oder-Preikschat r Sch lfgang o c erteilte · 1174 0 31 4 7 1 1 register 4711 little endian 1 1 7 4...

—VS—

Eigenschaften

VerteilteSysteme,c©WolfgangSchroder-Preikschat

Uberblick

•charakteristischeEigenschaften:

–Heterogenitat.........................................................5–Nebenlaufigkeit......................................................10–Fehlerverarbeitung...................................................13

•wunschenswerteEigenschaften:

–Sicherheit............................................................17–Offenheit............................................................18–Skalierbarkeit........................................................19–Transparenz.........................................................22

VS—Eigenschaften,c©wosch1

PhysikalischeVerteiltheit

...derHardwarebeziehtsichaufdieVerbindungvonRechnernzueinemNetz,uberdirekteLeitungenbeliebigerArtoderuberTransportsysteme.

•TransportsystemebestehenihrerseitsausRechnernundLeitungen–siebildenalsoeinRechnernetzinnerhalbeinesRechnernetzes

•dieTransportsystemrechnerdienenderDatenweitergabe(Vermittlung)

...derSoftwarespiegeltsichindenProzessenwider,dieaufGrundlagedesRechnernetzeszurAusfuhrungkommenunderoffnetwichtigeVorteiledurch:

•dezentraleInformationsverarbeitung•gemeinsameNutzungvonBetriebsmitteln•ErhohungderZuverlassigkeit


LogischeVerteiltheit

Sonaheliegendesist,diephysikalischeVerteiltheitalsKennzeicheneinesverteiltenSystemsanzusehen,sounklaristes,wannmaneinSystemalsphysikalischverteiltbetrachtetundwannnicht.EsdrangtsichunwillkurlichdieFrageauf,abwelcherEntfernungvonKomponentendieBezeichnungalsverteiltesSystemgerechtfertigtist.[2]

•TechnologiefortschrittbeiderHardwarelasstDistanzenschrumpfen

–gesternnochRechnernetz,heute/morgenein”systemonchip“(SOC)

–dieAufteilungvonFunktionenaufeigenstandigeKomponentenbleibt

•physikalischeVerteilungganzaußerachtzulassen,warejedochzuvoreilig1

1BeispielsweiseerfordertZuverlassigkeitphysikalischvoneinandergetrenntebzw.entfernteKomponenten.


GemeinsameNutzungvonBetriebsmitteln

•derZugriffaufBetriebsmittelkann(zusatzlich)ausderFerneerfolgen

–BetriebsmittelallenProzessenalsDienstleistungzuganglichmachen∗{Druck,Datenbank,Datei,Web,...,Namens}dienst

–BetriebsmittelverwaltersinddabeiselbstProzesse→Server

•diegesamteBetriebsmittelmengekonntegemeinschaftlichverwaltetwerden

SowieesineinemkonventionellenSystemfurdieDurchfuhrungeinesPro-zessesz.B.unerheblichist,welchenSpeicherplatzerzugewiesenbekommt,kannesnunvollkommenegalsein,aufwelchemRechnererausgefuhrtwird.

•dieBetriebsmittelvergabeerweitertsichumeinegeographischeKomponente


Heterogenitat

he·te·ro’gen<Adj.>andersartig,ungleichartig,verschiedenartig,fremstoffig;Ggs.homogen

2

He·te·ro·ge·ni’tat<f.;-;unz.>istinfolgendenBereichenvorzufinden:

•Netzwerke..................Anschlusstyp,Medium,Technik,Topographie•Prozessoren..........................Informationsdarstellung,

”ByteSex“

•Betriebssysteme.............................Ausfuhrungsumgebung,API•Programmiersprachen...............................Semantik,Pragmatik•ImplementierungendurchverchiedenePersonen.................Standards

2ho·mo’gen<Adj.>gleichartig,gleichgeartet,gleichstoffig,gleichmaßig,zusammengesetzt


Heterogenitat”ByteSex“

RAM

$0818$0817$0816

address4711

0 31register

1174

0 31

4711

register

4711

little endian

1174

value

$0815

$0815 points to least significant byte

big endian

$0815 points to most significant byte

value


HeterogenitatAusfuhrungsumgebung

wosch@faui42y18>make03vs.pdf

03vs.dvi->03vs.ps

Thisisdvips(k)5.90aCopyright2002RadicalEyeSoftware(www.radicaleye.com)

’TeXoutput2003.03.28:2225’->ps/03vs.ps

<texc.pro><texps.pro><special.pro><color.pro>.<cmssi10.pfb><cmss10.pfb>

<cmex10.pfb><cmsy10.pfb><cmr10.pfb><cmtt10.pfb><cmmi7.pfb><cmssbx10.pfb>

<cmmi10.pfb><cmbxsl10.pfb><cmsy7.pfb>[0][1][2][3][4][5][6

<fig/endian.eps>][7][8][9][10][11<fig/server0.eps>][12<fig/client0.eps>]

[13][14][15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25]

03vs.ps->03vs.pdf

wosch@faui42y19>

wosch@faui40u20>make03vs.pdf

ThisisTeX,Version3.14159(Web2C7.3.1)

!Ican’tfindfile‘.INIT’.

