Verteilte Systeme Dozent: Clemens Düpmeier

1. Verteilte SystemeDozent: Clemens Düpmeier Foliensatz 1: Einführung, Historie, Grundlegende Begriffe, Systemmodelle Clemens Düpmeier, 24.09.2014

2. Unterlagen Online • Powerpointfolien und andere Informationen sind Online verfügbar unter http://www.iai.fzk.de/~clemens.duepmeier/vs-vorlesung.html Clemens Düpmeier, 24.09.2014

3. Warum sind Verteilte Systeme eigenes Thema • Viele gleichzeitige („parallele“) Aktivitäten • Exakte globale Zeit nicht erfahrbar/vorhanden • Keine konsistente Sicht des Gesamtzustandes • Kooperation durch Kommunikation • Ursache und Wirkung zeitlich und räumlich getrennt • Räumliche Separation, autonome Komponenten • Heterogenität • Dynamik, Offenheit • Komplexität • Sicherheit • Probleme sequentieller Systeme • Nebenläufigkeit • Nichtdeterminismus • Zustandsverteilung • Synchronisation schwieriger • Programmierung komplexer • Testen aufwendiger Clemens Düpmeier, 24.09.2014

4. Historie Clemens Düpmeier, 24.09.2014

5. Phase 1: 1930 - 1960 (Anfänge) Sichtweise: Rechenassistent Charakterisierung: In eine leere Maschine wird ausführbarer Code inklusive Eingabedaten geladen, die Maschine berechnet Ergebnisse, gibt sie aus und hält an. Paradigmenwechsel in der Informatik Phase 2: 1960 - 1980 (Hoch-Zeit) Sichtweise: Hierarchie logischer, sprachverarbeitender Maschinen Charakterisierung: Programme in höheren Programmiersprachen dienen als Eingabedaten für Übersetzer oder Interpreterierer, die daraus ausführbaren Code erzeugen. Abarbeitung weitgehend sequentiell. Residentes Betriebssystem ermöglicht Mehrprogrammbetrieb (time-sharing) Programm Maschine Übersetzer Maschine Clemens Düpmeier, 24.09.2014

6. Aufkommen von Client-Server SystemenPhase 3 (ab 1980) • Entwicklung von Netzwerk-Technologien • ermöglichen Kommunikation zwischen Rechnern und Softwareprogrammen • Aufkommen von Client-Server Softwareanwendungen • Entwicklung von höherwertigen Kommunikationsmechanismen • Remote Procedure Calls • Verteilte Objektkommunikation => Verteilte Softwarekomponenten • Entwicklung des Internets und des Webs Clemens Düpmeier, 24.09.2014

7. Paradigmenwechsel in der Informatik Phase 3: heute Sichtweise: Eine Gruppe autonomer, „intelligenter“ Instanzen, die untereinander und mit der Außenwelt interagieren. Charakterisierung: Komplexe Softwaresysteme erstrecken sich über eine Vielzahl von Rechnern. Sie bestehen aus einer Vielzahl spezialisierter, nebenläufig arbeitender „Verteilter Komponenten“, die zur Erfüllung ihrer komplexen Aufgaben miteinander kooperieren und gleichzeitig im Wettbewerb um knappe Ressourcen stehen. Clemens Düpmeier, 24.09.2014

8. Was haben Computernetzwerke mit Verteilten Systemen zu tun? Clemens Düpmeier, 24.09.2014

9. Computernetzwerke 1960-1970 • Terminal-Host-Kommunikation über serielle Leitungen • Host-zu-Host-Kommunikation • Basierend auf proprietärenNetzwerken wie IBM SNA, DECnet • schon bald basierend auf Paketvermittlung und damit TCP/IP-Netzen(Transmission Control Protocol / Internet Protocol) 1980 • Hochleistungs-LANs zu niedrigen Kosten (Local Area Network) • PC-Netze • Verteilte Client-Server-Systeme als neues Paradigma • Öffentliche und private WANs (Wide Area Networks) • Ausgereifte Technik der Paketvermittlung • Wichtige neue Anwendungen (Email, File Transfer, Telnet, etc.) • Offene Standards setzen sich eindeutig durch (OSI, TCP/IP) Clemens Düpmeier, 24.09.2014

