Verteilte Systeme WS 06/07 Ausarbeitung der Fragen aus dem Buch Von Clemens Hammerl und Thorsten Krenek

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1 Verteilte Systeme WS 06/07 Ausarbeitung der Fragen aus dem Buch Von Clemens Hammerl und Thorsten Krenek xyz = nicht sicher Kapitel 1 Einleitung 1.0 Was sind verteilte Systeme Ein verteiltes System ist eine Menge von Computern, die dem Benutzer wie ein einzelnes kohärentes System erscheinen. 1.1 Welche Rolle spielt Middleware in einem verteilten System? Verteilte Systeme liegen in einer Softwareschicht die logisch zwischen einer höheren Ebene aus Benutzern und Applikationen und einer darunter liegenden Ebene aus Betriebssystemen platziert wird. Dadurch sind Verteilte Systeme einfacher zu erweitern und zu skalieren und es entsteht gleichzeitig der Eindruck eines einzigen Systems obwohl heterogene Computer und Netzwerke unterstützt werden. Die Middleware Schicht ermöglicht die Transparenz eines Verteilten Systems. 1.2 Erklären Sie was (Verteilungs-) Transparenz ist, und nennen Sie Beispiele für unterschiedliche Transparenzarten. Ein wichtiges Ziel verteilter Systeme ist es, die Tatsache zu verbergen, dass ihre Prozesse und Ressourcen physisch über mehrere Computer verteilt sind. Ein Verteiltes System wird dann als transparent bezeichnet wenn es den Benutzern und den Applikationen glauben lässt es handle sich um ein einziges System. Ist dies der Fall so spricht man von Verteilungstransparenz. Verteilungstransparenz untergliedert sich in weitere Transparenzarten: Zugriffstransparenz Positionstransparenz (Ortstransparenz) Migrationstransparenz Relokationstransparenz Nebenläufigkeitstransparenz Fehlertransparenz Persistenztransparenz Replikationstransparenz Verbirgt Unterschiede in der Datendarstellung und wie der Zugriff auf eine Ressource erfolgt Verbirgt wo sich eine Ressource befindet Verbirgt, dass eine Ressource an eine andere Position verschoben werden kann Verbirgt, dass eine Ressource an eine andere Position verschoben werden kann, während sie verwendet wird Verbirgt, dass eine Ressource von mehreren konkurrierenden Benutzern gleichzeitig genutzt werden kann Verbirgt den Ausfall und die Wiederherstellung einer Ressource Verbirgt, ob eine Softwareressource sich im Speicher oder auf der Festplatte befindet Verbirgt, dass eine Ressource repliziert ist

2 Neben der Verteilungstransparenz existieren noch die Zeittransparenz und die Bittransparenz. Das Gegenteil von Transparenz bei Middleware ist übrigens die Awareness. 1.3 Warum ist es manchmal schwierig, das Auftreten und die Verarbeitung von Fehlern in einem verteilten System zu verbergen? Es ist sehr schwierig Fehler in einem verteilten System zu maskieren, da man oft nicht zwischen einer defekten / inaktiven Ressource und einer unendlich langsamen Ressource unterscheiden kann. Das beste Beispiel dafür ist ein überlasteter Webserver. Irgendwann erzeugt der Browser ein Timeout und berichtet, dass die Website nicht zur Verfügung steht. Der Benutzer weiß in diesem Fall aber nicht ob der Server defekt oder nur überlastet ist. 1.4 Warum ist es nicht immer sinnvoll, zu versuchen, die höchstmögliche Transparenz zu implementieren? Verteilungstransparenz ist zwar ein schönes Ziel bei der Implementierung von verteilten Systemen, sie kann aber im manchen Fällen auch zum Nachteil werden. Zum Beispiel sollte ein verteiltes Wide Area Network die Tatsache nicht verbergen, dass die Nachrichtenübertragung von einem Ende der Welt zum anderen eben eine gewisse Zeit benötigt. Ein anderer wichtiger Aspekt ist die Leistung. Beispielsweise wäre es sinnvoll wenn ein fehlerhafter Verbindungsaufbau zu einer Ressource dem Benutzer gemeldet wird, da unter umständen das ganze System aufgehalten werden kann. 1.5 Was ist ein offenes verteiltes System und welche Vorteile bietet die Offenheit? Ein offenes verteiltes System ist ein System, das Dienste den Standartregeln entsprechend anbietet, die die Syntax und die Semantik dieser Dienste beschreibt. In Computernetzwerken kontrollieren die Standartregeln den Inhalt, das Format und die Bedeutung von empfangenen und gesendeten Nachrichten. Diese Regeln werden in Protokollen definiert (z.b. FTP, IP, Gnutella ) Ein Vorteil eines solchen offenen Systems ist dass völlig verschiedene Implementierungen des Systems möglich sind, solange sie sich an das Protokoll halten. Ein weiterer Vorteil - der sich aus obigem ergibt ist die Flexibilität. Das heißt es sollte möglich sein ein offenes verteiltes System aus unterschiedlichen Komponenten zu konfigurieren. Außerdem sind / sollten offene verteilte Systeme erweiterbar sein. 1.6 Beschreiben Sie genau was ein skalierbares System ist. Skalierbarkeit bedeutet Änderung der Größe. Die Skalierbarkeit eines Systems kann nach mindestens drei unterschiedlichen Dimensionen gemessen werden: Skalierbar in Hinblick auf Größe Das bedeutet dass dem System ganz einfach zusätzliche Benutzer und Ressourcen hinzugefügt werden können Geographische Skalierbarkeit

