1 Grundlagen Verteilter Systeme 1.1 Begründung und Bedeutung

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1 Grundlagen Verteilter Systeme
1.1 BegrŸndung und Bedeutung
Verteilte Systeme
Warum bilden ãVerteilte SystemeÒ ein eigenstŠndiges Thema ?
¥
Es gibt parallele AktivitŠten
(Koordination, Synchronisation)
¥
Es gibt keinen gemeinsamen Speicher
(Interaktion durch Nachrichtenaustausch)
¥
Systeme kšnnen sehr gro§ sein
(Gro§systemeffekte, Umschlag von der QuantitŠt in die QualitŠt)
¥
Fehler und AusfŠlle sind wahrscheinlich
(Fehlertoleranz)
¥
Komponenten (Hardware und Software) sind heterogen
(Standardisierung von Schnittstellen)
1-1
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Paradigmenwechsel in der Informatik
Zum wissenschaftstheoretischen Begriff des Paradigma
παραδειγµα = Beispiel, Muster
Paradigma im Sinne von Th. Kuhn (ãThe structure of scientific revolutionsÒ):
Summe aller Grundannahmen, die in einem gewissen Zeitraum in einem Fachgebiet
allgemein anerkannt werden, d.h. das aktuell gŸltige Fundament eines Fachgebiets
Beispiele fŸr Paradigmenwechsel in der Physik:
¥
Kopernikanische Wende:
†bergang vom geozentrischen (PtolemŠus) zum heliozentrischen Weltbild
(Kopernikus)
¥
Von der NewtonÕschen Mechanik zur RelativitŠtstheorie und weiter zur
Quantenmechanik
1-2
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Paradigmenwechsel in der Informatik
Phase 1: 1930 - 1960 (AnfŠnge)
Sichtweise: Rechenassistent
Maschine
Charakterisierung:
In eine leere Maschine wird ausfŸhrbarer Code inklusive Eingabedaten geladen,
die Maschine berechnet Ergebnisse, gibt sie aus und hŠlt an.
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Phase 2: 1960 - 1980 (Hoch-Zeit der Informatik)
Sichtweise: Hierarchie logischer, sprachverarbeitender Maschinen
Programm
Übersetzer
Maschine
Charakterisierung:
Programme in hšheren Programmiersprachen dienen als Eingabedaten fŸr †bersetzer oder
Interpreterierer, die daraus ausfŸhrbaren Code erzeugen.
Abarbeitung weitgehend sequentiell.
Residentes Betriebssystem ermšglicht Mehrprogrammbetrieb (time-sharing)
1-4
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Phase 3: heute
Sichtweise:
Eine Gruppe autonomer, ãintelligenterÒ Instanzen, die untereinander und mit der Au§enwelt
interagieren.
Charakterisierung:
Komplexe Softwaresysteme erstrecken sich Ÿber eine Vielzahl von Rechnern.
Sie bestehen aus einer Vielzahl spezialisierter, parallel arbeitender ãAgentenÒ,
die zur ErfŸllung ihrer komplexen Aufgaben miteinander kooperieren und
gleichzeitig im Wettbewerb um knappe Ressourcen stehen.
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Was ist ein Verteiltes System ?
Definition (Leslie Lamport)
(nicht ganz ernst gemeint)
"A distributed system is one
on which I cannot get any work done
because some machine I have never heard of
has crashed."
