Verteilte und parallele Systeme - Fachhochschule Düsseldorf

Verteilte und parallele Systeme 

Vorlesung WS 2006/2007 

Fachhochschule Düsseldorf 

Prof. Dr. Wolfgang Lux 

W. Lux, FH Düsseldorf 

VS: Kap 1. Einführung 1 

Übersicht über die Vorlesung I 

Grundlagen: 

1. Einführung 

2. Kommunikation 

3. Prozesse 

4. Namen 

5. Synchronisierung 

6. Konsistenz und Replikation 

7. Fehlertoleranz 

8. Sicherheit 


VS: Kap 1. Einführung 2

Übersicht über die Vorlesung II 

Paradigmen: 

9. Verteilte objektbasierte Systeme 

10. Verteilte Dateisysteme 

11. Verteilte dokumentenbasierte Systeme 



1. Einleitung 

2. Ziele 

3. Hardware-Konzepte 

4. Software-Konzepte 

5. Client-Server-Modell 

6. Zusammenfassung 

7. Literatur 

1 Einführung 



Definition 

Ein verteiltes System ist eine Menge voneinander 

unabhängiger Rechner, die dem Benutzer wie ein 

einzelnes, kohärentes System erscheinen. 

1. Hardware-Aspekt: autonome Rechner 

2. Software-Aspekt: Benutzer sehen ein einziges System. 



Eigenschaften von verteilten Systemen 

1. Unterschiedliche Rechner und Kommunikationsarten 

bleiben dem Benutzer verborgen. 

2. Die interne Organisation des verteilten Systems bleibt 

ebenfalls verborgen. 

3. Benutzer und Applikationen können auf einheitliche, 

konsistente Weise miteinander zusammenarbeiten. 

4. Verteilte Systeme sind skalierbar, d.h. Rechner können 

hinzugefügt oder ersetzt werden. 

5. Eine Software-Schicht verdeckt die heterogenen 

Rechner und Netzwerke. Ein derartiges verteiltes System 

bezeichnet man auch als Middleware. 



Middleware-Dienste 

Beispiele: WWW oder Informationssystem in einem Unternehmen 



1.2 Ziele 

1. Benutzer und Ressourcen verbinden: Benutzer sollen 

möglichst einfach auf entfernte Ressourcen zugreifen 

und sie gemeinsam mit anderen Benutzern nutzen, z.B. 

gemeinsame Nutzung eines Superrechners. 

2. Transparenz: Ein verteiltes System ist transparent, 

wenn es sich seinen Benutzern so präsentiert, als sei es 

ein einziges System: 

1. Zugriffstransparenz: unterschiedliche Darstellung 

2. Ortstransparenz: Aufenthaltsort unbekannt 

3. Sonstige: Migrationstransparenz, 

Replikationstranparenz, Fehlertransparenz, 

Nebenläufigkeitstransparenz, Persistenztransparenz 



Ziele II 

• Offenheit: Ein offenes verteiltes System bietet Dienste 

mit Regeln an, die die Syntax und Semantik der Dienste 

beschreiben (Schnittstellenbeschreibung in IDL). 

• Ein System ist flexibel, wenn es aus verschiedenen 

Komponenten konfiguriert werden kann. Neue 

Komponenten sollen einfach hinzugefügt werden 

können. 

• Skalierbarkeit: Ein VS soll skalierbar in Bezug auf 

Größe (Benutzer u. Ressourcen hinzufügen), Geographie 

(weit auseinander liegen) und Administration 

(unterschiedlicher Unternehmensstrategien) sein. 



1.2.4.4 Skalierungstechniken 

Grundsätzliche Techniken für Skalierung 

1. Verbergen der Kommunikationslatentzeiten 

– Asynchrone Kommunikation in batchverarbeitenden Systemen. 

– Reduzierung der Kommunikation in interaktiven Systemen, z.B. 

vor der Übertragung zum Server wird ein Formular vollständig 

mit Konsistenz-Checks ausgefüllt (Applets). 

