Kap. 4: Anwendungsarchitektur

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1 Kap. 4: Anwendungsarchitektur 4.1 Einführung 4.2 Middleware-basierte Anwendungen 4.3 Grundlegende Architekturmodelle 4.4 Server-Architektur Verteilte Systeme 4-1

2 4.1 Einführung Forderungen an IT-Anwendungen: hohe Anpassungsfähigkeit! flexibles Abbilden heutiger und künftiger Geschäftsprozesse Verringerung der Entwicklungszeit (time-to-market) Integration existierender (Teil)-Lösungen Interoperabilität mit Fremdsystemen typ. Hinderungsgründe: unterschiedliche Betriebssysteme, Schnittstellen, Protokolle, Kooperationsparadigmen, Programmiersprachen,... niedrige Kosten! Verringerung g der Gestehungs-/Entwicklungskosten g Verringerung der Betriebs- und Management-Kosten (total cost of ownership) Verteilte Systeme 4-2

3 Lösungsansätze / Schlagworte 4.1 Offene Systeme (Hersteller-Unabhängigkeit) (1980s) Standardlösungen statt Individual-Entwicklung Client/Server Middleware Web-Techniken Application Server Wiederverwendung von Software (software reuse, componentware) Wiederverwendung von Diensten / Service-Orientierte Architekturen hier Fokussierung auf Architekturparadigmen Verteilte Systeme 4-3

4 Grundlegende architekturelle Konzepte 4.1 Prozedurale Ansätze Objektorientierung Komponentenorientierung Metaprogrammierung g (z.b. lesend: Reflection) Generative Programmierung Model-Driven Architecture (MDA) Aspektorientierung... Verteilte Systeme 4-4

5 4.2 Middleware-basierte Anwendungen Aufgabe der Middleware: Standard-Software-Schicht Software Schicht als Verteilungsplattform zur Integration von Programm-Komponenten Anwendungskomponenten K r K s K t K u Middleware-Schicht (Verteilungs-Infrastruktur) NOS / LOS Rechner... NOS / LOS Rechner Netzwerk Verteilte Systeme 4-5

6 Einordnung von Middleware 4.2 Workflow Management Kommunikation Applikationslogik (Middle Tier) RPC Messaging CORBA Datenzugriff SQL- Treiber Data Warehousing SQL-Gateway Server offene SQL-Server Multimedia- Middleware Ablaufkontrolle TP- Monitore Anwendungs- Berechnungen Berechnungen (nach Tresch, Informatik-Spektrum 19, 1996) Verteilte Systeme 4-6

7 Middleware-Architekturen 4.2 Jede Middleware ist charakterisiert durch ein Architektur- Paradigma mit Strukturmodell und Ablaufmodell Strukturmodell definiert die verteilbaren Einheiten (Programmkomponenten) ihre Benennung und Adressierung eventuelle Hilfskomponenten Aktivitätsmodell ität (Dynamik) definiert i Akteure Interaktionsmuster kommunizierte Einheiten Synchronisation Implementierung der Middleware erfordert Rückgriff auf Komponenten der unterlagerten Schichten (speziell NOS/LOS) Verteilte Systeme 4-7

8 Middleware-Architekturen (2) 4.2 Grad der Spezialisierung kann sehr unterschiedlich sein, z.b. Unterstützung eines allgemeingültigen Kooperationsansatzes (hier im Vordergrund) Datenbank-zentriert (SQL-Middleware, Transaktionsmonitore) Dokumenten/Workflow-orientiert Abhängigkeiten von Programmiersprachen manchmal sehr hoch (z.b. nur mit Java nutzbar) Abhängigkeiten von unterlagerten Betriebssystemen oft weniger stark Abhängigkeiten it von unterlagerter t Hardware i.d.r. sehr gering Verteilte Systeme 4-8