Begriffliche AnnŠherung
ãEin verteiltes System ist eine Zusammenfassung autonomer Rechner,
die durch ein Netzwerk verbunden sind und
durch geeignete SoftwareunterstŸtzung sich dem Benutzer
als ein zusammenhŠngendes Rechensystem darstellen.Ò
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Beispiele
¥
Ein Transputersystem (z.B. direkt gekoppelte Transputer-Bausteine mit lokalem
Speicher)
¥
Ein Netz von Arbeitsplatzrechnern (verbunden durch Ethernet oder Token-Ring)
¥
Gesamtheit aller Internet-Knoten
¥
Die durch einen Bus gekoppelten Prozessoren in einem Automobil
(ABS, Motorsteuerung, autom. Getriebe, Airbag, Navigationsrechner)
¥
Ein Netz von Bargeldautomaten und dazugehšrige Server-Rechner
¥
Die Gesamtheit aller Rechnerknoten einer vollautomatischen Fertigungsstra§e
¥
Die Menge aller Mobiltelephone in einer Zelle
d.h. Verteilte Systeme umfassen nahezu alle Bereiche heutigen Rechnereinsatzes
1-7
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1.2 Entstehung Verteilter Systeme
Verteilte Systeme sind das Resultat zweier Prozesse:
¥
Verteilen
Programme und Daten werden auf mehrere Rechner verteilt, um Beschleunigung oder
Fehlertoleranz zu erzielen
¥
Verbinden
Rechner und ihre Programme werden von anderen Rechnern erreichbar und bilden
gro§e Verbunde logischer und physikalischer Betriebsmittel
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Das Grosch'sche Gesetz
Leistung
Preis
"Die Leistung eines Rechners steigt (ungefŠhr) quadratisch mit dem Preis"
Konsequenz:
Es ist gŸnstiger, einen doppelt so schnellen Rechner zu kaufen als zwei einfach schnelle
(Das Gesetz galt in den Sechzigern und Siebzigern Ÿber einen weiten Bereich von
Universalrechnern)
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Achtziger Jahre
Aufkommen leistungsstarker Mikroprozessoren
¥
¥
¥
¥
¥
Hohe Integrationsdichte (VLSI)
Ein-Chip-Prozessoren
Automatisierter Herstellungsprozess
Automatisierter Entwurfsprozess
Hohe StŸckzahlen
Konsequenz:
Grosch'sches Gesetz gilt nicht mehr:
1000 billige Mikroprozessoren bringen (rechnerisch) mehr Leistung (MIPS) als teurer
Superrechner (z.B. Cray)
Idee:
Zur Erzielung hoher Leistung bei geringen Kosten viele Prozessoren gemeinsam einsetzen.
⇒ Parallelverarbeitung (ãVerteilenÒ)
1-10
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Achtziger Jahre
¥ Verbreitung von Arbeitsplatzrechner und PCs
Bildschirme werden durch PCs ersetzt
Workstations erreichen die Leistung von Gro§rechnern bei einem Bruchteil des
Preises.
¥ Verbreitung lokaler Netze (LAN) (Ethernet)
Mšglichkeit, eine gro§e Anzahl autonomer Rechner kostengŸnstig mit einem
leistungsfŠhigen Medium zu verbinden.
Zugriff auf Dateien anderer Rechner
Nutzung von (Unter)programmen und anderer Betriebsmittel auf entfernten Rechnern
⇒ Verteilte Systeme (ãVerbindenÒ)
1-11
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Wesentliche Eigenschaften
¥
Gemeinsame Nutzung von Betriebsmitteln
(GerŠte, Kommunikationsverbindungen, Programme, Daten)
erweist sich im verteilten Fall als schwieriger
¥
NebenlŠufigkeit
in hohem Ma§e vorhanden: Ein komplexes Netzwerk paralleler AktivitŠten
¥
Skalierbarkeit
als Forderung: System soll auch noch funktionieren, wenn sich die Zahl der
Knoten um Zehnerpotenzen Šndert
¥
Transparenz
Benutzer soll von der Verteiltheit des Systems mšglichst nichts mitbekommen
¥
Offenheit
Verwendete Schnittstellen (HW&SW) sollen šffentlich sein, damit neue
Komponenten leicht integriert werden kšnnen
¥
Fehlertoleranz
Einzelne AusfŠlle einzelner Komponenten dŸrfen nicht zum Ausfall des gesamten
Systems fŸhren
1-12
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Vor- und Nachteile verteilter Systeme
Vorteile
Nachteile
¥
Kostenreduktion
¥
Hoher Bedienungs- und
Wartungsaufwand
¥
Lokale Kontrolle und VerfŸgbarkeit
¥
Probleme durch HeterogenitŠt
¥
Schwierigkeit, korrekte verteilte
Software zu erstellen
¥
KomplexitŠt des
Kommunikationssystems
¥
Hoher Aufwand beim †bergang vom
zentralisierten zum dezentralen
System
¥
Sicherheitsprobleme
¥
Gesamtkosten schwer abzuschŠtzen
¥
Ma§geschneiderte Konfiguration
¥
Leichte Erweiterbarkeit
¥
Ausfalltoleranz
¥
Hohe Leistung durch Parallelarbeit
¥
Modulare Software
¥
HerstellerunabhŠngigkeit
¥
†bereinstimmung mit
organisatorischen Strukturen
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1.3 Hardware-Architektur Verteilter Systeme
Grobklassifikation nach Flynn
Das bekannteste und einfachste Klassifikationsschema unterscheidet nach Einfachheit
oder Vielfachheit von Befehls- und Datenstršmen.
