Verteilte Systeme Jürgen Nehmer, SS 2003

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1 Definitionen Instanz Verteilte Systeme Jürgen Nehmer, SS 2003 Einführung Rechnervernetzung Verteiltes Programm Eine Menge autonomer Softwareinstanzen, die ein gemeinsames Problem bearbeiten und zu diesem Zweck über Nachrichten kommunizieren Verteiltes System Ein Rechnernetz mit einem darauf installierten verteilten Programm, dessen Instanzen physisch im Netz verteilt sind Rechner logischer Nachrichtenkanal Verteilte Systeme-I 1 Verteilte Systeme-I 2 Vorteile verteilter Systeme verteilte Systeme stellen oft die natürliche Lösung für eine Problemstellung bei vorgegebener räumlicher Verteilung dar (Beispiel: Electronic-Mail-Systeme) hohe Nominalleistung durch Parallelverarbeitung Low-Cost-Technologie auf der Basis von PC's und Workstations potenziell hohe Zuverlässigkeit durch Redundanz auf Hardwareund Softwareebene (Replikation von Rechnern und Software) großer Skalierungsbereich (Leistung des Systems wächst mit der Größe) Verteilungsstrategien Was kann verteilt werden? Zustand Funktion Kontrolle Replikation von Zustand/Funktionen Ideale verteilte Systeme basieren auf Arbeitsteilung Instanzen sind gleichwertig und gleichberechtigt Instanzen sind weitgehend autonom Kooperation ersetzt Zentralgewalt sehr gute Skalierung hohes Leistungspotenzial durch Parallelarbeit hohes Potenzial für Fehlertoleranz Verteilte Systeme-I 3 Verteilte Systeme-I 4

2 Verteilungsmodelle Lastverbund System S (zentralistische Sichtweise) F Z Funktionen F={F 1,F 2,..., F n } Zustand Z={Z 1,Z 2,..., Z m } F F F Z 1 Z 2 Z N Verteilungsmodell 1: Lastverbund Verteilungsmodell 2: Funktionsverbund Verteilungsmodell 3: Überlebensverbund Verteilungsmodell 4: /-Verbund Funktionsreplikation (Verteilung der Kontrolle) Zustandsverteilung Beispiele für einen Lastverbund Electronic-Mail-System Verteiltes Dateisystem Ausfall einer Instanz: partieller Verlust des Zustandes Verteilte Systeme-I 5 Verteilte Systeme-I 6 Funktionsverbund Überlebensverbund F 1 F 2 F N Z Z Z F F F Z Z Z Funktionsverteilung Zustandsreplikation (Verteilung der Kontrolle) Beispiel für einen Funktionsverbund betriebliches Informationssystem F 1 : Lohnbuchhaltung F 2 : Finanzbuchhaltung F 3 : Personalverwaltung F 4 : Materialverwaltung Ausfall einer Instanz: partieller Funktionsverlust Verteilte Systeme-I 7 Funktionsreplikation Zustandsreplikation Verteilung der Kontrolle Beispiele für einen Überlebensverbund Reservierungssysteme Fahrzeug-Steuerungen (steering by wire, brake by wire) Ausfall einer Instanz: kein Verlust von Zustand und Funktionalität Verteilte Systeme-I 8

3 -/-Verbund Einfaches -/-System lokaler Rechner entfernter Rechner F 1 F 2 F n Z 1 Z 2 Z n Funktions- und Zustandsverteilung Instanzen s: lokale Instanzen Repräsentanten eines Dienstes vor Ort : entfernte Instanzen Diensterbringer Eigenschaften hoher Autonomiegrad unter den Instanzen (geringe Nachrichtendichte) /-Systeme realisieren das Prinzip der Arbeitsteilung ideal Verteilte Systeme-I 9 ist der lokale Agent des s Aufgabenverteilung zwischen und kann in weiten Grenzen variieren Verteilte Systeme-I 10 Symmetrisches /-System Beispiel: Electronic-Mail-System (I) Rechner lokaler Rechner entfernter Rechner Netzwerk Jeder Rechner kann entweder die -Rolle, die -Rolle oder beide Rollen beherbergen es kann auch sinnvoll sein, und einer Seite auf mehrere Rechner zu verteilen Verteilte Systeme-I 11 Funktionen: newmail /* Editieren einer neuen */ sendmail /* Verschicken einer */ showmail /* Zeigen eingegangener s */ delet /* Löschen einer gelesenen */ Problem: nichtverfügbare Empfänger (z.b. Abschaltung des Rechners */ Verteilte Systeme-I 12

