4.1 Vernetzung von Rechnern 4.2 Routing 4.3 ISO-OSI Referenzmodell 4.4 Internet: Architektur, Protokolle IP-Adressen Sockets 4.4.

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1 Grundlagen der Programmierung 1 Modul: Programmierung B-PRG Grundlagen der Programmierung 1 Teil 4 Verteilte Systeme Prof. Dr. O. Drobnik Professur Architektur und Betrieb verteilter Systeme Institut für Informatik Fachbereich Informatik und Mathematik Teil 4 Verteilte Systeme 4.1 Vernetzung von Rechnern 4.2 Routing 4.3 ISO-OSI Referenzmodell 4.4 Internet: Architektur, Protokolle IP-Adressen Sockets TCP Client / Server Modell DNS 4.1 Vernetzung von Rechnern Verteiltes Rechnersystem Prozess (Distributed Computer System) Rechner Kommunikationssystem Protokoll : Regeln für den Austausch von Nachrichten zwischen kommunizierenden Einheiten (Prozessen) : Format, Bedeutung und Reihenfolge (Ordnung) der Nachrichten Aktionen, die zur Übertragung und/oder beim Empfang einer Nachricht oder beim Auftreten eines anderen Ereignisses durchzuführen sind. Menge von autonomen Rechnern (kein gemeinsamer Speicher) Kommunikationssystem, das die Rechner untereinander verbindet und den Austausch von Nachrichten zwischen ihnen (bzw. Prozessen) ermöglicht (Menge von Hardware- und Software-Komponenten). Prozesse kooperieren zur Erfüllung einer gemeinsamen Aufgabenstellung ; die Kooperation erfolgt über Nachrichtenaustausch. Rechnernetz (Computer Network) Rechner und Kommunikationssystem ermöglichen Nachrichtenaustausch (sind kommunikationsfähig) enthalten jedoch keinerlei Mechanismen, die eine kooperative Aufgabenbearbeitung durch mehrere Programme unterstützt. (Anmerkung : Rechnernetz ist Basis eines verteilten Systems! ) Folie 3 Folie 4

2 Vernetzungsszenarien Komponenten: Host: Rechner mit Anwendungssoftware Router, Switch: Vermittlungsrechner, Routing-Algorithmen Übertragungsmedium: Leitungsgebundene Übertragung: Kupferkabel, Glasfaser Drahtlose Übertragung: WLAN Parameter: Übertragungsgeschwindigkeit [bit/s] Latenz [ms] (Verzögerungszeit) Firewall Gateway Unterscheidung nach Grad der räumlichen Ausdehnung: Lokales Netz (Local Area Network, LAN) Weitverkehrsnetz (Wide Area Network, WAN) Folie 5 Mobilfunk Firewall Intranet Frontend Techn. Prozesse CSMA Server Clients Vermittlungsnetze CSMA Fast-Ethernet Gigabit-Ethernet Cluster geostationär z.b. GPS, Galileo Backbone ATM Gigabit-Ethernet Sonet Token Ring Backbone Folie 6 Sonet Gateway Supercomp. WLAN Backend Rechner Data Warehouse 4.2 Der kürzeste Weg von einer Quelle zu anderen Knoten (Single Source Shortest Path, SSSP) Gegeben: ein gerichteter Graph G = (V, E) mit Kosten G E : E Nat. Der Knoten v 0 V ist der Startknoten. Gesucht: der Weg mit minimalen Kosten von v 0 zu allen anderen Knoten: kürzester Weg Beispiel: Startknoten: v 0 20 v 0 v v 1 20 v v 4 v 5 Weg Länge/Kosten 1 v 0 v v 0 v 2 v v 0 v 2 v 3 v v 0 v 4 45 Folie 7 Greedy-Algorithmus nach Dijkstra [KT06]: Betrachte eine Menge S der Knoten, zu denen bereits ein kürzester Weg gefunden wurde. Beginne mit S = {ø} In jedem Schritt wird ein Knoten v V \S zu S hinzugefügt, dessen Abstand zu Knoten u minimal ist (minimal unter dem Knoten in V \S). Dieser Knoten v läßt sich von Knoten u erreichen, indem man nur über Knoten in S läuft. Es kann also keinen kürzeren Weg zu v geben, der über einen Knoten w V \S läuft. u Falls (u,, w, v) kürzer ist als (u,, v), wäre nicht v gewählt worden, sondern w. Daher muß w S gelten. Es genügt also, den kürzesten Pfad ausgehend von den Knoten in S aus zu suchen. Folie 8

