3. Grundlegende Konzepte des verteilten Objektmodells

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1 3. Grundlegende Konzepte des verteilten Objektmodells Überblick 3.1 Komponenten verteilter Anwendungen 3.2 Verteiltes Objektmodell 3.3 Implementierungsaspekte 3.4 Ereignisse und O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme 3-1 1

2 3.1 Komponenten verteilter Anwendungen Verteilte Anwendungen bestehen aus Komponenten, die kooperativ in verschiedenen Prozessen ausgeführt werden Grundlage sind entfernte Methodenaufrufe Entfernte Prozesse stellen Methoden über eine entfernte Schnittestelle zur Verfügung Unterschied zu lokalen Aufrufen: mehrere Fehlerquellen möglich eine totale Transparenz d.h. identisches Verhalten wie bei lokalen Aufrufen ist nicht wünschenswert Anwendung, Dienste Middleware Betriebssystem Hardware und Netzwerk RMI, RPC und Ereignisse Anforderungs/Antwort-Protokoll Externe Darstellung Middleware O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme 3-2 2

3 Schnittstellen Schnittstellen definieren Sichten der Clients auf die entfernten Methoden Übergabe der Ergebnisse Varianten der Parameter- und Ergebnisübergabe Wertübergabe (Call-by-value): Versenden der Werte selbst Referenzübergabe (Call-by-reference) wegen verschiedener Adressräume schwierig Realisierung nur mit unvertretbarem Aufwand Call-by-copy / restore: Datenübertragung zum Server bei Aufruf, Zurückkopieren und Überschreiben der alten Werte bei Beendigung Unterteilung Dienstschnittstelle: Spezifikation aller Funktionen samt Parametern, die vom Server angeboten werden Entfernte Schnittstelle: Spezifikation der Methoden eines Objekts, die für den Aufruf durch andere Objekte zur Verfügung stehen Schnittstellendefinitionssprachen erlauben in unterschiedlichen Sprachen geschriebenen Objekten miteinander zu kommunizieren O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme 3-3 3

4 Verteilte Objekte Objektbasierte Programme sind bereits logisch partitioniert Physische Verteilung von Objekten auf entfernten Rechnern ist eine natürliche Erweiterung Abbildung der Client/Server-Beziehungen Server verwalten Objekte und stellen eine Schnittstellenbeschreibung zur Verfügung Clients rufen die Methoden durch Versenden einer Nachricht an den Server auf Server führt die Methode mit den übermittelten Daten aus und sendet das Ergebnis als Nachricht zurück Durch die Unterbringung der Client- und Serverobjekte in unterschiedlichen Prozessen wird eine Kapselung erzwungen Zugriffe auf den Objektzustand nur über die freigegebenen Methoden Automatische Konvertierung der Daten für heterogene Architekturen wird von den aufrufenden Objekten nicht bemerkt O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme 3-4 4

5 3.2 Verteiltes Objektmodell Erweiterung des Objektmodells, so dass auf die Objekte sowohl lokal als auch entfernt zugegriffen werden kann Lokale Methodenaufrufe zwischen Objekten im selben Prozess Methodenaufrufe zwischen Objekten in entfernten Prozessen entfernte Methodenaufrufe (Remote Method Invocation, RMI) Objekte, die entfernte Aufrufe erhalten können, heißen externe oder entfernte Objekte (Objekte B und F) Objekte können lokale Aufrufe von denjenigen Objekten erhalten, die Referenzen auf dieses Objekt haben A Entfernter Aufruf B C Lokaler Aufruf Lokaler Aufruf Lokaler Aufruf D E Entfernter Aufruf F O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme 3-5 5

6 Verteiltes Objektmodell (2) Lokal Entfernt Rechner Prozess Objekt Interaktion O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme 3-6 6

7 Grundlegende Konzepte des verteilten Objektmodells Entfernte Objektreferenz Andere Objekte können die Methoden eines entfernten Objekts aufrufen, wenn sie Zugriff auf seine entfernte Objektreferenz haben (Objekt A hat Zugriff auf eine entfernte Objektreferenz für Objekt B im Beispiel auf Folie 3-5) Entfernte Schnittstelle Die entfernte Schnittstelle des entfernten Objekts gibt an, welche der Methoden von externen Objekten aufgerufen werden dürfen Entferntes Objekt Entfernte Schnittstelle m1 { m2 m3 Daten Methoden m4 m5 m6 O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme 3-7 7