2. Verteilung: Aufteilung einer Komponenten in kleine 

Teile, die verteilt werden, z.B. das Internet DNS (Domain 

Name System) ist als hierarchischer Baum in 

nichtüberlappende Zonen verteilt, die jeweils von einem 

Server verwaltet werden. 

3. Replikation: mehrere Kopien einer Ressource. Problem 

wie beim Caching ist die Aufrechterhaltung der 

Konsistenz zwischen den Kopien. 



1.3 Hardware-Konzepte 

• Klassifizierung von Rechnersystemen mit mehreren 

Prozessoren: 

1. Multiprozessoren: ein physikalischer Adressraum, der von allen 

CPUs gemeinsam benutzt wird. Eine Schreib-Operation ist für alle 

CPUs sichtbar. 

2. Multicomputer: jeder Rechner hat seinen eigenen Adressraum. Eine 

Schreib-Operation ist für die anderen CPUs nicht sichtbar. 

• Beide Klassen können anhand der Verbindungsstruktur weiter 

klassifiziert werden: 

– Bus-basiert: eine Verbindungsmedium verbindet alle CPUs, z.B. über 

einen Systembus. 

– Schalter-basiert: Einzelne Verbindungen von Rechner zu Rechner, 

wobei unterschiedliche Strukturen möglich sind, z.B. Stern. 

• Multicomputer sind homogen (gleiche CPUs und Netzwerk) 

oder heterogen (unterschiedliche CPUs oder Netzwerke) 



Unterschiedliche verteilte Systeme 



Bus-basierender Multiprozessor mit Caches 



1.3.3 Heterogene Multicomputersysteme 

• Heterogene Multicomputersysteme unterscheiden sich 

bzgl. Prozessortyp, Speichergrößen und I/O-Bandbreiten. 

• Die Verbindungsnetzwerke sind ebenfalls heterogen. 

• Beispiel: lokale Netzwerke einzelner Abteilungen werden 

über ein Hochgeschwindigkeitsverbindungsrechner 

miteinander verbunden. Zusätzliche Anbindung an 

öffentliche Netze. 

• Meist existiert keine globale Systemsicht, d.h. 

Anwendungen stehen nicht überall die gleichen Leistungen 

und Dienste zur Verfügung, d.h. es ist schwierig 

Anwendungen für heterogene Systeme zu erstellen. 

• Verteilte Systeme stelle eine Softwareschicht zur 

Verfügung, die die Heterogenität versteckt und so die 

Anwendungsentwicklung vereinfacht. 



1.4 Software-Konzepte 

• Verteilte Systeme stellen analog zu Betriebssystemen 

Ressourcen über eine virtuelle Maschine bereit, wobei die 

Heterogenität der darunter liegenden Hardware und 

Software verborgen wird. 

• Man unterscheidet: 

– Verteilte Betriebssysteme (DOS, Distributed Operating Systems) 

sind eng gekoppelte Systeme. Ziel: die Komplexität der 

Verwaltung der zugrundeliegenden HW zu verbergen. 

– Netzwerkbetriebssysteme (NOS, Network Operating Systems) 

sind locker gekoppelte Systeme. Neben der Verwaltung der HW ist 

die Bereitstellung von Diensten für entfernte Clients ein weiteres 

Ziel. 

• Verteilte Systeme erweitern die Netzwerkbetriebssysteme: 

Eine Middleware macht die Verteilung transparent. 



1.4.1 Verteilte Betriebssysteme 

• Man unterscheidet: 

1. Multiprozessor-Betriebssysteme verwalten die 

Ressourcen eines Multiprozessors. 

2. Multicomputer-Betriebssysteme verwalten 

homogene Multicomputer. 

• Die Funktionalität verteilter Betriebssysteme entspricht 

im Wesentlichen der Funktionalität der traditionellen 

Betriebssysteme, wobei mehrere CPUs verwaltet 

werden. 



