Einzelarbeit vs. Gruppenarbeit

Viele Apskete verteilter Systeme finden sich ähnlich in sozialen Systemen, z.B. Gruppenarbeit. Im Kurs wurden folgende Apskete erarbeitet.

Einzelarbeit

Vorteile

• Scheduling einfacher
• performant / keine Transaktionskosten/Overhead (kein Reden, keine Abstimmung, kein Warten)
• vollständiges Wissen
• Single Point of Truth
• Eigenverantwortung
• sicher (kein Abhören, keine Abhängigkeit)

Gruppenarbeit – Vorteile

• Arbeitsteilung / Entlastung
• Parallelität
• performanter durch Spezialisierung
• Resilienz - Risikoverteilung
• Fehlererkennung
• Skalierbarkeit (ab 2 ist 3,4,5 leicht)
• Robustheit / Fehlertoleranz / Austauschbarkeit
• gemeinsame Nutzung von Ressourcen (Drucker, Papier, Räume)
• einige Aufgaben von Natur aus verteilt, z.B. geographische Trennung

Gruppenarbeit – Nachteile

• erhöhte Komplexität durch Notwendigkeit von Kommunikation
• Fehleranfälligkeit und neue Fehlerklassen
  • Übertragungsfehler / Missverständnisse
  • Timeout / Halteproblem
  • Mehrarbeit wenn unsynchronisiert
• Kompatibilität
• Unsicherheit
• Debugging / Fehlerfindung / unklare Schuldfrage (verschiedene kommunizierende Prozesse sind schwer kontrollierbar und teilweise auch schwer verständlich)

Elemente eines Kommunikationssystems

Kommunikationsarten

Kommunikationsformen

• Textkommunikation
• Datenkommunikation
• Sprachkommunikation (audio)
• Bild- und Videokommunikation

Spezielles Kommunikationsmodell für Computer – Anpassungen

1. Meldungen liegen in digitaler Form vor
2. Es existiert ein zweiter Kommunikationskanal für Rückmeldungen
3. Definition eines Protokolles, das festlegt, was für Meldungen in welcher Reihenfolge ausgetauscht werden
4. Rekursive Struktur ein protokoll-erweiterter Kanal kann selbst als (virtueller) Kanal verwendet werden

Verteiltes System

Ein verteiltes System ist ein System,

• in dem sich Hardware und Softwarekomponenten auf vernetzten Computern befinden und
• nur über den Austausch von Nachrichten kommunizieren und ihre Aktionen koordinieren.

Verteilte Anwendung

Eine verteilte Anwendung ist eine Anwendung,

• die ein verteiltes System zur Lösung eines Anwendungsproblems nutzt und
• aus verschiedenen Komponenten besteht, die mit den Komponenten des verteilten Systems sowie mit den Anwendern kommunizieren.

Architekturmodelle

Ein Architekturmodell beschreibt

• die Rollen einer Anwendungskomponente innerhalb der verteilten Anwendung
• die Beziehungen zwischen den Anwendungskomponenten
• Beispiele:
  • Client / Server
  • Peer-to-Peer

Client / Server

Client / Server – Varianten

Mobiler Code

• Servercode wandert auf Anfrage (in Form) zum Client.
• Die Ausführung des Codes erfolgt am Client
• Bekanntes Beispiel dieser Client / Server Variante sind Java Applets.
  • Applets als serverseitige Anwendungskomponenten wandern auf Anfrage zum Client.
  • Der Browser als Client macht Aufrufe lokal auf dem Applet.
  • Bei Bedarf reicht das Applet die Anfragen an den Server weiter.

Client / Server – Varianten

Kooperierende Server

• Ein Verbund von Servern bearbeitet transparent einen Aufruf.
• Verwendung findet dieses Modell beispielsweise im Internet bei Domain-Name-Servern (DNS).
• DNS verwalten Abbildungstabellen von auf IP Adressen.
• Liegt lokal keine Abbildung vor, wird der Aufruf transparent an den DNS-Server weitergeleitet.