9 Historische Entwicklung 4.2 Nachrichtenorientierung kommunizierende Prozesse (Betriebssystem-Sockets) heute: MOM = Message-oriented Middleware, z.b. IBM MQSeries, Java Messaging Service JMS i.d.r. asynchrone Verarbeitung, häufig Persistenz, Transaktionsunterstützung Dienstorientierung Remote Procedure Call (RPC Middleware) z.b. SunRPC, OSF DCE, MS RPC Objektorientierung und Komponenten (Object Middleware) z.b. CORBA, MS DCOM, J2EE EJBs Dokumentenorientierung ti SOAP, Web Services, Service-Oriented Architecture (SOA), Grid-Computing Verteilte Systeme 4-9

10 Beispiel: System kommunizierender Prozesse 4.2 Grundmodell klassischer Betriebssysteme übertragen auf verteilte Systemumgebung Prozesse als verteilbare Einheiten Socket-Programmierung Berkeley Sockets (UNIX) Winsock (MS Windows) TLI Transport Level Interface» library-interface für Netzwerkprogrammierung: g t_ xxx» analoges Modell wie Sockets basierend auf STREAMS heute noch weit verbreitet, z.t. über Libraries verkleidet Verteilte Systeme 4-10

11 Socket-Programmierung (2) 4.2 Typische Merkmale: i.d.r. zwei Kommunikationspartner je Kanal Prozessen zugeordnete Sockets adressiert durch (Host-IP-Adresse, Portnummer) gepuffert blockierend oder nicht-blockierend beliebige Kommunikationsmuster implementierbar "Bytestrom"-Semantik Verteilte Systeme 4-11

12 System kommunizierender Prozesse (2) 4.2 Parallele Anwendungen (nicht in der Vorlesung behandelt) Programmierung von Parallelrechner-Anwendungen lauffähig auf echten Parallelrechnern oder heterogenen Rechner- Pools Basis bilden spezielle nachrichtenorientierte Library-Schnittstellen Verbreitet:» MPI Message Passing Interface» PVM Parallel Virtual Machine, Bedeutung gesunken Aktuell:» Grid Computing Rechenintensive Anwendungen über das Internet Basis: Web Services Lastverteilung Verteilte Systeme 4-12

13 Beispiel: Dienstorientierung 4.2 Basis: Remote Procedure Call (RPC) Dienste als verteilbare Einheiten Dienst = Service: Menge von offerierten Operationen/Funktionen Nutzung entfernter Dienste durch Prozeduraufrufe i.d.r. synchrone Verarbeitung kommunizierte Einheiten sind Requests und Responses, enthalten typisierte Parameter usw. in Netzdatendarstellung Basis für Client/Server-Anwendungen Verteilte Systeme 4-13

14 Verbreitete RPC-Systeme 4.2 SunRPC public domain, auf vielen Systemen lauffähig Bedeutung weniger durch Nutzung allgemeiner Anwendungen aber Netzwerkdateisystem NFS basiert auf SunRPC OSF DCE RPC, Microsoft RPC DCE Distributed Computing Environment: erste reiche Diensteumgebung ausgeprägte Berücksichtigung von Security-Anforderungen DCE RPC: ursprünglich aus Apollo NCS RPC entstanden auf vielen heterogenen Plattformen lauffähig zu komplex in der Nutzung Microsoft RPC weitgehend kompatibel zu DCE RPC Verteilte Systeme 4-14

15 Beispiel: System aus Objekten 4.2 Anwendung als im Netzwerk "lebende" Menge von Objekten Interaktion durch Methodenaufrufe (basierend auf RPC) Wesentliche Plattformen OMG CORBA» BS-Plattform- und Programmiersprachen-unabhängig» IOR als systemweite Objektreferenz» GIOP/IIOP als Aufrufprotokoll» zahlreiche objektorientierte Dienste verfügbar» offener Standardisierungsprozess eines int. Konsortiums» zahlreiche Produkte (Bereinigungsprozess ist erfolgt), u.a. Orbix (IONA, jetzt Progress), ORBacus (OOC, über IONA jetzt Progress), Weblogic (BEA, jetzt Oracle), VisiBroker (Borland), JacORB (freier Java-ORB, FU Berlin, komm. Version PrismTech), MICO (C++, Open Source Projekt, Ursprung Uni Frankfurt)» Gesunkene Bedeutung für Geschäftsanwendungen Verteilte Systeme 4-15