3 Dictionary in Python Dictionary: Datentyp { key : value } key dient als Index. Als Index nicht zugelassen sind Dictionaries und Listen. value ist eine beliebiges Objekt. Zugriff auf Elemente eines Dictionary dict: dict[k] = v: fügt den Wert v mit Index k ein. Falls Index k schon existiert, wird der alte Wert mit v überschrieben. dict[k]: liefert Wert (Objekt) mit Index k. dict.keys(): liefert Liste aller Indizes (auch Schlüssel genannt) dict.values(): liefert Liste aller Werte del dict[k]: löscht Eintrag mit Index k. Folie 9 Beispiel Dictionary >>> dict={ Apfel : apple, Birne : pear } >>> print dict {'Apfel': 'apple', 'Birne': 'pear'} oder >>> dict ={} >>> dict[ Apfel ]= apple >>> dict[ Birne ]= pear >>> print dict {'Apfel': 'apple', 'Birne': 'pear'} >>> print dict[ Apfel ] apple >>> print dict.keys() ['Apfel', 'Birne'] >>> print dict.values() ['apple', 'pear'] >>> del dict[ Birne ] >>> print dict {'Apfel': 'apple'} Folie 10 Variablen im Programm: g result short vertices distance pathcost nearest anchor Graph g als Datenstruktur: class Graph Liste der kürzesten Wege einschließlich der zugeordneten Kosten Menge S der Knoten, zu denen bereits kürzeste Wege bestimmt worden sind. Dictionary mit Elementen: {Ziel : (Liste der Knoten, Kosten des Weges)} Differenzmenge V \ S: Liste Kosten der bisher gefundenen kürzesten Wege von v zu Knoten v j in vertices über Knoten v i in short Kosten des aktuell betrachteten Weges None: unendl. Kosten, keine Kante Knoten aus vertices, zu dem der bisher kürzeste Weg gefunden wurde Direkter Vorgänger von nearest in short Folie 11 Repräsentation von Graphen (vgl. Minimaler Spannbaum): init: Erzeugen eines Graphen addvertex: Hinzufügen eines Knotens addedge: Hinzufügen einer markierten Kante getvertices: Liefert die Menge der Knoten cost: Liefert Kosten zu einer Kante des Graphen, sofern die Kante existiert; None: Sonst Interne Kantendarstellung: i = ((v1,v2,),c) i[0][0] = v 1 i[0][1] = v 2 i[1] = c Folie 12

4 Die Graph-Klasse Die Graph-Klasse (2) import copy from operator import itemgetter class Graph: def init (self): self.knotenliste = [] self.kantenliste = [] def addvertex(self, v1): if v1 not in self.knotenliste: self.knotenliste.append(v1) def addedge(self, v1, v2, c): if not v1 == v2: self.addvertex(v1) self.addvertex(v2) for i in self.kantenliste: a1 = i[0][0] a2 = i[0][1] if a1 == v1 and a2 == v2: self.kantenliste.remove(i) self.kantenliste.append(((v1,v2),c)) Folie 13 def getvertices(self): return copy.copy(self.knotenliste) def getedges(self): kanten = copy.copy(self.kantenliste) return sorted(kanten, key=itemgetter(1)) def cost(self, v1, v2): ret = None for i in self.kantenliste: a1 = i[0][0] a2 = i[0][1] if a1 == v1 and a2 == v2: ret = i[1] return ret Folie 14 def printshort(dict,result): ## debug-ausgabe-funktion print eins = "short = " for v in dict.keys(): print "%s '%s' : %s" % (eins,v,dict[v]) eins = " " print "result = %s" % result Folie 15 # SSSP nach Dijkstra def sssp(g, v): result = [] vertices = g.getvertices() vertices.remove(v) short = {v: ([v], 0)} printshort(short,result) ### debug-ausgabe while len(vertices) > 0: distance = None for vs in short.keys(): for vv in vertices: pathcost = g.cost(vs,vv) if pathcost <> None: pathcost = pathcost + short[vs][1] if distance == None or distance > pathcost: distance = pathcost nearest = vv anchor = vs if distance == None: break vertices.remove(nearest) short[nearest] = (short[anchor][0] + [nearest], short[anchor][1] + g.cost(anchor, nearest)) result.append((short[nearest][0], short[nearest][1])) printshort(short,result) ### debug-ausgabe return result Folie 16

