Überblick Wintersemester 2014/2015

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1 Überblick Wintersemester 2014/2015 Prof. Dr. Peter Mandl Verteilte Systeme Einführung und Überblick Zeitsynchronisation Wahl und Übereinstimmung RPC, verteilte Objekte und Dienste Verteilte Transaktionen Message Passing Middlewareplattformen Verteilte Architekturen Gruppenkommunikation Replikation Wechselseitiger Ausschluss Seite: 1

2 Überblick 1. Middlewaretechnologien für verteilte Komponenten 2. Transaktionsorientierte Middleware 3. Enterprise Service Bus (ESB) Seite: 2

3 Einordnung von Middleware Rechnersystem A Rechnersystem B Rechnersystem C Verteilte Anwendung Middleware einschließlich Middleware-Dienste (logische Schicht) Transportsystem Transportsystem Transportsystem Betriebssystemkernel Betriebssystemkernel Betriebssystemkernel Netzwerk Seite: 3

4 Definition Middleware Middleware ist eine Softwareschicht, die den Anwendungen standardisierte, höhere Kommunikations- und sonstige Dienste bereitstellt und damit die transparente Kommunikation von Softwarebausteinen verteilter Systeme unterstützt... Middleware versteckt eine mögliche Heterogenität der an einem verteilten System beteiligten Rechnersysteme vor den eigentlichen Anwendungskomponenten, die die Geschäftslogik präsentieren und stellt den Anwendungen bzw. deren Entwicklern eine Programmierschnittstelle zur Verfügung Seite: 4

5 Middleware-Dienste Das erwartet man von einer Middleware: - Kommunikationsdienst (Client-/Server, Messaging) - Namensdienst/Verzeichnisdienst - Nebenläufigkeitsdienst - Persistenzdienst - Sicherheitsdienst - Transaktionsdienst Weitere Features: - Verwaltung der Softwarebausteine (Lifecycle) - Hochverfügbarkeits- und Ausfallsicherheitsmechanismen - Skalierbarkeitsmechanismen - SOA-Unterstützung Seite: 5

6 Middleware-Protokolle Applikation Middleware Transport Netzwerk Sicherung Physisch Applikationsprotokoll Middleware-Protokoll Transportprotokoll Netzwerkprotokoll Sicherungsprotokoll Bitübertragungsprotokoll Netzwerk Seite: 6

7 Verteilte Komponenten Idee Komponenten sind größer als Objekte Komponentenorientierte Middleware erforderlich - Liefert Ablaufumgebung für Komponenten - Regelwerk für die Entwicklung von Komponenten - Beispiele:.NET Enterprise Services (heute: WCF), CCM, EJB Schnittstelle1 Objekt Kunde name vorname customerid... getname setname getvorname setvorname getcustomerid setcustomerid... Mögliche Methoden: findcustomer(...) deletecustomer(...) Schnittstelle2 Komponente Kunde name vorname customerid... getname setname getvorname setvorname getcustomerid setcustomerid... Seite: 7

8 Plattformen für verteilte Komponenten Heutige Plattformen werden auch als Application Server bezeichnet Standards und Plattformen JEE / EJB CORBA / CCM.NET Enterprise Services EJB 2.1 EJB 3.0 EJB 3.1 EJB 3.2 /JEE 7 Weitere Plattform: OSGi CORBA Component Architecture COM+ Enterprise Services jetzt in Windows Communication Foundation integriert = WCF Seite: 8

9 Application-Server: Grobe Architektur C1 C2 C3... Cn Mit eigenen Betriebssystemen Netzwerk Aufruf Datenbankserver- Betriebssystem K1 K2 K3... Km Anwendungsserver-Betriebssystem Application- Server Datenbanksystem... P1 P2 P3... Pl Prozessbzw. Thread- Pool Datenbankverbindung über das Netzwerk durch Application-Server verwaltet Kx Py Softwarekomponente Prozess/Thread Cx Anwender mit Clientprogramm auf einem Arbeitsplatzrechner Seite 9

10 JEE-Architekturüberblick: JEE Application Server Application Server Container Container Container Client HTTP, RMI,.. Primary Services Concurrency Persistency Naming Transactions Distribution Messaging Security Seite: 10