Durch Kombination gelangt man zu vier Klassen:
MI (Multiple Instruction) SI (Single Instruction)
SD (Single Data)
MD (Multiple Data)
SISD
SIMD
konventionelle
von-Neumann-Rechner
Feldrechner,
Vektorrechner
(Cray-1, CM-2, MasPar,..)
MISD
MIMD
(bisher) leer
Multiprozessorsysteme,
Verteilte Systeme
(Transputersysteme, Suprenum,
Sequent Balance, CM-5,
SGI, Intel Paragon,
IBM SP6000, Cray T3D/T3E)
1-14
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MIMD-Maschinen
a) Multirechnersysteme (message passing systems, loosely coupled systems)
Jeder Prozessor P verfŸgt Ÿber einen eigenen Speicher M, auf den nur er Zugriff hat.
Datenaustausch durch Versenden von Nachrichten Ÿber ein Verbindungsnetzwerk
Verbindungsnetz
P
P
P
P
P
P
M
M
M
M
M
M
1-15
P
M
P
M
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b)
Multiprozessorsysteme (shared memory systems, tightly coupled systems)
Alle Prozessoren (P) greifen Ÿber ein gemeinsames Kommunikationsnetz
auf gemeinsame Speichermodule (M) zu
P
P
P
P
P
P
P
P
Verbindungsnetz
M
M
M
M
Nach der Art der Erreichbarkeit der Speichermodule kann weiter unterschieden werden:
- einheitlicher Speicherzugriff (uniform memory access, UMA):
Zugriffszeit zum Speichermodul ist unabhŠngig von der Adresse des Prozessors oder
des Speichermoduls
- uneinheitlicher Speicherzugriff (nonuniform memory access , NUMA
Zugriffszeit hŠngt von den beteiligten Adressen ab.
1-16
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Verbindungsnetze
Allgemeine Kriterien
¥ Erweiterbarkeit
Variable Anzahl von AnschlŸssen pro Prozessor
Beliebige Inkremente
¥ Leistung
Kurze Wege zwischen allen Prozessoren
Hohe Bandbreite
Geringe †bertragungsdauer
¥ Kosten
Proportional zur Anzahl der Leitungen und zur Anzahl der AnschlŸsse.
¥ ZuverlŠssigkeit
Die Existenz redundanter Datenpfade
¥ FunktionalitŠt
Pufferung
Wegewahl
Gruppenkommunikation
1-17
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Statische Verbindungsnetze
KonnektivitŠtsspektrum statischer Netze
Ring
Hyperwürfel
Anz. Verbindungen
n
n/2 log2 n
n (n-1) / 2
Anschlüsse/Prozessor
2
log2 n
n-1
Durchmesser
n/2
log2 n
1
1-18
vollständig vermascht
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Beispiele
Gitter-Strukturen
4x4-Gitter
4x4-Torus
Eigenschaften
¥
¥
¥
Konstanter Knotengrad
Erweiterbarkeit in kleinen Inkrementen
Gute UnterstŸtzung von Algorithmen mit lokaler Kommunikationsstruktur
(Modellierung physikalischer Prozesse)
1-19
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HyperwŸrfel
HyperwŸrfel der Dimension 4 (H(4))
Eigenschaften:
¥
¥
¥
logarithmischer Durchmesser
Erweiterung in Zweierpotenzen
Variabler Knotengrad
1-20
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WŸrfelartig verbundene Ringe CCC(d) (cube connected cycles)
d-dimensionalen HyperwŸrfel, bei dem jeder durch einen Ring der Anzahl d ersetzt wird.