16 Wesentliche Plattformen (2) 4.2 Microsoft DCOM» Erweiterung eteu von COM/OLE unter Nutzung utu von Microsoft cosotrpc» weitgehend proprietäre Plattform» 1999 an Open Group übergeben» Bedeutung gesunken, aber Nutzung noch in Automatisierungstechnik» Microsoft's Folge-Basis ist.net Sun Java RMI» unterstützt ausschließlich homogene "Welt" von verteilten Java-Objekten Verteilte Systeme 4-16

17 Beispiel: System aus Komponenten 4.2 Komponenten als verteilbare Einheiten Interaktion durch Methodenaufrufe (basierend auf RPC) Enterprise Java Beans (EJB) als am weitesten verbreitetes Komponentenmodell Teil der Spezifikation von Java-Schnittstellen für Server-seitige Komponenten (J2EE) enger Bezug zu CORBA Ziel: Vereinfachung der Anwendungsentwicklung Application Server als integrierte Infrastruktur verbreitete Produkte (Stand 2007):» Freie: JBoss (steil aufgestiegen, jetzt Novell), JOnAS, Geronimo» IBM Websphere» BEA Weblogic» Oracle Application Server Verteilte Systeme 4-17

18 Beispiel: Web Services 4.2 Aktueller Hype Rückfall auf Dienste als verteilbare Einheiten aber Dokumente als kommunizierte Einheiten SOAP (ehemals Simple Object Access Protocol) W3C-Standard Objekte im Sinne der Objektororientierung existieren nicht Interaktion mittels SOAP RPC mit Request/Response-Nachrichten als XML-Dokumente asynchrone Verarbeitung prinzipiell möglich Protocol Binding Framework sieht prinzipiell verschiedene unterlagerte Transport-Dienste vor, z.b. auch FTP oder SMTP (vgl. ebxml) derzeit relevant: nur HTTP Verteilte Systeme 4-18

19 Beispiel: Web Services (2) 4.2 WSDL (Web Service Description Language) W3C-Standard Schnittstellenbeschreibungssprache (abstrakt) für die ausgetauschten Nachrichten: Types, Messages, Interfaces, Services XML-basiert UDDI (Universal Description, Discovery and Integration) (Konsortium) Web Services als Schnittstellen für ebusiness-partner (B2B) Unterstützung für Registrieren und Auffinden von Diensten durch UDDI Registry mit SOAP Interfaces dynamisches Binden an offerierte Dienste BPEL (Business Process Execution Language) Definition komplexer Interaktionen (Geschäftsprozesse) auch Web Services Choreography genannt Verteilte Systeme 4-19

20 4.3 Grundlegende Architekturmodelle Grundlegende Strukturmodelle für komplexe verteilte Anwendungen 1. Client/Server-Modell 2. Peer-to-Peer-Modell 3. Multi-Tier-Modell M ll Verteilte Systeme 4-20

21 4.3.1 Client/Server-Modell Das Client/Server-Modell ist ein Software-Architekturmodell für verteilte Anwendungen Es unterscheidet Rollen: Server: Erbringer eines Dienstes (Service), z.b. Web-Server liefert Seiten Client: Dienstnutzer, Kunde, Klient z.b. Browser fordert Seiten an Client und Server i.d.r. auf verschiedenen Rechnern Client Auftrag Server Antwort Verteilte Systeme 4-21

22 Client/Server-Modell (2) Kommunikationsvorgänge basieren auf Auftrag/Antwort- Interaktionsmuster und werden vom Client initiiert. Ein Client kann im zeitlichen Verlauf mit mehreren Servern arbeiten Ein Server kann Aufträge für verschiedene Klienten ausführen. Ein Server kann als Client gegenüber weiteren Servern auftreten (Wechsel der Rolle): Client Auftrag Server/ Client Auftrag Server Antwort Antwort Verteilte Systeme 4-22