11 JEE-Architekturüberblick: Application Server und Container Application Server Browser HTTP,... Web-Container JSP 1 Servlet 1 EJB-Container Session Bean 1 Servlet 2 Session Bean 2 Entity Bean 1 JDBC Datenbank Container vereinfacht die Programmierung und übernimmt u.a. folgende Aufgaben: - Aktivierung und Lebenszyklusverwaltung - Unterstützung der Nebenläufigkeit (keine explizite Thread-Programmierung notwendig) - Überwacht Schnittstelleneinhaltung - Stellt verschiedene Dienste bereit - Unterstützt Skalierbarkeit, Fehlertoleranz, Lastverteilung Seite: 11

12 EJB-Architekturüberblick: Grobe Sicht Inversion of control EJB-Client RMI/IIOP EJB-Proxy Remote EJB-Application-Server EJB Application Server EJBean 1 EJB-Container EJBean 2 Local Bean-Typen: Stateless Session Beans Stateful Session Beans Message-driven Beans Basisdienste EJBean n Persistenzdienst Stateless: Server verwaltet keinen Konversationszustand für Client Seite: 12

13 Business Interfaces in EJB (1) // Klassisches POJI mit Business-Methoden import javax.ejb.*; public Interface ArticleMgrI { public Article updatearticle(article a); public Article deletearticle(long catalogid); } // Remote-Interface abgeleitet vom klassischen public Interface ArticleMgrRemoteI extends ArticleMgrI { } <interface> ArticleMgrI <interface> ArticleMgrRemoteI // Local-Interface abgeleitet vom klassischen public Interface ArticleMgrLocalI extends ArticleMgrI { } <interface> ArticleMgrLocalI Seite: 13

14 Business Interfaces in EJB (2) Implementierung eines Business Interface in einer stateless Session Bean Hier lokales und entferntes Interface wird implementiert Mit expliziter Trennung von Interface und Implementierung package ; import public class ArticleMgrSessionBean implements ArticleMgrRemoteI, ArticleMgrLocalI { public void updatearticle(article a) { } public void deletearticle(long catalogid) { } } <interface> ArticleMgrI <interface> ArticleMgrRemoteI impl <interface> ArticleMgrLocalI <class> ArticleMgrSessionBean Seite: 14

15 Besonderheiten bei EJB Aufruftechniken: Synchrone und asynchrone Aufrufe von Methoden möglich Callbacks: Methoden, die in die Steuerung des Lebenszyklus eingeklingt werden Dependency Injection: Referenzen werden zur Laufzeit versorgt Interceptoren: Abfangen von Client-Requests Seite: 15

16 EJB mit Dependency Injection EJB-Container EJB-Komponente... import public class CustomerMgrSessionBean implements private ArticleMgrSessionBean articlemgrbean; articlemgrbean.createarticle( ); } } EJB wird zur Laufzeit vom Container mit Referenz versorgt Injection = Einspritzung, Injektion Vordefinierte Seite: 16

17 Interceptoren Interceptoren dienen dem Abfangen von Client-Requests im Server Code-Inspektion Methodenaufruf eines Clients gelangt nicht bis zur EJB-Komponente, er wird kennzeichnet Interceptor-Methode Interceptoren funktionieren bei stateless, stateful und Message-Driven Beans import javax.ejb.*; public class ArticleManagerInterceptor public Object myaroundinvokemethod (InvocationContext ctx) { // Tue etwas vor der eigentlichen Bearbeitung des Methodenaufrufs return ctx.proceed(); // Aufruf der eigentlichen Methode } // Tue etwas nach der eigentlichen Bearbeitung des Methodenaufrufs... Seite: 17

18 Interceptoren-Methoden Container ruft Interceptoren automatisch = Interceptor-Klasse ) (value= ArticleManagerInterceptor ); public class ArticleManager implements IArticleManager { } public Article deletearticle( ) { } Seite: 18

19 Interceptoren im Beispielszenario Interceptor-Aufruf im aktuellen Stack der Requestbearbeitung Interceptor erhält auch mögliche Exceptions der Bean-Methode (hier der Methode updatearticle) als Ergebnis des Aufrufs proceed, die bearbeitet werden müssen Aktueller Transaktionskontext wird nicht verlassen EJB-Client EJB- Container ArticleMgr SessionBean ArticleMgr Interceptor Invocation Context updatearticle(...) domywork(...) proceed() updatearticle(...) Seite: 19

