Vertiefte Grundlagen Graphentheorie

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1 Bauinformatik Vertiefte Grundlagen Graphentheorie 6. Semester Web Services 1 Einführung Verteilte Softwarearchitekturen Prof. Dr.-Ing. Nürnberger Str. 31a R. J. Scherer 2. OG, Raum 204 TU Dresden - Institut für Bauinformatik 1

2 IT-Infrastruktur früher 1 Programm für jede Aufgabe 1 Sprache (2 Sprachen) 1 Rechner 1 Anwender, der die Programme ausführt und den Datenaustausch steuert IT-Infrastruktur in Zukunft 1l logisches Programm für jede Aufgabe, aber viele generische, flexibel kombinierbare, wiederverwendbare Programmkomponenten viele Sprachen viele Rechner (Cloud-, Grid-computing) Steuerung der Prozesslogik durch ausführbare Geschäftsprozesse Mehrere Anwender, die koordiniert miteinander arbeiten das Computernetzwerk wird zu einem Virtuelles Unternehmen Ein Unternehmen braucht eine Unternehmenssteuerung TU Dresden - Institut für Bauinformatik 2

3 Entwicklung der Programmierparadigmen Objektorientierung Ausgerichtet auf feingranulare Geschäftsfunktionen Wiederverwendung von Quellcode auf Methodenebene gute Wartung und Modifizierung des Programm-Codes durch Kapselung (wenn gut gekapselt wurde!) Komponentenorientierung Ausgerichtet auf Geschäftsfunktionen mittlerer Granularität Wiederverwendung von vorgefertigtem, ausführbarem Code Verbesserte Wartung und Modifizierbarkeit i it einer Anwendung durch Komposition Serviceorientierung Ausgerichtet auf Geschäftsprozesse mit grober Granularität Flexibilität und Erweiterbarkeit durch die Komposition und Orchestrierung von Services Erhöhung der Interoperabilität und Skalierbarkeit durch lose Kopplung System-Komponenten Bestehen i.d.r. aus mehreren Services TU Dresden - Institut für Bauinformatik 3

4 Softwarearchitektur Eine Softwarearchitektur beschreibt die grundlegenden Komponenten und deren Zusammenspiel innerhalb eines Softwaresystems. Die Softwarearchitektur ist die Basis für die Entwicklung von Computersoftware. Ähnlich, wie ein Architekt im Bauwesen die Prinzipien und Ziele eines Bauprojektes als Basis für die Fachplaner festlegt, legt ein Systemarchitekt die Softwarearchitektur sowie die Entwicklungsspezifikation ifik i fest und stellt damit die Basis zur Verfügung, die zur Erfüllung der Anforderungen der Anwender notwendig ist. Software Architektur Beispiele Es gibt viele Möglichkeiten zum Entwurf von Softwaremodulen und deren Kommunikation: i Client-Server Peer-to-peer (P2P) Serviceorientierte Architektur Grid-Computing, Cloud-Computing (weniger Sicherheit) darstellbar als Schichtenmodelle TU Dresden - Institut für Bauinformatik 4

5 Client-Server-Architektur Client/Server ist eine skalierbare Architektur, bei der jeder Computer oder Prozess im Netzwerk entweder ein Client oder ein Server sein kann. Server Software läuft grundsätzlich (aber nicht immer) auf leistungsfähigen Rechnern, die ausschließlich zur Ausführung der Geschäftsapplikation bestimmt sind. Client Software läuft üblicherweise auf üblichen PC-Arbeitsplätzen. Clients übermitteln Eingabedaten an den Applikationsserver, der häufig die rechenintensiven Aufgaben übernimmt und das Ergebnis an den Client zurückgibt. TU Dresden - Institut für Bauinformatik 5

6 Client-Server-Architektur (Zwei-Schichten-Architektur) Eigenschaften von Servern: Passiv Wartet auf Anfrage (request) Bearbeitet die Anfrage und gibt Antwort zurück (reply) Eigenschaften eines Clients: Aktiv Sendet Anfrage (request) Wartet auf das Antwort (reply) Präsentations- und Anwendungsschicht Datenschicht TU Dresden - Institut für Bauinformatik 6

7 Client-Server-Architektur Viele Clients greifen auf 1 Server zu Client Client Client Server Client Client Client Client TU Dresden - Institut für Bauinformatik 7

