HIERARCHISCHE NAMENSRÄUME 4. NAMEN BEISPIEL: DATEIEN IN UNIX DREI NAMENSTYPEN. Slide 3. Slide 1. Slide 4. Slide 2

Transkript

1 HIERARCHISCHE NAMENSRÄUME Slide 1 4. NAMEN Namen werden in verteilten Systemen benutzt, um:...ressourcen gemeinsam zu nutzen... Einheiten eindeutig zu identifizieren...auf bestimmte Positionen zu verweisen...u.a. Die Implementierung der Namenserzeugung, -Verwaltung und -Benutzung soll verteilt über mehrere Maschinen erfolgen Slide 3 Namen werden in einem VS in sog. Namensräumen angeordnet Man stellt einen Namensraum oft als Graph dar: Blattknoten für benannte Entitäten, z. B. eine Datei, enthält ihre Adresse oder Zustand Verzeichnisknoten mit einer Verzeichnistabelle: ein Paar pro Kante: (Knotenbezeichner : Kantenbeschriftung) Wurzelknoten, i. d. R. einer pro Namensraum Pfadname,z. B.: n0:<home,steen,mbox> = /home/steen/mbox Wir betrachten folgende drei Aspekte: Aufbau, Benutzung und Implementierung benutzerfreundlicher Namenssysteme Namensgebung und -Verwaltung für mobile Einheiten Verteilte Speicherbereinigung (garbage collection) DREI NAMENSTYPEN BEISPIEL: DATEIEN IN UNIX Name eine Zeichenkette, benutzt um auf eine Einheit (z. B. Computer, Drucker, Datei, Mailbox, Webseite, etc.) zu verweisen Namensgraph: Wurzel, Verzeichnisknoten, Blattknoten f. Dateien Graph-Implementierung ein Teil des Dateisystems, z.b. in Unix: Slide 2 Es gibt drei wichtigste Namenstypen, die im Folgenden fett geschrieben sind Zugriff auf Einheiten: über die Namen ihrer Zugangspunkte (Adressen), z. B. IP-Adresse eines Webservers Einheiten können ihre Zugangspunkte wechseln, deshalb benutzt man auch andere als Adressen Namenstypen Eine echte ID (identifier) hat folgende Eigenschaften: sie verweist auf höchstens eine Einheit, immer auf dieselbe jede Einheit wird höchstens durch eine ID angesprochen Slide 4 Fortlaufende Block-Folge auf einer logischen Festplatte Boot-Block: Wird beim Booten automatisch in den Hauptspeicher geladen, zum Laden des BS Superblock: Enthält Informationen über das gesamte Dateisystem (Größe, freie Blöcke und Inodes, etc.) Inode: Information über die zugeordnete Datei; Inode mit Index 0 entspricht Wurzelverzeichnis (vgl. VL Betriebssysteme) Der Inode-Index entspricht der Knoten-ID im Namensgraph Beachte: Adressen und IDs sind oft nur von Rechnern lesbar (Bitstrings), deshalb wird auch der dritte Typ verwendet: Benutzerfreundliche Namen werden als Zeichenstrings dargestellt (z.b. Dateinamen in Unix - bis 255 Zeichen lang) c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 1 c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 2