20 Weiterentwicklung EJB JEE 6 / EJB 3.1 und JEE 7 / EJB 3.2 Interessant: Auch asynchrone Methodenaufrufe ab 3.1 möglich Nutzung von Futures für die Ergebnisverarbeitung (Callback) Singletons werden ab 3.1 auch unterstützt Singleton Bean EJB wird schwerfälliger, es gibt nun aber auch eine Variante: EJB Lite Untermenge der EJB APIs kann auch von EJB-Herstellern implementiert werden EJB wird weiterentwickelt: siehe JSR Enterprise JavaBeans 3.2 (2013) Wird z.b. bereits durch Jboss AS 8 (nun WildFly AS 8.0) unterstützt Seite: 20

21 Überblick 1.Middlewaretechnologien für verteilte Komponenten 2.Transaktionsorientierte Middleware 3.Enterprise Service Bus (ESB) Seite: 21

22 CORBA/OTS Object Transaction Service Standarddienst im CORBA-Modell Bestandteil der Object Management Architecture (OMA) Application Objects CORBAdomains (vertikal) Object Request Broker CORBAservices (allgemein) CORBAfacilities (horizontal) Seite: 22

23 CORBA/OTS: Architekturkomponenten TC = Transactional Client TO = Transactional Object (Business Logik) RO = Recoverable Object Transactional Server und Recoverable Server Alle Interfaces sind mit IDL spezifiziert Transactional Client IDL- Methodenaufrufe Transactional Server TO Recoverable Server RO RO RO TransactionFactory Control Terminator Current Current Coordinator Control RecoveryCoordinator Resource Synchronisation SubTransactionAwareResource Object Transaction Service (OTS) Kontext Seite: 23

24 CORBA/OTS: Wichtige Schnittstellen interface Current { void begin(); void commit(); void rollback(); void rollback_only(); // TA wird zum Rollback gezwungen Status get_status(); string get_transaction_name(); void set_timeout(in unsigned long seconds); Control get_control(); Control suspend(); void resume(in Control which); }; Seite: 24

25 CORBA/OTS: Wichtige Schnittstellen interface Resource { Vote prepare(); void rollback(); void commit(); void commit_one_phase(); void forget(); } interface Coordinator { Status get_status();... RecoveryCoordinator register_resource (in Resource r);... void rollback_only();... }; Seite: 25

26 CORBA/OTS: Zusammenspiel (1) CORBA- Client OTS TO1 RO1 RO2 begin() createorder() SQL.Insert(..) register_resource() Interface Coordinator return UpdateCustomer() SQL.Update(...) register_resource() return commit() prepare() prepare() prepared Interface Resource Interface current commit() commit() prepared committed ok committed Seite: 26

27 CORBA/OTS: Zusammenfassung (2) Nur das Commit-Protokoll (2PC) wird spezifiziert Auch geschachtelte Transaktionen werden optional unterstützt Auch hier fehlen Standards für - Logging - Recovery Locking (der CORBA-Service CCS wird kaum genutzt) Seite: 27

28 JEE-Transaktionsunterstützung: EJB-Transaktionen (1) Lokale und globale Transaktionen - Client-managed - Bean-managed - Container-managed EJB-Container lokale Abwicklung EJBean DBMS (RM) EJBean DBMS (RM) TM Globale Transaktion Message Queue (RM) Seite: 28

29 JEE-Transaktionsunterstützung: EJB-Transaktionen (2) Mehrere DBMS in einer Transaktion Client EJB-Container update DBMS 1 Bean B 1 update Bean B 2 DBMS 2 update Propagation und 2PC TM DBMS 3 Zur Erinnerung: EJB-Container kann in einem oder mehreren Prozessen ablaufen Auswirkungen auf die Implementierung von Transaktionskonzepten Seite: 29

30 JEE-Transaktionsunterstützung: EJB-Transaktionen (3) Container-übergreifene Transaktion Client EJB-Container 1 update DBMS 1 Bean B 1 XA Propagation und 2PC TM 1 EJB-Container 2 JTS/OTS Bean B 2 update DBMS 2 TM 2 Seite: 30

31 JEE-Transaktionsunterstützung: EJB-Transaktionen (4) Zustandsautomat laut EJB-Spezifikation Nicht existent Class.newInstance() setsessioncontext() ejbcreate() ejbremove() Bereit ejbpassivate() ejbactivate() Passiviert Systemausnahme begin() Methodenaufrufe commit(), rollback() Zustandsbehaftete Session-Bean mit Transaktionskontext Bereit in TA Methodenaufrufe Keine Passivierung! Seite: 31

