Verteilte Systeme

Überblick
IPC-Grundlagen – Überblick
Netzwerke – Aspekte für Verteilte Systeme
Netzwerkgrundlagen
Paketvermittlung
Daten-Streaming
Vermittlungsschemata
Protokolle
Routing
Internetworking
Internet-Protokolle
5 Interprozesskommunikation
5.1 Überblick
5.2 Netzwerke
5.3 Netzwerkgrundlagen
5.4 IPC-Semantiken
5.5 IPC und Fernaufrufe
IPC-Semantiken
IPC und Fernaufrufe
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VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation
5–1
c rk,wosch,jk
VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation | 5.1 Überblick
Netzwerke — Aspekte für Verteilte Systeme
Netzwerke — Aspekte für Verteilte Systeme (2)
Netzwerke sind die Grundlage für Verteilte Systeme.
Ihre Eigenschaften und Fähigkeiten bestimmen wesentlich, wie ein
Verteiltes System beschaffen ist (sein kann).
Zuverlässigkeit
Leistung
worauf kann sich die Anwendung verlassen, was muss sie selbst
absichern?
Latenz
Zeit von der Sende-Operation bis erste Daten am Ziel ankommen
Transferrate (Bits pro Sekunde)
=> Nachrichtenübertragungszeit = Latenz + Nachrichtenlänge/Transferrate
Skalierbarkeit
VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation | 5.2 Netzwerke
wesentliche Grundlage für Strategien in verteilten Anwendungen
ist der Fehlerfall die seltene Ausnahme oder der zu erwartende
Normalfall?
Sicherheit
Interaktion in Verteilten Systemen basiert im Wesentlichen auf
Nachrichtenaustausch
welche Parameter beeinflussen die Geschwindigkeit von
Nachrichtenzustellungen?
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5–2
5–3
Mobilität
mobile Geräte sind eine stark wachsende Komponente in Verteilten
Systemen
Folge: wechselnde Erreichbarkeit verbunden mit Schwankungen bei
Leistung, Zuverlässigkeit, ...
was kann das transparent für die Anwendung machen, was ist inhärent
sichtbar?
c rk,wosch,jk
VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation | 5.2 Netzwerke
5–4
Netzwerke — Aspekte für Verteilte Systeme (3)
Netzwerkgrundlagen
Dienstgüte (Quality of Service)
Grundlegende Technik in Rechnernetzen ist Paketvermittlung.
Kommunikation erfolgt asynchron – d. h. Nachrichten erreichen ihr
Ziel nach einer (variierenden) Verzögerungszeit
erlaubt das Netzwerk die Formulierung von QoS-Anforderungen?
wie kann eine Anwendung ihren Bedarf ermitteln und ausdrücken?
Multicast
Gruppenkommunikation ist die Basis für viele Mechanismen in Verteilten
Systemen (-> Fehlertoleranz)
welche Mechanismen für Broadcast oder Multicast unterstützt bereits
das Netzwerk?
Paketvermittlung
Nachrichten werden in Datenpakete begrenzter Länge zerlegt
Pakete werden mit Adressinformationen versehen und über das Netz
übertragen
Daten-Streaming
nicht alle Anwendungen in Verteilten Systemen basieren auf dem
Austausch von Nachrichten
wichtigste Ausnahmen: Audio- und Video-Daten
spezielle QoS-Anforderungen: Durchsatz, Jitter
Figure 2.4a
Peer-to-peer architecture
c rk,wosch,jk
VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation | 5.2 Netzwerke
5–5
c rk,wosch,jk
VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation | 5.3 Netzwerkgrundlagen
Netzwerkgrundlagen (2)
Netzwerkgrundlagen (3)
Vermittlungsschemata
Protokolle
5–6
Regeln und Formate für den Austausch von Nachrichten
Protokollschichten
Broadcast
Leitungsvermittlung (Circuit Switching)
Paketvermittlung
Frame Relay
Figure 3.4
Aufteilung
der verschiedenen Aufgaben, die bei einer
Protocol layers in the ISO
Open Systems Interconnection (OSI) model
Nachrichtenübertragung
anfallen
Schichten können aus Effizienzgründen in der Implementierung
verschmolzen werden
Message sent
Message received
Layers
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data link
Physical
Sender
Communication
medium
Recipient
Instructor’s Guide for Coulouris, Dollimore, Kindberg and Blair, Distributed Systems: Concepts and Design Edn. 5
© Pearson Education 2012
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VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation | 5.3 Netzwerkgrundlagen
5–7
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5 Interprozesskommunikation | 5.3 Netzwerkgrundlagen
Instructor’s Guide for Coulouris, Dollimore, Kindberg and Blair, Distributed Systems: Concepts and Design Edn. 5
5–8
Netzwerkgrundlagen (4)
Netzwerkgrundlagen (5)
... Protokolle
Routing
Protokollstack
Zustellung eines Datenpakets durch Übertragung über mehrere
Zwischen-/Vermittlungsrechner
grundlegendes Konzept in allen Netzen (außer sehr einfachen lokalen
Netzen)
spezielle Protokolle legen die Übertragungswege fest
Vollständige Menge von Protokollschichten
Beispiel: CORBA - TCP/IP - Ethernet
Paketzusammenstellung
Paketgrößen in verschiedenen Protokollschichten / Teilnetzen ggf.