1.4.1.2 Aufteilung BS: Mikrokern + Module 



1.4.1.3 Mehrprozessor-Betriebssysteme 

• Mehrere Prozessoren haben Zugriff auf den gemeinsamen 

Speicher, in dem auch die Datenstrukturen des BS abgelegt 

sind. 

• Um die Konsistenz zu wahren, müssen sie gegen 

gleichzeitigen Zugriff geschützt werden. 

• Moderne BS sind darauf ausgelegt, mehrere Prozessoren zu 

unterstützen. 

• Elementare Synchronisationsprimitive: 

– Semaphore: Zähler mit atomaren Operationen down und up. 

Mutex: binäres Semaphor. Problem: kompliziert und somit 

fehleranfällig. 

– Monitore: Modul mit Variablen und Prozeduren, wobei nur ein 

Prozeß gleichzeitig eine Prozedur ausführen kann (Wechselseitiger 

Ausschluß). Zusätzlich können bedingte Variablen mit den 

zugehörigen Operationen wait und signal definiert werden. 



1.4.1.4 Multicomputer-Betriebssysteme 

• Die Datenstrukturen der Betriebssysteme sind auf mehrere 

Speicher verteilt. 

• Die Kommunikation erfolgt über Nachrichtenaustausch 

oder gemeinsam genutzten Speicher. 

• Jeder Rechner hat eigenen BS-Kern, der lokale Ressourcen 

verwaltet. 

• Zusätzliches Modul für die Kommunikation zwischen den 

Rechnern. 

• Oberhalb jedes Kerns befindet sich eine gemeinsame 

Software-Schicht, die eine virtuelle Maschine für die 

parallele, nebenläufige Ausführung anbietet. 

• Weitere Aufgaben: Zuordnung von Aufgaben an bestimmte 

Prozessoren, Maskierung von HW-Fehlern, transparenter 

Speicher und Kommunikation zwischen Prozessen. 



Architektur von 

Multicomputer-Betriebssystemen 




1.4.1.4.2 Multicomputersysteme 

mit gemeinsam genutztem Speicher 

• Programmierung vom Multicomputern mittels 

Nachrichtenaustausch ist kompliziert (Pufferung und 

Synchronisation). 

• Alternative: verteilter gemeinsamer Speicher (DSM, 

distributed shared memory), der sich über alle Rechner 

erstreckt. 

• Realisierung: 

– Der Adreßraum ist in Seiten unterteilt, wobei die Seiten über die 

Rechner verteilt sind. 

– Beim Zugriff auf eine Seite, die lokal nicht vorhanden ist, tritt ein 

Seitenfehler auf und das BS holt die Seite vom anderen Rechner. 

– Zur Steigerung der Performance können Seiten mehrfach auf 

verschiedenen Rechnern existieren. 

– Sobald eine derartige Seite modifiziert wird, werden die anderen 

Kopien ungültig. 


Beispiel für DSM mit einer Kopie 

Seite 10: 

Von 2 nach 1 



1.4.2 Netzwerkbetriebssysteme 

• Alle Rechner sind über ein Netzwerk miteinander 

verbunden, wobei unterschiedliche HW, BS und 

Netzwerkverbindungen möglich sind. 

• Netzwerkbetriebssysteme stellen Dienste für die Nutzung 

entfernter Rechner bereit: 

– rlogin ermöglicht die manuelle Anmeldung an einem entfernten 

Rechner. Auf diesem Rechner können dann Anwendungen 

gestartet werden, deren Ausgabe auf dem lokalen Rechner 

angezeigt werden. 

– rcp kopiert Dateien zwischen beliebigen Rechnern, wobei der 

genaue Aufenthaltsort der Dateien bekannt sein muß. 

– Komfortablere Alternative: gemeinsam genutztes, globales 

Dateisystem, das über mehrere Rechner verteilt sein kann und auf 

das alle Rechner zugreifen können, z.B. NFS. 

