Verfügbarkeit und Performance des Web-basierten UIS für kommunale Verwaltungen und Bürger

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1 EnviroInfo 2001: Sustainability in the Information Society Verfügbarkeit und Performance des Web-basierten UIS für kommunale Verwaltungen und Bürger Ivan Seder 1, Ronny Weinkauf und Torsten Schülert Abstract There is an urgent need for high availability and acceptable response behaviour of complex application systems available via Web. One promising solution is the distributed Web-server system with algorithms for distribution of client requests. We developed an architecture for an existing Web-based environmental information system (EIS) which offers high system availability and good performance for users in regional environmental administration and citizens of the region. The proposed solution takes into account the availability and performance of both the Web and the application layers of the system. Appropriate network architecture with redundancy and algorithms for dynamic allocation of servers in case of failure are presented. We describe the prototype implementation of the system and the first results of the test under lab conditions. 1. Zielsetzung Die Nutzung der Web-Technologie mit der standardisierten Sprache HTML und dem HTTP Protokoll öffnet neue Wege für den Einsatz von kommunalen UIS in den lokalen Intranet-Anwendungen und für die Zugriffe über das Internet. Die Bereitstellung neuer Lösungen eröffnet gleichzeitig auch für den Bürger bisher nicht gekannte, schnelle und direkte Wege für die Kommunikation mit der kommunalen Verwaltung. Die damit verbundenen Vorteile hinsichtlich der Verkürzung der Bearbeitungszeiten, der Entlastung der Verwaltungen und der erhöhten Transparenz für den Bürger stehen ganz im Vordergrund. Neben bestehenden, müssen zusätzliche Anforderungen in Bezug auf Verfügbarkeit, Performance, Geheimhaltung und Sicherheit solcher Web-basierter UIS in Betracht gezogen und entsprechende Konzepte und Architekturen entwickelt werden (Coulouris/Dollimore 2001). Eine Folge von Fragen kann in diesem Zusammenhang gestellt werden. Wie gewährleistet man entsprechende Ausfallsicherheit und damit hohe Verfügbarkeit für die Benutzer, deren Zahl in die Tausende geht? Wie sehen die Lösungen für akzeptable Antwortzeiten in der Dialogkommunikation unter der Berücksichtigung der 1 Prof. Dr. Ivan Seder, Heinz-Nixdorf-Stiftungsprofessur, Fachhochschule Merseburg, Fachbereich Informatik und Angewandte Naturwissenschaften,

2 910 Zugriffe zu den verschiedenartigen externen Informationsquellen (Metadaten, Sachdaten, Geo-Daten, Wissensdaten) und der Ausführung von Transaktionen über allen Ebenen des komplexen UIS? Als Grundlage für die Entwicklung von entsprechenden Lösungen und Implementierungen dient das wissensbasierte UIS für die Entscheidungsunterstützung in den Kommunen (Seder/Weinkauf 2000), welches um die Funktionalitäten der Web Architektur (Berners-Lee 1997] erweitert wurde. Die zugrundeliegende Architektur stützt sich auf die Three-Tier Client-Server Architektur und besteht aus mehreren logischen Ebenen. Das System kann als Repräsentant eines komplexen Anwendungssystems mit zusätzlicher Web Funktionalität gesehen werden. 2. Modelle Aus einer Vielfalt möglicher Kriterien zur Gestaltung einer geeigneter Architektur für Ausfallsicherheit und akzeptabler Performance wurden folgende in den Vordergrund gesetzt: a) Die Architektur des Gesamtsystems soll eine hohe Ausfallsicherheit garantieren und zwar sowohl auf der Web Server Ebene als auch auf der Ebene des Anwendung Servers. Für die Kommunikation zwischen den Ebenen sollen Standardprotokolle eingesetzt werden. Damit ist auch die Einbindung propriäterer Applikationsserver in hohem Maße gewährleistet. b) Die Performance im Sinne von akzeptablen Antwortzeiten soll durch entsprechende Algorithmen und geeignete Netzarchitektur erreicht werden. Für die hohe Verfügbarkeit auf der Web Server Ebene wurden die bekannten Konzepte der verteilten Web Server Architekturen berücksichtigt (Liu 1996). Die heute im Einsatz befindlichen Lösungen sehen vor, dass alle replizierten Web Server die Gesamtlast der Anforderungen während der ganzen Betriebsdauer teilen. Der in unserer Lösung beschrittene Weg der Optimierung der Lastverteilung beruht auf den Ergebnissen der Untersuchungen verschiedener Lösungen mit entsprechenden Strategien und Algorithmen für ein solches load balancing Problem (Cardellini/Colajanni 1999]. Die Aufgabe einer Lastverteilung übernimmt ein Cluster DNS Server (Domain Name System) welcher den verteilten Knoten der Web Server vorgelagert ist. Er übersetzt den symbolischen Knoten Namen (URL) in die IP Adresse eines der Server. Dieser Prozeß ermöglicht die Implementierung verschiedener Algorithmen für die Verteilung der Anforderungen der Clienten an verfügbare Server. Ein bewährter Algorithmus ist als Round Robin Verfahren bekannt. Hierbei bietet DNS Server abwechselnd eine der eingetragenen Server Adressen den anfragenden Clienten an. Einer der Vorteile dieses Verfahrens der Lastverteilung ist Verkürzung der Antwortzeiten für die Clienten. Unter der weiteren Voraussetzung, daß die Ebene der Applikation Server und das ist in unserem Fall das UIS, ebenfalls einer Replikation unterliegt, kann man von gleichwertigen Leistungen der replizierten