unterschiedlich
Pakete einer Nachricht können zerteilt und verschmolzen werden
Internetworking
Adressierung
erfolgt auf verschiedenen Protokollschichten unterschiedlich:
Anwendungs-spezifische Adressen, Prozesse, Rechner, Vermittlungsknoten
Abbildungsmechanismen innerhalb des Protokollstacks
(z. B. IP-Adresse -> Ethernet-Adresse)
Paketzustellung
Aufbau eines Netzwerks durch den Zusammenschluss vieler Netzwerke
lokale Netze, Funknetze, Weitverkehrsnetze
unterschiedliche Basistechnologien, unterschiedliche Vermittlungsknoten
und -Technologien (Router, Switches, Bridges, Hubs, Tunnel, ...)
Datagramme – analog zu Telegrammen, jedes Datagramm enthält alle
notwendigen Adressdaten und wird für sich eigenständig zugestellt
Virtuelle Verbindungen – analog zu Telefonverbindungen zunächst ein
Verbindungsaufbau, die Datenpakete werden dann über die Verbindung
2.4a
übertragen.
Figure
Peer-to-peer
architecture
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5 Interprozesskommunikation | 5.3 Netzwerkgrundlagen
5–9
Netzwerkgrundlagen (6)
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VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation | 5.3 Netzwerkgrundlagen
5–10
IPC-Semantiken
Internet-Protokolle
Grundkonzepte für die Kommunikation zwischen Prozessen durch
Nachrichtenaustausch
Basis des heutigen Internet
erste Entwicklungen in den 1970er Jahren im ARPAnet
(NCP - Network Control Protocol)
Entwicklung der heutigen Kommunikationsprotokolle ab 1980
(TCP/IP -Figure
Transmission
Control Protocol / Internet Protocol)
3.12
TCP/IP
layers
zunächst einfache Anwendungsprotokolle für Dateitransfer (FTP),
Rechnerzugang (rlogin), Mail (SMTP), ...
no-wait send der Sendeprozess wartet, bis die Nachricht im
Transportsystem zum Absenden bereitgestellt worden ist
Pufferung oder Signalisierung (dass der übergebene Puffer wieder frei
ist)
Message
synchronization send der Sendeprozess wartet, bis die Nachricht
vom Empfangsprozess angenommen worden ist
Layers
Application
Messages (UDP) or Streams (TCP)
Rendezvous zwischen Sende- und Empfangsprozess
Transport
UDP or TCP packets
remote-invocation send der Sendeprozess wartet, bis die Nachricht
vom Empfangsprozess verarbeitet und beantwortet worden ist
Internet
IP datagrams
Fernaufruf einer vom Empfangsprozess auszuführenden Funktion
Network interface
Network-specific frames
Underlying network
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5 Interprozesskommunikation
© Pearson Education 2012 | 5.3 Netzwerkgrundlagen
5–11
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VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation | 5.4 IPC-Semantiken
5–12
IPC und Fernaufrufe
IPC und Fernaufrufe (2)
IPC bildet die Grundlage für den Austausch von Nachrichten
zwischen Prozessen
die Nutzung der TCP/IP-Protokolle bietet zwei Alternativen
IPC bildet die Basis, in der „darüberliegenden“ Ebene steht die
Bedeutung der Nachrichten im Mittelpunkt
die Bedeutung kann sich implizit durch den Verarbeitungsalgorithmus
(das Programm) ergeben
oder
die Prozesse machen sie sich gegenseitig explizit über „Anweisungen“
bekannt
Verpacken von Nachrichten in UDP-Paketen
Ein Paket pro Nachricht
Nachrichtenzustellung ist zunächst genauso unzuverlässig wie UDP
Versenden von Nachrichten über TCP-Verbindungen
Nachrichten müssen im Datenstrom der Verbindung kodiert werden
(Anfang und Ende kenntlich machen)
Nachrichtenübertragung ist zuverlässig – so lange die Verbindung steht!