<*>.INIT

Pleasetypeanotherinputfilename:

DieLosungdesProblems:

aliasmakegmake⇐= “Youarenotexpectedtounderstandthis.”


Heterogenitat=⇒Middleware

•SoftwareschichtzurAbstraktionvondenjeweiligenSystemeigenheiten

–Programmiersprachen

{

unabhangig→CORBAabhangig→JavaRMI

•einheitlichesProgrammiermodellzurEntwicklungverteilterSoftware

–Prozedurfernaufruf(remoteprocedurecall,RPC[3])–Objektfernaufruf(remoteobjectinvocation,ROI)–entfernteEreignisbenachrichtigungoderSQL-Zugriffe–verteilteTransaktionsverarbeitung

•grundlegendeBausteinebildenProzesseundBotschaftenaustausch


Heterogenitat=⇒VirtuelleMaschine

•derBegriff”mobilerKode“beziehtsichaufubertragbarenMaschinenkode

–beispielsweiseJava-Applets,aberauch(viele)PostScript-Programme:-)

–nichtjedochalsAnhangeine-PostanUNIXversandte.exe-Dateien:-(

•AnweisungsfolgenubertragbarenMaschinenkodessindHardwareunabhangig

–einUbersetzererzeugtZwischenkodefureinevirtuelleMaschine(VM)–dieVMistfurjedenTypHardwarenureinmalimplementiert→JVM–einInterpreter(d.h.dieVM)fuhrtdenZwischenkodeaus,nichtdieCPU–ggf.erfolgtaucheine

”justintime“UbersetzungeinzelnerKomponenten

•derAnsatzisti.A.abhangigvonderProgrammierspracheJava,¬C++


Nebenlaufigkeit

•gemeinsameNutzungvonBetriebsmittelnistgrundlegendesCharakteristikum

–”gleichzeitige“,sichuberlappendeBetriebsmittelzugriffesindhochsttypisch

•dienebenlaufigenZugriffefindenaufverschiedenenEbenenstatt:

1.mehrereProzesse(→Clients)benutzeneinenServerzumselbenZeitpunkt,2.derServeristmehrfadigausgelegt,d.h.bedientmehrereKlientengleichzeitig3.und/oderdieBetriebsmittelliegenklientenseitigalsReplikatevor(Caching)

•KooperationderZugriffegeht(weit)uberklassischeSemaphorverfahrenhinaus

–KonsistenzwahrungerfordertdenEinsatzverteiltarbeitenderAlgorithmen


NebenlaufigkeitServer-Varianten

Client

Client

readwrite

get

Client

Client

Server

write read

put get

Servermultithreaded

put

ResourceResource


NebenlaufigkeitReplikation

readwritereadwrite

multithreadedClient

ClientClient

Cache

read

Cache Cache


Fehlerverarbeitung

•dieWahrscheinlichkeitvonFehlern(intechnischenSystemen)istniemals0

–fehlerbedingteAusfalleinverteiltenSystemensindpartiell∗d.h.,einigeKomponentenfallenaus,wahrendanderenochfunktionieren

–zurVerarbeitungvonFehlernkommenverschiedeneTechnikenzumEinsatz:∗Fehlererkennen,maskieren,tolerieren∗WiederherstellungnachFehlern∗Redundanz

–verteilteSystemebieteneinen(relativ)hohenGradanVerfugbarkeit3

•”5-nines“(99.999%)FehlertoleranzisteinedergroßenHerausforderungen

3EinMaßfurdenZeitanteil,wahrenddessendasSystemzurVerfugungsteht.


FehlerverarbeitungFehler...

∼erkennenEinigeFehlersinderkennbar(z.B.durchPrufsummen),anderesindunmoglichzuerkennen(z.B.einenServer-Ausfall).DieHerausforderungist,mitnichterkenn-abervermutbarenFehlernumzugehen.

