Verteilte Systeme. Überblick. Architekturelemente: Kommunikationsparadigmen. Architekturelemente: Kommunikationsteilnehmer

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1 Verteilte Systeme Jürgen Kleinöder Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Lehrstuhl Informatik 4 (Verteilte Systeme und Betriebssysteme) www4.cs.fau.de Sommersemester Überblick Architekturelemente Kommunikationsteilnehmer Kommunikationsparadigma Rollen und Verantwortlichkeiten Orte Architekturmuster Layering (Ebenen) Tiered Architecture (Stufen) Thin s Proxies Brocker Reflection c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.1 Überblick 4 1 Architekturelemente: Kommunikationsteilnehmer System-orientierte und Problem-orientierte Sichtweise Prozesse: intuitive Systemsicht, führt zu der weit verbreiteten Darstellung von verteilten Systemen als Menge von Prozessen, die über IPC-Mechanismen interagieren? sehr kleine Systemen ohne ein Prozess-Konzept? Threads eigentlich sind nicht die Prozesse, sondern die Threads die Kommunikationsteilnehmer Objekte: Problem-orientierte Sicht in einem verteilten Objekt-basierten System bestehen Anwendungen aus einer Menge verteilter, interagierender Objekte? Objekte mit mehreren Threads Komponenten: Weiterentwicklung des Objekt-Konzepts hin zu Software-Bausteinen Web Services: ähnlich zu Komponenten, aber explizit auf das WWW als Kommunikationsplattform ausgerichtet c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.2 Architekturelemente Kommunikationsteilnehmer 4 2 Architekturelemente: Kommunikationsparadigmen direkte Kommunikation Interprozesskommunikation low-level-mechanismen für Nachrichtenübertragung Fernaufruf Request-Reply-Protokolle Prozedur-Fernaufruf Methoden-Fernaufruf Details in Kapitel 5 c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.3 Kommunikationsparadigmen 4 3

2 Architekturelemente: Kommunikationsparadigmen indirekte Kommunikation Gruppenkommunikation Abstraktionsmechanismus für mehrere Nachrichtenempfänger Sender kennt nur die Gruppe, nicht aber die konkreten Empfänger Basismechanismus für fehlertolerante Systeme Publish-subscribe Mechanismen Viele Produzenten (Publisher) verteilen Informationseinheiten (Events) an eine große Menge von Empfängern (Subscribers). Message Queues Indirekte 1:1-Kommunikation, entkoppelt über Briefkasten Tuple Spaces Prozesse platzieren strukturierte Dateneinheiten (Tuples) in einem persistenten Speicherbereich (Tuple Space), andere Prozesse können die Daten dort lesen oder entnehmen. Leser und Schreiben mussen nicht gleichzeitig existieren. ure 2.4a Distributed Shared Memory r-to-peer architecture Abstraktion für gemeinsamen Speicher im Verteilten System. c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.3 Kommunikationsparadigmen 4 4 Architekturelemente: Rollen Figure 2.3 s invoke individual servers -Server üblichste Kommunikationsart in Verteilten Systemen invocation result Server Key: Process: invocation result Computer: Server Prozesse nehmen - oder Server-Rolle ein. Server können zur Erbringung ihres Dienstes auch die Dienste weiterer Server in Anspruch nehmen und werden damit zu Klienten. Beispiele: Web-Server, Mail-Server, File-Server,... c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.4 Rollen 4 5 Architekturelemente: Rollen Peer-to-Peer Figure 2.4a Peer-to-peer architecture Interaktion gleichberechtigter Prozesse im Netzwerk zentralisierte P2P-Systeme: Server zur Verwaltung vorhanden Beispiele: Datei-Tauschbörsen Architekturelemente: Orte Dienste auf mehrere Server abbilden Prozesse auf mehreren Rechnern erbringen gemeinsam einen Dienst Teile des Dienstes können auf verschiedene Server platziert werden Lastverteilung zwischen gleichartigen Servern Caching kürzlich benötigte Objekte werden näher am Klienten gespeichert bei Anfragen wird die Aktualität des Objekts überprüft und nur bei Bedarf vom eigentlichen server neu übertragen Mobiler Code Code wird vom Server geladen und lokal ausgeführt Beispiele: Applets, Javascript Mobile Agenten Programme wandern zwischen Rechnern und führen Aufgaben aus Beispiel: Installation und Wartung von Software in einem Firmennetzwerk c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.4 Rollen 4 6 c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.5 Orte 4 7

