Grundlagen verteilter Systeme

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1 Universität Augsburg Insitut für Informatik Prof. Dr. Bernhard Bauer Wolf Fischer Christian Saad Wintersemester 08/09 Übungsblatt Grundlagen verteilter Systeme Lösungsvorschlag Aufgabe 1: a) Was versteht man unter der byzantinischen Fehlerklasse? (1 Punkt) b) Zu welchem Problem könnte ein byzantinischer Prozess führen, der für das NTP-Protokoll zuständig ist? (1 Punkt) c) Zeichnen Sie den Ablauf eines gesamten Request-Zykluses ausgehend von einem Client über einen Proxy-Cluster (d.h. > 1 Proxy-Server) zu einem Cluster von Web-Servern. (2,5 Punkte) d) Wie lässt sich bei einer Client-Server-Architektur die Performance (aus Sicht des Clients!) der Server-Seite (als Beispiel sei hier HTTP verwendet) verbessern, wenn der HTTP-Server selbst nicht aufgewertet werden kann? (1 Punkt) e) Welche Möglichkeit der Optimierung gibt es auf Seiten eines Clients für den Fall, dass ein Server aufgrund hoher Performance-Schwankungen eines Drittsystems zu langsam antwortet. (1 Punkt) a) Die byzantinische Fehlerklasse umfasst jene Fehler, die ein System stören, indem sie Protokollkonforme Antworten schicken, die Prozesse selbst jedoch nicht mehr korrekt funktionieren. Die von solchen Prozessen zurückgegebenen Antworten sind zwar theoretisch möglich, aber inhaltlich nicht korrekt. b) Protokolle, die auf korrekter Zeitsynchronisation basieren, funktionieren nicht oder unvollständig, da der NTP-Prozess falsche Daten bereitstellt. Anwendungen, die durch ihre Beschaffeneinheit prinzipiell Zeit-abhängig sind, können fehlerhafte Informationen ausgeben, beispielsweise ein System bei einer Börse. c) Siehe Abbildung 1. d) Für den Fall dass der HTTP-Server an sich nicht veränderbar ist, können Proxy-Server vor diesem eingesetzt werden, um Zugriffe zu cachen und damit eine Beschleunigung herbeizuführen. e) Die Parallelisierung der Anfragen wäre eine Möglichkeit, die Anfragen insgesamt schneller abzuarbeiten. Allerdings wäre dafür zu untersuchen, ob diese parallelisierten Anfragen weitere Performance-Einbußen auf dem Drittsystem nach sich ziehen könnten, beispielsweise weil für jede Anfrage an den Server eine Anfrage an das Drittsystem gestellt wird. Aufgabe 2: Die Prozesse P0, P1, P2, und P3 regeln den exklusiven Zugriff auf eine Datenbank: Anfangs sind alle 4 Prozesse im Zustand RELEASE. Nun möchte P1 (seine Uhr steht auf t=8) den Zugriff auf die Datenbank bekommen und sendet 1

2 Abbildung 1: Request-Zyklus Client-Proxy-Server request Nachrichten. Nachdem P0 (seine Uhr zeigt t=11) seinen reply an P1 gesendet hat, möchte P0 ebenfalls in den kritischen Bereich eintreten und sendet ebenfalls request Nachrichten. a) Die Koordination im Netzwerk erfolgt mit dem Ricard-Agrawala Algorithmus. Zeichnen Sie den Ablauf des Ricard-Agrawala Algorithmus mit den jeweiligen Zuständen der Prozesse und den Nachrichten inkl. Nachrichtentyp und den nötigen Zeitstempeln. Folgender Anfangszustand für obiges Szenario sei gegeben: (4 Punkte) Abbildung 2: Initialzustand b) Funktioniert der Ricard-Agrawala Algorithmus, wenn als Zeitstempel die Zeiten von lokalen Uhren verwendet werden? Begründen Sie Ihre Antwort. (3 Punkte) 2