∼maskierenEinigeFehler,dieerkanntwurden,konnenverborgenwerden(z.B.verloreneNachrichtenwiederholen,DateienaufmehrereDatentragersichern)oderabgeschwachtwerden(z.B.fehlerhafteNachrichtenverwerfen).Problemebereitetdernichtganzausschließbare

”schlimmsteFall“

4.

∼tolerierenEinigeFehler,dienichterkanntodermaskiertwerdenkonnten,sindhinzunehmenundggf.bishinaufzurAnwendungsebene

”hochzureichen“.

SoftwareverteilterSystemesoll”fehlergewahr“sein.Redundanzhilftdabei.

4BeispielsweiseistderWiederholungszahlerabgelaufenoderdieweiterenDatentragersindebenfallsdefekt.


FehlerverarbeitungWiederherstellung

•Rechnerabsturzebzw.Komponentenausfallezeigeni.A.typischeFehlermuster:

–BerechnungenvonProgrammensindunvollstandig–permanenteDatenbefindensichmoglichweiseiminkonsistentenZustand

•grundsatzlichwirddabeizwischenzweiFehlerartenunterschieden:

transienteFehlerwerdendurch∼smaßnahmenbehoben,diezumZielhaben,einenkonsistentenSystemzustand(wieder)zuerreichen–checkpointing,(forward/backward)recovery,Transaktionen

permanenteFehlerwerdendurchReparaturbehoben,indemdiefehlerhafteKomponenteersetztoderumgangenwird

•MaßnahmenzurWiederherstellungsindimSoftwareentwurfzuberucksichtigen


FehlerverarbeitungRedundanz

•Fehlertoleranzbedeutet”uberdasNotwendigehinausgehen“zumussen:

–mehralseine

{

RoutezwischenzweiPunktenimRechnernetzvorsehenServerinstanz(Prozess,Rechner)derselbenArteinsetzen

•kritische”Funktionsgruppen“liegendazuoftfunktionalrepliziertvor

–redundanteImplementierungeinundderselbenEinheit–realisiertdurchEinsatzunabhangigerEntwicklungsteams

•betrachtlicherMehraufwandstehtdenerhofftseltenenAusfallengegenuber

–FernaufrufeanServergruppenabsetzen—die”richtige“Antwortauswahlen

–Datenmehrfachspeichern—Aktualisierungenuberallnachvollziehen


Sicherheit

•denEigenwertvonInformationenfurihreBenutzerzusichernbedeutet:

Schutzvor

OffenlegunggegenuberUnbefugten→VertraulichkeitVeranderungoderBeschadigung→IntegritatStorungendesBetriebsmittelzugriffs→Verfugbarkeit

•sensibleInformationensindsicherubereinNetzwerkzuubertragen

–dabeireichtesnicht,nurdenInhaltderNachrichtenzuverbergen–dieIdentitatdesAbsenders(Benutzer,Agent)istsicherzustellen

•Verschlusselungsverfahrenhelfen,dieAuthentizitatvonKlientenzubestimmen


Offenheit

offeneSystemezeichensichdurchdieVeroffentlichung(derSpezifikationundDokumentation)derSchnittstellenihrer

”Schlusselkomponenten“aus.

offeneverteilteSystemebasierenaufdemVorhandenseineineseinheitlichenKommunikationsmechanismusundveroffentlichtenSchnittstellenfurdenZu-griffaufgemeinsamgenutzeBetriebsmittel;

∼konnenausheterogenerHard-undSoftwareaufgebautsein,dieinsbesondereauchvonunterschiedlichenHerstellernstammenkonnen.

DieHerausforderungist,mitderKomplexitatvonSystemenzurechtzukommen,dieausvielenKomponenten(unterschiedlicherHerkunft)bestehen.


Skalierbarkeit

EinSystem,dasalsskalierbarbezeichnetwird,bleibtauchdanneffektiv,wenndieAnzahlderRessourcenunddieAnzahlderBenutzerwesentlichsteigt.[1]

•darausleitensichfolgendeProblemfelderfurEntwurfundImplementierungab:

–Kontrolle

{

derKostenfurdiephysischenBetriebsmitteldesLeistungsverlusts

–Vermeidung

{

vonBetriebsmittelerschopfung(32/128-BitInternetadressen)vonLeistungsengpassen(Replikation,Caching)

•imIdealfallsolltederZuwachs”transparent“seinfurSystemundAnwendungen


SkalierbarkeitKomplexitat

KostenkontrolleSolleinSystemmitnBenutzernskalierbarsein,sosolltedieAnzahlderphysischenRessourcenfurihreUnterstutzungmindestensproportionalzunsein,d.h.O(n).