5 g = Graph() g.addvertex('v0') g.addvertex('v1') g.addvertex('v2') g.addvertex('v3') g.addvertex('v4') g.addvertex('v5') g.addedge('v0','v1',50) g.addedge('v0','v2',10) g.addedge('v2','v0',20) g.addedge('v1','v2',15) g.addedge('v2','v3',15) g.addedge('v1','v4',10) g.addedge('v3','v4',35) g.addedge('v4','v3',30) g.addedge('v5','v3',3) g.addedge('v0','v4',45) g.addedge('v3','v1',20) ergebnis = sssp(g, 'v0') short = 'v0' : (['v0'], 0) result = [] short = 'v0' : (['v0'], 0) 'v2' : (['v0', 'v2'], 10) result = [(['v0', 'v2'], 10)] short = 'v0' : (['v0'], 0) 'v2' : (['v0', 'v2'], 10) 'v3' : (['v0', 'v2', 'v3'], 25) result = [(['v0', 'v2'], 10), (['v0', 'v2', 'v3'], 25)] short = 'v0' : (['v0'], 0) 'v2' : (['v0', 'v2'], 10) 'v3' : (['v0', 'v2', 'v3'], 25) 'v4' : (['v0', 'v4'], 45) result = [(['v0', 'v2'], 10), (['v0', 'v2', 'v3'], 25), (['v0', 'v4'], 45)] Folie 17 Folie 18 short = 'v0' : (['v0'], 0) 'v1' : (['v0', 'v2', 'v3', 'v1'], 45) 'v2' : (['v0', 'v2'], 10) 'v3' : (['v0', 'v2', 'v3'], 25) 'v4' : (['v0', 'v4'], 45) result = [(['v0', 'v2'], 10), (['v0', 'v2', 'v3'], 25), (['v0', 'v4'], 45), (['v0', 'v2', 'v3', 'v1'], 45)] Laufzeit: Die hier vorgestellte Implementierung besitzt eine Laufzeit der Größenordnung: V 3 Durch bessere Datenstrukturen lässt sich eine Laufzeit in der Größenordnung von erreichen. V log V + E 4.3 ISO-OSI Referenzmodell Das ISO-OSI OSI Referenzmodell Protokolle werden durch kooperierende Instanzen (Prozesse) abgewickelt. Diese tauschen Protokolldateneinheiten aus, die neben den zu übertragenden Daten die protokollrelevante Informationen erhalten (z.b. Sequenznummern, Prüfsummen). Bei der Kommunikation zwischen Rechnern kommen i.a. mehrere Protokolle zum Einsatz, die verschiedene Aufgaben erfüllen und aufeinander aufbauen. Elementare Protokolle realisieren Funktionen, die von höheren Protokollen verwendet werden, um ihrerseits neue Funktionen zu realisieren. Folie 19 Folie 20