3 911 Systeme ausgehen. Für eine solche Netzkonfiguration haben wir die einfachste Variante des Round Robin mit gleichmäßiger Verteilung der eingehenden Client Anforderungen an alle beteiligten Server gewählt. Um in dieser Architektur die Ausfallsicherheit des Gesamtsystems zu gewährleisten, ist ein Mechanismus zur Bestimmung der Adressen (Routen) zu den aktiven Servern zusätzlich notwendig. Beim Ausfall eines Servers muß die Route welche auf diesen Server geht, gelöscht werden und durch eine neue Route mit dem verfügbaren aktiven Server als Ziel ersetzt werden. Eine solche Konfiguration mit einfacher Replikation der Server ist in der Abbildung 1. dargestellt. Abbildung 1 Allgemeine Architektur für die Ausfallsicherheit und Lastverteilung Im Normalfall ist jeder Server über eine eindeutige IP-Adresse von außen erreichbar. Die Server in der Konfiguration verfügen über zwei IP-Adressen von denen die eine als virtuelle Adresse fungiert, und so beim Ausfall eines Servers (Server 1) durch das Setzten der neuen Route zu dem aktiven Server (Server 2) die Verfügbarkeit des Systems erhalten bleibt. Das Zusammenwirken der virtuellen Interfaces und des Round-Robin Prinzips gewährleistet, dass jede Anfrage auch beim Ausfall eines Systems beantwortet wird. Die einzige Auswirkung dieser neuen Situation ist die

4 912 Verringerung der Leistungsfähigkeit des Systems und längere Antwortzeiten für den Clienten. Für das automatische Setzen von neuen Routen für den ausgefallenen Server wurde eine Monitoring-Software konzipiert. Diese Software hat die Aufgabe die Web- und Applikation Server in einem bestimmten, einstellbaren Zeitintervall auf Verfügbarkeit zu testen. Schlägt einer der Tests fehl, so müssen die entsprechende Routen geändert werden, d.h. die bisher aktive Route gelöscht und die neue auf den aktiven Server gesetzt werden. Zusätzlich soll die Software eine generieren und an den verantwortlichen Netzverwalter eine Nachricht senden. Die entwickelte Konzeption sieht zwei Testverfahren vor. Das eine ist für die replizierten Web Server als HTTP- Anfrage realisiert. In bestimmten Zeitintervallen wird eine HTML-Seite angefordert und so die Funktionsfähigkeit überprüft. Für die Überprüfung der Applikation Server ist die zweite Test-Ebene vorgesehen. Sie hat die Aufgabe die laufenden Applikationen auf Verfügbarkeit zu testen. Daraus folgt, daß nicht nur die Port Adresse des Applikation Servers sondern auch die Port Adresse der laufenden Applikation im Monitoring Programm hinterlegt werden muß. Für die Entwicklung dieser Monitoring Software sind drei Komponenten notwendig. Die erste ist die HTTP-Komponente welche die Anfragen an die Web Server realisiert. Eine zweite Komponente dient zum Test der Applikation Server. Diese Client Socket Komponente stellt die Verbindung zu den Applikationen her, sendet danach einen Anfrage-String an die zu testenden Applikationen und wartet auf die Antwort. Diese wird mit der in der Monitoring Software gespeicherten erwarteten Ergebnis verglichen. Bei Ungleichheit wird eine Meldung an den Administrator gesendet, um einen Fehler anzuzeigen. Die dritte Komponente ist für die Umsetzung der Routen in Abhängigkeit von registrierten Fehlern bei den kontrollierten Servern verantwortlich. Mit einer solchen Lösung ist sowohl für die Web Server als auch für die Applikation Server eine hohe Ausfallsicherheit gewährleistet. Aus den bisher dargestellten Konzepten ergibt sich die Gesamtarchitektur des Netzwerks für ein Web-basiertes UIS mit hoher Verfügbarkeit und guter Performance sowohl auf der Web Server Ebene als auch auf der Ebene der Applikation Server, wie in Abbildung 2. dargestellt. Die Web Server Ebene ist durch die Replikation des Web Servers und die darunter liegende Applikation Server Ebene durch die Replikation des Applikation Servers mit der Replikation der Datenbankebene repräsentiert. Um die Steuerung der Informationsflüsse zusätzlich zu sichern wurde auch der Router mit der Monitoring Software repliziert. Diese Lösung ist unabhängig vom Betriebsystem und unabhängig davon, welcher Dienst oder welches Programm auf den Servern läuft. Mit anderen Worten, für den Benutzer ist das Systemverhalten im Netz in jedem Fall transparent. Die durch die Anfragen der Benutzer ausgelösten Transaktionen werden in Teiltransaktionen zerlegt und möglichst als parallel ablaufende Prozesse gesteuert. Der

