2 Reproduktion oder Verwendung dieser Unterlage bedarf in jedem Fall der Zustimmung des Autors.

Transkript

1 1 Definition Definition nach Tanenbaum/van Steen Ein Verteiltes System ist eine Ansammlung von unabhängigen Rechnern, die für seine enutzer wie ein einzelnes Computersystem aussieht. Verteilte Systeme Definition nach Schulthess Selbständige Rechner bilden ein Verteiltes System, wenn sie in der Lage sind, im Verbund ein gemeinsames Problem zu lösen. Definition nach Lamport Ein Verteiltes System ist eines, bei dem der Ausfall eines Rechners, von dem man vorher noch nie gehört hat, zum Ausfall des Gesamtsystems führt. Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 1 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 2 1 Defintion (2) 2 Anwendungsszenarien Hardware und Software Ein enutzer an einem Ort Hardware: hoch-parallele Anwendung mehrere Rechner effizientes Rechnen auf vielen Rechnern Kommunikation zwischen den Rechnern: e eispiele: Simulationen, aerdynamische erechnungen, Grid-Systeme Software: sprogramme spezielle Systemsoftware hier Fokus auf der (System-)Software EPFL Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 3 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 4

2 Ã 2 Anwendungsszenarien (2) 2 Anwendungsszenarien (3) Ein enutzer an mehreren Orten Verwendung verschiedener Rechner Wunsch nach homogener Umgebung eispiele: zentrale Dateihaltung (File-Server), zentraler Terminkalender Viele enutzer an vielen Orten Effizienz, Lastverteilung, Verfügbarkeit Überwindung der Ortsgrenzen eispiele: Virtuelle Welten, Multiuser-Spiele 5Star Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 5 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 6 2 Anwendungsszenarien (4) 2 Anwendungsszenarien (5) eispiele: Chat, Videokonferenz, CSCW (Computer Supported Collaborative Work), E-Commerce Überwindung der Orts- und Zeitgrenzen (z.. der Arbeitszeit) eispiele: , weltweite Automobilentwicklung Consulcad Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 7 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 8

3 3 Vorteile Verteilter Systeme 3 Vorteile Verteilter Systeme (2) Effizienz Rechenleistung vor Ort mehrere Rechner: effizientere Ausführung persönlicher PC statt Anschluss an Großrechner Parallelisierung (z.. wiss. erechnungen) gewisse Unabhängigkeit von anderen Rechnern Verteilung der Last vieler enutzer (z.. Webserver-Farm) gutes Verhältnis Kosten zu Effizienz viele billige Mikroprozessoren vs. ein teurer Großrechner Einsatz untätiger Rechner für kurzzeitige Spitzenlast Skalierbarkeit einfache Hinzunahme neuer Rechner vs. schwierige Aufrüstung eines Großrechners dennoch gemeinsame Nutzung zentraler etriebsmittel (z.. Farbdrucker, Scanner etc.) inhärent en kooperative Anwendungen räumlich getrennte enutzer und Geräte (z.. mehrere Firmenstandorte, der User zuhause) Einsatz Verteilter Systeme zum Ersatz des POTS (Plain Old Telephone Systems), z.. Tele- oder Videokonferenz Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 9 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 10 3 Vorteile Verteilter Systeme (3) 4 Hardware-Konfigurationen Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit Klassifikation von Rechnerarchitekturen nach Flynn (1972) redundante Auslegung von Komponenten möglich Gesamtsystem bleibt auch bei Ausfall von Komponenten verfügbar Maskierung von Fehlern von Hardware- und Softwarekomponenten Maskierung von Fail-Stop -Fehlern Maskierung von byzantinischen Fehlern SISD Single Instruction Stream, Single Data Stream alle Einprozessor-Maschinen (PC, Mainframe etc.) SIMD Single Instruction Stream, Multiple Data Streams Hochleistungsrechner: Vektorprozessor (z.. für effiziente Matrixoperationen) MISD Multiple Instruction Streams, Single Data Stream kein Rechner dieses Typs bekannt MIMD Multiple Instruction Streams, Multiple Data Streams parallele und Verteilte Systeme mit unabhängigen Prozessoren Verteilte Systeme sind im ereich MIMD angesiedelt Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 11 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 12

4 4 Hardware-Konfigurationen (2) Taxonomie von MIMD-Systemen eng gekoppelt Multiprozessoren (gemeinsamer Speicher) parallele und verteilte Systeme lose gekoppelt Multicomputer (privater Speicher) 4.1 Multiprozessoren Gemeinsamer Speicher alle Prozessoren können auf Speicher zugreifen Speicher ist kohärent geschriebene Daten sind unmittelbar sichtbar us-basierte Systeme Zugriff auf Speicher über us (sinnvolle Anzahl der CPUs begrenzt) Leistungsverbesserung durch lokale Caches Konsistenz durch Techniken wie us-snooping us-basiert Verbindungs- basiert us-basiert Verbindungsbasiert CPU Cache us nach Tanenbaum Memory Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 13 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] Multiprozessoren (2) 4.2 Multicomputer Verbindungs-basierte Systeme us-basierte Systeme nicht für mehr als 64 CPUs geeignet Cross-bar switch Omega switching network Memory 2x2 Switch CPUs CPUs Memory Jede CPU hat privaten Speicher us-basierte Multicomputer Workstations in a LAN Private Memory CPU Network schnelles Kommunikationsnetzwerk zwischen Prozessoren jeder Prozessor kann mit jedem anderen direkt kommunizieren langsamer Speicherzugriff Lösungsalternativen: hierarchische Systeme (NUMA = Non uniform memory access) Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 15 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 16