3 Architekturmuster: Ebenen (Layers) Grundlegendes Abstraktionskonzept jede Ebene nutzt die Dienste der darunterliegenden Ebene jede Ebene Figure bietet 2.7 nach oben eine Software-Abstraktion an Software and hardware service layers in distributed systems (und verbirgt damit Implementierungsdetails) Applications, services Middleware Operating system Platform Computer and network hardware Architekturmuster: Ebenen (Layers) (2) Plattform für Verteilte Systeme: umfasst die grundlegenden Hardware- und Software-Ebenen z. B. Intel x86 / Windows, ARM / Linux bietet einfache Mechanismen zur Kommunikation und Koordination von Prozessen im Verteilten System z. B. TCP/IP-Implementierung mit Socket-Schnittstelle Middleware verbirgt Heterogenität und bietet Programmierparadigma-gerechte Schnittstellen Plattform für verteilte interagierende Prozesse oder Objekte unterstützt verteilte Anwendungen durch geeignete Abstraktionen und Dienste z.b. Nameservice, verteilte Transaktionen, Objektmigration,... Beispiel: CORBA ure 2.4a r-to-peer architecture Instructor s Guide for Coulouris, Dollimore, Kindberg and Blair, Distributed Systems: Pearson Education Concepts 2012 and Design Edn. 5 c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.6 Architekturmuster Ebenen 4 8 Figure 2.4a Figure 2.8 Peer-to-peer Two-tier architecture and three-tier architectures c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.6 Architekturmuster Ebenen 4 9 Architekturmuster: Stufen (Tiers) Komplementär zu dem Konzept der Ebenen Ebenen dienen der vertikalen Strukturierung eines Dienstes in Figure Abstraktionsebenen 2.8 Organisation in Stufen (Tiering) strukturiert die Funktionalität einer Two-tier and three-tier architectures Ebene in verschiedene Server, ggf. auf verschiedenen Knoten im Netz Architekturmuster: Stufen (Tiers) (2) Typische Struktur einer three-tier-lösung: Presentation logic: Benutzerinteraktion und Darstellung der Anwendung Application Logic (Business Logic): Anwendungsspezifische Verarbeitung der Daten (Berechnungen/Algorithmen, Strategien) Data logic: Persistente Speicherung der Anwendungsdaten - z. B. in einer Datenbank c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.7 Stufen 4 10 Instructor s Guide for Coulouris, Dollimore, Instructor s Kindberg Guide for and Coulouris, Blair, Distributed Dollimore, Systems: Kindberg Concepts and Blair, and Design Distributed Edn. Systems: 5 Concepts and Design Edn. 5 c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.7 Stufen

4 Architekturmuster: Thin s Verlagerung der Komplexität vom Endgerät des Benutzers auf Dienste im Internet Figure 2.10 wird vor allemthin imclients Bereich and compute Cloud serverscomputing deutlich auch in gestuften Architekturen erkennbar Compute server Network computer or PC Architekturmuster: Thin s (2) Vorteil: Einsatz sehr einfacher Nutzer-Endgeräte kostengünstig einfache Installation und Wartung der Software mehrere Abstufungen möglich: kleiner PC, SunRay, VNC-Software Funktionalität des Endgeräts wird durch eine Vielzahl von Diensten im Netz erweitert Thin network Application Process Problem: rechenintensive oder graphisch aufwändige Anwendungen (z. B. CAD-Systeme) Virtual Network Computing (VNC) lokales System wird nur zur Anzeige der Grafik (auf FrameBuffer-Ebene) genutzt, jede Mausbewegung und Tastatureingabe wird an den Server übertragen c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.8 Thin s 4 12 Figure 2.4a Peer-to-peer architecture c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.8 Thin s 4 13 Architekturmuster: Proxies Grundlegendes Softwaremuster in verteilten Anwendungen, um Ortstransparenz zu erreichen. lokaler Proxy agiert als Stellvertreter für das entfernte Objekt Proxy bietet die gleiche Schnittstelle wie das entfernte Objekt Verteiltheit wird vor dem Aufrufer verborgen (nicht ganz: anderes Zeit- und Fehlerverhalten möglich!) Details siehe Kapitel 5 Architekturmuster: Broker Unterstützung von Interoperabilität in komplexen verteilten Infrastrukturen wie findet ein Dienst-Nutzer den Dienst-Anbieter? typische Beispiele: Naming Service Figure in2.11 der CORBA-Middleware The web service architectural pattern Registry in Java RMI weitere Anwendungsmöglichkeiten für Proxies Zwischenspeicherung (Caching) von entfernten Objekten (Reduzierung der Netzlast, schnellere Antwort) Verbergen von replizierten Objekten spezielle Zugriffskontrollmechanismen Instructor s Guide for Coulouris, Dollimore, Kindberg and Instructor s Blair, Guide Distributed for Coulouris, Dollimore, Systems: Kindberg and Blair, Concepts Distributed Systems: and Concepts Design and Design Edn c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.9 Proxies 4 14 c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.10 Broker 4 15

5 Architekturmuster: Reflection Reflection unterstützt zwei Konzepte: Introspection die Möglichkeit, die Eigenschaften (z.b. Schnittstellen) eines Systems dynamisch (zur Laufzeit) zu untersuchen dynamische Erzeugung von Proxies aus den Schnittstelleninformationen Vermittlung von Aufrufen durch einen generischen Server an die passenden Schnittstellen hintergelagerter Diensterbringer Intercession / Interception die Möglichkeit, dynamisch Strukturen und Verhalten zu verändern Abfangen von Aufrufen (für zusätzliche Sicherheitsprüfungen, Optimierungen, Replikation,... c rk,wosch,jk VS (SS 2013) 4 Architekturmodelle 4.11 Reflection 4 16

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