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Clemens Düpmeier, 11.04.23
Forschungszentrum KarlsruheTechnik und Umwelt
Verteilte SystemeDozent: Clemens Düpmeier
Foliensatz 1: Einführung, Historie,
Grundlegende Begriffe, Systemmodelle
Clemens Düpmeier, 11.04.23
Forschungszentrum KarlsruheTechnik und Umwelt
Unterlagen Online
• Powerpointfolien und andere Informationen sind Online verfügbar unter
http://www.iai.fzk.de/~clemens.duepmeier/vs-vorlesung.html
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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
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Historie
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Paradigmenwechsel in der Informatik
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.
Maschine
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
Übersetzer
Maschine
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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
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Paradigmenwechsel in der InformatikPhase 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.
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Was haben Computernetzwerke mit Verteilten Systemen zu tun?
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Computernetzwerke1960-1970
• 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)
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Computernetzwerke
1990
Das globale Internet
– TCP/IP Netzwerke
– Web-Anwendungen
1990
Das globale Internet
– TCP/IP Netzwerke
– Web-Anwendungen
counts the number of IP addresses that have beenassigned a name
counts the number of IP addresses that have beenassigned a name
counted hosts by walking the domain name tree and doing zone transfers of domain data
counted hosts by walking the domain name tree and doing zone transfers of domain data
old host counts raised by the proper percentage of domains we couldn't survey
old host counts raised by the proper percentage of domains we couldn't survey
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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).
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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?
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Grundlegende Definition(en)
Fokussierung der Vorlesung
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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)
Verteiltes System(Sicht eines Benutzers)
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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.
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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 Anwendung ist 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.
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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
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Beispiel für Verteilte Business-Anwendung
Quelle: Prof. Thai
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Jede Menge Daten + Datenaustausch
Quelle: Prof. Thai
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Jede Menge Anforderungen an Eigenschaften
Quelle: Prof. Thai
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Wichtige Eigenschaften
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Wichtige Eigenschaften
• Nebenläufigkeit
• Kontrollierte, gemeinsame Ressourcennutzung
• Skalierbarkeit
• Sicherheit
• Fehlertoleranz
• Transparenz
• Offenheit
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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
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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.
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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
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Verteilung des DNS Namenraums
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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.
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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.
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TransparenzTransparenz 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.
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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.
• Fehlertransparenz erlaubt das Verbergen von Fehlern, so dass Benutzer und Applikationsprogrammierer ihre Aufgaben erledigen können, auch wenn Hardware- oder Softwarekomponenten ausgefallen sind.
• Mobilitätstransparenz erlaubt das Verschieben von Ressourcen und Clients innerhalb eines Systems, ohne dass die Arbeit von Benutzern oder Programmen dadurch beeinträchtigt wird.
• Leistungstransparenz erlaubt, dass das System neu konfiguriert wird, um die Leistung zu verbessern, wenn die Last variiert.
• Skalierungstransparenz erlaubt, dass sich System und Applikationen vergrößern, ohne dass die Systemstruktur oder die Applikationsalgorithmen geändert werden müssen.
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Offenheit
• Offenheit bzgl. Nutzung durch andere Systeme
– Verwendung standardisierter Schnittstellen
• also bei Kommunikation,
Datenformattechnologien, etc.
• Bzgl. Nutzung anderer Systeme, Sprachen, Betriebssystemen, ...
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Architektur und Systemmodelle
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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
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Verschiedene Blickwinkel auf verteilter SystemeRechnernetz mitRechnerknoten
Objekte / Komponenten Algorithmen u.Protokolle
P1
P2
P3
Physischverteilt Logisch
verteilt
ZeitZeit
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Softwarearchitektur
• definiert also Softwarekomponenten des Systems
– ihre wesentlichen Eigenschaften
– und die Beziehungen untereinander
– und damit die "logische" Verteilung des Systems
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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
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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
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Softwareschichten• 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
Daten-management
Businessebene
Präsentation
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Auch in vier oder fünf SchichtenTerminals, Windows Geräteabhängige Darstellung
Geräteunabhängige Steuerung undKoordinierung des Dialogs mit dem Anwender
Anwendungsspezifische Steuerungs-und Verwaltungsfunktionen, Teile der Business Logik
Datenselektion und -manipulationE-Mail, Drucken, Mailing
Verbindung zum DBMSVerbindung zum DBMS
Präsentation
Datenzugriff
Dialogsteuerung
Anwendungslogik
Dienste und Datenlogik
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0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1. Qrtl. 2. Qrtl. 3. Qrtl.
020406080
100
1.Qrtl.
2.Qrtl.
3.Qrtl.