Jeder dieser d Knoten besitzt neben den zwei Ringkanten eine weitere Kante in Richtung
einer der d HyperwŸrfel-Dimensionen
Cube Connected Cycles der Dimension 3 (CCC(3))
Eigenschaften:
¥
logarithmischer Durchmesser
¥
konstanter Knotengrad (=3)
¥
Erweiterung nur in Zweierpotenzen
1-21
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Parameter typischer statischer Verbindungsnetze
Anzahl
Knoten
d
d
Gitter G( a1 × a 2 ×L× a d )
∏a
k =1
Anzahl Kanten
k
∑ (a
k =1
d
Torus T( a1 × a 2 ×L× a d )
∏a
k =1
d
HyperwŸrfel H(d)
2
Cube Connected Cycles
CCC(d)
d2
k
−1)
i
2d
d
∏a
k =1
k
− 1)
d
2d
k
∑ a
k =1
d −1
3d 2
∑ (a
k =1
d
k
Durchmesser
d
i≠k
d2
d
∏a
max.
Knotengrad
d −1
1-22
k
/ 2
d
d
3
2d + d / 2
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Dynamische Verbindungsnetze
Alle Komponenten haben Zugang zu einem gemeinsamen Verbindungsnetz.
Verbindungen werden bei Bedarf geschaltet
schaltbares Verbindungsnetz
Schema eines dynamischen Netzes
Im wesentlichen lassen sich drei Klassen unterscheiden
¥
Bus
¥
Schaltermatrix
¥
Mehrstufige Netze
1-23
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Busartige Netze
Eigenschaften:
¥
¥
¥
¥
KostengŸnstig
Blockierend
erweiterbar
geeignet fŸr begrenzte Anzahl von Komponenten
Einzelbus
M
M
M
M
P
P
P
P
Bus
Mehrbus - Verbindungsnetz (MultibusfŸr Multiprozessor-Architektur
M
M
M
M
P
P
B1
B2
Bm
1-24
P
P
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Gitter von Bussen fŸr Multicomputer-Architektur (Suprenum)
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
1-25
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Schaltermatrix
Eigenschaften
¥
Teuer
¥
Blockierungsfrei, leistungsfŠhig
¥
Zahl der AnschlŸsse festgelegt
¥
Wegen der quadratisch wachsenden Kosten nur fŸr begrenzte Anzahlen realisierbar
M
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
P
Interprozessorverbindung
M
M
M
M
M
M
M
Verbindung zwischen
Prozessoren und Speichermodulen
1-26
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Mehrstufige Netze
Kleinere Schaltermatrizen (z.B. 2x2) dienen als Zellen, die in Stufen zu komplexeren Netzen
verschaltet werden.
