Verteilte Systeme CS5001

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1 Verteilte Systeme CS5001 Th. Letschert TH Mittelhessen Gießen University of Applied Sciences Verteilte Programme und Anwendungen I -

2 Verteilte Programme Verteilte Algorithmen und verteilte Programme Programm Ein Programm ist ein Algorithmus in einer formal definierten Notation = Programmiersprache der Sprache ist dabei eine operative (ausführbare) Semantik (= Implementierung) zugeordnet. Verteiltes Programm Ein verteiltes Programm ist ein verteilter Algorithmus in einer Programmiersprache. Problem: Es gibt (fast) keine Programmiersprachen in denen verteilte Algorithmen formuliert werden können. Verteilte Algorithmen haben zwei Bestandteile: Definition der lokalen Prozesse Erfolgt typischerweise in einer beliebigen Programmiersprache die Kommunikationsoperationen des Betriebssystems unterstützt Definition der Topologie Erfolgt typischerweise durch Konfigurationen / Installationen der Prozesse auf autonomen Prozessoren. Beides wird üblicherweise in einer inhomogenen Kollektion von Dokumenten (Programmtext, Konfigurationsdateien, ) festgelegt. Dilemma Verteilte Algorithmen als ausführbare verteilte Programme sind i.d.r. voller anwendungsspezifischer technischer Details, unverständlich und aufwendig zu realisieren. Verteilte Algorithmen als nicht-ausführbarer Pseudocode sind wenig überzeugend ( langweilig ). Seite 2

3 Verteilte Programme Vom verteilten Algorithmus zum verteilten Programm Verteilter Algorithmus Pseudocode + Modell (meist implizit) Verteiltes Programm Vielzahl an Implementierungsmöglichkeiten: Programmiersprachen + unterstützende Infrastruktur unklare, implementationsabhängige Semantik ~> unklares Modell Seite 3

4 Verteilte Anwendungen Vom verteilten Programm zur verteilten Anwendung Verteiltes Programm Ein Problemlösung in Form von kommunizierenden Prozessen Verteilte Anwendung Lösung eines anwendungsorientierten Problems das sich auf entkopplelten Systemen einheitlich stellt. Verteilte Anwendung und verteiltes Programm Begriffe nicht streng getrennt / oft synonym gebraucht verteilte Anwendungen sind anwendungs- statt infrastruktur-orientiert verteilte Anwendungen können aus einer Vielzahl verteilter Programme bestehen die man aber auch Module / Schichten bezeichnen kann. Seite 4

5 Verteilte Anwendungen Verteilte Anwendungen - Historisch Warum verteilt Systeme sind verteilt auf Grund der Forderung der Anwendung Welche Probleme entstehen durch die Verteiltheit Auffinden des Partners => Namensdienste Marshalling: strukturierte Daten über Sprach- und Plattform-Grenzen transportieren (Größe, Bitordnung elementarer Daten, Struktur komplexer Daten,...) Lösungen 1 ~ 1980 Verteilung wird auf der Hardware realisiert (Treiber für Netzgeräte) ~ 1990 Verteilung wird auf einer Betriebssystem-Plattform realisiert (Netzwerk- / Socket-Programmierung) Windows ab 1992 mit TCP/IP Unterstützung ~ 2000 Sprachunterstützung der Socket-Programmierung in (einer sehr dünnen Schicht) Pionier Java ~ intensive Forschung zu verteilten Betriebssystemen BS als Schicht über Netzwerkknoten, Verteilung der Prozesse ist transparent gescheitert ~ 1990 OSI : Session- / Presentation-Layer ~ 2000 ~ 2005 SOA, Web die Suche nach dem heiligen Gral der Verteiltheit geht weiter Seite 5

6 Verteilte Anwendungen Verteilte Anwendungen - Historisch Plattformen der Verteilung Mitte der 90er typisch: C-Programme mit Nutzung einer Schicht-4-API (Netzwerk-Programmierung / Sockets) statt Treibersoftware in Assembler Forschungsthema, Anwendung durch fortgeschrittene Entwickler Abstraktion von Schicht-4 Diensten z.b. OSI: Presentation- / Session-Layer Unterstützung durch spezielle Dienste z.b. Namensdienste Standard-Code-Bausteine (generiert / bereit gestellt) z.b. RPC Bereitstellung von Standardlösungen in Bibliotheken z.b. XDR Integration in Programmiersprachen in unaufhaltsamen Aufstieg: Web-Technologien Vereinfachung der Problemstellungen und Lösungen nur ein Protokoll: HTTP (fast) nur ein Serialisierungskonzept: Text, XML, JSON Seite 6 wird zu, SOA,...

7 Middelware Verteilte Anwendungen via Ziel Die Verteiltheit soll weitgehend transparent (d.h. unsichtbar) für den Anwendungsentwickler sein. Dazu werden Softwareabstraktionen, z.b. Protokolle (De-) Serialisierungshilfen und Tools und Infrastruktur, z.b. Namensdienste (zum Auffinden des Partners) Broadcast Gruppenkommunikation.. bereitgestellt. i.d.r. nicht verteilte Algorithmen verteilte Anwendung verteilte Algorithmen BS BS BS BS BS BS HW HW HW HW HW HW Seite 7

8 / Beispiel RPC Server Client generiert generiert Stub-P1 Daten de/codieren... Skelteton Daten codieren decodieren Stub-Pn Daten de/codieren Prozedur P1... Prozedur Pn Anwendungsentwickler schreiben Programme und Prozeduren die mit Hilfe von generiertem Code und Bibliotheksfunktionen verteilt werden. Seite 8