2 VERKNÜPFUNGEN (mounting) Slide 5 NAMENSAUFLÖSUNG Namensauflösung = Nachschlagen eines Namens für einen vorgegebenen Pfad Die Namensauflösung funktioniert durch die Suche der Knoten-ID in jeweiliger Verzeichnistabelle und den Übergang zum gefundenen Knoten im Namensgraph Schlussmechanismus (closure mechanism): Auswahl des ersten Knotens in einem Namensraum, wo die Namensauflösung beginnen soll Unix-Beispiel: Der Inode des Wurzelverzeichnisses ist der erste Inode auf der logischen Festplatte des Dateisystems Slide 7 Motivation: Verschiedene Namensräume miteinander transparent zu kombinieren Verknüpfung: Ein Verzeichnisknoten (Verknüpfungspunkt) speichert die ID eines Verzeichnisknotens (verknüpfender Punkt) aus einem anderen Namensraum, i. d. R. sein Wurzelverzeichnis Sind die Namensräume über mehrere Maschinen verteilt, muss man zum Verknüpfen folgende Namen kennen bzw. auflösen: Name eines Zugriffsprotokolls für Kommunikation mit den anderen Maschinen Name des Servers (der anderen Maschine) Name des verknüpfenden Punktes im fremden Namensraum Beispiel: Auf Sun-Rechnern unter NFS (Network File System) wird Verzeichnisknoten /remote/vu verwendet, um die URL zu speichern: nfs://flits.cs.vu.nl/home/steen. Dann kann der Client auf die Datei /home/steen auf dem Server flits.cs.vu.nl mit dem NFS-Protokoll zugreifen, s. Details nächste Folie ALIASE UND LINKS BEISPIEL: ENTFERNTER ZUGRIFF Slide 6 Alias: Ein anderer Name für dieselbe Einheit. Grundsätzlich zwei Implementierungsmöglichkeiten: Harte Links: mehrere absolute Pfadnamen auf denselben Knoten des Namensgraphen, wie z. B. /home/steen/keys und /keys als Links zu n5 in Abb. 4.1 Symbolische Links: Im Blattknoten absoluten Pfadnamen speichern, z. B. ist /home/steen/keys ein symb. Link auf n5: Slide 8 Der Name aus der vorigen Folie wird so aufgelöst: nfs in eine Implementierung des NFS-Protokolls Servername mittels DNS (s. später) in die Maschinenadresse /home/steen durch den fremden Server c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 3 c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 4

3 BEISPIEL: SCHICHTEN IN EINEM DNS-NAMENSRAUM Der Name /remote/vu/mbox wird beginnend mit dem Wurzelverzeichnis auf dem Client aufgelöst, bis zu Knoten /remote/vu Die URL nfs://flits.cs.vu.nl/home/steen zurückgegeben Client kontaktiert den Dateiserver flits.cs.vu.nl mithilfe des NFS-Protokolls, und greift anschließend auf /home/steen zu. Slide 9 Die Namensauflösung kann jetzt fortgesetzt werden, indem die Datei mbox gelesen wird Der Client kann nun so arbeiten: cd /remote/vu ls -l und die Dateien im entfernten Verzeichnis lokal auflisten! Slide 11 Wichtig: Der entfernte Zugriff passiert transparent für den Benutzer, allerdings evtl. mit einem Leistungsabfall, wegen der Kommunikation übers Netzwerk IMPLEMENTIERUNG EINES NAMENSRAUMS ANFORDERUNGEN AN SERVER ABHÄNGIG VON SCHICHT Slide 10 Ein Namensraum wird von Namensservern implementiert, die über mehrere Maschinen verteilt werden können Verteilter Namensraum wird in drei logische Schichten unterteilt: Globale Schicht: Wurzelknoten und obere Verzeichnisknoten (Kindknoten von Wurzel), die sehr selten geändert werden Administrative Schicht: Verzeichnisknoten innerhalb einer Organisation: sind stabil, aber weniger als die globalen Verwaltungsschicht: Ändert sich regelmäßig, z. B.: Hosts in LAN, Programmdateien, benutzereigene Verzeichnisse/Dateien Zonen: Nicht überlappende Teile des Namensraums, die durch separate Namensserver implementiert sind Slide 12 Verfügbarkeit: höchste für die globale Schicht; wird erreicht durch Server-Replikation und Client-seitiges Caching, weil Aktualisierungen nicht sofort sichtbar sein müssen mittel für die administrative Schicht niedrigste für die Verwaltungsschicht Leistung: globale Schicht - keine schnellen Server notwendig, aber Durchsatz u. U. wichtig administrative Schicht - muss schnell sein, Verwaltungsschicht - noch schneller, da der Benutzer die Änderungen unmittelbar sehen will c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 5 c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 6