5 913 Abbildung 2 Gesamtarchitektur für die Ausfallsicherheit und Lastverteilung des UIS Applikationsserver, als zentraler Baustein des Systems, übernimmt die parallele Ausführung von Anfragen. Nach unseren Erfahrungen ist es sinnvoll, bereits beim Entwurf der Benutzerschnittstelle den Umfang der benötigten Funktionalitäten zu berücksichtigen. Gezielte Modularisierung der Dialogschritte kann die Benutzerführung vereinfachen und die Performance im Sinne der Antwortzeiten verbessern. 3. Ergebnisse Für ein Web-basiertes kommunales UIS mit breitem Nutzerkreis einschließlich der Bürger wurde eine Architektur für hohe Verfügbarkeit und möglichst kurze Antwortzeiten des Systems vorgestellt. Die präsentierte Lösung beruht auf dem Prinzip der Lastverteilung und schließt die Web Server und die Applikation Server Ebene ein. Entsprechende Algorithmen für den DNS Server als auch für die Router des erweiterten Netzwerks wurden entwickelt und deren Rolle bei der Lastverteilung als auch bei der Sicherstellung der Verfügbarkeit der Server erläutert. Dabei wurden

6 914 sowohl der Applikation Server als auch die relevanten Anwendungsprogramme als Netwerkkomponenten in die Architektur eingebunden. Für die vorgestellte Architektur wurde ein entsprechender Entwurf und darauf basierend die Implementierung durch einen Prototyp realisiert. Der erstellte Prototyp stellt die spezialisierte Version des ausfallsicheren und performanten UIS für die Anwendung Bauherrenberatung einer kommunalen Verwaltung dar. Für den Test des Systems wurde eine Variante des Netzwerks mit der einfachen Replikation des Web und des Applikation Servers gewählt. Als Betriebssystem diente Windows NT und für die Implementierung des Web Servers wurde Apache eingesetzt. Als DBMS für die Datenbanken des Anwendungsservers diente ORACLE 8i. Für den Test wurden die Geo- Umwelt- und Wissensdaten aus der Kreisverwaltung Merseburg/Querfurt verwendet. Der Test unter simulierten Bedingungen im Labor hat die Tragfähigkeit des Konzepts und die Leistungsfähigkeit des Prototyps voll bestätigt. Das System wird demnächst als Intranet Lösung in den Probebetrieb bei der Kreisverwaltung Merseburg/Querfurt aufgenommen. 4. Ausblick Die präsentierte Lösung wird in der Weiterentwicklung um neue Varianten der Architektur ergänzt und unter Laborbedingungen getestet. Die vergleichende Analyse und die Bewertung der Ergebnisse werden in nächsten Veröffentlichungen bekannt gemacht. Bibliography Berners-Lee, T. (1997): Weaving The Web, Harper Collins Cardellini, V., Colajanni, M., Yu, P.S. (1999): Dynamic Load Balancing on Web-Server Systems, IEEE Internet Computing, Vol. 3, No 3, pp Coulouris, G., Dollimore, J., Kindberg, T. (2001): Distributed Systems, Addison Wesley Fischer, S., Abdulmotaleb, E.S. (2000): Open Java, Springer Liu, Y. (et. al.) (1996): A Distributed Web Server and its Performance Analysis on Multiple Platforms, Proceedings of the 16 th International Conference on Distributed Computer Systems, pp Schröder, J., Müller, M. (1999): Webserver betreiben HTTP und Apache: Grundlagen, Konzepte und Lösungen, dpunkt.verlag Seder, I., Weinkauf, R., Neumann, T. (2000): Knowledge-based databases and intelligent decision support for environmental management in urban systems, in: Computers, Environment and Urban Systems, 24, pp

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