8 Entfernte Objektreferenzen Jedes Objekt, das entfernte Aufrufe erhalten kann, muss eine entfernte Objektreferenz haben Entfernte Objektreferenz = systemweit eindeutige Kennung, die für den Verweis auf ein entferntes Objekt benutzt wird Entfernte Objektreferenz ist über Raum und Zeit garantiert eindeutig Die entfernte Objektreferenz gibt das Objekt an, das einen entfernten Methodenaufruf erhalten soll Entfernte Objektreferenzen können als Argumente und Ergebnisse entfernter Methodenaufrufe übergeben werden Aktionen in einem verteilten Objektsystem Eine Aktion wird durch einen Methodenaufruf initiiert, der zu weiteren Aufrufen von Methoden zu anderen Objekten führen kann O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme 3-8 8

9 Entfernte Objektreferenz Mögliche Bestandteile Schnittstelle: beschreibt die entfernte Schnittstelle des Objekts Protokoll und Adresse: Welches Protokoll, Host-Domain-Name und Port-Nummer identifizieren den Prozess eindeutig Objektschlüssel: Identifiziert das Objekt mit den aufzurufenden Methoden Probleme Diese Art der Referenz erlaubt kein Verschieben des Objektes in einen anderen Prozess Ausnahmen notwendig zur Erkennung von Situationen wie überlastete Server, Netzwerkverbindungen oder nicht ausreichende Zugriffsrechte Beispielaufbau einer entfernten Objektreferenz Schnittstelle des entfernten Objektes Protokoll Internetadresse Port-Nummer Objektschlüssel O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme 3-9 9

10 Entwurfsprobleme für entfernte Methodenaufrufe: Aufrufsemantik Lokale Aufrufe werden genau einmal ausgeführt, bei entfernten Aufrufen ist dies nicht immer der Fall Wiederholung der Anforderungsnachricht: Wiederholen bis zum Empfangen einer Antwort oder Annahme, Server ist abgestürzt? Duplikatenfilterung: Erkennung doppelt gesendeter Nachrichten? Wiederholte Übertragung der Ergebnisse: Muss eine Liste aller versendeten Ergebnisse mitgeführt werden, so dass bei Ergebnisverlust das Ergebnis erneut versendet werden kann? Hieraus ergeben sich unterschiedliche Aufrufsemantiken Wiederholte Übertragung der Anforderung Nein Ja Ja Fehlertoleranzmaßnahmen Duplikatenfilterung Nicht anwendbar Nein Ja Wiederholte Ausführung / Übertragung der Antwort Nicht anwendbar Wiederholte Ausführung Wiederholte Übertragung Aufrufsemantik Maybe At-least-once At-most-once O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme

11 Entwurfsprobleme für entfernte Methodenaufrufe: Transparenz Ursprünglich bei RPC: Keine syntaktischen Unterschiede zwischen lokalen und entfernten Prozeduraufrufen Alle erforderlichen Marshalling- und Übergabefunktionen, mehrfaches Übermitteln werden vor dem Programmierer versteckt Transparente Auffindung von Objekten und Kontaktaufnahme Fernaufrufe wesentlich fehleranfälliger als lokale Aufrufe (Client- oder Serverabstürze, Netzwerkprobleme, ) Objekte mit entfernten Aufrufen müssen solche Situationen kompensieren, z.b. aufrufendes Objekt kann zu lang andauernde Operationen abbrechen Einige vorgeschlagene Lösungen Unterschiedliche Syntax der Schnittstellen, z.b. Spezifikation von Ausnahmen und Aufrufsemantik. Aufrufe (lokal/entfernt) haben gleiche Syntax, die Schnittstellenbeschreibung gibt Auskunft über die Aufrufart Unterschiedliche Syntax für lokale/entfernte Aufrufe entfernte Aufrufe werden dem Entwickler explizit aufgezeigt O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme

12 3.3 Implementierungsaspekte Wichtigste Komponenten Kommunikationsmodule Entfernte Referenzmodule RMI-Komponenten: Proxy, Skeleton, Dispatcher, Persistente Objekte Objekt A Client Proxy für B Request Server Skeleton & Dispatcher für Klassen von B Entferntes Objekt B Reply Entferntes Referenzmodul Kommunikationsmodul Kommunikationsmodul Entferntes Referenzmodul O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme

13 Implementierungsaspekte (2) Kommunikationsmodule: Kooperieren nach Anforderung / Antwort- Muster und berücksichtigen den Nachrichtentyp, die RequestID und die externe Objektreferenz Entferntes Referenzmodul Übersetzung zwischen lokalen und entfernten Objektreferenzen anhand einer Objekttabelle Bei Ankunft einer externen Objektreferenz wird der passende Verweis ausgewählt Beim erstmaligen Objektaufruf erstellt das entfernte Referenzmodul eine Objektreferenz und fügt diese der Tabelle hinzu Auswertung der Methodenreferenzen sowie Marshalling und Un- Marshalling ist Aufgabe der RMI-Software messagetype messageid objectreference methodid arguments int (0=Request, 1= Reply) int RemoteObjectRef int or Method array of bytes O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme

14 Implementierungsaspekte (3): RMI-Software Schicht zwischen Objekten auf Applikationsebene einerseits und Kommunikations- und entfernten Referenzmodulen andererseits Wichtige Komponenten Proxy (Stellvertreter): Abstrahiert den entfernten Zugriff, (Un)- Marshalling und die Nachrichtenübertragung Jedes entfernte Objekt hat ein Proxy mit Methoden zur Parameterüberprüfung und zur Ergänzung der Nachrichten um Verweise und Daten Skeleton (Gerüst): Implementiert Methoden der entfernten Schnittstelle so, dass die Nachricht entpackt und an das Objekt übermittelt wird Zusammenfassung und Weiterleitung der Ergebnisse Dispatcher: Empfängt die request-nachricht vom Kommunikationsmodul und sucht aufgrund der MethodID die entsprechende Skeletonmethode Klassen für Proxies, Dispatcher und Skeletons werden meist automatisch durch einen Schnittstellencompiler erstellt O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme

15 Zusammenfassung: Komponenten bei RMI Proxy: Transparenz für Client, implementiert die entfernte Schnittstelle, Marshalling und Weiterleitung der Anforderung Objekt A Client Proxy B Entferntes Referenzmodul Request Reply Anforderung / Antwort Protokoll Kommunikationsmodul Kommunikationsmodul Server Dispatcher B Skeleton B Objekt B Entferntes Referenzmodul Dispatcher: Auswahl der Methode im Skeleton Übersetzung zwischen lokalen und entfernten Objektreferenzen Skeleton: Implementiert Methoden der entfernten Schnittstelle, (Un)Marshalling, Aufruf der Methode in entferntem Objekt O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme

16 Implementierungsaspekte (4) Clients enthalten Proxy-Klassen für alle entfernten Objekte Serverprogramme beinhalten die Klassen für Dispatcher und Skeletons sowie eine Initialisierungsroutine Erstellung/Initialisierung mindestens eines Objekts Registrierung der entfernten Objekte beim Binder Binder ist ein separater Dienst, der eine Tabelle mit Namen aller entfernten Objektreferenzen enthält Server verwenden den Binder zur Registrierung, Clients zur Abfrage Beispiele sind CORBA Namensdienst, JAVA RMI Registry, Server können als aktiv oder passiv implementiert werden Aktive Server stehen die ganze Zeit zur Verfügung Passive Server werden bei Bedarf durch Aktivatoren in Zustand aktiv versetzt Aktivatoren sind verantwortlich für Registrierung passiver, Verwaltung bereits aktivierter Serverobjekte Starten der Serverprozesse und Aktivierung der entfernten Objekte O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme

17 Implementierungsaspekte (5) Ein Objekt, das zwischen den Aktivierungen von Prozessen garantiert weiter existiert, wird ein persistentes Objekt genannt Verwaltung in persistenten Objektspeichern, die den Zustand in verpackter Form auf der Festplatte speichern Objekte werden aus Fehlertoleranzgründen im persistenten Speicher abgelegt, sobald sie einen konsistenten Zustand erreicht haben Aktuell im Arbeitsspeicher nicht benötigte persistente Objekte werden passiviert und erst bei Bedarf aktiviert Verdrängungs- und Nachschubstrategien erforderlich Wie wird entschieden, ob ein Objekt persistent sein soll? Der persistente Objektspeicher verwaltet einige persistente Wurzel Alle von den Wurzeln erreichbaren Objekte sind ebenfalls persistent Nicht mehr erreichbare Objekte werden mittels Garbage Collection gefunden und entfernt Der persistente Objektspeicher stellt persistente Klassen zur Verfügung Alle Unterklassen sind ebenfalls persistent O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme

18 Ereignisse 3.4 Ereignisse und Veränderung im Objekt ist aufgetreten (z.b. Anklicken einer Schaltfläche, Eingabe von Text, ) en Ein Objekt bekommt die Meldung, dass ein Ereignis in einem anderen Objekt passiert ist (z.b. Anzeigenaktualisierung) In der Regel asynchroner Ablauf Verteilte ereignisgesteuerte Systeme Erweiterung des lokalen Modells, da mehrere Objekte an unterschiedlichen Positionen benachrichtigt werden Paradigma Veröffentlichung-Abonnement (Publisher-Subscriber) Ereignis-erzeugende Objekte veröffentlichen die möglichen Ereignistypen Ereignis-wahrnehmende Objekte abonnieren Ereignistypen Tritt bei einem Publisher ein Ereignis auf, so werden alle für diesen Typ registrierten Abonnenten benachrichtigt (unicast/multicast/broadcast) O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme

19 Eigenschaften verteilter ereignisgesteuerter Systeme Heterogenität Ereignisbenachrichtigung ermöglichen Kooperation von Objekten eines VS, für die keine Kommunikation vorgesehen war, z.b. in Internet Bedingung: Veröffentlichung/Registrierung der Ereignisse über geeignete Schnittstellen Asynchronität Entkopplung von Veröffentlichung / Abonnement aufgrund der heterogenen Umgebungen und Leistungseigenschaften notwendig Eine Ereignisquelle kann mehrere Ereignistypen veröffentlichen Typ legt die Ereignisklasse fest Attribute eines Ereignisses sind Name des erzeugenden Objekts, die zugehörige Operation samt Parametern sowie die Zeit bzw. Folgenummer Der Typ und die Attribute werden zur Auswahl der interessierten Empfänger bzw. für Festlegung des Abonnements benötigt O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme

20 Beispiel 1: Zusammenarbeit mehrerer Benutzer Zusammenarbeit mehrerer Benutzer mit unterschiedlichen Dokumenten Zustand eines jeden Arbeitsplatzes (Netzwerkplatz) wird auf dem lokalen Rechner verwaltet und beim Einloggen des Benutzers auf die lokalen Rechner der interessierten Benutzer repliziert Ereignisse melden Änderungen an Objekten bzw. An- und Abmelden von Benutzern Jede Replik abonniert und enthält alle en Entkopplung Abonnent von Objekt, da unterschiedliche Benutzer zu unterschiedlichen Zeiten aktiv sein können O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme

21 Beispiel 2: Handelsraumsystem Computersystem liefert neueste Informationen über ausgewählte Aktien Marktpreis für eine Aktie: Objekt mit mehreren Instanzvariablen Informatiosprovider: Empfängt neue Handelsinformationen von entfernten Quellen und wendet sie auf Aktienobjekte an Ein verändertes Aktienobjekt (Ereignis) erzeugt Händler: Erzeugt ein Objekt für jede ihn interessierende Aktie, startet ein Abonnement beim Informationprovider und empfängt so en Händlers Rechner Händler Externe Quelle Händlers Rechner Händler Händlers Rechner Informationsprovider Händlers Rechner Händler Händler Externe Quelle O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme

22 Verteilte Ereignisbenachrichtigungen: Hauptkomponenten Ereignisdienst: Datenbank veröffentlichter Ergebnisse und Interessen der Abonnementen Relevantes Objekt: Objekt, dessen Zustand geändert wird Ereignis,, Publisher, Abonnenten (Subscriber) Beobachterobjekt: Entkopplung relevanter Objekte von Abonnenten Übernahme der Verarbeitung von en, um die Verarbeitungslogik in den veröffentlichenden Objekten zu reduzieren Rolle Weitergabe: Wickelt den gesamten Sendevorgang ab, bekommt alle Informationen über relevante Abonnenten Rolle Benachrichtungsmailboxen: Verzögerung der Auslieferung von en der Beobachter speichert diese temporär, bis der Abonnent aktiv ist und diese annehmen kann Rolle sfilter: Reduktion der empfangenen en abhängig von a-priori definierten Abonnentenfiltern Rolle Ereignismuster: Beschreibung einer Beziehung zwischen mehreren Ereignissen, auf die ein Abonnent reagieren will O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme

23 Verteilte Ereignisbenachrichtigungen: Aktionen Betrachtung von drei ausgewählten Fällen 1. Relevantes Objekt innerhalb des Ereignisdienstes ohne Beobachter sendet direkt an die Abonnenten 2. Relevantes Objekt innerhalb des Ereignisdienstes sendet an die Abonnenten über den Beobachter 3. Relevantes Objekt außerhalb des Ereignisdienstes ein Beobachter fragt das relevante Objekt nach aufgetretenen Ereignissen und sendet ggf. die an die Abonnenten Relevantes Objekt 3. Relevantes Objekt 1. Relevantes Objekt Beobachter 2. Beobachter Ereignisdienst Abonnent Abonnent Abonnent O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme

24 Zusammenfassung: Lokale vs. Entfernte Objektaufrufe Lokales Objektmodell: Sammlung miteinander interagierender Objekte (Daten + Methoden) Begriffe Objektreferenz: eindeutige Identität von Objekten Schnittstellen: Definition der Zugangspunkte eines Objekts Signatur der Methoden Ereignisse/Aktionen: initiiert durch ein Objekt, das eine Methode eines anderen Objekts aufruft Zustandsänderung von Objekten Exceptions/Ausnahmen: Meldung von Fehlern Verteiltes Objektmodell: Objekte sind auf mehr als einem Prozess verteilt Begriffe Entfernte Objektreferenz: eindeutige Identität eines Objekts im ganzen verteilten System Entfernte Schnittstellen: Schnittstelle eines entfernten Objekts (Interface Definition Language, IDL) Ereignisse/Aktionen können Prozessgrenzen überschreiten Exceptions: Weitergabe über Rechner- und Prozessgrenzen O. Kao Grundlagen der Verteilten Systeme