Grundlagen verteilter Systeme

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1 Universität Augsburg Institut für Informatik Prof. Dr. Bernhard Bauer Stephan Roser Viviane Schöbel Aufgabe 1: Wintersemester 07/08 Übungsblatt Grundlagen verteilter Systeme Lösungsvorschlag Das vorliegende System besteht aus einem Client und einem Server. Es soll eine Prozedur vom Client mittels RPC auf dem Server ausgeführt werden. Gehen Sie davon aus, dass die jeweiligen Maschinen unterschiedliche Architekturen aufweisen (SPARC, Intel) und die Prozedur ein Ergebnis beinhaltet. a) Erläutern Sie den Aufbau und die Funktionsweise von RPC. b) Welche Probleme können bei der Parameterübergabe auftreten? c) Beschreiben Sie eine mögliche Lösung für die Probleme aus b). d) Sind Prozeduraufrufe mittels RPC transparent? Begründen Sie ihre Antwort. zu a) Funktionsweise: Abbildung 1: Aufbau RPC 1. Die Client-Prozess ruft die Client-Stub-Prozedur wie eine normale Prozedur auf. 2. Der Stub erzeugt eine Nachricht (Marshalling), die neben den Eingabeparametern zusätzlich noch den Name bzw. eine ID der Server-Prozedur enthält. Anschließend übergibt der Stub die Nachricht an das Betriebssystem (BS). 3. Das Client BS sendet die Nachricht über die Kommunikationsmodule an das entfernte Betriebssystem. 4. Das Server BS gibt die Nachricht an den Dispatcher weiter. 5. Dieser entpackt den Header der Nachricht und kann durch die mitgelieferte Identifizierung die jeweilige Stubprozedur aufrufen. 6. Der Stub entpackt die Nachricht (Unmarshalling) und ruft die eigentliche Prozedur auf. 1

2 7. Der Server führt die Prozedur aus und gibt das Ergebnis an den Stub zurück. 8. Der Stub verpackt die Nachricht und gibt sie an das BS weiter. 9. Dadurch wird die Nachricht erneut über die Kommunikationsmodule übertragen und an das Client BS weiter gegeben. 10. Das Client BS reicht die Nachricht an den Stub weiter. 11. Der Stub packt das Ergebnis aus und gibt es zurück. zu b) Call-by-Value: Darstellungsformate können unterschiedlich sein. Beispielsweise verwenden Intel basierte Systeme das LittleEndian Format und SPARC Maschinen das BigEndian Format. Daher kann es bei der Parameterübergabe zu falschen Werten kommen. Call-by-Reference: Referenzen sind Zeiger auf Adressen im lokalen Adressraum und daher auch nur da sinnvoll. Zwar kann man für kleinere Konstrukte die Pointer belassen und die Struktur mit übergeben. Dies ist allerdings nur sehr begrenzt möglich. zu c) Durch Interface Definition Language (IDL) können Schnittstellen in einer maschinenunabhängigen Sprache formuliert und in entsprechende Stubs für Client und Server kompiliert werden. Anschließend werden Header, Stubs und die eigentlichen Implementierungen verbunden (Linker). zu d) Ja, da durch die angesprochene Lösung ein Programm eine entfernet Prozedur als lokale aufrufen kann und dabei keine Unterschiede bei einem fehlerfreien Ablauf beachten muss. Allerdings muss bei der Fehlerbehandlung auf Transparenz geachtet werden. Aufgabe 2: Analog zu Aufgabe 1 liegt Ihnen eine Client/Server Architektur vor. a) Erläutern Sie den Aufbau und die Funktionsweise von RMI. b) Kann die Transparenz im Fall eines Fehlers in der Übertragung von Nachrichten mittels RMI gewahrt bleiben? Begründen Sie ihre Antwort und gehen Sie dabei auf die verschiedenen Aufruf-Semantiken ein. zu a) 2