23 Client/Server-Modell (3) Proxy zwischengeschaltete Instanz Server-Rolle gegenüber Client, Client-Rolle gegenüber eigentlichen Servern Aufgaben z.b. Caching, Modifikation der Anfragen,... Beispiel: Proxy-Server für Web-Seiten Client Proxy Server Server Verteilte Systeme 4-23

24 4.3.2 Peer-to-Peer-Modell (P2P) Kommunikation zwischen Gleichrangigen (= Peer) keine zusätzliche Infrastruktur (z.b. Server) beliebige nachrichtenorientierte Interaktion Basis für Ad-hoc-Kommunikation Beispiele File-Sharing, z.b. Gnutella, emule P2P-Entwicklungsplattformen JXTA, MSP2P Verteilte Systeme 4-24

25 4.3.3 Multi-Tier-Modell Tier = Reihe, Strang eher orthogonal zu (Abstraktions)-Schichten Anwendung besteht aus mehreren funktional ausgerichteten Strängen, i.d.r. orientiert an Benutzerschnittstelle / Präsentation Anwendungslogik / Funktion Datenhaltung enthält keine Festlegung über verwendete Middleware üblich Two-Tier-Architektur 3-Tier-Architektur N-Tier-Architektur Verteilte Systeme 4-25

26 Two-Tier-Architektur enthält Client-Strang und Server-Strang Einfache mögliche Aufteilungen Präsentation Tier 1 Funktion Daten Präsentation Funktion Präsentation Funktion Präsentation Präsentation Tier 2 Daten Funktion Daten Funktion Daten Präsentation Funktion Daten klassische lokale Anwendung entfernter Datenzugriff z.b. ODBC aufgeteilte Funktionalität verbreitet entfernte Präsentation z.b. klassische Web-Anwendung verteilte Präsentation z.b. X-Server "Thin Client" Verteilte Systeme 4-26

27 3-Tier-Architektur aktuelles Strukturmodell für komplexe Anwendungen Tier 1: Präsentation Tier 2 (Middle Tier): Logik / Funktion Tier 3: Daten Funktion Funktion DBMS Funktion Präsentation Funktion Funktion Legacy (Altlast)- System (Mainframe) Benutzungs- oberfläche z.b. auf PC/Windows oder Browser Verschiedene Anwendungsdienste oder -Komponenten im Netzwerk (Server) Datenbanksysteme, andere Daten-Server, Mainframe-Anwendungen Erweiterung auf N-tier-Architektur Verteilte Systeme 4-27

28 Multi-Tier Architecture Vorteile: Flexibilität Skalierbarkeit Lastverteilung möglich parallele Entwicklung möglich Integration von Legacy- Technologie möglich Migration zu neuen Technologien möglich, z.b. Web-Technologien Komponenten-Technologien Web Services Nachteile: Höhere Gesamtkomplexität (Verteilung, Heterogenität) SW-Entwicklung komplex, Debugging schwierig komplexe Netzinfrastruktur Management komplex zu Beginn kaum Kostenvorteil Performance-Probleme durch Nachrichten Transaktionskontrolle oft notwendig Verteilte Systeme 4-28

29 Beispiel: J2EE-Anwendung Tier 1: Präsentation Tier 2: Anwendungslogik Tier 3: Daten Web Client Browser Web- Server http Web-Container Servlets JSP-Seiten File System Eigenständiger Client Appl. RMI / IIOP Enterprise Beans (EJBs) JDBC DBMS IIOP EJB-Container CORBA-Welt Connectors Mainframe- Anwendung z.b. IMS Fremd-Welt Verteilte Systeme 4-29

30 Beispiel: komplexe 3-Tier-Anwendung Kommunikation der Komponenten auf der Basis von Middleware- Plattformen, z.b. RPC, RMI, IIOP Wrapping von Altapplikationen, Datenbanken, Mainframe- Anwendungen etc. Tier 1: Präsentation Tier 2: Funktion Tier 3: Daten Client DB- Service DBMS Browser http Web- Server EJB Server CORBA- Objekte Web Container Connect Server Servlets Appl. JSPs Dienste File System Mainframe IMS Verteilte Systeme 4-30