32 JEE-Transaktionsunterstützung: EJB-Transaktionen (5) AP Application Program AS Application Server CRM Communication Resource Manager JTA Java Transaction API RM Resource Manager TM Transaction Manager AP EJB AS JDBC, JMS RM JTA UserTransaction JTA Transaction Manager JTA XAResource TM ("low-level" Transaktions-Service- Implemenentierung z.b. mit OTS) CRM Inbound Transactions Protokollstack protokollspezifische Kommunikation Outbound Transactions Seite: 32

33 JEE-Transaktionsunterstützung: EJB-Transaktionen (6) Client-managed Schlechte Variante EJB-Server EJB-Client Bean1 EJB-Container Bean2 TM DBMS 1 begin() ok Bean1.method1() ok Bean2.method1() begin update TA-Propagierung ok update commit() commit ok committed Koordination Seite: 33

34 JEE-Transaktionsunterstützung: EJB-Transaktionen (7) Bean-managed Client sieht nichts von der Transaktion (besser) public class MySessionEJB implements SessionBean { EJBContext ejbcontext;... public void m1() { InitialContext initcontext = new InitialContext() ; UserTrans = ejbcontext.getusertransactions(); usertrans.begin(); // Arbeit verrichten, Datenbankzugriffe ausführen } public void m2() { // Arbeit verrichten, Datenbankzugriffe ausführen } public void m3() { usertrans = ejbcontext.getusertransactions(); // Arbeit verrichten, Datenbankzugriffe ausführen UserTrans.commit(); } } Seite: 34

35 JEE-Transaktionsunterstützung: EJB-Transaktionen (8) Container-managed - Container verbirgt Transaktionsverarbeitung - Deklarative Festlegung der Transaktionsunterstützung EJB unterstützt mehrere Transaktionsattribute für EJB- Methoden: - NotSupported = bestehender TA-Kontext wird suspendiert - Required - Supports - RequiresNew - Mandatory - Never Seite: 35

36 JEE-Transaktionsunterstützung: EJB-Transaktionen (9) Container-managed Vermeidet Programmierfehler EJB-Client Bean1 EJB-Server EJB-Container Bean2 TM DBMS 1 Bean1.method1() begin update TA-Propagierung Bean2.method1() commit update Koordination ok committed Seite: 36

37 JEE-Transaktionsunterstützung: JTA und weitere Standards AP Application Program AS Application Server JTA Java Transaction API JTS Java Tranaction Service OTS Object Transaction Service RM Resource Manager TM Transaction Manager XA Interface des DTP-Modells zwischen RM und TM optional: org.omg.costransactions. Resource OTS-RM XA-RM Java Appl. AS javax.transaction. TransactionManager RM Resource Adapter javax.transaction. xa.xaresource javax.transaction.xa.xaresource interface public interface XAResource { void commit(xid xid, boolean onephase) throws XAException; void end(xid xid, int flags) throws XAException; void forget(xid xid) throws XAException; int prepare(xid xid) throws XAException; Xid[] recover(int flag) throws XAException; void rollback(xid xid) throws XAException; void start(xid xid, int flags) throws XAException; boolean issamerm(xaresource xares) throws XAException; } Native XA- Unterstützung optional: omg.org.costransactions. Resource Java-to-OTS Mapping JTS-basierter TM JTA-Unterstützung org.omg.costransactions. Resource org.omg.costransactions org.omg.costsportability Anderer JTS-basierter oder sonstiger TM Seite: 37

38 .NET Transaktionsunterstützung (1) Not Supported Required Supported RequiresNew Disabled Suppress [Transaction (TransactionOption.Required)] public class MyComponent : ServiceComponent, IMyComponent { // Implementierung der Methoden der // Schnittstelle IMyComponent public void m1() { } public void m2() { } } Seite: 38

39 .NET Transaktionsunterstützung (2) Ablauf einer Transaktion.NET Enterprise Service Container.NET-Client Required Komp.1 Required oder Supported Komp. 2 MS DTC MS SQL Server Komp1.method1() Kontext erzeugen update TA-Propagierung Komp2.method1() update commit ok committed Enable Commit Koordination Seite: 39