3 Abbildung 2: Aufbau RMI Funktionsweise: Analog zu RPC werden die Kommunikationsmodule benutzt um ein Anfrage/Antwort Protokoll zu implementieren. Wird ein entferntes Objekt bzw. dessen Referenz zum ersten mal verwendet, so wird ein Eintrag zwischen einem lokale und entfernten Objekt in die Tabelle des Remote Reference Module eingetragen. Liegt noch kein Proxy oder dessen Referenz vor, so werden die benötigten Informationen heruntergeladen und der Proxy erzeugt. Dies geschieht in Java mittels der RMIRegistry automatisch. Mit dem RMI Compiler rmic können Skeleton-Klassen und damit auch Proxy- und Dispatcher-Klassen automatisch erzeugt werden. Liegt jetzt somit für jedes verwendete entfernte Objekt ein Proxy vor, so können Methoden auf dem eigentlichen Objekt ausgeführt werden. Der Proxy verhält sich wie ein lokales Objekt. Beim Aufruf einer Methode des Proxy werden die Argumente (können wiederum entfernte Referenzen sein) mit dem Verweis auf das Zielobjekts und einer methodid verpackt und über die Kommunikationsmodule übertragen. Der Dispatcher verwendet die methodid, um die passende Methode im Skeleton auszuwählen und leitet die Request Nachricht entsprechend weiter. Der Skeleton entpackt die Nachricht und führt den eigentlichen Methodenaufruf auf dem Objekt aus und nimmt eine eventuelle Antwort entgegen, verpackt und sendet sie zum Client. Dort wird die Nachricht vom Proxy entgegengenommen, entpackt und an die Applikation weitergegeben. zu b) maybe Semantik: Nein, da die Nachricht verloren gehen kann und nach einem Timeout ein Fehler zurückgeliefert wird. at-least-once Semantik: Nein. Zwar wird die Nachricht mit dieser Semantik auf jeden Fall übertragen. Allerdings kann sie auch öfters übertragen werden, wobei dies bei nicht indepotenten Methoden zu Problemen führen kann. at-most-once Semantik: Ja, die Nachricht wird genau einmal übertragen und gleicht somit der Semantik eines lokalen Aufrufs. Allerdings besteht weiterhin ein Unterschied im Verhalten bestimmter Situationen (Ausfall der Verbindung für längere Zeit). 3

4 Die Transparenz kann nie gänzlich erfüllt werden, da durch Fehlen der Verbindung ein Fehler nicht mehr maskiert werden kann, egal welche Semantik verwendet wird. Aufgabe 3: Erläutern Sie die verteilte Garbage Collection (vgc) anhand des folgenden Systems. Gehen Sie dabei auf die Verweise ein und stellen Sie diese zusätzlich grafisch dar. Initialzustand: - Server A: Objekt a, Verweis auf entferntes Objekt b,c,d. - Server B: Objekt b,c, Verweis auf entferntes Objekt a,d. - Server C: Objekt d. a) Welche Operationen haben zu dem Initialzustand des Systems geführt? Die Reihenfolge können Sie außer acht lassen. b) Ein Server X ruft eine Methode auf und bekommt eine entfernte Referenz auf das Objekt c zurückgeliefert. Beim Eintrag in die Liste der Verweise von c wird ein Fehler an Server X zurück gegeben. Welche Auswirkungen hat das auf die vgc? c) Ein Server Y hält bereits eine Referenz des Objektes c und ist auch in der Liste der Verweise korrekt eingetragen. Y wird das Objekt c nicht weiter benötigen und benachrichtigt Server C. Dabei wird ein Fehler zurückgeliefert. Welche Auswirkungen hat das auf die vgc? d) Der Server Z verwendet die entfernten Objekte a,c,d und wurde auch korrekt in die entsprechenden Verweis-Listen eingetragen. Im Weiteren ist davon auszugehen, dass keine weiteren Verweise auf die Objekte a,c,d bestehen. Z verwendet diese Objekte anschließend auch nicht mehr, benachrichtigt aber nicht die entsprechenden Server. Mit welchem Mittel kann die vgc trotzdem funktionsfähig bleiben? Welche Auswirkungen hat dies letztendlich für die lokale GC der Server A,B und C? zu a) A: addref(b); an Server B addref(c); an Server B addref(d); an Server C B: addref(a); an Server A addref(d); an Server C 4