10. Computernetzwerke counted hosts by walking the domain name tree and doing zone transfers of domain data 1990 Das globale Internet • TCP/IP Netzwerke • Web-Anwendungen old host counts raised by the proper percentage of domains we couldn't survey counts the number of IP addresses that have been assigned a name Clemens Düpmeier, 24.09.2014

11. Computernetzwerke 2000 "IP on everything" (Vint Cerf, ein Internet Patriarch) • In Richtung eines globalen Netzwerkes mit vielen Diensten und IPv6 (aktuell: IPv4) als dem gemeinsamen Kern. • Enterprise networks Communication infrastructure of the IT system. E-business ... • Web news, info, publishing, ... • Home networks Info, entertainment. Home office. Internet appliances. • Mobile communications Internet-enabled multi-service mobile devices. • E-commerce, E-banking, ... • Tele-education. Tele-medicine ... • Ziel: Gemeinsame Infrastruktur für Computerkommunikation (Multimedia) und persönliche Kommunikationsdienste (message, voice/video-telephony). Clemens Düpmeier, 24.09.2014

12. Netzwerke und Verteilte Systeme • Wir haben den Paradigmenwechsel in der Informatik und die Entwicklung der Computernetzwerke betrachtet.. • Netzwerke sind nicht im Fokus dieser Vorlesung! ABER • Man benötigt ein Computernetzwerk, um ein verteiltes System zu realisieren. • Was also ist ein verteiltes System? Clemens Düpmeier, 24.09.2014

13. Grundlegende Definition(en) Fokussierung der Vorlesung Clemens Düpmeier, 24.09.2014

14. Was ist ein verteiltes System ? Eine praxisorientierte Beschreibung: Ein verteiltes System • besteht aus einer Menge autonomer Computer • die durch ein Computernetzwerk miteinander verbunden sind und • mit einer Software zur Koordination ausgestattet sind. Verteiltes System (Sicht eines Benutzers) Clemens Düpmeier, 24.09.2014

15. Was ist ein verteiltes System ? • Definition: Verteiltes System (nach Leslie Lamport) Ein verteiltes System ist ein System, mit dem ich nicht arbeiten kann, weil irgendein Rechner abgestürzt ist, von dem ich nicht einmal weiß, daß es ihn überhaupt gibt. • oft die Realität • wird aber besser (hoffentlich auch durch diese Vorlesung) • Definition: Verteiltes System (nach Andrew S. Tanenbaum) Ein verteiltes System ist eine Kollektion unabhängiger Computer, die den Benutzern als ein Einzelcomputer erscheinen. • impliziert, daß die Computer miteinander verbunden sind und • die Ressourcen wie Hardware, Software und Daten gemeinsam benutzt werden. • Es herrscht eine einheitliche Sicht auf das Gesamtsystem vor. Clemens Düpmeier, 24.09.2014

16. Was ist ein verteiltes System ? Eine allgemeinere Beschreibung: • Ein verteiltes System ist ein System, in dem • Hard-und Softwarekomponenten, • die sich auf miteinander vernetzten Computern befinden, • miteinander kommunizieren und ihre Aktionen koordinieren, • indem sie Nachrichten austauschen. • Eine verteilte Anwendungist eine Anwendung, die ein verteiltes System zur Lösung eines Anwendungsproblems nutzt. Sie besteht aus verschiedenen Komponenten, die mit den Komponenten des VS sowie den Anwendern kommuniziert. Clemens Düpmeier, 24.09.2014