9 / Beispiel RMI The advocated strategy to writing distributed applications is a three phase approach. The first phase is to write the application without worrying about where objects are located and how their communication is implemented. The second phase is to tune performance by concretizing object locations and communication methods. The final phase is to test with real bullets (partitioned networks, machines going down, ). Waldo et al. a note on distributed computing (1994) RMI ist eine Weiterentwicklung des RPC-Prinzips: - Verteilte Objekte statt verteilte Prozeduren - Strikte Beschränkung auf eine Programmiersprache. - Dadurch Vereinfachung und Flexibilisierung. Seite 9

10 / RMI Serialisieren / Deserialisieren generierte Serverprozesse automatisches Laden der notwendigen Klassen (Objekte gehören immer zu Klassen) automatisches Generieren und Laden von Stellvertreter-Objekten Klasse mit Methoden Prozess Prozess generieren, Client ProxyObjekt Objekt laden Proxy-Klasse mit Methoden Seite 10

11 Beispiel Puffer : Lokale (unverteilte) Lösung public class Buffer<TokenType> { TokenType place; boolean empty = true; public class Main { static enum Token { PING, PONG ; static Buffer<Token> buffer = new Buffer<>(); synchronized void put(tokentype t) throws InterruptedException { while (! empty ) wait(); place = t; empty = false; notify(); public static void main(string[] args) { new Thread(new Runnable(){ // Producer public void run() { while (true) { try { buffer.put(token.ping); Thread.sleep(1000); System.out.println(buffer.get()); catch (InterruptedException e) { ).start(); synchronized TokenType get() throws InterruptedException { while ( empty ) wait(); empty = true; notify(); return place; new Thread(new Runnable(){ // Consumer public void run() { while (true) { try { buffer.put(token.pong); Thread.sleep(1000); System.out.println(buffer.get()); catch (InterruptedException e) { ).start(); Verteilung: Produzent / Konsument und Puffer in getrennten Prozessen. Seite 11

12 Puffer : Implementierung mit RMI (1) java.io.serializable; java.rmi.remote; java.rmi.remoteexception; Service-Schnittstelle: Diesen Dienst wird das Objekt seinen Clients anbieten. public interface BufferI<TokenType extends Serializable> extends Remote { public void put(tokentype t) throws RemoteException, InterruptedException; public TokenType get() throws RemoteException, InterruptedException; java.io.serializable; java.rmi.remoteexception; java.rmi.registry.locateregistry; java.rmi.registry.registry; java.rmi.server.unicastremoteobject; public class RMIBuffer<TokenType extends Serializable> implements BufferI<TokenType> { private TokenType place; private boolean empty = public synchronized void put(tokentype t) throws RemoteException, InterruptedException { while (! empty) wait(); place = t; empty = false; Servicenotify(); public synchronized TokenType get() throws RemoteException, InterruptedException { while ( empty ) wait(); empty = true; notify(); return place; Seite 12

13 Puffer: Implementierung mit RMI (2) public static void main(string[] args) throws RemoteException { RMIBuffer<Token> obj = new RMIBuffer<>(); BufferI<Token> stub = (BufferI<Token>) UnicastRemoteObject.exportObject(obj, 0); Registry registry = LocateRegistry.createRegistry(Registry.REGISTRY_PORT); registry.rebind("rmibuffer", stub); ServiceRegistierung System.err.println("Server ready"); Seite 13

14 Puffer : Implementierung mit RMI (3) java.net.malformedurlexception; java.rmi.naming; java.rmi.notboundexception; java.rmi.remoteexception; Produzent public class Pinger { public static void main(string[] args) throws MalformedURLException, RemoteException, NotBoundException, InterruptedException { BufferI<Token> buffer = (BufferI<Token>) Naming.lookup("rmi:// /RMIBuffer"); while (true) { buffer.put(token.ping); java.net.malformedurlexception; java.rmi.naming; java.rmi.notboundexception; java.rmi.remoteexception; Konsument public class Consumer { public static void main(string[] args) throws MalformedURLException, RemoteException, NotBoundException, InterruptedException { BufferI<Token> buffer = (BufferI<Token>) Naming.lookup("rmi:// /RMIBuffer"); while (true) { System.out.println(buffer.get()); Seite 14

15 Verteilte Programme Verteilte Anwendungen und heute Das Ziel Transparenz der Verteiltheit wird relativiert Die Herausforderung verteilter Programme liegt in den Problemen der Verteiltheit. Diese können und sollen nicht weg-abstrahiert werden, sondern müssen vom Anwendungsentwickler gelöst werden, indem sich sich von den acht Trugschlüssen (Peter Deutsch, James Gosling) des verteilten Rechnens verabschieden: 1. The network is reliable. 2. Latency is zero. 3. Bandwidth is infinite. 4. The network is secure. 5. Topology doesn't change. 6. There is one administrator. 7. Transport cost is zero. 8. The network is homogeneous. RMI beispielsweise ist perfekt solange nichts davon sich als Fehleinschätzung herausstellt, solange also nicht schief geht. Infrastukturprobleme sind weitgehend gelöst, eine weitere absolute Transparenz wird nicht angestebt. Aufgabe: In wie weit passt RMI zum Asynchronen Modell? Seite 15

16 Verteilte Anwendungen Verteilte Anwendungen via Web-Technologien Reduktion auf HTTP als Transport-Protokoll Alle Kommunikation nutzt HTTP Reduktion auf Request-Response Anwendungs-Protokolle Alle Anwendungs- (Session-) Protokolle sind Request-Response-Protokolle Web-Sockets: lange überfällige Überwindung dieser Beschränkung Reduktion auf wenige Serialisierungskonzepte XML / JSON / HTML Seite 16

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