die Nachrichten enthalten (problemspezifische) Daten und/oder
Code:
function shipping der Empfangsprozess interpretiert Programme
mobiler Code (Java Bytecode, PostScript) ggf. mit Daten unterfüttert
data shipping der Empfangsprozess interpretiert Daten
im „Normalfall“ bewirken Nachrichten die Ausführung entfernter
Routinen
die aufzurufenden Prozeduren/Funktionen sind implizit oder explizit
kodiert
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VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation | 5.5 IPC und Fernaufrufe
5–13
IPC-Protokolle für Fernaufrufe
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VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation | 5.5 IPC und Fernaufrufe
5–14
IPC-Protokolle für Fernaufrufe (2)
request (R) kann genutzt werden, wenn die entfernte
Prozedur/Funktion keinen Rückgabewert liefert und der
Sendeprozess keine Bestätigung für die erfolgte Ausführung
benötigt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Nachricht
client
server
reques
t
request-reply (RR) ist das geläufige Verfahren, da die
Antwortnachricht implizit die Anforderungsnachricht bestätigt und
dadurch explizite Bestätigungen entfallen . . . . . . . . . . . . 2 Nachrichten
client
server
server
client
reques
reques
reply
reply
t
t
acknow
ledge re
ply
request-reply-acknowledge reply (RRA) gestattet es, die zum
Zwecke der Fehlermaskierung (beim Server) gespeicherten
Antwortnachrichten zu verwerfen, wenn (vom Client) keine weitere
Anforderungsnachricht gesendet wird . . . . . . . . . . . . . . . 3 Nachrichten
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VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation | 5.5 IPC und Fernaufrufe
5–15
R
c rk,wosch,jk
RR
VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation | 5.5 IPC und Fernaufrufe
RRA
5–16
Zustellungsfehler
IPC und Fernaufrufe
Nachrichtenaustausch unterliegt bestimmten (typischen)
Fehlerannahmen:
Fehlermaskierung
IPC und Fernaufrufe
Anforderungs- und ggf. auch Antwortnachrichten wiederholen
nach einer Pause (time-out) werden die Nachrichten erneut versendet
die „optimale“ Länge der Pause zu bestimmen ist äußerst schwierig
1. Nachrichten können verloren gehen
beim Sender, beim Empfänger oder im Netz
eingetroffene Nachrichtenduplikate sind zu erkennen und zu
ignorieren
2. es können Netzwerk-Partitionierungen auftreten
ein oder mehrere Rechner (Knoten) werden „abgetrennt“
ggf. bereits versandte Antwortnachrichten wiederholt versenden
auf Client- bzw. Server-Seite ist ggf. „duplicate supression“ anzuwenden
3. Prozesse können scheitern (d.h. „abstürzen“)
Prozess-, Rechner- oder Netzwerkausfälle sind nicht unterscheidbar
idempotente Operationen/Zustandsfreiheit tolerieren
Anforderungsduplikate
4. Daten können verfälscht werden
als Folge sind unterschiedliche (typische) Protokollvarianten
entstanden
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VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation | 5.5 IPC und Fernaufrufe
5–17
Fehlermaskierung (2)
client
server
reques
t
client
server
reques
client
server
reques
t
t
reply
reply
?
?
?
reply
c rk,wosch,jk
VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation | 5.5 IPC und Fernaufrufe
5–19
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VS (SS 2015)
5 Interprozesskommunikation | 5.5 IPC und Fernaufrufe
5–18