5 Abbildung 3: Initialzustand zu b) X: addref(c); an Server B Exception; removeref(c); an Server B addref(c); an Server B zu c) Abbildung 4: Zustand nach b) Y: addref(c) (bereits erfolgt); an Server B removeref(c); an Server B ; Exception; removeref(c) oder Server B löscht den Verweis nach Ablauf der Lease- Dauer. 5

6 Abbildung 5: Zustand nach c) zu d) Für den Fall, dass Objekte nicht mehr benutzt werden, dies den entsprechenden Servern nicht mitgeteilt, können Referenzen über Leases entfernt werden. Server müssen innerhalb einer bestimmten Zeit ihren Lease erneuern, damit ihre Referenz nicht entzogen wird. Falls nach der vgc keine entfernten Referenzen mehr bestehen, kann die lokale GC auf diesen Objekten ausgeführt werden und falls auch lokal keine Verwendung besteht, können Sie gelöscht werden. Aufgabe 4: a) Welche Eigenschaften müssen Objekte haben, damit sie mittels Java RMI verwendet werden können? b) Schreiben Sie ein Programm mit Java RMI, welches die folgenden Anforderungen erfüllt: News sollen mit einer Methode addnews(string news) an den Server geschickt werden können. Beim Aufruf der Methode auf dem Server soll die neue Nachricht gespeichert werden. Zusätzlich sollen mit getnews() alle News zurückgeliefert werden. Verwenden Sie Callbacks, um Clients über neue Nachrichten zu informieren. zu a) Objekte können prinzipiell als Werte und als Referenzen übertragen werden. Objekte werden dabei gegen Interfaces als Typ programmiert. Daher muss für jedes entfernte Objekt ein entsprechendes Interface erstellt werden, dessen Methoden RemoteExceptions (throws RemoteException) werfen. 6

7 Wenn Objekte als Wert übertragen werden, müssen sie das Interface Serializable implementieren und IOExceptions werfen können. Damit Objekte als Referenzen übergeben werden können, müssen sie von RemoteObject abgeleitet sein. Damit implementieren sie automatisch die Schnittstellen Remote und Serializable. Server Objekte werden entweder von Remote- Server, von Activatable oder von UnicastRemoteObject abgeleitet und müssen RemoteExceptions werfen können. zu b) Alle Klassen müssen kompiliert werden. Anschließend müssen die Stubs für die Klassen NewsImpl und NewsClient mit dem RMI Compiler rmic erzeugt werden. Bsp.: rmic NewsClient (ohne Endung) Liegen Somit alle Klassen vor, muss die RMI-Registry mit rmiregistry erzeugt werden. Beim Aufruf der Klassen NewsClient und NewsServer muss zusätzlich eine Policy File mit eingebunden werden. Bsp.: java -Djava.security.policy=policy NewsServer Die Zugriffsrechte wurden hierbei nicht eingeschränkt. Michael Rambold * Dieses Interface dient als Remote Schnittstelle eines NewsServer. * Die Methoden sollten durch die Namen klar sein. import java.rmi.remoteexception; import java.util.arraylist; public interface INews extends java.rmi.remote { public void addnews(string news) throws RemoteException; public ArrayList<String> getnews() throws RemoteException; public void register (ICallback client) throws RemoteException; public void unregister (ICallback client) throws RemoteException; import java.rmi.remoteexception; * Michael Rambold * Dieses Interface stellt eine Methode notifyfornews bereit, * die als Callback Schnittstelle für einen Client verwendet wird. * Ein Server kann die Methode aufrufen und dadurch den Client * informiert halten. 7

8 public interface ICallback extends java.rmi.remote { public void notifyfornews() throws RemoteException; import java.rmi.remoteexception; import java.util.*; public class NewsImpl extends java.rmi.server.unicastremoteobject implements INews { public NewsImpl() throws java.rmi.remoteexception { super(); private ArrayList<String> news = new ArrayList<String>(); private ArrayList<ICallback> registeregclients = new ArrayList<ICallback>(); public void addnews(string n) throws java.rmi.remoteexception { news.add(n); if(this.registeregclients.size()!=0){ this.notifyclients(); public ArrayList<String> getnews() throws java.rmi.remoteexception { return news; public void register(icallback client) throws RemoteException { this.registeregclients.add(client); System.out.println("Client is registered"); public void unregister(icallback client) throws RemoteException { this.registeregclients.remove(client); * Jeder registrierte Client wird benachrichtigt. 8

