Netzwerkkommunikation Proxy server Web server Web server O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-10

6 Broker Ermöglicht den s Zugriff auf geeignete Dienste ohne dass diese die Adresse der entsprechenden Dienste kennen müssen Alle im Verbund registrieren ihre angebotenen Dienste beim Broker Broker ermittelt den passenden und liefert die anfragen an den Übermittelt die eigenschaften an die s Vorteile: Orts- und Migrationstransparenz Nachteile eines zentralen Brokers: Engpass, mangelnde Ausfallsicherheit Replikation im Extremfall ein Broker pro führt zu aufwendigen Prozessen zur Erhaltung der Datenkonsistenz 1. Request 4. Forwarded Reply Broker 2. Forwarded Request 3. Reply O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-11 Klassifikation von Brokern, Trader und Agenten Klassifikation von Brokern Forwarding Broker: Übermittelt sowohl die Anforderung als auch die Antwort Separater oder handle-driven Broker: Übermittelt dem alle notwendigen Informationen (Name, Adresse, Anforderungsformat) des gewünschten s, so dass der direkt mit dem in Kontakt treten kann Trader Stehen mehrere in unterschiedlicher Qualitäten für ein und denselben Dienst zur Verfügung, dann sucht der Trader aufgrund der spezifikation den passenden Dienst heraus Agenten Ablaufplaner und abwickler für komplexe Serviceleistungen Anforderung wird in mehrere Teile zerlegt, an unterschiedliche übermittelt und die Antworten zu einer Rückantwort zusammengefasst O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-12

7 Mobiler Code Ablauf 1. fordert Code vom an 2. Code wird von einem zum übertragen 3. Code wird auf dem ausgeführt Vorteil der lokalen Ausführung Kurze Antwortzeiten bei Interaktion, da keine Netzwerkkommunikation mehr notwendig Nachteile Der Appletcode wird üblicherweise auf unterschiedlichen Architekturen interpretiert geringe Leistungsausnutzung, langsame Ausführung Sicherheitsprobleme 2 3 Service 1 Netzwerk Applet Desktop O. Kao Webbasierte Informationssysteme Gleichrangige Prozesse (Peer Processes) Gleichrangige Prozesse sind verantwortlich für die Konsistenz der Ressourcen auf Anwendungsebene Synchronisation der Aktivitäten auf Anwendungsebene Verzicht auf -Prozesse reduziert die Kommunikationsverzögerungen zwischen Prozessen beim Zugriff auf lokale Objekte Beispiele File-Sharing-Systeme: Jedes System teilt den anderen Peer-Prozessen, welche Dateien zur Verfügung stehen Whiteboards: Ein Bild ist für alle Teilnehmer sichtbar, Änderungen werden durch Gruppenkommunikation allen mitgeteilt Anw. 1 Anw. 3 Anw. 2 O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-14

8 Peer-to-Peer-Systeme Häufige Nutzung: File-Sharing. Notwendige Schlüsselaufgaben Lookup Mechanismus: Wo befinden sich passende Daten? Dezentralisierte Speicherung und Übertragung der geforderten Daten Erstes Beispiel eines solchen Systems: NAPSTER Lookup durch zentralen Transfer durch direkte Verbindung (Peer-to-Peer) Allgemeine Napster Eigenschaften Einfaches Protokoll mit ca. 30 Befehlen, das auf TCP/IP aufsetzt Kontrolle durch zentrale Ursprünglich Beschränkung auf mp3-files NAPSTER- Verwaltung der Metadaten (z.b. Username, Passwort) Indizierung aller verfügbaren Dateien (shared files) Verarbeitung der Suchanfragen von Benutzern NAPSTER-s Download direkt von zu (Peer-to-Peer) O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-15 Napster - Prinzip Transfer Suche Registrierung NAPSTER- Login NAPSTER- Metaserver O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-16

9 Beispiel für Peer-to-Peer: Gnutella Wichtiger Architekturnachteil von Napster: Zentraler Auswirkungen Single point of failure Verlangsamung des Diensts Anfällig für DoS-Angriffe Modifizierte Architektur beim Konzept Gnutella Knoten sind s (sowohl SERVer als auch client) Lookup und Transfer nur über s (echtes Peer-to-Peer) Gnutella ist ein Protokoll mit folgenden Eigenschaften Setzt auf TCP/IP auf Benötigt keinen zentralen Diverse s (Gnutella-, LimeWire, ) für verschiedene Plattformen Dezentralisiertes Peer-to-Peer File-Sharing-System O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-17 Gnutella - Prinzip Ping, Pong, Query, Transfer O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-18

10 Gnutella - Protokoll Verbindung: CONNECT Paket wird mit OK Paket bestätigt Kommunikation mittels eigener Pakete (Deskriptoren) Feld ID Deskriptor TTL Hops Länge Bytes Bedeutung Zufällige Zahl zur Unterscheidung der Pakete Art des Pakets: Ping, Pong, Query, Query_Hit, Push Time To Live (Zahl der max. Weiterleitungen) Zahl der bereits erfolgten Weiterleitungen Länge des Payloads Gnutella-Regeln 1. Weiterleitung eines Deskriptors Erhöhung der Hopszahl um 1 2. Ist Hops=TTL (Time To Live) so wird der Deskriptor verworfen (Standard für TTL ist 7) 3. Hat ein Deskriptor identische IDs und identische Payloads zu einem vorherigen, so wird dieser verworfen O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-19 Gnutella Elemente: PING, PONG, QUERY, QUERY_HIT, PUSH PING Durchsucht das Netzwerk nach s, erstellt neue Verbindungen Versendung mittels Broadcast mit maximal 4 Verbindungen pro PONG (PING_RESPONSE) Wegermittlung mittels Deskriptor-ID und Verbindungs-ID Versendung nur zum direkten Vorgänger QUERY Anonyme Dateisuche, überträgt Suchstring und Mindestgeschwindigkeit Weiterleitung durch Broadcast bei Nichtbeantwortung QUERY_HIT: Antwort auf QUERY Wird verschickt, falls die gesuchte Datei lokal vorhanden PUSH Einsatz, wenn HTTP_REQUEST des Dateitransfers fehlschlägt (TimeOut) Rollentausch von Sender und Empfänger bei Dateitransfers via HTTP Nutzlos wenn beide Transferteilnehmer Firewalls benutzen O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-20

11 Gnutella - Ablauf QUERY QUERY_HIT TRANSFER O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-21 Zusammenfassung Gnutella Unstrukturierte Datenverteilung Nachteilig bei Suchanfragen Gut für Stabilität und Netzwerkbelastung Probleme bei Herstellung der ersten Verbindung Skalierungsproblem Schneeballprinzip/Flooding verursacht zu viel Verkehr Begrenzter Suchraum durch maximale Anzahl der Hops Überflüssige Nachrichten durch mögliche Zyklen Hoher Traffic überlastet Teilnehmer mit niedriger Bandbreite Durchschnittlich 3 Verbindungen pro 30 Bytes pro Nachricht, wegen TCP/IP Nutzung 70 Bytes NAQR = 10 Pakete/s Queryanteil ca. ¼ des Gesamtaufwandes 3 x 70 x 10 x 4 = 8400 Bytes/s bzw. 67,2 KBit/s > 56KBit/s Auf eine Anfrage kommen noch 3 Datenpakete O. Kao Webbasierte Informationssysteme 4-22

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