Kommunikationsmodelle Kapitel 2: Verteilte Systeme

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1 Kommunikationsmodelle Kapitel 2: Verteilte Systeme Marius Schlegel Sommersemester 2017 Marius Schlegel Fachgebiet Verteilte Systeme und Betriebssysteme Technische Universität Ilmenau Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms - 1 -

2 Verteilte IT-Systeme 2 oder mehr autonome IT-Systeme, die mittels Kommunikationsmedien verbunden und mit verteilten Algorithmen ausgestattet sind Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Verteilte Systeme

3 2.1 Infrastruktur-Grundlagen Rechnernetze WAN Klassifikation nach räumlicher Ausdehnung lokale Netze (Local Area Networks, LANs) regionale Netze (Metropolitan Area Networks, MANs) Weitverkehrsnetze (Wide Area Networks, WANs) Topologie z.b. Bus, Ring, Stern Merkmalen physischer Kommunikationsmedien z.b. Kupfer, Lichtleiter, Funk LAN LAN WLAN Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Infrastruktur-Grundlagen

4 Lokale Netze (Local Area Networks, LANs) Aufgabe: Vernetzung von z.b. Wohnräumen, Uni-Campus, Unternehmen, Produktionsanlagen Ausdehnung bis zu 2 km i.d.r. zu einer einzigen Organisation gehörig (Familie, Uni, Unternehmen) Topologie oft komponiert (bus-, stern-, ringförmige Bereiche) technische Realisierung: häufig als Ethernet, Token-Ring, WLAN und deren Mixen physische Medien: verdrilltes Kupferkabel ( UTP, CAT. 5 ), Lichtleiter, Funk abhängig hiervon heutige Übertragungsleistungen von 10 7 bis 10 9 Bit/s Access Point Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Infrastruktur-Grundlagen

5 Regionale Netze (Metropolitan Area Networks, MANs) Aufgabe: Vernetzung einer (i.d.r. dicht besiedelten) Region (leistungsfähiger als Telefonnetz / DSL) Anwendungen: Vernetzung von LANs, WAN-Zugang, regionale Behördendienste, Touristeninformationssysteme, (Video-)Telefonie,... Ausdehnung bis zu 50 km organisationsübergreifend technische Realisierung Netzwerk aus Kommunikationsmedien und Vermittlungsknoten (ähnlich Telefonnetz) physische Medien: Funk, Kupferkabel, Lichtleiter abhängig hiervon heutige Übertragungsleistungen von 10 7 bis 10 9 Bit/s (» LAN) LAN MAN Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Infrastruktur-Grundlagen

6 Weitverkehrsnetze (Wide Area Networks, WANs) Aufgabe: weltweite Vernetzung von IT-Systemen kein Anspruch, jedes Individuum direkt zu erreichen sehr hohe Übertragungskapazitäten zwischen den Vermittlungssystemen, teilweise schwache Leistungen auf den letzten Metern (Wahlleitungen zu Einstiegspunkten (Providern, ISPs )) lange Wege hohe Latenzzeiten unvorhersehbare Lasten unvorhersehbare Übertragungsraten und Latenzzeiten Anwendungen: Web, , weltweite Datenbanken, VPNs,... Einwahlleitung, ADSL LAN ISP WAN Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Infrastruktur-Grundlagen

7 2.2 Software-Grundlagen Softwarestack Betriebssysteme elementare Abstraktionen und Dienste elementares Ressourcenmanagement elementare Mechanismen (Programmablauf, Kommunikation, Sicherheit, ) Middleware-Plattformen Programmierparadigmen für verteilte Systeme: Komponenten- und Kommunikationsmodelle Clients und Server, Quellen und Senken,... Botschaften, RPC, Datenströme, Ereignisse,... höhere Dienste Namens- und Lokalisierungsdienste, Authentifizierung, Autorisierung,... verteilte Anwendungssysteme, z.b. verteilte Informationssysteme Telekommunikation, Telemetriesysteme, Verkehrsmanagement Home-Banking, Online-Shops Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Software-Grundlagen

8 Software-Architekturen Steinzeit Hardware plus Betriebssystem plus Anwendungssystem Management/Virtualisierung von IPC Prozessor Speicher E/A-System, Dateisystem BS Hardware Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Software-Grundlagen

9 Gestern = Steinzeit plus Middleware-Plattformen Programmierparadigmen für verteilte Systeme (Client/Server, RPC, RMI) verteilte Dienste Java VM CORBA VM any VM BS Hardware Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Software-Grundlagen

10 Heute = Gestern plus virtuelle Maschinen unbeschränkt skalierbare und fehlerfreie Hardware freie Wahl der BS-Eigenschaften E/A-Performanz, Echtzeiteigenschaften, Robustheit, Sicherheit... Java VM CORBA VM any VM Windows Unix VXWorks VM Hypervisor Hardware Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Software-Grundlagen

11 2.3 Nichtfunktionale Eigenschaften Tugenden und Untugenden Wirtschaftlichkeit verteilte Nutzung der Ressource Ingenieur Angemessenheit natürlicher Charakter des Szenarios: räumliche Entfernung zwischen Monteur und Ingenieur Robustheit Redundanz partielle Ausfälle Systeme Kommunikationsmedien Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Nichtfunktionale Eigenschaften