Client / Server – Varianten

Replizierte Server

• Es werden Replikate von Serverprozesse zur Verfügung gestellt.
• Beispiele:
  • Transparente Replikate in Clustern zur Verbesserung der Performance und zur Ausfallsicherheit.
  • öffentliche Replikate zur Lastverteilung (z.B. Mirror Server)

Client / Server – Varianten

Proxy Modell

• Ein Proxy dient als Zwischenspeicher für Aufrufergebnisse vom Server.
• Ziel ist die Verbesserung der Performance
• Beispiel: Proxy zum Zwischenspeichern von Webseiten

Das Tier-Modell

• Tier: Prozessraum in einer verteilten Anwendung
• n-Tier-Architektur legt fest, wie viele unterschiedliche Client- und Server es innerhalb einer verteilten Anwendung gibt.
• Ein Prozessraum kann einem physikalischen Rechner entsprechen.
• Die Verwendung von n-Tier Architekturen ergibt vor allem für Informationssysteme Sinn:
  • Verteilung der Software zur Reduktion der
  • Interaktive Mensch-Maschine Schnittstelle
  • Datenzentriertes Vorgehen

Das Tier-Modell

• Typischen Aufgabenstellungen in einem Informationssystem:
  • Präsentation – Schnittstelle zum Anwender
  • Anwendungslogik – Bearbeitung der Anfragen
  • Datenhaltung – Speicherung der Daten in einer Datenbank
• Im Tier-Modell wird jede dieser Aufgaben der Anwendungskomponente einer einzelnen Tiers zugeordnet.
• Die Art der Zuordnung macht den entscheidenden Unterschied der verschiedenen n-Tier Architekturen.

2-Tier-Architektur

Thin- vs Fat-Client-Architekturen

• sind Verfeinerungsmodelle für die Zuordnung der Anwendungslogik
• Ultra-Thin-Client: Die auf der Client-Tier sich auf reine Anzeige von Dialogen. der Anwendung ist ein Browser.
• Thin-Client: Die auf der Client-Tier sich auf Anzeige von Dialogen und die Aufbereitung der Daten zur Anzeige.
• Fat-Client: Teile der Anwendungslogik liegen zusammen mit der auf der Client-Tier.

3-Tier-Architektur

Peer-to-Peer (P2P)

• Gleichberechtigte Prozesse interagieren miteinander.
• Jeder Prozess kann sowohl als Client- als auch als Serverprozess auftreten.
• Peer Prozess
  • Kurzlebiger Prozess
  • Lebt für die Dauer der Nutzung durch einen Anwender
  • Agiert als Initiator und als Diensterbringer.
• Ziel: von einem zentralen Server.
• Einsatz beispielsweise bei Tauschbörsen.

Vergleich Client/Server und P2P

• Server werden zentral betrieben und administriert
• Ein Client besitzt geringere Ressourcen als der Server
• Die Ressourcen eines Peer sind zu denen anderer Teilnehmer
• P2P – Peers kommunizieren direkt mit anderen Peers und teilen Ressourcen

Eigenschaften P2P

• Skalierbarkeit – Teilen von Ressourcen
• Keine Notwendigkeit zur Einrichtung und Skalierung von Servern
• Jeder Nutzer bring eigene Ressourcen ein
• Zum Beispiel resistent gegen spikes (eine Menge von Nutzern, die alle zur gleichen Zeit eintreffen)
• Preiswert – Keine Infrastruktur erforderlich
• Hohe Verfügbarkeit – Inhalt nahezu permanent verfügbar
• Jeder kann seinen eigenen Inhalt einbringen (kostenfrei)
• Selbstgemachter (home-made) Inhalt
• Illegaler Inhalt (P2P = Pirate-to-Pirate)

ISO OSI-Referenzmodell

Middleware

Middleware

• Ziel: Verbergen der Verteilungsaspekte vor der Anwendung
• Anwendungsaufrufe gehen an Middleware, diese kümmert sich um Weiterreichung über das Netzwerk (meist TCP/IP)
• Wir unterscheiden zwischen:
  • Kommunikationsorientierte Middleware
  • Anwendungsorientierte Middleware
  • Nachrichtenorientierte Middleware