4 VERGLEICH DER IMPLEMENTIERBARKEIT Am schwierigsten globale und administrative Schicht, wegen Replikation und Caching, die über WAN arbeiten Dadurch u. U. starke Kommunikationsverzögerungen ITERATIVE NAMENSAUFLÖSUNG: FORTSETZUNG Iterativ: Der Client-Namensauflöser übergibt diesem Server den restlichen Pfadnamen... usw... Der FTP-Server löst pub/globe/index.txt auf und überträgt die angeforderte Datei in unserem Bsp. mithilfe von FTP Slide 13 Element Global Administrativ Verwaltung Geographische Skalierung des Netzwerks Weltweit Unternehmen Abteilung Gesamtzahl der Knoten Wenige Viele Unzählige Antwortzeiten beim Nachschlagen Sekunden Millisekunden Unmittelbar Aktualisierungsweitergabe Langsam Unmittelbar Unmittelbar Anzahl der Repliken Viele Keine oder wenige Keine Client-seitiges Caching? Ja Ja Manchmal Slide 15 Tabelle 1: Ein Vergleich zwischen Nameservern für die Implementierung von Knoten aus einem großen Namensraum, der in eine globale, administrative und eine Verwaltungsschicht zerlegt ist Slide 14 IMPLEMENTIERUNG DER NAMENSAUFLÖSUNG Wir betrachten große verteilte Namensräume Wir nehmen der Einfachheit halber an, dass keine Replikation und Caching stattfinden Beispiel: Auflösen von root:<nl,vu,cs,ftp,pub,globe,index.txt> in Abb. 4.6 Pfadname als URL: ftp://ftp.cs.vu.nl/pub/globe/index.txt Jeder Client hat Zugriff auf einen lokalen Namensauflöser, der auf zwei Weisen implementiert werden kann: iterativ oder rekursiv, siehe nächste Folien Beide: Namensauflöser übergibt den Pfadnamen dem Wurzel- Namensserver (angenommen, seine Adresse sei bekannt) Iterativ: Der Wurzel-Server löst nl auf und gibt die Adresse des nächsten Namensservers an den Client zurück Slide 16 REKURSIVE NAMENSAUFLÖSUNG Rekursiv: Statt jedes Zwischenergebnis an den Client-Namensauflöser zu schicken, wird es an den nächsten Namensserver weitergegeben c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 7 c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 8

5 REKURSIV: VORTEILE UND NACHTEILE Vorteil 2: Rekursiv ist sparsamer in der Kommunikation als iterativ Größter Nachteil: hohe Leistungsanforderungen an einzelne Namensserver (vollständige Auflösung eines Namenspfades). Deswegen wird in der globalen Schicht nur iterativ gearbeitet Slide 17 Vorteil 1: Effektiveres Caching von Ergebnissen (vgl. Tabelle unten), bei nachfolgendem Nachschlagen durch andere Clients werden Cache-Ergebnisse benutzt schnell Slide 19 Iterativ: Caching auf den Namensauflöser des Clients beschränkt, d. h. ein anderer Client muss das Ganze wiederholen Aushilfe: Für eine Organisation einen lokalen, zwischengeschalteten Namensserver, gemeinsam von allen Clients benutzt FALLSTUDIE: DNS Domain Name Service Slide 18 Server für Knoten Soll auflösen Nachschlagen Übergibt an untergeordneten Knoten Empfängt und stellt in den Cache Gibt an den Anforderer zurück cs <ftp> #<ftp> - - #<ftp> vu <cs,ftp> #<cs> <ftp> #<ftp> #<cs>, #<cs,ftp> nl <vu,cs,ftp> #<vu> <cs,ftp> #<cs>, #<cs,ftp> Wurzel <nl,vu,cs,ftp> #<nl> <vu,cs,ftp> #<vu>, #<vu,cs>, #<vu,cs,ftp> Tabelle 2: Rekursive Namensauflösung für <nl, vu, cs, ftp> #<vu>, #<vu,cs>, #<vu,cs,ftp> #<nl> #<nl,vu>, #<nl,vu,cs>, #<nl,vu,cs,ftp> Slide 20 Der Internet Domain Name Service (DNS) ist einer der größten verteilten Namensdienste, verwaltet Infos über Millionen von Computern weltweit Aufgaben: Suche nach Host-Adressen, Web- und Mail-Servern Zentralisierte Implementierung würde nicht skalieren! DNS-Namensraum: Baum mit einem Wurzel, Groß/Kleinschreibung bei Labels (bis 63 Zeichen lang) nicht berücksichtigt, die Wurzel wird durch einen Punkt (.) dargestellt Domain: ein Unterbaum; Domainname: Pfadname zur Wurzel des Unterbaums, z.b. flits.cs.vu.nl DNS verwaltet eine inverse Abbildung von IP-Adressen auf Host- Namen, um den Namen aus einer Adresse nachzuschlagen: Infos sind in der Domain in-addr.arpa, verwaltet von DNS Z. B.: der Host hat die IP-Adresse DNS erzeugt den Knoten in-addr.arpa, in dem der Hostname soling.cs.vu.nl gespeichert wird c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 9 c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 10