17. Fokus der Vorlesung • Der Fokus der Vorlesung liegt auf "Verteilte Anwendungen" nicht auf Hardware • Insbesondere für Verteilte Business Anwendungen • Software-Architekturen • Notwendige Eigenschaften solcher Systeme • Kommunikation zwischen Komponenten Verteilter Anwendungen • Hilfsmittel, z.B. Middleware + Application Server Clemens Düpmeier, 24.09.2014

18. Beispiel für Verteilte Business-Anwendung Quelle: Prof. Thai Clemens Düpmeier, 24.09.2014

19. Jede Menge Daten + Datenaustausch Quelle: Prof. Thai Clemens Düpmeier, 24.09.2014

20. Jede Menge Anforderungen an Eigenschaften Quelle: Prof. Thai Clemens Düpmeier, 24.09.2014

21. Wichtige Eigenschaften Clemens Düpmeier, 24.09.2014

22. Wichtige Eigenschaften • Nebenläufigkeit • Kontrollierte, gemeinsame Ressourcennutzung • Skalierbarkeit • Sicherheit • Fehlertoleranz • Transparenz • Offenheit Clemens Düpmeier, 24.09.2014

23. Nebenläufigkeit (Concurrency) • Gesamtsystem besteht aus Softwarekomponenten, die auf verschiedenen Rechnersystemen laufen • Dabei können Aktivitäten im Gesamtsystem sowohl auf einem Rechner, • parallel als auch parallel auf verschiedenen Rechnern ablaufen • Nebenläufigkeit kann es z.B. bei • Clients (Anwendungsprogramme, z.B. Videokonferenz) und • Servern (Zugriff auf Ressourcen, z.B. Datei) geben. • Wichtiges Aspekte: • Synchronisation der Aktivitäten, z.B. um Daten konsistent zu halten. • Verbesserung des Durchsatzes und Performance durch Paralellisierung Clemens Düpmeier, 24.09.2014

24. Gemeinsame Ressourcennutzung • Hardware: Drucker, Festplatten, Scanner, etc. • Daten: Datenbankobjekte, Dateien, etc. • Client-Server Model: Server verwaltet Ressourcen, die Clients nutzen • Verteilte Objekte: Server bietet Dienste über Verteilte Objekte, die Clients gemeinsam nutzen • Problematik: • Regelung nebenläufiger Zugriffe • Fragen der Konsistenz und der Fehlertoleranz. • Verteilte Services (komplexer Dienstleistungen, die über Netz aufrufbar sind) • z.B. Bezahldienste, Flugbuchung, etc. Clemens Düpmeier, 24.09.2014

25. Skalierbarkeit • Ein Softwaresystem ist skalierbar, wenn durch Hinzufügen weiterer Hardware • der Durchsatz des Systems • oder die Anzahl paralleler Nutzeranforderungen erhöht werden kann • Setzt voraus, dass das System so entworfen ist, dass Funktionalitäten • parallel auf verschiedenen Rechnern (CPU's) ausgeführt werden können Clemens Düpmeier, 24.09.2014

26. Verteilung des DNS Namenraums Clemens Düpmeier, 24.09.2014

27. Sicherheit • Vertraulichkeit: Daten können nur von dem gewünschten Empfänger gelesen werden. • Integrität: Die Daten wurden während der Übertragung nicht verändert. • Authentizität: Die Daten wurden tatsächlich von der Person gesendet, die behauptet, der Sender zu sein. • Verfügbarkeit: Ein Dienst darf durch eine (Denial of Service) Attacke nicht ausser Kraft gesetzt werden. • Sicherheit für mobilen Code: Mobiler Code darf die lokale Ressource nicht beschädigen und umgekehrt. Clemens Düpmeier, 24.09.2014