VerlustkontrolleSuchalgorithmen(umz.B.EintrageimDomainNameSystem,DNS,zufindenundaufzulosen),diehierarchischeStrukturenverwenden,skalierenbesseralssolchemitlinearenStrukturen.GleichwohlresultiertderGroßenanstiegineinengewissenLeistungsverlust:

•dieZeit,diefurdenZugriffaufeinehierarchischeStrukturbenotigtwird,istO(logn),wobeindieGroßederDatenmengedarstellt.

DamiteinSystemskalierbarist,solltedermaximaleLeistungsverlustnichthohersein.


SkalierbarkeitInternet-RechnerJahrComputerWebserverAnteil(Quelle:[1])197918800%

198913000000%199317760001300.008%

199566420002350000.4%19971954000012030966%

199956318000659869712%

Webserver

1e+007

2e+007

3e+007

4e+007

5e+007

1980 1985 1990 1995 2000

Computer

0

Webserver

1000

10000

100000

1e+006

1e+007

1980 1985 1990 1995 2000

Computer

100


Transparenz(1)

Zugriffs∼ermoglichtdenZugriffauflokaleundglobale(d.h.entfernte)Betriebs-mittelunterVerwendungidentischerOperationen.DasbetreffendeAPImachtkeinenUnterschiedzwischenlokalenundentferntenOperationen.

Orts∼(auchPositions∼)erlaubtdenZugriffaufBetriebsmittel,ohneihrePosi-tion/ihrenOrtkennenzumussen.BeispielsweiseerfolgtderZugriffnichtdirektuberInternetadressen,sondernindirektuberDomanennamen(DNS).

BeidewerdenunterdemBegriffNetzwerktransparenzzusammengefasst.Soistz.B.wosch@informatik.uni-erlangen.deNetzwerktransparent.[warum?]


Transparenz(2)

Nebenlaufigkeits∼erlaubtmehrerenProzessengleichzeitigesundkonfliktfreiesArbeitenmitdenselbengemeinsamgenutztenBetriebsmitteln.

Replikations∼erlaubtdieVerwendungmehrererBetriebsmittelinstanzen(d.h.Repliken),umZuverlassigkeitundLeistungzuverbessern.

Fehler∼erlaubtdenkontinuierlichenRechnereinsatztrotzdesmoglichenAusfallsvonHard-undSoftware-Komponenten(non-stopcomputing).


Transparenz(3)

Migrations∼(auchMobilitats∼)erlaubtdasVerschiebenbzw.WandernvonBetriebsmittelnundProzesseninnerhalbeinesSystemsohneBeeintrachtigungderlaufendenArbeitvonBenutzernbzw.Programmen.

Leistungs∼erlaubtdieLastabhangigeNeukonfigurierungdesSystemszumZweckederLeistungssteigerung.

Skalierungs∼erlaubtdieVergroßerung(ggf.auchVerkleinerung)desSystemsohneAuswirkungenaufdierealisierteStrukturunddiezumEinsatzgebrachtenAlgorithmen.


Unscharfeprinzip

EsistdieEigenartverteilterSysteme,daßesaufDauerkeinezweiProzessegibt,diezurgleichenZeitdiegleiche,zutreffendeSichtdesSystemshaben.EinProzeßinnerhalbdesSystemsverfugtentwederuberunvollstandige,aktuelleoderubervollstandige,uberholteZustandsinformationen.[2]


Zusammenfassung

Everythingshouldbemadeassimpleaspossible,butnosimpler.(AlbertEinstein)

Youknowyouhaveachievedperfectionindesign,notwhenyouhavenothingmoretoadd,butwhenyouhavenothingmoretotakeaway.(AntoinedeSaintExupery)


Referenzen

[1]G.Coulouris,J.Dollimore,andT.Kimberg.VerteilteSysteme:KonzepteundDesign.Pearson

Education,2002.ISBN3-8273-7022-1.

[2]R.G.HerrtwichandG.Hommel.KooperationundKonkurrenz—Nebenlaufige,verteilteund

echtzeitabhangigeProgrammsysteme.Springer-Verlag,1989.ISBN3-540-51701-4.

[3]B.J.Nelson.RemoteProcedureCall.TechnicalReportCMU–81–119,Carnegie-Mellon

University,1982.

[4]B.Randell,P.A.Lee,andP.C.Treleaven.ReliabilityIssuesinConputingSystemDesign.

ACMComputingSurveys,10(2):123–165,June1978.

[5]D.P.SiewiorekandR.S.Swarz.ReliableComputerSystems:DesignandEvaluation.AK

PetersLtd.,3rdedition,1998.ISBN15-688-1092-X.


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