6 ISO-OSI Referenzmodell Architekturmodell für Kommunikationssysteme : Zerlegung des komplexen Kommunikationsvorgangs in einfachere Teilfunktionen, die weitgehend voneinander unabhängig betrachtet werden können. Probleme : Identifikation der Teilfunktionen Zusammenwirken der Teilfunktionen zur Erfüllung des Systemzwecks Kommunikation : Austausch von Informationen zwischen Partnern mittels Nachrichten über ein Medium. ISO-OSI Referenzmodell ISO OSI International Organisation for Standardisation Open Systems Interconnection /83 : Int. Standard Zweck dieses Modells : Bereitstellung einer gemeinsamen konzeptuellen Basis zur Koordination der internationalen Entwicklung von existierenden und zukünftigen Standards für die Kommunikation zwischen Systemen im Sinne offener Systeme. Einschätzung des Werts existierender Standards. Identifikation von Bereichen, in denen Standards neu entwickelt werden oder verbessert werden müssen. Flexibilität gegenüber neueren technischen Entwicklungen. Das Referenzmodell unterteilt die vom Kommunikationssystem zu erbringenden Aufgaben in sieben aufeinander aufbauende Schichten: Folie 21 Folie 22 ISO-OSI Referenzmodell Anwendung (application) Darstellung (presentation) Kommunikationssteuerung (session) Transport (transport) Vermittlung (network) Sicherung (data link) Bitübertragung (physical) Semantik der durchzuführenden Aktion Syntaktische Regeln für den Informationstransfer mit Umsetzung Organisation und Synchronisation der Kommunikation zwischen Anwendungsprozessen Transparenter, zuverlässiger und kostengünstiger Transfer von Daten zwischen Anwendungsprozessen Transfer von Daten zwischen Endsystemen über gekoppelte Teilstrecken oder Netze Überwachung von Teilstrecken mit Fehlererkennung und Fehlerkorrektur Übergang von Bits über Medien ohne Sicherung (z.b. über Glasfaser) Jede Schicht stellt eine Menge von Funktionen bereit, die der Schnittstelle zur darüberliegenden Schicht zur Verfügung steht, und als Dienst bezeichnet wird. Ein Dienst wird an Dienstzugangspunkten bereitgestellt. Dienstzugangspunkte werden durch Adressen identifiziert. 4.4 Internet: Architektur, Protokolle App X Host TCP IP Client Network Access Protocol #1 (NAP 1) Bitübertragung (physical) Port Logische Verbindung (TCP) Globale Internet Adresse Router NAP 1 NAP 2 Netzwerk 1 Netzwerk 2 Physisch IP Physisch z.b. Ethernet Host Server App Y TCP IP Network Access Protocol #2 (NAP 2) Bitübertragung (physical) Folie 23 Folie 24

7 4.4.1 IP-Adressen (1) IP : Internet Protocol IP ist ein verbindungsloses Protokoll. Es bietet die Basis für eine Vielzahl der im Internet verwendeten Protokolle. IP-Adressen Die Adressen der Schicht 3 sind IP-Adressen. IP-Adressen sind 32-Bit Zahlen, die meist byteweise notiert werden, z.b IP-Adressen sind in fünf Klassen unterteilt : IP-Adressen (2) Eine IP-Adresse der Klasse A,B oder C identifiziert eine Netzschnittstelle, nicht einen Rechner, denn ein Rechner kann mehrere Netzschnittstellen besitzen. Beispiel für eine IP-Adresse Als Beispiel dient die IP-Adresse eines Rechners im Netz der Universität Frankfurt : Folie 25 Folie 26 IP-Routing Beim Transport eines IP-Paketes lassen sich zwei Fälle unterscheiden. Der Empfänger ist direkt mit dem Sender verbunden, z.b. über eine PPP-Verbindung oder durch eine Schnittstelle zum gleichen Netz : IP-Pakete können direkt an den Empfänger gesendet werden. Der Empfänger ist nicht direkt mit dem Sender verbunden : IP-Pakete müssen über Netzgrenzen hinweg transportiert werden. Dazu werden die IP- Pakete an den Default-Router des lokalen Netzes gesendet, der sie auf der Basis seiner Routing-Tabellen an den Empfänger liefert. Routing - Protokolle (RIP, OSPF) dienen der Erstellung der Routing Tabellen. OSPF: Basiert auf Dijkstra-Algorithmus für kürzeste Wege. Folie TCP : Transmission Control Protocol TCP ist ein verbindungsorientiertes, zuverlässiges Transportprotokoll. Die Kommunikation zwischen Endsystemen erfolgt bei TCP in drei Schritten Aufbau der Kommunikationsverbindung, Austausch von Daten, Abbau der Kommunikationsverbindung. TCP unterteilt Anwendungsdaten in Segmente (TCP-Segmente), die mit IP transportiert werden. Die Größe der Segmente kann von den Kommunikationspartnern beim Verbindungsaufbau bestimmt werden. Folie 28