3 Dies ist ein System bei dem die Benutzer und Ressourcen des Systems geographisch sehr weit auseinander liegen können. Administrative Skalierbarkeit Dies bedeutet, dass das System auch dann noch einfach zu verwalten ist wenn es sich über viele unabhängige Administrative Organisationen erstreckt. Leider verliert ein skaliertes System aber auch oft an Leistung. Ein gutes Beispiel für ein skaliertes System ist das Internet. 1.7 Skalierbarkeit kann durch Anwendung unterschiedlicher Techniken erzielt werden. Nennen Sie diese Techniken. Weil Skalierbarkeitsprobleme in verteilten Systemen als Leistungsprobleme erscheinen, die durch begrenzte Kapazität von Servern und Netzwerken verursacht werden, gibt es grundsätzlich nur drei Techniken für die Skalierung: das Verbergen der Kommunikationslatenzzeiten, Verteilung und Replikation. Das Verbergen von Kommunikationslatenzzeiten ist sinnvoll bei der geografischen Skalierbarkeit. Dabei versucht man es zu vermeiden lange auf Antworten auf entfernte Dienstanforderungen zu warten. Während der Wartezeit könnte das System zum Beispiel andere sinnvolle Arbeiten auf der Seite des Anforderers erledigen. Im wesentlichen bedeutet das, dass die anfordernde Anwendung so aufgebaut wird, dass sie nur eine asynchrone Kommunikation verwendet. Eine weitere wichtige Skalierungstechnik ist die Verteilung. Bei der Verteilung geht man von einer Komponente aus, zerlegt diese in kleinere Teile und verteilt diese schließlich über das gesamte System. Ein gutes Beispiel für die Verteilung ist das Internet DNS (Domain Name Service). Bei der Replikation repliziert man einfach Komponenten und verteilt diese im System. Die Replikation erhöht nicht nur die Verfügbarkeit, sondern hilft gleichzeitig, die Last zwischen den Komponenten auszugleichen, was zu einer besseren Leistung führt. In geographisch weit verstreuten Systemen ist es außerdem möglich, durch geographisch nahe liegende Kopien viele der Probleme der zuvor erwähnten Kommunikationslatenzzeit zu verbergen. Eine spezielle Form der Replikation ist das Caching, bei dem eine Kopie der Ressource in der Nähe des Clients angelegt wird. 1.8 Was ist der Unterschied zwischen einem Multiprozessor und einem Multicomputer? Multiprozessoren verwenden einen gemeinsamen Speicher. Es gibt einen einzigen physischen Adressraum der von allen CPUs genutzt wird. Schreibt eine CPU beispielsweise den Wert 20 an die Adresse 1000, erhalten alle anderen CPUs die von der Adresse 1000 lesen den Wert 20. Im Gegensatz zu den Multiprozessoren hat bei einem Multicomputer jede Maschine ihren eigenen privaten Speicher. Ein gutes Beispiel für einen Multicomputer ist eine Gruppe aus PCs, die über ein Netzwerk miteinander verbunden sind Was ist der Unterschied zwischen einem verteilten Betriebssystem und einem Netzwerkbetriebssystem?

