Ein Verteiltes System ist eine Ansammlung von unabhängigen Rechnern, die für seine Benutzer wie ein einzelnes Computersystem aussieht.

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1 Verteilte Systeme Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 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. 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, ] 2

2 1 Defintion (2) Hardware und Software Hardware: mehrere Rechner Kommunikation zwischen den Rechnern: Netzwerke Software: verteilte Anwendungsprogramme spezielle Systemsoftware hier Fokus auf der (System-)Software Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 3 2 Anwendungsszenarien Ein enutzer an einem Ort hoch-parallele Anwendung effizientes Rechnen auf vielen Rechnern eispiele: Simulationen, aerdynamische erechnungen, Grid-Systeme EPFL Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 4

3 2 Anwendungsszenarien (2) Ein enutzer an mehreren Orten Verwendung verschiedener Rechner Wunsch nach homogener Umgebung eispiele: zentrale Dateihaltung (File-Server), zentraler Terminkalender 5Star Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 5 2 Anwendungsszenarien (3) Viele enutzer an vielen Orten Effizienz, Lastverteilung, Verfügbarkeit Überwindung der Ortsgrenzen eispiele: Virtuelle Welten, Multiuser-Spiele Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 6

4 2 Anwendungsszenarien (4) eispiele: Chat, Videokonferenz, CSCW (Computer Supported Collaborative Work), E-Commerce Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 7 2 Anwendungsszenarien (5) 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, ] 8

5 3 Vorteile Verteilter Systeme Effizienz mehrere Rechner: effizientere Ausführung Parallelisierung (z.. wiss. erechnungen) 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 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 9 3 Vorteile Verteilter Systeme (2) Rechenleistung vor Ort persönlicher PC statt Anschluss an Großrechner gewisse Unabhängigkeit von anderen Rechnern dennoch gemeinsame Nutzung zentraler etriebsmittel (z.. Farbdrucker, Scanner etc.) inhärent verteilte Anwendungen 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, ] 10

6 3 Vorteile Verteilter Systeme (3) Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit 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 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 11 4 Hardware-Konfigurationen Klassifikation von Rechnerarchitekturen nach Flynn (1972) 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, ] 12

7 4 Hardware-Konfigurationen (2) Taxonomie von MIMD-Systemen parallele und verteilte Systeme eng gekoppelt Multiprozessoren (gemeinsamer Speicher) lose gekoppelt Multicomputer (privater Speicher) us-basiert Verbindungs- basiert us-basiert Verbindungsbasiert nach Tanenbaum Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 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 CPU Cache us Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] Memory 14

8 4.1 Multiprozessoren (2) 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 langsamer Speicherzugriff Lösungsalternativen: hierarchische Systeme (NUMA = Non uniform memory access) Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] Multicomputer 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 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 16

9 4.2 Multicomputer (2) Verbindungs-basierte Multicomputer eispiele für verschiedene Topologien: Grid Torus Hypercube 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, ] Multicomputer (3) Rechner in einem großen Netzwerk? 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 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 18

10 5 Software-Konfigurationen Verteilte Anwendung Anwendung, die auf einem Verteilten System läuft mehrere Komponenten auf mehrere Rechner verteilt interne, anwendungsabhängige Kommunikation eng gekoppelte Anwendungskomponenten 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 5 Software-Konfigurationen (2) Unterstützung für verteilte Anwendungen: keine Netzwerkbetriebssysteme verteilte etriebssysteme Middleware-Systeme Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 20

11 5.1 Keine Anwendungsunterstützung etriebssystem stellt keine Unterstützung für verteilte Anwendungen bereit Anwendung kümmert sich um Identifikation verteilter Anwendungskomponenten Realisierung von Kommunikationsprotokolle verteilte Anwendung LS LS LS Hardware Hardware Hardware LS = lokales etriebssystem Netzwerk eispiel: WinSockets als Teil der Anwendung Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] Netzwerkbetriebssysteme etriebssystem stellt Kommunikationsprimitive bereit stellt einfache verteilte Dienste bereit, z.. verteiltes Dateisystem Anwendung realisiert anwendungsspezifische Kommunikation und Verteilung verteilte Anwendung LS LS LS Komm. Komm. Komm. Hardware Hardware Hardware frei nach Weber eispiel: Linux-, UNIX-Sockets, NFS NS = Netzwerkbetriebssystem Netzwerk Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 22

12 5.3 Verteilte etriebssysteme Aufgaben verteilter etriebssysteme Integration von Kommunikationsdiensten und Verteilungsmechanismen in lokales etriebssystem Identifikation verteilter Anwendungskomponenten Anwendung baut auf Programmiermodell des VS auf verteilte Anwendung VS = Verteiltes etriebssystem frei nach Weber Hardware Hardware Hardware Netzwerk eispiele: Amoeba, Emerald, Plurix, (Windows) Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] Middleware-Systeme Middleware ergänzt lokales etriebssystem zum verteilten etriebssystem lokales etriebssystem kann beibehalten werden Anwendung baut auf Programmiermodell von Middleware und NS auf verteilte Anwendung Middleware NS NS NS frei nach Weber Hardware Hardware Hardware Netzwerk eispiele:.net, CORA, Java RMI Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] 24

13 5.5 Programmiermodelle 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 Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] Programmiermodelle (2) 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, ] 26

14 5.6 Programmiermodell der Programmiersprache 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) Verteilte etriebssysteme , F. Hauck, P. Schulthess, Vert. Sys., Univ. Ulm [2003w-VS--VS.fm, ] Programmiermodell des etriebssystems 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, ] 28