Präsentation
Tiers (Verteilung von Schichten auf Rechner)
Kontrolle
Funktion
Modell
1. Qrtl.
2. Qrtl.
3. Qrtl.
Ost
20,427,4
90W
est30,6
38,634,6
Nord
45,946,9
45
Wie sollen Funktionalitäten (z.B. als Schichten)auf verschiedene Rechner verteilt werden?
Wie sollen Funktionalitäten (z.B. als Schichten)auf verschiedene Rechner verteilt werden?
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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
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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
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Thin Client / Thick Client
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Client/Server Modelle
Prozeß:Legende:
Computer:
Server
Client
Client
Auftrag
Antwort
Initiierender Prozeß•stellt Anfragen•erteilt Aufträge
Reagierender Prozeß•bearbeitet Anfragen•erfüllt Aufträge
ServerAuftrag
Antwort
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Mehrfache Server
Server
Server
Server
Dienst
Client
Client
Partitition oderReplikation vonDiensten
Beispiel Partition:WWW
Beispiel Partitionund Replikation: DNS
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Proxy-Server und Cache
Client
Proxy
Web
server
Web
server
serverClient
Proxy-Server: Gemeinsamer CacheZweck von Proxy-Servern: erhöhte Leistung und Verfügbarkeit
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Koordinierungs-
Applikation
code
Koordinierungs-
Applikation
codeKoordinierungs-
Applikation
code
Gleichrangige Prozesse (Peer Processes)
Oft bessere Leistung als Client-Servermit vielen ähnlichen Prozessen und vorwiegend lokaler Kommunikation.Beispiel: Whiteboard
Oft bessere Leistung als Client-Servermit vielen ähnlichen Prozessen und vorwiegend lokaler Kommunikation.Beispiel: Whiteboard
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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
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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
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Architektur mit 3-Schichtenverteilung
Präsentationsschicht
Applikationslogik
Datenlogik Datenlogik
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Applikationen, Dienste
Betriebssystem
Middleware
Computer- und Netzwerkhardware
Middleware abstrahiert vom Betriebssystem
Middleware (Verteilungsplattform) :Transparenz der •Heterogenität existierender Hardware und Betriebssysteme•Verteilung
Middleware (Verteilungsplattform) :Transparenz der •Heterogenität existierender Hardware und Betriebssysteme•Verteilung
Plattform: „unterste“ Hardware- und Softwareschichten (Low-Level)werden häufig als Plattform bezeichnet.Beispiele: Intel x86/{Windows|Linux}, PowerPC/MacOS, Solaris
Plattform: „unterste“ Hardware- und Softwareschichten (Low-Level)werden häufig als Plattform bezeichnet.Beispiele: Intel x86/{Windows|Linux}, PowerPC/MacOS, Solaris
•Plattformunabhängig•Middlewareabhängig
•Plattformunabhängig•Middlewareabhängig
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Middleware als Zwischenschicht zur Kommunikation zwischen Layer
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Middleware als Integrationshilfsmittel
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N-Schichtenverteilung
• Entweder durch Hinzufügen weiterer Schichten
– z.B. bei Web-Business-Applikationen durch
zusätzlichen Web-Tier
• Durch Verknüpfungen mehrer Mehrschicht-Anwendungen über zusätzliche Integrationslayer
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4-Schichten-Architektur mit Web-Layer
• Für solche Architekturen setzt man häufig Komponenten-oriente Frameworks ein, die auf Application Server basieren
– Komplette Frameworks
zum Schreiben von
Mehrschicht-
Anwendungen
• .NET Framework
• Java JEE
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JEE als Komponenten-orientierte Middleware
BrowserLegacySystem
LegacySystem
Database
(Controller)Servlet(s)
(Model)
Web/HTTP Server
3
(View)JSPGUI
Anwend.
EJBEJB
EJB
EJB
JMS
JDBC
CORBA
JNDI
CorbaDienst
e
Application ServerRMI
RMI
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Gliederung der weiteren Vorlesung
• Kommunikation und Parallelität – Grundlegende Begriffe und Technologien
– Client-Server Kommunikation
– Nebenläufigkeit (Parallelität), Synchronisationsprobleme, Verteilte
Transaktionen
• Verteilte Objektkommunikation und Namensdienste• Middleware, Verteilte Softwarekomponenten und Application Server
– Verteilte Komponenten und ihre Kommunikation
– Kommunikation über Nachrichten (MOM – Message Oriented Middleware)
• Die Rolle des Web in Verteilten Business-Applikationen
– Web als Präsentationsschicht
– Web als Servicekommunikationsschicht
– SOA (Service Oriented Architecture)