4 Verteilte Betriebssysteme sind streng gekoppelte Betriebssysteme und werden dafür verwendet Multiprozessoren und homogene Multicomputer zu verwalten. Ein wichtiges Ziel ist die Verbergung der zugrunde liegenden komplexen Hardware. Netzwerkbetriebssysteme sind locker gekoppelte Systeme und werden für heterogene Multicomputersysteme verwendet. Lokale Dienste werden entfernten Clients zur Verfügung gestellt. Anmerkung: Fragen halte ich nicht für Prüfungsrelevant 1.16 Ein Experimenteller Dateiserver läuft drei Viertel der Zeit und fällt fehlerbedingt ein Viertel der Zeit aus. Wie oft muss dieser Dateiserver repliziert werden, um eine Verfügbarkeit von 99 Prozent zu erreichen? Überlegung: 1-0,25 * 0,25 * 0,25 * 0,25 = 0, => 99,6 % => Um eine 99 prozentige Verfügbarkeit zu garantieren braucht man mindestens 4 Replikate der Ressource, da 4 immer anschließend ausfallen könnten. Allerdings besteht noch die geringe Wahrscheinlichkeit, dass alle Ressourcen gleichzeitig versagen Was ist eine dreischichtige Client-Server-Architektur? Bei einer dreischichtigen Architektur (three-tiered) kann ein Server manchmal auch als Client arbeiten. In dieser Architektur befinden sich Programme, die einen Teil der Verarbeitungsebene bilden, auf einem separaten Server, können aber zusätzlich zum Teil über die Client und die Server Maschinen verteilt sein. Ein typisches Beispiel, wo eine Drei- Schichten-Architektur verwendet wird, ist die Transaktionsverarbeitung Was ist der Unterschied zwischen einer vertikalen und einer horizontalen Verteilung? Bei der vertikalen Verteilung werden logisch unterschiedliche Komponenten auf unterschiedlichen Maschinen angeordnet, während bei der horizontalen Verteilung der Client oder der Server in logisch äquivalente Teile unterteilt werden, aber jeder Teil arbeitet mit einem eigenen Anteil der vollständigen Datenmenge, sodass die Gesamtlast ausgeglichen ist. Ein Beispiel für eine horizontale Verteilung ist ein Webserver der auf unterschiedliche Rechner repliziert ist. Jeder Server verwaltet aber die gleichen Inhalte. Kommt es zu Wartungen oder Ausfällen, übernehmen einfach die Replikate die Arbeit Betrachten Sie ein Prozesskette P1,P2,,Pn die eine mehrschichtige Client-Server- Architektur implementiert. Prozess Pi ist ein Client von Prozess Pi+1 und Pi gibt dann eine Antwort an Pi-1 zurück, nachdem er eine Antwort von Pi+1 erhalten hat. Was sind die größten Probleme bei dieser Anordnung, wenn man die Anforderungs-/Antwort- Leistung von Prozess P1 betrachtet? Anmerkung: Diese Prozesskette entspricht der Abbildung 1.30 im Buch (Seite 72)