12 Echtzeitfähigkeit räumliche Verteilung: Kommunikation Bandbreite von Kommunikationsmedien Latenz Schwankungen der Latenz partielle und transiente Ausfälle Skalierbarkeit ohne Änderung von Systemarchitektur oder Algorithmen an wechselnde Last (Personal, Stationstelemetrie, Messsysteme) anpassbar Offenheit einfache Integration neuer Komponenten Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Nichtfunktionale Eigenschaften

13 Verteiltes System (Arbeits-)Definitionen wichtiger Grundbegriffe (vorläufig, bis wir es präziser können) Eine Gruppe autonomer Systeme, die mit verteilter Software ausgestattet ist und mittels eines botschaftenbasierten Mediums kommuniziert. Paralleles System Eine Gruppe nicht notwendig autonomer Systeme, die mittels gemeinsamen Speichers kommunizieren. Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Nichtfunktionale Eigenschaften

14 (Last)Skalierbarkeit Fähigkeit der Anpassung an wechselnde Lasten ohne Änderung grundsätzlicher Architekturen und Algorithmen. z.b. Webserver an die Anzahl ihrer Clients Algorithmen an die Größe von Datenstrukturen ( log 2 n vs. 2 n ) Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Nichtfunktionale Eigenschaften

15 Interoperabilität Fähigkeit der Kooperation zwischen den Komponenten eines Systems. Bilderzeugung LAN Bildtransport Bildwiedergabe Linux Bildspeicherung Zahlenbeispiel aus der Praxis: Mitarbeiter / 900 Applikationssysteme / 15 Programmiersprachen / 10 DBMSe riesige Herausforderung Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Nichtfunktionale Eigenschaften

16 (Funktions-)Sicherheit (safety) Ziel: Schutz vor Schäden durch Fehlfunktionen von IT-Systemen technisches Versagen (Alterung, Stromausfall, Schmutz) menschliches Versagen: Dummheit, mangelnde Ausbildung, Fahrlässigkeit, unvollständige oder mangelhafte Spezifikation; e.g. Airbus-Landung Warschau (1993), Ariane Flug 501 (1996) höhere Gewalt (Blitzschlag, Erdbeben) Schutz vor einem IT-System Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Nichtfunktionale Eigenschaften

17 (IT-)Sicherheit (security) Ziel: Schutz vor Schäden durch zielgerichtete Angriffe auf IT-Systeme Reduktion operationeller Risiken (Wirtschaftsspionage, Betrug, Erpressung, Vandalismus, Terrorismus) Schutz eines IT-Systems Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Nichtfunktionale Eigenschaften

18 Offenheit Fähigkeit der Integration neuer Eigenschaften und Funktionen neue Kommunikationsprotokolle (z.b. WLANs) NEU! LAN Linux neue Anwendungssysteme neue Sicherheits- und Fehlertoleranzanforderungen neue Dateisysteme (wie schwierig ist es, einen Windows-NT-Filesystem-Dienst auf einem Linux-Fileserver zu integrieren?) oder Datenbanken Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Nichtfunktionale Eigenschaften

19 Fehlertoleranz Toleranz gegenüber Irrtümern (errors), Fehlern (faults) und Ausfällen (failures) Redundanz Mehrfachauslegung von Komponenten zur Tolerierung von Fehlern, Ausfällen und Irrtümern Tolerierung des Ausfalls von Kommunikationsnetzen Sender Netz A Netz B Empf. Tolerierung von Irrtümern, Fehlern und Ausfällen bei Berechnungen Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Prozessor Prozessor Prozessor Vergleicher (Voter) Ergebnis 2.3 Nichtfunktionale Eigenschaften

20 Verfügbarkeit Anteil der Zeit, in der ein System seine spezifizierten Leistungen erbringt Transparenz Fähigkeit, bestimmte (häufig lästige) Merkmale ignorieren zu können; z.b. Ortstransparenz/Zugriffstransparenz Unabhängigkeit von Name und Zugriffsmethode einer Ressource von ihrem physischem Ort Datei auf Server (NFS: beides hoch) Telefon (Mobil: beides hoch; Festnetz: Ortstransparenz des Namens niedrig, der Zugriffsmethode hoch) Fehlertransparenz, Ausfalltransparenz (Un)Sichtbarkeit von Fehlern und Ausfällen; z.b. Maskierung durch Redundanz Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Nichtfunktionale Eigenschaften

21 Messages Verteilte Systeme haben äußerst nützliche nichtfunktionale Eigenschaften Parallelität Performanz gemeinsame Nutzung von Ressourcen Wirtschaftlichkeit Redundanz Fehlertoleranz, Verfügbarkeit Adaptivität Skalierbarkeit, Offenheit There is no such thing as free lunch : Komplexität IT-Sicherheit partielle Ausfälle Echtzeitverhalten Heterogenität verteilte Algorithmen Parallelität Kommunikation Synchronisation Kommunikationsmodelle Kommunikationsmodelle, SS 2017 ms Verteilte Systeme