8 4.4.3 Sockets Die Adressen der Schicht 4 sind Sockets. Sockets bestehen aus : IP-Adresse und Portnummer Port: Adreßkomponente, identifiziert Speicherbereich für die Daten einer Kommunikationsverbindung Portnummer: Zahl zwischen Schreibweise für Sockets : IP-Adresse:Port z.b :22. Sockets erlauben die Adressierung verschiedener Empfänger innerhalb eines Rechners, z.b. verschiedener Prozesse. orientieren sich am Unix-Prinzip für Datei-Zugriff: Open Read Write Close (ORWC) Sockets Durch die feste Zuordnung eines Teils der Portnummern zu Diensten (RFC 3232 ) wird die Bereitstellung von Internetweit-verfügbaren Diensten ermöglicht. well known ports: Port 21 : File Transfer Protocol (FTP) Port 22 : Secure Shell (SSH) Port 80 : Hypertext Transfer Protocol (HTTP) registered ports: dynamic and/or private ports: Folie 29 Folie Client / Server - Modell Client / Server - Modelle beruhen auf dem Grundsatz einer funktionalen Trennung von Benutzer (Client) und Bereitstellung sowie Verwaltung von Betriebsmitteln / Diensten (Server). Betriebsmittel sind u. a.: Rechnerleistung, Datenbestände, Plattenspeicher, etc. Client: Server: System, das die Dienstleistung eines Servers anfordert und nutzt. Zentrales oder dezentrales System, auf dem Dienste (Services) installiert sind, die vom Client aufgerufen und genutzt werden. Beispiel: WWW-Browser (Client), - Server Protokoll HTTP unter Benutzung von TCP Schema für Client-Server Interaktion Der Client sendet eine Nachrichte an den Server, in der er den zu erbringenden Dienst spezifiziert. Der Server nimmt die Nachricht entgegen und führt den Dienst aus. Falls kein Fehler aufgetreten ist, sendet der Server das Ergebnis in einer weiteren Nachricht an den Client zurück. Im Fehlerfall wird ein Fehlerindikator zurückgeschickt. Der Client nimmt das Ergebnis (bzw. den Fehlerindikator) entgegen und verarbeitet dies weiter. Client send (p) Entkopplung, ggf. weitere Aktivitäten und Anforderungen receive (r) Ergebnis (Reply) Anforderungen (Request) Server receive (p) Bearbeitung von p send (r) Folie 31 Folie 32

9 4.4.5 DNS - Verwaltung des IP-Adressraums Domain Name System (DNS) ICANN (the Internet Corporation for Assigned Names and Numbers) ist verantwortlich für : IP Adressraum Zuordnung, Protokollparameter Zuweisung, DNS (Domain Name System) Management, Root Server System-Managementfunktionen. DNS : DNS ist eine verteilte Datenbank u.a. zur Abbildung von Rechnernamen auf Adressen (und umgekehrt). Eigenschaften: Es gibt keine Instanz auf dem Internet, der die kompletten Informationen vorliegen. Nameserver stellen Daten zur Verfügung. Zugang zum DNS : über Resolver (Bibliothek). Die TCP/IP-Protokolle wissen nichts über DNS. Folie 33 DNS verwendet einen hierarchischen Namensraum (Baum), ähnlich dem Unix-Dateisystem. Jeder Knoten hat einen Namen (label) von bis zu 63 Zeichen. An der Wurzel des Baums befindet sich ein besonderer Knoten mit einem Namen der Länge 0. Groß- und Kleinschreibung in Namen ist irrelevant. Der Domainname eines Knotens ist die Liste der Knotennamen beginnend mit dem Namen des Knotens selbst bis zur Wurzel, wobei die Namen mit Punkten (. ) voneinander getrennt werden. Ein Domainname, der mit einem Punkt endet, heißt absoluter oder voll qualifizierter Domainname (fully qualified domain name, FQDN), zum Beispiel: hera.rbi.informatik.uni-frankfurt.de. (IP-Adresse: ) Folie 34 Internet-Architektur Vernetzung der Universität Frankfurt Internet heute Großes Unternehmen Autonome Systeme Internet Service Provider (ISP) Peering Point Backbone Service Provider Peering Point ISP Transit ISP Kleinfirma Großes Unternehmen Folie 35 Folie 36

10 Literaturverzeichnis [KT06] [PD03] [Sta07] [TS07] J. Kleinberg und E. Tardos. Algorithm Design. Addison Westley, 2006 L. Peterson and B. Davie. Computernetze. dpunkt.lehrbuch, 2003 W. Stallings. Data and Computer Communications. Pearson, 2007 A. Tanenbaum and M. van Stehen. Distributed System. Pearson 2007 Folie 37