6 DNS VS. VERZEICHNISDIENSTE Alternative zu DNS Verzeichnisdienste: MOBILITÄT: ZWEI TRADITIONELLE LÖSUNGEN Slide 21 DNS ist ein traditioneller Namensdienst, vergleichbar mit einem Telefonbuch: bei Übergabe eines hierarchischen Namens wird dieser in einen Knoten im Namensgraph aufgelöst Der Inhalt dieses Knotens wird als ein Ressourcendatensatz zurückgegeben, vgl. [Tanenbaum, van Steen] Anderer Ansatz: ein Verzeichnisdienst, wobei Client mithilfe einer Beschreibung der Eigenschaften nach einer Einheit sucht Ein Verzeichnisdienst ist in etwa mit den gelben Seiten vergleichbar, für Details vgl. [Tanenbaum, van Steen] Slide Die Adresse der neuen Maschine in der DNS-Datenbank cs.vu.nl aufzuzeichnen. Bei erneuter Verschiebung, z. B. nach ftp.cs.berkeley.edu aufwendige Aktualisierung des DNS-Eintrages 2. Den Namen der neuen Maschine aufzuzeichnen, d. h. ftp.cs.vu.nl wird ein symbolischer Link. Bei erneuter Verschiebung wird jedes Nachschlagen einen extra Schritt benötigen Allgemeines Problem: Nicht veränderbarer Originalname, der auch nicht für andere Einheiten verwendet werden darf MOBILE EINHEITEN: NAMENSGEBUNG UND SUCHE MOBILE EINHEITEN: ALTERNATIVER ANSATZ Zwecks Benutzerfreundlichkeit verwalten Namenssysteme i. d. R. eine Abbildung benutzerfreundlicher Namen auf Adressen Direkte Abbildung zwischen benutzerfreundlichen Namen und Adressen der Einheiten (wie in DNS) wird mittels IDs getrennt: Dabei unterscheidet man drei Schichten (s. o.): global, administrativ, verwaltend. Motivierende Frage: Was passiert, wenn ein Server auf eine andere physische Maschine verschoben wird? Slide 22 Wenn auf globaler oder administrativer Schicht und nicht sehr weit geographisch (innerhalb einer Domain), dann ist DNS effizient, wegen Caching und nur einem Namensserver Slide 24 Wenn aber z. B. ftp.cs.vu.nl auf die Maschine ftp.cs.unisa.edu.au verschoben wird, kommen Probleme: Der Originalname ftp.cs.vu.nl sollte möglichst nicht geändert werden, da viele Applikationen und Benutzer symbolische Links darauf besitzen können Mit anderen Worten: der Name wird als ID benutzt, d.h. beim Ändern werden alle Links ungültig Bei der Suche mithilfe eines Namensdienstes: der Dienst gibt eine ID zurück, die lokal gespeichert werden kann Bei erneuter Suche kann man die ID lokal laden Ein Suchdienst liefert für die ID die aktuelle Adresse der Einheit Nächste Folie: effiziente Implementierung von Suchdiensten c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 11 c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 12