– Globale Dateisysteme werden in das lokale Dateisystem montiert, 

d.h einheitliche Sicht auf einen großen Dateibaum. 



1.4.2.1 Architektur von 

Netzwerkbetriebssystemen 



1.4.2.2 Eigenschaften von 

Netzwerkbetriebssystemen 

• Zugriffe sind nicht transparent, d.h. ein Benutzer muß 

die entfernten Rechner explizit adressieren. 

• Jeder Rechner wird separat verwaltet, d.h. ein Benutzer 

muß für jeden Rechner, den er benutzen will, einen 

Account besitzen. 

• Zugriffsberechtigungen werden ebenfalls dezentral 

verwaltet, wodurch eine systemweite Änderung von 

Berechtigungen schwierig ist. 

• Da die Rechner unabhängig voneinander sind, können 

neue Rechner auf einfache Weise hinzugefügt werden, 

d.h. die Vergabe einer neuen Netzwerkadresse ist 

ausreichend (Ein zusätzlicher DNS-Eintrag erleichtert 

jedoch den Zugriff). 



1.4.3 Middleware 

• Die Anforderungen an verteilte Systeme werden von den 

bisher betrachteten BS nicht erfüllt: 

– Verteilte Betriebssysteme bestehen nicht aus autonomen Rechnern. 

– Netzwerkbetriebssysteme bieten keine Sicht auf ein einziges, 

kohärentes System. 

• Gesucht ist ein verteiltes System, das 

– die Skalierbarkeit und Offenheit von Netzwerkbetriebssystemen und 

– die Transparenz und einfache Nutzbarkeit von verteilten 

Betriebssystemen besitzt. 

• Die Middleware ist eine zusätzliche Software-Schicht, die in 

Netzwerkbetriebssystemen verwendet wird, um 

– die Heterogenität der Rechner zu verbergen und 

– die Verteilungstransparenz zu verbessern. 



1.4.3.1 Architektur von verteilten Systemen 



1.4.3.2 Eigenschaften der Middleware 

• Namensgebung: Middleware-Dienste befinden sich 

zwischen den Anwendungen und den 

Netzwerkbetriebssystemen. 

• Ressourcen werden nicht von der Middleware, sondern 

von den lokalen BS verwaltet. 

• Middleware-Systeme stellen eine Sammlung von 

Diensten für die transparente Nutzung bereit, wobei die 

Dienste nicht durch den direkten Aufruf der BS- 

Funktionalität umgangen werden sollen. 

• Die Integration von Anwendungen mittels Middleware 

erforderte weitere Dienste, wie z.B. die Unterstützung von 

verteilten Transaktionen. 

• Problem der Middleware: viele alternative Ansätze, die 

nicht miteinander kompatibel sind. 



1.4.3.4 Middleware-Dienste 

Middleware-Systeme stellen folgende Dienste bereit: 

– Kommunikationsfunktionen implementieren die Zugriffstransparenz, 

d.h. der Benutzer muß keine low-level Nachrichten benutzen, sondern 

kann die Operationen des jeweiligen Paradigmas nutzen (z.B. RPC). 

– Namensdienste ermöglichen, dass Einheiten gemeinsam genutzt und 

gesucht werden (z.B. die URL im WWW). 

– Persistenzdienste realisieren die Langzeitspeicherung in verteilten 

Systemen, z.B. durch Anbindung an Datenbanken. 

– Verteilte Transaktionen ermöglichen, dass parallele Operationen 

atomar ausgeführt werden, Transaktion ist erfolgreich (alle 

Teiloperationen ausgeführt) oder fehlgeschlagen (keine Operation 

ausgeführt). 

– Sicherheitsdienste implementieren ein rechnerübergreifendes 

Sicherheitsmodell innerhalb der Middleware-Schicht, d.h. wegen der 

Heterogenität können die lokalen Sicherheitsdienste nicht genutzt 

werden. 