8 Verteilte Anwendung Der Client bedient sich bei mehreren Servern Web Server Verzeichnisdienste Server Datenbank Server Anwendungsserver Drucker Server File Mail Server Server TU Dresden - Institut für Bauinformatik 8

9 Drei-Schichten-Architektur Die Drei-Schichten-Architektur ist eine Client-Server-Architektur, bei der Präsentationsschicht (Anwenderschnittstelle, Datenein- und ausgabe) Logikschicht (funktionale Prozesslogik, Anwendungen) und Datenhaltungsschicht (Datenspeicherung- und zugriff) als unabhängige Module entwickelt und gewartet werden, meist auf unterschiedlichen Plattformen Präsentationsschicht Logikschicht (Anwendungsschicht) Datenhaltungsschicht Mehrschichtige Systemarchitekturen wie die dreischichtige Architektur sind gut skalierbar, da die einzelnen Schichten logisch voneinander getrennt sind. (s. EU-Projekt ToCEE 5-Schichten-Architektur) TU Dresden - Institut für Bauinformatik 9

10 Peer-to-Peer Ein peer-to-peer (P2P) Rechnernetz ist ein Netzwerk, das (bis auf wenige Server) eher die Rechenleistung und Bandweite aller Teilnehmer nutzt. Grundgedanke eines reinen P2P Datennetzes ist nicht die Einführung von Clients und Servern, sonder von gleichberechtigten Knoten, die den anderen Knoten im Netzwerk gegenüber sowohl die Funktion eines Client oder Server erfüllen können. TU Dresden - Institut für Bauinformatik 10

11 Nutzung verteilter Ressourcen Prozess erstellen werden verwendet Nutzer suchen Webservices Suche Berechnungsmodelle Dokumente TU Dresden - Institut für Bauinformatik 11

12 Beispiel: ISTforCE-Plattform (EU Projekt ) 2003) Service 2 Service 1 Austauschbare Analyse- Services (ASP) PMS USER PMNS IT-Plattform DAS MAS SNMS SMS Austauschbare Infrastruktur- Services Servers Sensors Zugriff auf Server & Sensoren GRID Basis-Infrastruktur-Services PMS: Platform Management Service PNMS: Platform Net Management Service SNMS: Sensor Net Management Service DAS: Data Access Service MAS: Model Access Service TU Dresden - Institut für Bauinformatik 12

13 Voraussetzung für die Nutzung verteilter Ressourcen RECHNERNETZ Vernetzung der Rechner Veröffentlichung der Ressourcen (z.b. Verzeichnisdienst) Adressierbarkeit der verteilten Ressourcen: eindeutig identifizierbar durch URI (Uniform Ressource Identifier) Beschreibung der Schnittstellen (anwendbare Methoden und Parameter) der Ressourcen ANALOGIE FIRMA Mitarbeiter lernen sich kennen Kompetenzen der Mitarbeiter werden in eine Liste eingetragen Telefonnummer Beschreibung der Kompetenzen des Mitarbeiters und des erforderlichen Inputs bei Inanspruchnahme der beschriebenen Leistung Übertragungsprotokoll t Vorgegebenes Schema zur Übertragung von Daten (z.b. Formblätter) Aufgabe aufteilen auf die Rechner Aufgabe aufteilen auf die Mitarbeiter Aufgabenabarbeitung managen, Aufgabeabarbeitung managen Workflow Orchestrierung Aufgabenbenarbeitung kontrollieren Aufgabenbearbeitung kontrollieren TU Dresden - Institut für Bauinformatik 13

14 Technische Voraussetzungen Architektur des Internet Post Office Protocol (POP) ist ein Übertragungsprotokoll, über welches ein Client E- Mails von einem - Server abholen kann ISP = Internet Service Provider Backbone = verbindender Kernbereich eines Telekommunikationsnetzes mit sehr hohen Datenübertragungsraten NAP (Network Access Point oder IX=Internet Exchange) sind die Internet-Knoten, die als Austauschpunkte für den Datenverkehr des Internets dienen. Client = Nutzer (Mensch oder Computerprogramm) eines Dienstes; Local Area Network (LAN) =Rechnernetzwerk, das i. d. R. mehrere Räume oder Gebäude umfasst, jedoch selten mehr als ein Grundstück Serverfarm = Gruppe von gleichartigen, vernetzten Server- Hosts, die zu einem logischen System verbunden sind Verteilung der Auslastung zwischen den Servern Router koppelt oder trennt Rechnernetze und leitet Datenpakete weiter TU Dresden - Institut für Bauinformatik 14