7 SUCHDIENSTE MIT BROAD- UND MULTICASTING In lokalen Netzen werden effiziente Broadcasting- und Multicasting-Funktionen unterstützt Die Suche geht dann so: VORWÄRTSZEIGER-MECHANISMUS: IMPLEMENTIERUNG Vorwärtszeiger werden in der OO-Welt mit verteilten Objekten implementiert als Paar (Proxy, Skeleton): beim Verschieben hinterlässt das Objekt einen Proxy und installiert ein Skeleton, das auf die neue Position verweist Die ID der gesuchten Einheit wird per Broadcast an jede Maschine gesendet Slide 25 Maschinen, die einen Zugangspunkt (Adresse) für die Einheit anbieten können, senden eine Antwort mit dieser Adresse Slide 27 Nachteile dieser Lösung: Broadcasting wird ineffizient wenn das Netzwerk wächst Es wird nicht nur Netzwerkbandbreite verbraucht, sondern evtl. auch zu viele Hosts durch Anfragen unnötig belastet Ausweg: Multicasting, d. h. eine begrenzte Gruppe ansprechen Anderer Suchansatz: Vorwärtszeiger VERTEILTE SPEICHERBEREINIGUNG Speicherbereinigung: Löschen unbenutzter Einheiten SUCHDIENSTE MIT VORWÄRTSZEIGERN Methode für Einprozessorsysteme Referenzzählung inkrementieren beim Ref-Erzeugen, dekrementieren beim Löschen Slide 26 Wird eine Einheit von A nach B verschoben, hinterlässt sie eine Referenz (forwarding pointer) auf ihre neue Position Der Client kann die aktuelle Adresse nachschlagen, indem er der Kette der Vorwärtszeiger folgt Nachteile: Slide 28 In verteilten Systemen ist Kommunikation unzuverlässig, z. B. kann eine Bestätigung verloren gehen, was zu einer doppelten Nachricht führt, die erkannt werden muss Eine Kette kann sehr lang werden Alle Zwischenpositionen in der Kette müssen ihren Teil der Kette verwalten Fehleranfälligkeit beim evtl. Ausfall eines Links c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 13 c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 14

8 Slide 29 REFERENZZÄHLUNG: WEITERES PROBLEM Noch ein Problem bei verteilter Referenzzählung: Beim Kopieren einer entfernten Referenz in einen anderen Prozess: das Objekt wird evtl. früher gelöscht als neuer Besitzer sich meldet Lösung: das Objekt-Skeleton wird bei der Übergabe informiert; beim Löschen wird das Skeleton angefragt; es wird zuverlässige Kommunikation und drei Nachrichten pro Referenz gebraucht! Slide 31 Was haben wir heute gelernt: ZUSAMMENFASSUNG Drei wichtigste Typen von Namen: Adressen, ID, benutzerfreundliche Namen Namen sind in einem Namensraum angeordnet, dargestellt durch einen Namensgraph Namensauflösung: wird iterativ oder rekursiv implementiert Suche nach mobilen Einheiten: durch Broadcasting bzw. Multicasting oder mittels Vorwärtszeiger Zwei Methoden verteilter Speicherbereinigung: Referenzzählung und Referenzlisten Slide 30 REFERENZLISTEN Alternativansatz: Statt Referenzen zu zählen, verwaltet ein Skeleton eine Liste aller Proxies, die darauf verweisen Referenzlisten werden z. B. in Java RMI benutzt: Wenn ein Prozess P eine entfernte Referenz auf ein Objekt erzeugt, sendet er seine ID an das Skeleton des Objekts, das daraufhin P in die Refliste einträgt. Nach der Bestätigung erzeugt P in seinem Adressraum einen Proxy für das Objekt. Potentielles Problem: P1 löscht seinen Proxy, bevor P2 angefordert hat, in die Referenzliste des Objekts eingetragen zu werden. Dies kann wie in Abb. 4.30(b) gelöst werden Nachteil: Probleme mit Skalierbarkeit, wenn ein Skeleton viele Referenzen verwalten muss Ausweg: Registrierung für eine begrenzte Zeit (Leasing); bei bedarf muss erneuert werden c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 15 c 2006 BY SERGEI GORLATCH UNI MÜNSTER VERTEILTE SYSTEME VORLESUNG 4 16