1.4.4 Vergleich zwischen den Systemen 

Aspekt 

Verteilte BS 

Netzwerk BS 

Middleware 

Multi- 

Prozessoren 

Multi- 

Computer 

Transparenz 

Sehr hoch 

Hoch 

Gering 

Hoch 

Gleiches BS 

Ja 

Ja 

Nein 

Nein 

Anzahl BS 

1 

N 

N 

N 

Kommunikation 

Gemeinsamer 

Speicher 

Nachrichten 

Dateien, Email 

gemäß 

Paradigma 

Ressourcen- 

Verwaltung 

Global, zentral 

Global, verteilt 

Pro Rechner 

Pro Rechner 

Skalierbar 

Nein 

Moderat 

Ja 

Variiert 

Offenheit 

Nein 

Nein 

Ja 

Ja, aber 



1.5 Client-Server-Modell 

Organisation von verteilten Systemen: wie sind die Prozesse 

im System angeordnet? 

1. Clients und Server: Clients fordern Dienste von Servern 

an. 

2. Anwendungsschichten: Unterscheidung zwischen 

Benutzeroberfläche, Verarbeitungsebene und 

Datenebene. 

3. Client-Server-Architekturen: Die logische Aufteilung 

in Anwendungsschichten ermöglicht die physikalische 

Verteilung der Client-Server-Anwendungen über mehrere 

Rechner. 



1.5.1 Clients und Server 

• Prozesse werden in zwei (möglicherweise überlappende) 

Gruppen eingeteilt: 

1. Server implementieren Dienste. 

2. Clients fordern Dienste an, indem sie eine Anforderung an einen 

Server senden und dann auf die Antwort des Servers warten. 

• Client-Server-Kommunikation über 

1. Ein verbindungsloses Protokoll: anwendbar, wenn das 

zugrundeliegende Netzwerk zuverlässig ist, z.B. UDP in lokalen 

Netzen. Bei unzuverlässigen Netzwerken (Nachrichten gehen 

verloren): 

2. Ein verbindungsorientiertes Protokoll: der Client baut zuerst eine 

Verbindung zum Server auf, ehe die erste Anforderung gesendet 

wird, z.B. TCP in Weitverkehrsnetzen. Der Server nutzt i.A. die 

gleiche Verbindung für die Antwort. Durch den Aufbau und den 

Abbau der Verbindung entsteht ein zusätzlicher Aufwand. 



Zusammenarbeit zwischen Client und Server 



1.5.2 Anwendungsschichten 

Anwendungen werden in drei Schichten aufgeteilt: 

1. Benutzeroberfläche: Anzeigeverwaltung 

2. Verarbeitung: die eigentliche Anwendung 

3. Daten: Speicherung der Daten 



Beispiel: Verarbeitungsebene 



1.5.3 Client-Server-Architekturen 

• Die logischen Anwendungsebenen ermöglichen die physikalische 

Verteilung der Anwendung auf mehrere Rechner. 

• Einfachste Variante: 

– Client-Rechner implementiert nur die Benutzeroberfläche 

– Server-Rechner implementiert den Rest. 

• Alternative Varianten: Teile oder die ganze Anwendung 

werden auf den Client-Rechner verlagert (Fat-Clients). 

• Drei-/Vier-/Fünf- Schichtenarchitektur (Vertikale 

Verteilung): Teile der Anwendung (Transaktionsverarbeitung) 

oder die Datenbank befinden sich auf zusätzlichen Rechnern. 

Zusätzlich kann ein externer Zugriff über das WWW 

ermöglicht werden. 

• Horizontale Verteilung: Server werden in äquivalente Teile 

unterteilt, z.B. replizierte Webserver. 



Alternative Zwei-Schichten-Architekturen 



Kommunikation in 

Drei-Schichten-Architekturen 



Horizontale Verteilung

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