31 Beispiel: zukünftige Geschäftsanwendungen nach Scheer Produkt 1 Produkt n Client Vertrieb Service Client Materialwirtschaft EAI Service Client Client Porta al Produktion Rechnungswesen WFMS Service Service ERP Business Process Engine Web Choreography Web Services Verteilte Systeme 4-31

32 4.4 Server-Architektur Architektur-Prinzipien für die interne Struktur von Server- Prozessen Betrachtung orientiert sich an mittels Nachrichten kommunizierender Prozessen, aber auch übertragbar. Problem: Server muss i.d.r. mit mehreren Klienten kommunizieren können. Client Server... Client.. Verarbeitung.g Multiplexing Verteilte Systeme 4-32

33 Modelle 4.4 einfacher sequentieller Prozess parallele Server-Prozesse klassischer sequentieller Server als Zustandsautomat multithreaded Server Verteilte Systeme 4-33

34 Einfacher sequentieller Prozess 4.4 Ein Prozess bearbeitet nacheinander die Anfragen aller Klienten Problem, wenn Server während der Bearbeitung selbst zum Client gegenüber einem weiteren Server wird: der gesamte Server ist blockiert! Nachteile: keine Nebenläufigkeit im Server keine Nutzung einer unterlagerten Multiprozessor-Architektur durch einen einzelnen Server möglich. Ansatz ist in kommerzieller Umgebung selten akzeptabel! Verteilte Systeme 4-34

35 Parallele Server-Prozesse 4.4 Architektur: Server Client... Client Verbindungs- aufbau Sohn- Prozesse Sohn-Prozesse enthalten Gedächtnis für den Zustand der Kommunikation mit jeweils einem Client Vorteil: MP-Architektur kann genutzt werden aufwendiges Prozess-Handling aus Performance-Sicht Verteilte Systeme 4-35

36 Klassischer sequentieller Server 4.4 Architektur: Server als Zustandsautomat Client... Client Auswahllog gik Server... Zustand der Kommunikation von Client i Verbindungsaufbau while (1) { Verarbeitungs- logik } Auftragsverwaltung keine interne Blockierung: mehrere Aufträge können überlappend ausgeführt werden Multiplexing "von Hand" komplex zu programmieren Auswahllogik in UNIX: nicht-blockierende Aufrufe (Option O_NDELAY) und Polling select() Verteilte Systeme 4-36

37 Klassischer sequentieller Server (2) 4.4 Spezialfall 1: zustandsloser Server vereinfacht Sichtweise und Implementierung:» keine Auftragsverwaltung» kein Recovery nach Fehlern Beispiel: NFS-Server Spezialfall 2: Zustand ausschließlich in Datenbank Beispiel: Tandem NonStop Anwendungs-Server Server Client... Client } while (1) { Verarbeitungslogik DB Transaktionsverarbeitung für jeden Auftrag eines Clients Verteilte Systeme 4-37

38 Multithreaded Server 4.4 Automatisches Lösen des Multiplexing-Problems jedem Auftrag wird bei Beginn der Verarbeitung ein Thread fest zugeordnet jeder einzelne Thread kann innerhalb des Servers blockieren, aber Nebenläufigkeit bleibt insgesamt erhalten. Thread Pool Anwendbar für alle Paradigmen Synchronisation erforderlich Verteilte Systeme 4-38

39 Multithreaded Server (2) 4.4 Unterscheidung: Kernel Threads» Schedulable Entities für Dispatcher» automatische Nutzung einer unterliegenden MP-Architektur Thread Libraries (User-Level Threads)» zusätzlicher Scheduler in jedem Adressraum Threads sind mittlerweile in allen neueren Betriebssystemen verfügbar Verbreitete Programmierschnittstellen Pthreads POSIX Boost.Threads (C++) Verteilte Systeme 4-39

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