28. Fehlertoleranz • Fehler erkennen: z.B. durch Prüfsummen. Nicht erkennbar ist z.B. ein Absturz eines entfernten Servers • Fehler maskieren: Erkannte Fehler verbergen oder abschwächen, z.B. Wiederholung von Nachrichten • Fehler tolerieren: z.B. durch Redundanz, Timeout • Wiederherstellung nach Fehlern: z.B. Rückkehr in einen sicheren Zustand, wenn ein Fehler entdeckt wird (Software Recovery). • Redundanz: Fehlertoleranz durch redundante Komponenten, z.B. Standby-Maschinen, doppelte Komponenten, doppelte Dienste. Clemens Düpmeier, 24.09.2014

29. Transparenz Transparenz wird definiert als das Verbergen der Separation der einzelnen Komponenten in einem verteilten System vor dem Benutzer und dem Applikationsprogrammierer, so dass das System als Ganzes wahrgenommen wird, und nicht als Sammlung voneinander unabhängiger Komponenten. ISO (International Standards Organization) und ANSA (Advanced Network Systems Architecture) identifizieren acht Formen der Transparenz: • Zugriffstransparenz ermöglicht den Zugriff auf lokale und entfernte Ressourcen unter Verwendung identischer Operationen. • Positionstransparenz (Ortstransparenz) erlaubt den Zugriff auf die Ressourcen, ohne dass man ihre Position/ihren Ort kennen muss. • Nebenläufigkeitstransparenz erlaubt, dass mehrere Prozesse gleichzeitig mit denselben gemeinsam genutzten Ressourcen arbeiten, ohne sich gegenseitig zu stören. Clemens Düpmeier, 24.09.2014

30. Transparenz • Replikationstransparenz erlaubt, dass mehrere Instanzen von Ressourcen verwendet werden, um die Zuverlässigkeit und die Leistung zu verbessern, ohne dass die Benutzer oder Applikationsprogrammierer wissen, dass Repliken verwendet werden. • Fehlertransparenzerlaubt das Verbergen von Fehlern, so dass Benutzer und Applikationsprogrammierer ihre Aufgaben erledigen können, auch wenn Hardware- oder Softwarekomponenten ausgefallen sind. • Mobilitätstransparenzerlaubt das Verschieben von Ressourcen und Clients innerhalb eines Systems, ohne dass die Arbeit von Benutzern oder Programmen dadurch beeinträchtigt wird. • Leistungstransparenzerlaubt, dass das System neu konfiguriert wird, um die Leistung zu verbessern, wenn die Last variiert. • Skalierungstransparenzerlaubt, dass sich System und Applikationen vergrößern, ohne dass die Systemstruktur oder die Applikationsalgorithmen geändert werden müssen. Clemens Düpmeier, 24.09.2014

31. Offenheit • Offenheit bzgl. Nutzung durch andere Systeme • Verwendung standardisierter Schnittstellen • also bei Kommunikation, Datenformattechnologien, etc. • Bzgl. Nutzung anderer Systeme, Sprachen, Betriebssystemen, ... Clemens Düpmeier, 24.09.2014

32. Architektur und Systemmodelle Clemens Düpmeier, 24.09.2014

33. Systemmodelle • Beschreibung der allgemeinen Eigenschaften und des Designs eines Systems • Das Modell sollte abdecken: • Die wichtigsten Komponenten des Systems • Die Art ihrer Interaktion • Wie deren individuelles und kollektives Verhalten beeinflusst werden kann • Ein Architekturmodell • vereinfacht und abstrahiert zunächst die Funktionen der individuellen Komponenten eines verteilten Systems, um dann • die Verteilung der Komponenten auf ein Netzwerk von Computern und • die Beziehung der Komponenten (Rolle in der Kommunikation mit anderen, Kommunikationsmuster) untereinander zu beschreiben. • Weitere Modelle: Interaktionsmodell, Fehlermodell, Sicherheitsmodell Clemens Düpmeier, 24.09.2014

34. Logisch verteilt Physisch verteilt Verschiedene Blickwinkel auf verteilter Systeme Rechnernetz mit Rechnerknoten Algorithmen u. Protokolle Objekte / Komponenten P1 P2 P3 Zeit Clemens Düpmeier, 24.09.2014