Eigenschaften
¥
¥
teilweise blockierend
erweiterbar
(a)
(b)
(c)
(d)
Elementare SchalterzustŠnde:
Durchschaltung (a), Kreuzschaltung (b), obere (c) und untere (d) VervielfŠltigung
1-27
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Beispiel: Omega-Netz
000
001
000
001
010
011
010
011
100
101
100
101
110
111
110
111
1-28
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Klassen dynamischer Verbindungsnetze mit ihren wesentlichen
Eigenschaften im Vergleich:
Bus
Latenzzeit (Distanz)
Bandbreite pro
Anschluss
Schalterkosten
Verdrahtungskosten
Schaltermatrix
1
1/n
Mehrstufige
Netze
log n
1
n
n
n log n
n log n
n2
n
1
1
AbschŠtzung des asymptotischen Wachstums von Kosten- und Leistungsmerkmalen
dynamischer Verbindungsnetze
1-29
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Lokale Netze
¥
meist bus- oder ringartige Topologie
¥
diverse Medien
(z.B. Koaxialkabel, Twisted Pair, Glasfaser, Infrarot)
¥
diverse Protokolle
(z.B. Ethernet, Fast-Ethernet, Gigabit-Ethernet, Token-Ring, FDDI, ATM)
¥
angeschlossene Rechnerknoten hŠufig sehr heterogen bezŸglich
Leistung
Hersteller
Betriebssystem
¥
meist hierarchische heterogene Struktur von Subnetzen
(gegliederte Netze)
1-30
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Beispiel fŸr gegliedertes lokales Netz
File-Server
Rep
Router
Bridge
Ethernet
Token-Ring
PSE
FDDI-Ring
Bridge
1-31
WANVerbindungen
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Cluster-Architekturen
Unter einem Cluster versteht man die Zusammenfassung vollstŠndiger autonomer Rechner
(Workstations, PCs) zu einem Parallelrechner.
Die Komponentenrechner kšnnen, mŸssen aber nicht rŠumlich eng gekoppelt sein.
Wesentlich ist die Kopplung durch ein Hochgeschwindigkeitsnetz.
Typischerweise eingesetzte Netze
Fast Ethernet
ATM
Myrinet
SCI (Scalable Coherent Interface)
1-32
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Beispiel: SCI-Cluster der Uni Paderborn (Siemens hpcLine)
96 Doppelprozessor-PCs (Pentium II, 450 MHz) mit insgesamt 48 GB Hauptspeicher,
mit SCI-Ringen als 12x8-Torus verschaltet.
NUMA-Architektur: Hardwarezugriff auf entfernten Speicher
Prozessor
L1
L1
Cache
Prozessor-Bus
Cache
L2
Busbrücke
L2
I/O-Bus
I/O-Bus
Speicher
Busbrücke
Prozessor
Prozessor
Prozessor
L1
L1
L2
L2
Prozessor-Bus
Speicher
SCI
Adapter
SCI
Adapter
SCI-Ring
1-33
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1.4 Software-Architektur Verteilter Systeme
Anwendungen sollen in mšglichst transparenter Weise unterstŸtzt werden,
d.h. es wird eine SW-Infrastruktur benštigt, welche die Verteiltheit weitgehend
Verteilte Anwendung
???
Rechner
Rechner
Rechner
Rechner
Verbindungsnetz
1-34
verdeckt.
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Zwei ArchitekturansŠtze fŸr verteilte Systeme:
Verteiltes Betriebssystem:
Das Betriebssystem selbst stellt bereits die benštigten Funktionen zur VerfŸgung
Verteilte Anwendung
Verteiltes Betriebssystem
Rechner
Rechner
Rechner
Rechner
Verbindungsnetz
Netzwerk-Betriebssystem
Die lokalen Betriebssysteme werden ergŠnzt um eine weitere Schicht
(Netzwerkbetriebssystem, Middleware), welche die verteilten Funktionen anbietet
Verteilte Anwendung
lok. BS
Netzwerk-Betriebssystem
lok. BS
lok. BS
lok. BS
Rechner
Rechner
Rechner
Rechner
Verbindungsnetz
1-35
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Allgemeine Betriebssystem-Architektur
(Mikrokern-Architktur)
Steuerung & Kontrolle
Kommandos,
Benutzerschnittstelle
Anwendung
Dienste
Prozeßbereich
Betrieb und Verwaltung
realer und logischer
Betriebsmittel
Kernschnittstelle
BS-Kern
Prozeßverwaltung
Interaktion
Hardware
1-36
Kernbereich
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Architektur lokaler Betriebssysteme
Benutzerprozesse
BS-Prozesse
Kernschnittstelle
Betriebssystemkern
Hardware
1-37
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Architektur verteilter Betriebssysteme
Rechnergrenze
Benutzerprozesse
BS-Prozesse
BS-Kern
BS-Kern
Hardware
Hardware
Verbindungsnetz
1-38
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Prozesskommunikation
Konzeptuelle Sicht:
A
B
oder
A
B
K
Kommunikationsobjekt
Realisierung:
A
B
Senden(K,..)