5 Es kommt zu sehr großen Kommunikationslatenzzeiten. Der Client ist sehr lange blockiert bis er ein Ergebnis erhält. Weiters besteht die Gefahr dass ein übergeordneter Prozess einen Fehler verursacht. Kapitel 2 Kommunikation 2.0 Welche wichtige Schichten im OSI Modell gibt es und was ist deren Aufgabe? Bitübertragunsschicht (Physical Layer) Hat die Aufgabe die 0en und 1en zu übertragen. Sicherungsschicht (Data Link Layer) Die Sicherungsschicht erkennt und korrigiert Fehler. Vor der Übertragung wird eine Prüfsumme des Frames berechnet, welche nachher wieder auf Korrektheit überprüft wird. Vermittlungsschicht (Network Layer) Ist für das Routing verantwortlich Transportschicht Das Konzept dabei ist, dass es der Applikationsschicht ermöglicht werden soll, dass eine Nachricht an die Transportschicht weiterzugeben, und zwar mit der Sicherheit, dass diese ohne Verluste ausgeliefert wird. 2.1 In vielen geschichteten Protokollen hat jede Schicht einen eigenen Header. Natürlich wäre es effizienter, einen einzigen Header vor jeder Nachricht zu verwenden, in dem die gesamte Steuerung erfolgt, statt lauter separate Header zu verwenden. Warum wird dies nicht so gehandhabt? Damit die Schichten durch z.b.: neuere Technologien ausgetauscht werden können, ohne dass die anderen Schichten dadurch beeinträchtigt wären. Hätte die Nachricht nur einen Header, müssten das ganze Schichtenmodell bzw. Protokolle alle beim Austausch einer Schicht überarbeitet werden. 2.2 Warum sind Kommunikationsdienste auf Transportebene häufig nicht geeignet, verteilte Applikationen zu erstellen? Keine Ahnung ;) 2.3 Ein zuverlässiger Multicast Dienst erlaubt es einem Sender, zuverlässig Nachrichten an mehrere Empfänger zu übergeben, Gehört ein solcher Dienst zu einer Middleware Schicht oder sollte er Teil einer darunter liegenden Schicht sein? Er könnte auch in der Transportschicht angesiedelt werden. Allerdings muss ein zuverlässiger Multicast Dienst, der auch Skalierbarkeit garantieren soll, in einer Middleware Schicht implementiert werden um Applikationsanforderungen berücksichtigen zu können. Demzufolge kann ein Middleware System unterschiedliche Protokolle anbieten, die wiederum

6 unter Verwendung unterschiedlicher Transportprotokolle implementiert werden, aber möglicherweise nur eine einzige Schnittstelle haben. 2.4 Betrachten sie die Prozedur incr, die zwei ganzzahlige Parameter verwendet. Die Prozedur addiert zu jedem Parameter 1. Angenommen, sie wird mit derselben Variablen zweimal aufgerufen, wie beispielsweise incr(i,i). Wenn i anfänglich 0 ist, welchen Wert hat es, anschließend, wenn call-by-reference verwendet wird? Wie verhält sich das Ganze, wenn call-by-copy/restore verwendet wird? Call-by-reference: 1 Call-by-copy/restore: 2 Eigene Frage: Beschreiben Sie die einzelnen Schritte beim entfernten Prozeduraufruf (RPC). 1. Die Client Prozedur ruft den Client-Stub auf die normale Weise auf 2. Der Client-Stub erzeugt eine Nachricht und ruft das lokale Betriebssystem auf 3. Das Betriebssystem des Clients sendet die Nachricht an das entfernte Betriebssystem 4. Das entfernte Betriebssystem gibt die Nachricht an den Server-Stub weiter 5. Der Server-Stub packt die Parameter aus und ruft den Server auf 6. Der Server erledigt die Arbeit und gibt das Ergebnis an den Server-Stub zurück 7. Der Server-Stub verpackt das Ergebnis in eine Nachricht und ruft sein lokales Betriebssystem auf 8. Das Betriebssystem des Servers sendet die Nachricht an das Betriebsystem des Clients 9. Das Betriebssystem des Clients gibt die Nachricht an den Client-Stub zurück 10. Der Client-Stub packt das Ergebnis aus und gibt es an den Client zurück Eigene Frage: Was bedeutet Marshaling? Das Verpacken von Parametern in einer Nachricht. Außerdem fügt man noch den Namen der auszurufenden Prozedur hinzu. 2.9 Nennen Sie eine Beispielimplementierung einer Objektreferenz, die einem Client erlaubt, sich zu einem transienten entfernten Objekt zu binden. Keine Ahnung 2.12 Beschreiben Sie wie die verbindungslose Kommunikation zwischen einem Client und einem Server bei der Verwendung von Sockets vor sich geht. Es muss ein ServerSocket erstellt werden Der Client Socket muss sich allerdings nicht mit dem ServerSocket verbinden, sondern gibt lediglich die Adresse beim Senden seines Pakets an. Der Port wird automatisch vom Betriebssystem zugewiesen. Für die verbindungslose Kommunikation wird statt TCP/IP UDP verwendet Erklären Sie den Unterschied zwischen den elementaren Funktionen mpi_bsend und mpi_isend in MPI.

7 Bei mpi_bsend wird die ausgehende Nachricht an einen lokalen Sendepuffer angefügt während bei mpi_isend eine Referenz auf eine ausgehende Nachricht übergeben und fortgefahren wird.