40 SOA und Transaktionen Überblick Es wird viel diskutiert, ist es den Aufwand wert? - Web Services der 3. Generation Horror -Szenario: Anwendung Webservice 3 - Anwendung ruft in einer Transaktion mehrere Webservices auf - Jeder Webservice-Provider verwaltet ein eigenes Transaktionssystem Webservice 1 Webservice 2 Eine zusammenhängende Transaktion? TM... Webservice m Provider B - Ein Fehler tritt auf TM TM Provider A Provider n Abgestimmtes Koordinationsprotokoll Seite: 40

41 SOA und Transaktionen OASIS-Standards OASIS WS-Coordination (WS-C) - Mehrere Koordinationstypen möglich Atomic Transactions (WS-AT) Business Activities (WS-BA) AP 1 2: Anwendungsnachricht inkl. C1 AP 2 Beispielimpl.: JBoss XTS Activation Service 1: C1 = CreateCC (Type Q) Koordinationskontext erzeugen Registration Service 5: Registrierung und Koordinationsprotokoll weitergeben 4: Registrierung und Koordinationsprotokoll festlegen Registration Service 3: C2 = CreateCC (C1) (eigenen Kontext erzeugen) Activation Service Coordinator A Protocol Service Abgestimmtes Koordinationsprotokoll Protocol Service Coordinator B C1, C2 := Transaktionskontext Q := Koordinationstyp Weitere Standardisierungsbemühungen - Web Services Composite Application Framework (WS-CAF) - Business Process Transaction (BTP) Seite: 41

42 Stand der Technik Das DTP-Modell im Mittelpunkt - Die meisten nutzen oder unterstützen dieses Modell für lokale Transaktionen (XA-Schnittstelle) Message-Queuing- Systeme DBMS Transaktionsmonitore Jboss MQ... Oracle... Encina Microsoft MSMQ Websphere MQ MS SQL Server DB2 CICS openutm... unterstützen unterstützen unterstützen OSI TP nutzt DTP-Modell Webservice- Transaktionsansätze unterstützt unterstützt unterstützt.net Enterprise Services und MTS CORBA/OTS nutzt JEE JTA und JTS Heute: WCF Seite: 42

43 Zusammenfassung und Ausblick XA ist heute der Standard OTS wird auch verwendet Pragmatische Ansätze werden häufig genutzt! Empfehlung für verteilte, betriebliche Informationssysteme: - Keep transactions simple! - Verteilung reduzieren, wenn möglich! Wohin geht es bei Webservices? - Transaktionen für serviceorientierte Architekturen müssen noch erprobt werden - Einfachere Ansätze? Abgrenzung: NoSQL-Ansätze mit BASE-Transaktionsmodell (später mehr) Seite: 43

44 Überblick 1.Middlewaretechnologien für verteilte Komponenten 2.Transaktionsorientierte Middleware 3.Enterprise Service Bus (ESB) Seite: 44

45 Enterprise Service Bus (ESB) Überblick Begriff wurde im Jahre 2002 durch Gartner geprägt Ein Middleware-Ansatz für SOA Implementierungs-Backbone für SOA Unterstützt mehrere Kommunikationsprotokolle Weiterentwicklung von MOM-Technologien Kombiniert EAI-Technologien mit Webservices, BPEL, Produktbeispiele: TIBCO ActiveMatrix Service Bus Oracle SOA Suite JBoss ESB, neue Variante: SwitchYard Websphere Enterprise Service Bus Seite: 45

46 Enterprise Service Bus (ESB) Typische Funktionalität Kommunikation Synchron über RPC, Webservices, Asynchron über Message Passing (JMS, ) Routing von Nachrichten zwischen beteiligten Instanzen Mediation: Transformationsunterstützung zwischen verschiedenen Protokollen und Formaten Geschäftsprozess-/Workflow-Unterstützung Entwicklerunterstützung z.b. grafische Unterstützung für Workflow-Entwicklung Seite: 46

47 Enterprise Service Bus (ESB) Architekturskizze Nicht standardisiert! System 1 System 2 Externes System 3 System n WebService WebService WebService Klassische Anwendung Adapter Adapter Adapter Adapter Enterprise Service Bus (MOM, Webservices, Routing, Transformation, BPEL, ) Seite: 47

48 Überblick Middlewaretechnologien für verteilte Komponenten Transaktionsorientierte Middleware Enterprise Service Bus (ESB) Seite: 48