5 4.2 Multicomputer (2) 4.2 Multicomputer (3) Verbindungs-basierte Multicomputer eispiele für verschiedene Topologien: Grid Torus Hypercube Rechner in einem großen? us-basiert: jeder Prozessor ist mit jedem anderen konzeptionell verbunden? Verbindungs-basiert: keine direkte Verbindung zu den meisten Prozessoren (Weiterleitung von Nachrichten durch Zwischenknoten) Einordnung Frage der etrachtungsweise Jede CPU ist (nur) mit einer Reihe weiterer CPUs verbunden und kann nur mit diesen direkt kommunizieren Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 17 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 18 5 Software-Konfigurationen 5 Software-Konfigurationen (2) Verteilte Anwendung Unterstützung für en: Anwendung, die auf einem Verteilten System läuft keine mehrere Komponenten auf mehrere Rechner verteilt betriebssysteme interne, anwendungsabhängige Kommunikation verteilte etriebssysteme eng gekoppelte Anwendungskomponenten Middleware-Systeme starke Abhängigkeit zwischen den Komponenten starke Verzahnung, simultanes Arbeiten eispiele: parallele erechnung, Multiuser-Spiel lose gekoppelte Anwendungskomponenten gelegentliche Kommunikation, kaum Abhängigkeiten eispiele: WWW, verteiltes Dateisystem Unterscheidung kann nicht scharf getroffen werden Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 19 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 20

6 5.1 Keine Anwendungsunterstützung 5.2 betriebssysteme etriebssystem stellt keine Unterstützung für en bereit Anwendung kümmert sich um Identifikation verteilter Anwendungskomponenten Realisierung von Kommunikationsprotokolle etriebssystem stellt Kommunikationsprimitive bereit stellt einfache verteilte Dienste bereit, z.. verteiltes Dateisystem Anwendung realisiert anwendungsspezifische Kommunikation und Verteilung LS LS LS eispiel: WinSockets als Teil der Anwendung LS = lokales etriebssystem frei nach Weber LS LS LS Komm. Komm. Komm. eispiel: Linux-, UNIX-Sockets, NFS NS = betriebssystem Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 21 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] Verteilte etriebssysteme 5.4 Middleware-Systeme Aufgaben verteilter etriebssysteme Integration von Kommunikationsdiensten und Verteilungsmechanismen in lokales etriebssystem Identifikation verteilter Anwendungskomponenten Anwendung baut auf Programmiermodell des VS auf VS = Verteiltes etriebssystem Middleware ergänzt lokales etriebssystem zum verteilten etriebssystem lokales etriebssystem kann beibehalten werden Anwendung baut auf Programmiermodell von Middleware und NS auf Middleware NS NS NS frei nach Weber frei nach Weber eispiele: Amoeba, Emerald, Plurix, (Windows) eispiele:.net, CORA, Java RMI Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 23 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 24

7 5.5 Programmiermodelle 5.5 Programmiermodelle (2) Programmiermodell Konzepte und Mechanismen, die zur Entwicklung und zum Ablauf einer (verteilten) Anwendung bereitgestellt werden. egriffliche asis Strukturmodell egriffe zur Strukturierung der Anwendung in Teile egriffe zu Verbindungen dieser Teile z.. Prozess, Klasse, Objekt, Methode, Referenz Ablaufmodell egriffe zum Ablauf der Anwendung und Interaktion der Teile Wirkung auf die Struktur z.. Thread, Prozess, Methodenaufruf, Synchronisationsmittel Anforderungen verteilter Anwendungen Struktur verteilbare Struktureinheiten Referenzierung und enennung verteilter Einheiten Ablauf nebenläufige Abläufe Interaktion zwischen verteilten Einheiten (Kommunikation über Rechnergrenzen hinweg) weitere anwendungsabhängige Anforderungen Konzepte für nichtfunktionale Eigenschaften: Sicherheit, Fehlertoleranz, Skalierbarkeit, Rechtzeitigkeit usw. Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 25 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] Programmiermodell der Programmiersprache 5.7 Programmiermodell des etriebssystems Struktur- und Ablaufmodell: für lokale, nicht-nebenläufige Anwendungen eispiele: C, C++, Perl 5 für lokale, nebenläufige Anwendungen eispiele: Java, Ada für verteilte, nebenläufige Anwendungen eispiele: Emerald, Occam Ergänzungen zur Programmiersprache ibliotheken, z.. für Nebenläufigkeit (Thread-ibliotheken) Struktur- und Ablaufmodell für Anwendungen Prozesse und Threads Adressräume und Speichersegmente Kommunikationsprimitive Kombination mit Sprache offene Kombination der Konzepte z.. bei C und C++ vollständiges Verdecken der etriebssystemkonzepte in der Sprache z.. bei Java und seinen ibliotheken Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 27 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 28