Interprozesskommunikation (IPC)

• Komponenten einer verteilten Anwendung laufen in unterschiedlichen Prozessen
• Kommunikation basiert auf Nachrichtenaustausch in Form von Bitfolgen
• IPC ist ein Mechanismus zum Nachrichtenaustausch zwischen Prozessen
• Kommunikationsmodelle legen das Protokoll für den Ablauf der IPC fest
• Unterscheidung zwischen synchroner und asynchroner Kommunikation

Synchrone Kommunikation

• Sender-Prozess blockiert während Anfrageverarbeitung
• Eigenschaften:
  • Enge Kopplung zwischen Sender und Empfänger mit allen Vor- und Nachteilen
  • Hohe Abhängigkeit besonders im Fehlerfall
• Voraussetzung:
  • sichere und schnelle Netzverbindungen
  • empfangender Prozess ist verfügbar

Asynchrone Kommunikation

• Sender ist nicht blockiert; Prozess kann nach dem Senden sofort weiterarbeiten
• Antworten sind optional (push / pull)
• Realisierung über Queues:
  • komplizierter zu implementieren, dafür effizienter
  • lose Koppelung von Prozessen
  • geringere Fehlerabhängigkeit
  • Empfänger muss nicht empfangsbereit sein

Kommunikationsorientierte Middleware

• Schwerpunkt liegt in der Abstraktion von der Netzwerkprogrammierung
• Dienst als Kommunikationsinfrastruktur
• Konzentriert sich auf reine Kommunikationsaspekte
• Beispiele sind RPC, RMI, Web Service

Anwendungsorientierte Middleware

• Setzt auf der kommunikationsorientierten Middleware auf
• Erweitert diese um Laufzeitumgebung + Dienste + Komponentenmodell
• Beispiele: CORBA, J2EE, .Net

Nachrichtenorientierte Middleware

• englisch Message Oriented Middleware (MOM)
• arbeitet nicht mit Methoden- oder Funktionsaufrufen, sondern über den Austausch von Nachrichten
• verschiedene Kommunikationsprotokolle:
  • Message Passing
  • Message Queueing
  • Publish & Subscribe

Probleme

• Heterogenität: Hardware, Betriebssysteme, Programmiersprachen, Protokolle, Darstellung von Datentypen, Zeichenkodierungen
• Lösung
  • Installationen für verschiedenen Betriebssysteme
  • SDKs für verschiedene Programmiersprachen
  • Einigung auf einheitliche Datenformate

Datentransformation (Marshalling / Unmarshalling)

• Unter Marshalling versteht man die Transformation von Daten in ein Übertragungsformat.
• Unter Unmarshalling versteht man die Rücktransformation eines Zeichen- oder Bytestroms in Daten einer konkreten Programmiersprache.

Sockets

• vom Betriebssystem bereitgestelltes Objekt, das als Kommunikationsendpunkt dient
• Ein Socket setzt sich aus IP und Port zusammen., z.B. 141.45.146.226:443 oder 127.0.0.1:3000
• Über diese Programmier-Schnittstelle (API) können Applikationen verteilt über das Netz programmiert werden

Remote Procedure Call (RPC)

• Technik zum Aufruf von Funktionen (mit Parametern) auf anderen Prozessen
• Entkopplung von Client und Server durch Schnittstellendefinition
• Einführung von Stub und Skeleton als Zugriffsschnittstelle auf Client- und Serverseite
  • werden aus der Schnittstellenspezifikation generiert
  • sind verantwortlich für Marshalling und Unmarshalling
  • ermöglichen die Zusicherung von Zugriffs- und Ortstransparenz
• Fehleranfällig

Remote Method Invocation (RMI)

• Java-eigene Art des Remote Procedure Call
• Aufruf von Methoden auf entferntem Objekt

Links und Props

• Viele Folieninhalte von Prof. Hemling