9 private void notifyclients(){ System.out.println("NewsServer: notify Client"); Iterator<ICallback> it = this.registeregclients.iterator(); while(it.hasnext()){ ICallback client = it.next(); try { client.notifyfornews(); catch (RemoteException e) { e.printstacktrace(); catch (Exception ex){ ex.printstacktrace(); import java.rmi.*; import java.rmi.registry.locateregistry; import java.rmi.registry.registry; public class NewsServer { args public static void main(string[] args) { * SecurityManager verhindern das automatische herunterladen * möglicherweise schadhaften Codes(Stubs). * In diesem Fall liegen alle Stub Klassen im src Verzeichnis * und damnach müssen keine weiteren Aktionen hinzugefügt werden. * Falls man einen WebServer zum Austausch einsetzen möchte, muss * der nachfolgende Kommentar entfernt werden und die Addresse * angepasst werden. Dort müssen sich die Stub Klassen befinden. * Beim Aufruf der Klasse: java -Djava.security.policy=policy NewsServer!! if(system.getsecuritymanager()==null){ System.setSecurityManager(new RMISecurityManager()); //System.getProperties().put("java.rmi.server.codebase","Url als String"); 9

10 try{ INews news = new NewsImpl(); Registry registry = LocateRegistry.getRegistry(); registry.rebind("newsserver", news); System.out.println("Server NewsServer run!"); catch(remoteexception ex){ System.out.println("NewsServer RemoteException: " + ex.getmessage()); catch(exception e){ System.out.println("NewsServer Exception: " + e.getmessage()); import java.net.malformedurlexception; import java.rmi.*; import java.util.arraylist; public class NewsClient extends java.rmi.server.unicastremoteobject implements ICallback { private ArrayList<String> _lokalnews = null; private INews _news =null; * NewsServer vom Typ INews ist die Schnittstelle eines NewsServer java.rmi.remoteexception public NewsClient(INews NewsServer)throws java.rmi.remoteexception{ super(); this._news = NewsServer; public void notifyfornews() throws RemoteException { this.set_lokalnews(this._news.getnews()); * Nachrichten werden einem NewsServer über die Referenz übergeben news zu speichernde Nachrichten NewsServer vom Typ INews ist die Schnittstelle eines NewsServer 10

11 private void addnews(string news, INews NewsServer){ try { NewsServer.addNews(news); catch (RemoteException e) { e.printstacktrace(); private void set_lokalnews(arraylist<string> news) { _lokalnews = news; args public static void main(string[] args) { INews newsserver = null; * SecurityManager verhindern das automatische herunterladen * möglicherweise schadhaften Codes(Stubs). * In diesem Fall liegen alle Stub Klassen im src Verzeichnis * und damnach müssen keine weiteren Aktionen hinzugefügt werden. * Falls man einen WebServer zum Austausch einsetzen möchte, muss * der nachfolgende Kommentar entfernt werden und die Addresse * angepasst werden. Dort müssen sich die Stub Klassen befinden. * Beim Aufruf der Klasse: java -Djava.security.policy=policy NewsClient!! if(system.getsecuritymanager()==null){ System.setSecurityManager(new RMISecurityManager()); //System.getProperties().put("java.rmi.server.codebase","Url als String"); try{ newsserver = (INews) Naming.lookup("NewsServer"); NewsClient client = new NewsClient(newsServer); newsserver.register((icallback)client); for(int i=0;i<5;i++){ client.addnews("nachricht: "+i, newsserver); System.out.println(client._lokalNews.toString()); newsserver.unregister((icallback)client); 11

12 catch (MalformedURLException e) { e.printstacktrace(); catch (NotBoundException e) { e.printstacktrace(); catch (RemoteException e) { e.printstacktrace(); Abgabe in elektronischer Form und Dreiergruppen bis zum an: michael@ds-lab.org. 12