15 Adressierung von Rechnern IPv4-Adressen Länge der IP-Adresse: 32 Bit (theoretisch Adressen heute zu wenig) Schema der Adressierung: xxx.xxx.xxx.xxx xxx= jeweils 0 bis 255 IPv6-Adressen seit 1994 auch IP Next Generation IPNG genannt Länge der IP-Adresse: 128 Bit = 16 Byte (theoretisch 3,4 x Adressen) Schema der Adressierung: aaaa:bbbb:cccc:dddd:eeee:ffff:gggg:hhhh jeder Buchstabe steht für eine hexadezimale Zahl TU Dresden - Institut für Bauinformatik 15

16 DNS (Domain Name System) IP-Adressen sind für Menschen schlecht lesbar DNS bildet Namen auf Adressen ab Eigentlich: Namen auf Ressourcen-Einträge Namen sind hierarchisch strukturiert in einen Namensraum Max. 63 Zeichen pro Komponente, insgesamt 255 Zeichen In jeder Domain, kontrolliert der Domain-Besitzer den Namensraum darunter = google.de TU Dresden - Institut für Bauinformatik 16

17 URL (Uniform Ressource Locator) eine Unterart von Uniform Resource Identifiern (URIs). URLs identifizieren und lokalisieren eine Ressource über das verwendete Netzwerkprotokoll (beispielsweise HTTP oder FTP) und den Ort (engl. location) der Ressource in Computernetzwerken <Protokoll> :// <Dienst>. <2.Subdomäne>. <1.Subdomäne>. <Domäne>/ Pfad / Datei auch Toplevel-Domain genannt https:// ftp:// auch Second-Level-Domain genannt mailto: auch Third-Level-Domain genannt www (World-Wide-Web): Wid W der bekannteste t Internet-Dienst t t Pfad: Ort der Datei auf dem Server. Pfadangaben werden mit '/' voneinander getrennt. Datei: Name der Datei, die über den Browser aufgerufen werden soll. Der Dateiname kann entfallen, wenn eine der Dateien des Verzeichnisses automatisch vom Webserver bereitgestellt wird (z.b. index.html, local.html,...). TU Dresden - Institut für Bauinformatik 17

18 Datenübertragung TCP/IP die Sprache des Internet Daten werden in Pakete (IP-Pakete) zerlegt TCP sorgt für vollständigen und fehlerfreien Transport der IP-Pakete IP sorgt für die Adressierung (genaueres später bei IP-Adressen) Rechner im Internet = Host hat eindeutige IP-Adresse Anwendung Telnet, FTP, HTTP, SMTP ( ),... Transport Vermittlung Verbindung TCP (Transmission Control Protocol) UDP (User Datagram Protocol) IP (Internet Protocol) + ICMP (Internet Control Message Protocol) + IGMP (Internet Group Management Protoccol) LAN (z.b. Ethernet, Token Ring etc.) Anwendungsschicht zahlreiche Dienste wie TELNET, FTP, SMTP, HTTP, NNTP (für DNS),... Transportschicht TCP (Transport Control Protocol) zuverlässiger bidirektionaler Byte-Strom- Übertragungsdienst Fragmentierung, Flusskontrolle, ll Multiplexing UDP (User Datagram Protocol) Paketübergabe an IP unzuverlässig, keine Flusskontrolle Vermittlungsschicht (IP - Internet Protokoll) Spezielles Paketformat und Protokoll Paketweiterleitung Routenermittlung Verbindungsschicht nicht spezifiziert, hängt vom LAN ab, z.b. Ethernet, WLAN b, PPP, DSL TU Dresden - Institut für Bauinformatik 18

19 Datentransfer Routing Routing es wird ein Weg für ein Datenpaket durch ein Netzwerk gesucht Router "Durchleiter", " vermittelt Pakete anhand der Adresse im Header des Datenpaketes route-fähiges Protokoll z.b. TCP/IP meist liegen mehrere Router zwischen Sender und Empfänger TU Dresden - Institut für Bauinformatik 19