4 Beispiel: Electronic-Mail-System (II) Phänomene in verteilten Systemen Standort A Standort B client server -Funktionen: -newmail - connect/disconnect - putmail (an ) - getmail (vom ) - showmail Netzwerk server client -Funktionen: - Aussenden von s - Empfangen von s mit Zwischenspeicherung - Ablieferung von s an - Sendewiederholung bei Nichtverfügbarkeit des Empfängers Alle - bilden einen Lastverbund Alle lokalen Instanzen an einem Standort bilden einen -/-Verbund Unbestimmte Nachrichtenlaufzeit wann ist ein Vorgang abgeschlossen? wie kann man kausal abhängige Ereignisse feststellen? Fehlende gemeinsame Zeitbasis welches Ereignis fand vor einem anderen statt? wie konstruiert man aus lokalen Zuständen einen konsistenten globalen Zustand? Defekte Prozessoren und Kommunikationssysteme Fehlerklassen wie erkennt man Fehler? wie lassen sich Fehler maskieren? Verteilte Systeme-I 13 Verteilte Systeme-I 14 Verteilte Systemmodelle (1) Verteilte Systemmodelle (2) Synchrones Systemmodell alle Rechner verfügen über eine gemeinsames Zeitverständnis (synchronisierte Uhren) Nachrichtenlaufzeiten und Ausführungszeiten sind bestimmt Verteilte Abläufe sind zeitgesteuert Protokolle mit variabler Teilnehmerzahl sind beherrschbar Nachrichtenverluste sind tolerabel Asynchrones Systemmodell Rechner verfügen über kein gemeinsames Zeitverständnis (lokale Uhren mit Driften) Nachrichtenlaufzeiten und Ausführungszeiten sind unbestimmt Verteilte Abläufe sind ereignisgesteuert Protokolle mit variabler Teilnehmerzahl sind nicht beherrschbar Nachrichtenverluste sind intolerabel Verteilte Systeme-I 15 Verteilte Systeme-I 16

5 Verteilte Systemmodelle (3) Systemunterstützung für verteilte Applikationen Hybrides Systemmodell Grundmodell ist das asynchrone Systemmodell Annahmen über den maximalen Zeitbedarf elementarer Operationen durch Timeouts (unpräzis) Verteilte Abläufe sind primär ereignisgesteuert Terminierung durch Timeouts Protokolle mit variabler Teilnehmerzahl sind beherrschbar Nachrichtenverluste sind tolerabel Korrektheit der Implementierungen streng formal nicht verifizierbar geringe Wahrscheinlichkeit für Zeitfehler Verteilte Systeme-I 17 verteilte Applikation virtuelles Monorechnersystem Verteilung Gruppenkommunikation globale Zeit globaler Zustand Netzwerkbetriebssystem bietet Verteilungstransparenz steuert die Verteilung von Instanzen im Netz organisiert Gruppen und unterstützt die Gruppenkommunikation stellt eine globale Zeitbasis bereit und unterstützt das Beobachten konsistenter globaler Zustände stellt eine Ende-zu-Ende-Kommunikation für Applikationen bereit Verteilte Systeme-I 18 Literatur G. Coulouris, J. Dollimore, T. Kindberg: Distributed Systems - Concepts and Design, Addison-Wesley 2001 (3. Auflage) Andrew S. Tanenbaum, Maarten van Steen: Distributed Systems - Principles and Paradigms, Prentice Hall 2002 R. Chow, T. Johnson: Distributed Operating Systems and Algorithms, Addison- Wesley1997 M. Singhal, Niranjan G. Shivaratri: Advanced Concepts in Operating Systems, McGraw-Hill 1994 S. Mullender(ed.): Distributed Systems, Addison-Wesley 1993 T.L. Casavant, M. Singhal(ed.): Distributed Computing Systems, IEEE Computer Society Press 1994 N.A. Lynch: Distributed Algorithms, Morgan Kaufmann Publishers 1996 V.C. Barbosa: An Introduction to Distributed Algorithms, MIT Press, Cambridge, Massachusetts 1996 Verteilte Systeme-I 19