Empfangen(K,..)
Kern
K
1-39
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Verteilte Betriebssysteme: Architekturvarianten
In verteilten Systemen mŸssen zur Prozessinteraktion Rechnergrenzen Ÿberwunden
werden.
Die dazu erforderliche Kommunikationssoftware kann nun im Betriebssystemkern integriert
sein (Kernverbund) oder als spezielle Komponente au§erhalb des Kerns existieren
(Proze§verbund)
¥
Beim Kernverbund ist die Verteiltheit unter der Kernschnittstelle verborgen.
Kernaufrufe kšnnen sich auf beliebige Objekte im Netz beziehen.
Die Vereinigung aller Kerne bildet den Verbundkern.
¥
Beim Prozessverbund bleibt die lokale Kernschnittstelle unangetastet.
Der lokale Kern ist sich nicht bewusst, dass er Teil eines verteilten Systems ist.
Auf diese Weise kšnnen bestehende Betriebssysteme zu verteilten Betriebssystemen
erweitert
werden.
1-40
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Kernverbund:
Rechnergrenzen
Prozeß
Prozeß
Verbundsoftware
Verbundsoftware
lok. BS-Kern
lok. BS-Kern
Verbundkern
1-41
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Prozessverbund:
Rechnergrenzen
Prozeß
Prozeß
Verbundsoftware
Verbundsoftware
BS-Kern
BS-Kern
1-42
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Abgrenzung verteilter Betriebssysteme
Multiprozessor-BS
Verteiltes BS
Netzwerk-BS
Alle Rechner das gleiche
BS?
ja
ja
nein
Wie viele Kopien des BS
?
1
n
n
Gemeinsame
Prozesswarteschlange ?
ja
nein
nein
gemeinsamer Speicher
Nachrichtenaustausch
Nachrichtenaustausch /
gemeinsame Dateien
Kommunikation
1-43
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Transparenz
Transparenz ist die Eigenschaft, dass der Benutzer (fast) nichts von der Verteiltheit merkt
Sie bildet die wesentliche Herausforderung beim Entwurf verteilter Systeme
¥
Zugriffstransparenz
Zugriffe auf entfernte BM in gleicher Weise wie auf lokale
¥
Ortstransparenz
Namenstransparenz
Objekte werden Ÿber einen Namen angesprochen,
der unabhŠngig von seinem Ort ist
BenutzermobilitŠt
Auch wenn der Benutzer seinen Ort Šndert,
kann er die Objekte mit gleichem Namen ansprechen
¥
Replikationstransparenz
Falls zur Leistungssteigerung (temporŠre) Kopien von Daten angelegt werden,
wird fŸr deren Konsistenz automatisch gesorgt.
1-44
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Transparenz
¥
Fehlertransparenz
AusfŠlle einzelner Komponenten sollen mšglichst nicht bemerkbar sein
¥
Migrationstransparenz
Die Verlagerung eines Objektes an einen anderen Ort soll nicht bemerkbar sein
¥
NebenlŠufigkeitstransparenz
Die Tatsache, dass mehrere Benutzer von verschiedenen Orten auf Objekte
gemeinsam zugreifen, soll zu keinen Fehlern oder Problemen fŸhren.
¥
Skalierungsstransparenz
Die Erweiterung um weitere Knoten soll im laufenden Betrieb mšglich sein.
Die Verfahren und Algorithmen sollen das Wachstum ãverkraftenÒ kšnnen
¥
Leistungstransparenz
Keine LeistungseinbrŸche einzelner Knoten durch ungleiche Lastverteilung
1-45
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