35. Softwarearchitektur • definiert also Softwarekomponenten des Systems • ihre wesentlichen Eigenschaften • und die Beziehungen untereinander • und damit die "logische" Verteilung des Systems Clemens Düpmeier, 24.09.2014

36. Komponenten und Abhängigkeiten • Jede Komponente definiert funktionalen Teil des Systems; Pfeile definieren Abhängigkeiten • Je mehr Komponenten, um so modularer das System • Komponenten-basiertes Design und sauberere Trennung von Funktionalitäten führt zu besserer Wiederverwendbarkeit • und mehr Möglichkeiten für Verteilung und Parallelität • aber höherer Kommunikationsaufwand und evtl. sinkende Performance • Hauptarchitekturziel: Ausgewogenheit zwischen Flexibiliät und Performance Quelle: Gustavo Alonso Clemens Düpmeier, 24.09.2014

37. Weitere Anforderungen (siehe Eigenschaften) • Leistungsprobleme: durch beschränkte Verarbeitungs- und Kommunikationskapazitäten: • Antwortzeiten: schnelle und konsistente Antwortzeiten werden benötigt • Durchsatz: Verarbeitungs- und Datenübertragungsgeschwindigkeit • Ausgleich von Rechenauslastung: Nebenläufige Ausführung ohne Konkurrenz um die Ressourcen • Dienstgüte (Quality of Service): Zuverlässigkeit, Sicherheit, Leistung (inkl. Rechtzeitigkeitsgarantie), Anpassbarkeit • Caching und Replikation: Cache-Konsistenz-Protokoll notwendig • Zuverlässigkeitsprobleme: • Fehlertoleranz: Korrekt arbeiten trotz Fehler! • Sicherheit: Erzeugen von Vertrauen durch Schutz vor Angriffen! • Korrektheit: aktuelle Forschung Clemens Düpmeier, 24.09.2014

38. Softwareschichten Präsentation • Die Komponenten einer Softwarearchitektur können in logische Schichten (Layer) angeordnet werden • z.B. in 3-Schichten • Schicht mit Komponenten zur Erzeugung der GUI und Kommunikation mit Nutzer • Schicht mit Komponenten mit Businesslogik • Schicht mit Komponenten zum Daten-/Ressourcemanagement und Zugriff Businessebene Daten- management Clemens Düpmeier, 24.09.2014

39. Auch in vier oder fünf Schichten Terminals, Windows Geräteabhängige Darstellung Präsentation Geräteunabhängige Steuerung und Koordinierung des Dialogs mit dem Anwender Dialogsteuerung Anwendungsspezifische Steuerungs-und Verwaltungsfunktionen, Teile der Business Logik Anwendungslogik Datenselektion und -manipulation E-Mail, Drucken, Mailing Dienste und Datenlogik Datenzugriff Verbindung zum DBMS Clemens Düpmeier, 24.09.2014

40. Kontrolle Modell Präsentation Funktion 1. Qrtl. 2. Qrtl. 3. Qrtl. Ost 20,4 27,4 90 West 30,6 38,6 34,6 Nord 45,9 46,9 45 Tiers (Verteilung von Schichten auf Rechner) Wie sollen Funktionalitäten (z.B. als Schichten) auf verschiedene Rechner verteilt werden? Clemens Düpmeier, 24.09.2014

41. 1-Schichtverteilung (1-Tier) • Alle Softwarelayer befinden sich auf einem Rechner • Management der Ressourcen erfolgt zentral • Software selbst kann hoch-optimiert werden (Trennung zwischen Schichten hier nicht zwingend notwendig) • Nutzer arbeiten mit einer monolithischen Anwendung • Mehrere Rechner mit einer solchen über (grafische) Terminals • Typisch bei Mainframeanwendungen Clemens Düpmeier, 24.09.2014