20 HTTP (Hypertext Transfer Protocol) Protokoll zur Übertragung von Daten über ein Netzwerk. Gehört zur Anwendungsschicht etablierter Netzwerkmodelle an. Kommunikationsschema, um Webseiten oder jede beliebige Datei von einem entfernten Computer auf den eigenen zu übertragen hauptsächlich eingesetzt, um Webseiten aus dem World Wide Web (WWW) in einen Webbrowser zu laden TU Dresden - Institut für Bauinformatik 20

21 HTTP Protokoll Browser/Web Server HTTP Request HTTP Response Web Browser Web Server TU Dresden - Institut für Bauinformatik 21

22 Hier geht es weiter TU Dresden - Institut für Bauinformatik 22

23 Servlets Servlets sind... Auf Java basierende serverseitige Webkomponenten, die auf einem Web- oder Anwendungsserver ausgeführt werden Nehmen über http Anfragen von Clients entgegen und geben Antwort auf dem Browser (üblicherweise html) zurück Client (Applets) Server (Servlets) Dynamische Generierung von Websites Plattformunabhängig durch Java-Technologie Flexibler Einsatz möglich Erweiterung der Serverfunktionalität Servlets verhalten sich ähnlich zu Applets Applets sind Applikationen in Web-Pages TU Dresden - Institut für Bauinformatik 23

24 Aufgaben eines Servlets Request Response Servlet Datenbank Java-Anwendung... Client (Endanwender) Server (z.b. Webserver mit Servlet-Container) 1. Vom Client gesendete, explizite Daten lesen 2. Vom Browser implizit mit der HTTP-Anfrage gesendete Daten lesen 3. Ergebnisse generieren (mit Hilfe der in Java zur Verfügung stehenden Werkzeuge) 4. Konkrete Daten an den Client zurücksenden 5. Implizite Antwortdaten an den Client senden TU Dresden - Institut für Bauinformatik 24

25 Grundstruktur von Servlets Servlets werden normalerweise von HttpServlet abgeleitet Überschreiben die Methoden doget() und dopost() doget() und dopost() nehmen jeweils 2 Parameter entgegen: HttpServletRequest ermöglicht Zugriff auf alle eingehenden Daten HttpServletResponse Ermöglicht die Spezifikation von ausgehenden Informationen Beinhaltet den PrintWriter, mit dem Dokumentinhalt an den Client zurückgesendet werden kann Lösen 2 Ausnahmen aus: ServletException IOException PrintWriter erfordert den import von java.io HttpServlet erfordert den import von javax.servlet HttpServletRequest / HttpServletResponse erfordern den import von javax.servlet.http TU Dresden - Institut für Bauinformatik 25

26 Lebenszyklus eines Servlets Laden und instanziieren Entweder beim Start des Servlet-Containers oder bei der ersten Anfrage Initialisieren Die init-methode des Servlets wird aufgerufen Hier kann das Servlet Initialisierungsaufgaben erledigen, z.b. eine Datenbankverbindung herstellen oder Konfigurationsdaten aus einer Datei einlesen Client-Anfragen bearbeiten Die service-methode des Servlets wird aufgerufen Diese Methode überprüft den HTTP-Anfragetyp und leitet die Anfrage an die richtige Methode weiter, z.b. doget, dopost Servlet-Klasse wieder entladen Der Servlet Container entscheidet, wann die Servlet-Instanz wieder aus dem Speicher entfernt t wird Vorher wird die Methode destroy aufgerufen TU Dresden - Institut für Bauinformatik 26

27 Servlet-Container Ein Servlet-Container (auch als Servlet-Engine) ist Vorraussetzung für die Nutzung von Servlets. Verantwortlich für Verwaltung von Servlets Stellt Laufzeitumgebung für Komponenten zur Verfügung Container leitet Anfragen an Servlets weiter Verwaltet Lebenszyklus eines Servlets Teil des Web- oder Applikationsservers Beispiel: Apache Tomcat Offizielle Implementierung für Java Servlet und JavaServer Pages (JSP) open source Von Apache unter dem Projekt Jakarta entwickelt Apache Tomcat stellt eine Umgebung zur Ausführung von Java-Code auf Webservern bereit. Mit enthalten ist ein kompletter HTTP-Server. TU Dresden - Institut für Bauinformatik 27