3 c) Welchen Anforderungen müssen die Zeitstempel im Ricard-Agrawala Algorithmus genügen? (2 Punkte) d) Anstelle eines Broadcasts wie bei dem Ricard-Agrawala Algorithmus, soll zur Koordination der 4 Prozesse lediglich ein Multicast notwendig sein. Wie kann das bewerkstelligt werden? Geben sie dazu für obiges Szenario mit 4 Prozessen eine nicht triviale Aufteilung an. 3 Punkte a) Abbildung 3: Lösung nach dem Ablauf des Ricard-Agrawala Algorithmus b) Wenn P0 einen skew hat und die Zeit kleiner der von P1 ist (z.b. 7), könnten P0 und P1 den kritischen Bereich gleichzeitig betreten. (P1 sendet reply an P0, da ((P0,7) (P1,8)). 3

4 P1, erhält reply von P0, da dieser anfangs im RELEASE Zustand ist. Umgekehrt erhält P0, von P1, aber ebenfalls ein reply, da der Zeitstempel jänger ist. Somit treten beide gleichzeitig in den kritischen Bereich ein, und die Sicherheitseigenschaft ist verletzt. c) Es muss zu jeder Zeit die Happend-Before Relation immer aufrecht erhalten sein, was durch den Einsatz von Lamport Uhren erfolgen kann. P0 hätte dann seine Uhr beim Empfang der Nachricht von P1 auf z.b. 333, ,001 nachgestellt. Es werden also nie jüngere Zeitstempel verwendet, als zuvor empfangen worden sind. d) Die verlangte Verbesserung lässt sich mit Maekawa s Algorithmus erzielen. Die Prozesse werden dann in Voting Sets eingeteilt. Eine mögliche solche Aufteilung in Votig Sets wäre: P0,P1,P2, P0,P1,P3, P0,P2,P3, P1,P2,P3. Aufgabe 3: Wählen Sie für die folgenden beiden Szenarios jeweils ein geeignetes Architekturmodell, und begründen Sie ihre Wahl. Überlegen Sie ferner welches Architekturmodell jeweils besonders ungeeignet wäre. a) Szenario 1: Ein anfragender Client weiss die aktuelle, korrekte Adresse des Ziel-Servers nicht. Da dieser Ziel-Server prinzipiellen strukturellen Änderungen unterliegt, soll eine solche hart festgelegte Zuordnung zu einem Server auch nicht im Client implementiert sein. b) Szenario 2: Die Anfragen der Clients in diesem Fall erfordern viel Rechenleistung, die von einem Server womöglich nicht in ausreichend kurzer Zeit zur Verfügung gestellt werden kann. Die Anfragen des Clients unterscheiden sich lediglich in den Daten, nicht jedoch in ihrer Darstellungsform diese Daten könnten an mehrere Server geschickt werden. Gleichzeitig soll die Logik im Client jedoch klein gehalten werden, sodass eine Berechnung dort nicht in Frage kommt. a) Das Architekturmodell Client-Dispatcher ist hierfür geeignet: Der anfragende Client verbindet zu einem Namensdienst, der als Vermittler die jeweils aktuellen Adressen der Ziel-Server verwaltet, und diese bei Bedarf an die Clients herausgibt, so müssen die konkreten Adressen des oder der Server nicht im Client bekannt sein. Weniger geeignet hingegen ist das reine Client-Server-Modell, da hier die gewünschte Voraussetzung nicht erfüllt wäre, da natürlich die Ziel-Adressen bekannt sein müssen, damit der Client verbinden kann. b) Hier würde sich das Architekturmodell Master-Slave anbieten, bei dem die vom Client gestellte Anfrage aufgeteilt wird, und dann (transparent für den Client) unabhängig vom Master auf einen oder mehrere Slaves verteilt 4

5 und berechnet wird. Nachdem die Logik für den Client minimal gehalten werden soll, ist die Broker-Architektur weniger gut geeignet, wäre aber immer noch besser als eine Client-Server-Architektur, die sich durch ihren zentralen Charakter auf Server-Seite auszeichnet. 5