42. 2-Schichtenverteilung (2-Tier) • Typischer Weise Trennung von Präsentation und dem Rest (Business- und Datenlogik) • Client enthält Präsentation mit GUI und behandelt Interaktion mit Nutzer • Server kapselt Business- und Datenlogik • Clients sind (weitgehend) unabhängig voneinander • Es kann auch verschiedene Clients für verschiedene (Teil)funktionalitäten geben • Ressourcemanagement sieht nur eine Businesslogik als Client • hier lässt sich der Zugriff daher gut optimieren • Erlaubt die Nutzung komplexerer GUI's mit intensiverer CPU-Nutzung, da Clients verteilt sind • Definierten Notwendigkeit zur Bereitstellung von universellen Kommunikationsschnittstellen zwischen Client und Server Clemens Düpmeier, 24.09.2014

43. Thin Client / Thick Client Clemens Düpmeier, 24.09.2014

44. Reagierender Prozeß • bearbeitet Anfragen • erfüllt Aufträge Server Auftrag Antwort • Initiierender Prozeß • stellt Anfragen • erteilt Aufträge Legende: Prozeß: Computer: Client/Server Modelle Client Auftrag Antwort Server Client Clemens Düpmeier, 24.09.2014

45. Dienst Server Client Server Client Server Mehrfache Server Partitition oder Replikation von Diensten Beispiel Partition: WWW Beispiel Partition und Replikation: DNS Clemens Düpmeier, 24.09.2014

46. Web Client server Proxy server Web Client server Proxy-Server und Cache Proxy-Server: Gemeinsamer Cache Zweck von Proxy-Servern: erhöhte Leistung und Verfügbarkeit Clemens Düpmeier, 24.09.2014

47. Applikation Applikation Applikation Koordinierungs- Koordinierungs- Koordinierungs- code code code Gleichrangige Prozesse (Peer Processes) Oft bessere Leistung als Client-Server mit vielen ähnlichen Prozessen und vorwiegend lokaler Kommunikation. Beispiel: Whiteboard Clemens Düpmeier, 24.09.2014

48. Nachteile der 2-Schichtenverteilung • Ein Server muss in der Regel alle Clients bedienen • oder ich hab mehrere Server, die bzgl. dem Ressourcenzugriff nicht synchronisiert sind • denn es gibt ja keine gemeinsam genutzte Business-Logik (wo diese stattfinden kann) • Beim Zugriff auf Server mit verschiedenen Funktionalitäten ist der Client der Integrator => Fat Clients • Der Client muss nun wissen, wo was ist, wie er darauf zugreifen kann, wie Konistenz garantiert werden kann, etc. • Das ist ineffizient in nahezu allen Aspekten (Software Design, Portabilität, Code Rebenutzung, Performanz) • Lässt sich nur bei Erweiterung der Schichtverteilung lösen Clemens Düpmeier, 24.09.2014

49. 3-Schichtenverteilung (und mehr) • Bei der 3-Schichtenverteilung im klassischen Sinne sind Präsentations-, Business- und Datenlayer getrennt • voll modularisiertes System • Verschiedene Layer können über Netzwerktechnologien miteinander kommunizieren • Die Layer werden dabei oft auch auf verschiedene Rechnersysteme verteilt • Middleware wird als universelle Kommunikations-"Brücke" zwischen den einzelnen Schichten eingesetzt • trennt Anwendungslogik zu einem gewissen Teil von der Kommunikationslogik • erhöht die Interoperabilität von Softwaresystemen über Rechnergrenzen hinweg • Kann verschiedene Hilfsdienste bereitstellen, um wichtige Eigenschaften des Verteilten Systems zu garantieren Clemens Düpmeier, 24.09.2014

50. Architektur mit 3-Schichtenverteilung Präsentationsschicht Applikationslogik Datenlogik Datenlogik Clemens Düpmeier, 24.09.2014