28 Apache TomCat Screenshot des Webanwendungs- Managers TU Dresden - Institut für Bauinformatik 28

29 Verarbeitung von Servlets Client HTTP-Anfrage Identifikation Servlet Webserver Servlet Servlet- Container (verwaltet alle Servlets) Dynamische HTML-Seite TU Dresden - Institut für Bauinformatik 29

30 Verarbeitung von Servlets Am Client läuft ein Webbrowser als Präsentationsprogramm (Front-End) Requests werden durch Eingabe einer URL an den Webserver übergeben Der Webserver erkennt, dass es sich bei der empfangenen URL um einen Servlet- Aufruf handelt Der Servlet-Aufruf wird an die Servlet-Engine (Servlet-Container) weitergegeben, die dann das Servlet ausführt Die Parameter, die vom Client übergeben werden Müssen in die Sprache des Anwendungsprogramms konvertiert werden Dieser konvertierte Request muss dann an das Anwendungsprogramm weitergesendet werden Das Servlet im Servlet Container Verarbeitet den Request Produziert ein Ergebnis Konvertiert das Ergebnis in die Sprache des Webbrausers, d.h. html, und sendet es zum Client zurück, der das Ergebnis schließlich in einem Ausgabefenster ausgibt TU Dresden - Institut für Bauinformatik 30

31 Serviceorientierte Architekturen Dynamische Zusammenstellung von Software-Komponenten Lose Kopplung: Dienste werden bei Bedarf dynamisch gesucht, gefunden und eingebunden. Anwendungsintegration von verschiedenen, proprietären Anwendungen (Services/Tools), d.h. Zusammenschluß zu logischen Einheiten Nutzung heterogener Datenräume durch semantische Datenintegration Wiederverwendung von Diensten durch Trennung von Schnittstelle und Implementierung Automatisierung ti i der Kommunikation durch Prozessmodellierung: flexible Architektur und lose Kopplung ermöglichen die Implementierung einmal modellierter Abläufe TU Dresden - Institut für Bauinformatik 31

32 Verteiltes Rechnen Grid-Computing Das Ziel eines verteilten Rechensystems ist es, Nutzer und Ressourcen durch eine transparente, offene und skalierbare Architektur zu verbinden. Es gibt viele Möglichkeiten, eine derartige Architektur zu realisieren. Möglich sind einfache Client-Server-Systeme S t bis hin zu Grid-Computing- Systemen. Grid computing nutzt die Ressourcen von vielen Arbeitsplatzrechnern, die in einem Netzwerk (üblicherweise im Internet) miteinander verbunden sind, um Probleme zu lösen, die hohe Rechenkapazität erfordern. TU Dresden - Institut für Bauinformatik 32

33 Grid Computing = SOA + Rechenleistung + Sicherheit + Verwaltung Simulationen Daten Messungen Versuche Verwaltung mechanische Bauwerksmod. Modelle geometrische Bauwerksmod. Sensor-/ Messmodelle Dokumentation des Änderungsverlaufs Rechenleistung parallel computing high throughput computing Grid Dienste SOA, ASP Sicherheit Nutzerautorisierung und -authentifizierung Simulation Systemidentifikation Überwachung / Alarm Modellvergleich Workflows - Informationslogistik - Orchestrierung TU Dresden - Institut für Bauinformatik 33

34 Skalierbarkeit Ein System ist skalierbar, wenn es einfach bezüglich der Anzahl von Nutzern und Ressourcen modifiziert werden kann. Skalierbarkeit kann in drei Dimensionen gemessen werden: Lastskalierbarkeit kli ki Ein verteiltes System soll auf größere Datenmengen oder häufigere Eingaben ohne zusätzliche Verzögerungen reagieren. Geographische Skalierbarkeit Ein geographisch skalierbares System behält seinen Nutzen und seine Performanz unabhängig von der räumlichen Entfernung der Nutzer bei. Administrative Skalierbarkeit bezeichnet die Fähigkeit, viele Nutzer in einem System zu vereinigen ohne dieses dabei aufgrund der Komplexität unbedienbar zu machen. Bei Skalierung in mehreren Dimensionen kann eine Reduktion der Performanz eintreten. TU Dresden - Institut für Bauinformatik 34

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