9 - Dipartimento di Informatica ed Applicazioni - Università degli ...

Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Lezione 9
Architetture dei sistemi
distribuiti (2)
Vittorio Scarano
Corso di Programmazione Distribuita (2003-2004)
Laurea di I livello in Informatica
Università degli Studi di Salerno
Le opzioni offerte dalle reti
Ricevere informazioni
Permettere delle transazioni
Affiliare: stabilire e mantenere gruppi
3
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Struttura della lezione
• Sistemi distribuiti: ma perché?
La architettura di un sistema distribuito
– layer logici
– tier fisici
Struttura a livelli: il middleware
Il valore aggiunto di una rete di N utenti
Legge di Sarnoff: il valo re aggiunto di una rete è:
– la connettività potenziale offerta al singolo utente che cresce
con il numero di offerte possibili
– crescita lineare in N
Legge di Metcalfe: il valo re aggiunto di una rete è:
– il numero di transazioni potenziali che vengono permesse
agli N utenti
– quadratico in N
2
4

Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
La legge di Sarnoff: Sarnoff:
aste online
Www.OnSale.com: prim a host per aste online
Numero fissato di prodotti
Numero variabile di utenti
Totale del “Valore” ~ N
www.OnSale.com
La collaborazione su sistemi distribuiti: la legge di Reed
5
7
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
La legge di Metcalfe: Metcalfe:
aste online
Annunci messi a disposizione dagli utenti
– classifieds.yahoo.com
Sia la offerta che la do manda dipendono dal numero di
utenti
Valore ~ N 2
Un esempio della legge di Reed
Www.eBay.com: un mercato per aste online
Ogni sottoinsieme di utenti può formare una asta
Valore totale ~ 2 N
Beanies
www.eBay.com
Pez
Classifieds.yahoo.com
6
8

Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Le leggi di crescita dei sistemi distribuiti
Valore
Esempi
Connessione di
due reti con N e
M utenti e
relativo
incremento di
valore
Sarnoff
Broadcast
N
OnSale
N+M
Una conseguenza
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
N 2
Metcalfe
Network
(N+M) 2 =
N2 +M2 Email,
Annunci
+2NM
2 N
Reed Community
AOL Chat, eBay
2N+M =
2N +2M +
(2N ·2M -(2N +2M ) )
All’aumentare della dimensione, si entra in nuovi
mercati con nuove possibilità e nuove richieste di
servizi per i sistemi distribuiti
r
e
o
l
V
a
Miglior
contenuto
N
Regioni di valore dominante
Migliori
Transazioni
N 2
N
Migliori
facilities per gruppi
2 N
9
11
La combinazione delle leggi
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Valore Totale
Valore aggiunto
N
Valore totale = a N + b N 2 + c 2 N
Tipicamente a >> b >> c
Struttura della lezione
Sistemi distribuiti: ma perché?
La architettura di un sistema distribuito
– layer logici
– tier fisici
Struttura a livelli: il middleware
a N + b N 2 + c 2 N
a N + b N 2
a N
10
12

Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
La architettura di un sistema informativo
La architettura di un Sistema Informativo:
– descrive come componenti hardware e software vengono
usati per rispondere ai requisiti organizzativi
Architettura (standard IEEE 1471):
– La organizzazione di un sistema rappresentato
dai suoi componenti,
dalle relazioni tra loro e l’ambiente,
dai principi che guidano il proge tto e la evoluzione del sistema
Alcuni commenti
Rete
Client/Server sono spesso ruoli dinamici
– all’interno dello stesso sistema, possono scambiarsi i ruoli
Esempi:
– una connessione telefonica/chat 1-to-1
– concatenazione di sistemi client/server
13
15
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Una architettura di base
Client
– utilizzata direttamente dall’utente, genera la richiesta
Server
– contiene le risorse da accedere (dati/programmi)
Rete
– assicura la connessione
Struttura della lezione
Rete
Sistemi distribuiti: ma perché?
La architettura di un sistema distribuito
– layer logici
– tier fisici
Struttura a livelli: il middleware
14
16

Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
I livelli logici di una architettura: i layer
Detti anche Application Layer
Caratterizzati dagli aspetti funzionali rispetto alla
localizzazione fisica
– centrali per la progettazione e manutenzione
Strati di software in cui si partizionano le applicazioni
– logica di presentazione (la interfaccia utente)
– logica di business (o applicativa) (funzionalità)
– logica di accesso ai dati
Configurazione single tiered (mainframe mainframe)
Logica di
accesso ai dati
business
presentazione
17
19
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
I livelli hardware di una architettura: i tier
I livelli software ( layer) sono realizzati e distribuiti sui
livelli hardware (tier)
Configurazioni:
– single tiered (un livello di distribuzione)
configurazione su mainframe
– two tiered (due livelli di distribuzione)
la logica di business è divisa tra un client (es. PC) ed un server (es.
un mainframe)
la logica di presentazione è sul client, la logica di accesso ai dati è
su server
– three tiered (tre livelli di distribuzione)
Configurazione two-tier two tier
A seconda di come separiamo i layer sui 2 tier si
ottengono diverse architetture.
Una notazione:
– per denotare servizi offerti ed acceduti via una interfaccia
Server Client
interfaccia connessione
18
20

Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Two-tier Two tier: : 1 - Presentazione distribuita
Accesso
ai dati
Applicazione
Presentazione
Presentazione
rete
Il layer di presentazione viene
distribuito sui due tier
– il client si occupa solamente della
visualizzazione finale
Il traffico di rete risulta
sostenuto:
– le due componenti che
implementano il layer di
presentazione necessitano di banda
Alta flessibilità e facilità di
modifica
21
Two-tier Two tier: : 3 - Funzionalità distribuita
Accesso
ai dati
Applicazione
Applicazione
Presentazione
rete
Il client viene coinvolto nella
logica di business
– necessarie capacità computazionali
Aumentano i problemi di
gestione e manutenzione del
client
– upgrade, recovery, etc.
– sensibilità della logica di business
ai malfunzionamenti di ret
23
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Two-tier Two tier: : 2 - Presentazione remota
Accesso
ai dati
Applicazione
Presentazione
rete
Two-tier Two tier: : 4 - Gestione dati remota
Accesso
ai dati
Applicazione
Presentazione
rete
Maggiore carico sul client
Minore richiesta di banda:
– le informazioni trasmesse al client
sono solo quelle specifiche della
applicazione
– la presentazione è a carico solo del
client
Moderata flessibilità e facilità di
modifica
Il client risulta completamente in
carico della logica di business
Poco flessibile:
– una modifica della applicazione
necessita dell’upgrade della
applicazione su tutti i client
22
24

Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Two-tier Two tier: : 5 - Base di dati distribuita
Accesso
ai dati
Accesso
ai dati
Applicazione
Presentazione
rete
Three-tier Three tier: : … a “Thin “ Thin client” client
Accesso
ai dati
Applicazione
Presentazione
Presentazione
Presentazione
rete
rete
Anche parte del layer di accesso
ai dati risulta in carico al client
Architettura fat client
Traffico notevole sui dati
Paradigma spesso “ imposto” da
sistemi di sviluppo integrato
Distribuzione di servizi ad un
insieme aperto di utenti
Facile gestione
Notevole carico sul server del tier
3
Permette (insieme con altre
configurazioni) la completa
separazione fisica tra utenti e dati
attraverso il tier 2
– sicurezza implicita
27
– policy enforcement su tier 2
25
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Three-tier Three tier: : Ampia scelta da “Fat “ Fat client” client”
…
Accesso
ai dati
Accesso
ai dati
Accesso
ai dati
Applicazione
Presentazione
rete
rete
Una visione finale: N-tier tier
Supporto elevato richiesto dalla
utenza impone una soluzione
sbilanciata verso il client
Onerosa gestione e manutenzione
del client
Presentazione Accesso
ai dati
26
28

Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Struttura della lezione
Sistemi distribuiti: ma perché?
La architettura di un sistema distribuito
– layer logici
– tier fisici
Struttura a livelli: il middleware
Il middleware come servizio comune
29
31
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Gli strati di software
La piattaforma
– eterogenea
– Es. Wintel, Intelx86/Linux,
Sparc/Solaris, PowerPc/MaxOS
Middleware
– nasconde l’eterogeneità
– offre un modello di
programmazione
– offre servizi ad alto livello
(building-blocks)
Tipi di middleware
Middleware generale
applications &
services
middleware
sistema
operativo
computer &
network
hardware
piattaforma
– strumenti di comunicazione, di sicurezza, indiririzzamento,
sincronizzazione, etc.
Middleware orientato a specifici tipi di servizio
– accesso a basi di dati
ODBC, JDPC
– gestione di transazioni
Distributed Transaction Processing (X/Open)
– etc. etc.
30
32

Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Modello basato su oggetti distribuiti
Basato sul modello orientato a oggetti (locale)
Componenti:
– oggetto (stato, comportamnto ed identità)
creato come istanza di una classe
– interfaccia
servizi messi a dis posizione dall’oggetto
– connessione tra oggetti
sincrona/asincrona,
pull/push
Middleware basato su oggetti distribuiti (2)
Intermediazione per s cambio di messaggi (Message
broker)
– gestori di code di messaggio
Altri servizi di supporto
– gestione del ciclo di vita di un oggetto distribuito
– servizi di trasparenza
fault, migrazione, eteroge neità, replica, etc.
– servizi di sicurezza
– servizi di monitoraggio, gestione e tuning
Esempi:
– CORBA, Microsoft .NET, Enterprise Java Beans
33
35
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Middleware basato su oggetti distribuiti (1)
Formalismi di definizione degli oggetti
– Interface Definition Language (IDL)
Protocolli di interoperabilità
– trasformazione di oggetti in messaggi trasferibili sulla rete
marshalling
– e relativa trasformazione inversa (unmarshalling)
Intermediazione tra oggetti ( object broker)
– individuazione e localizzazione
Gestione di transazioni
– Atomicità, Consistenza, Isolamento, Durability (ACID)
I limiti del middleware
In generale, ci sono aspetti del sistema distribuito che
vanno trattati a livello application
End-to-End argument (Saltzer, Reed, Clarke)
“Alcune funzioni legate alla comunicazione possono essere
implementate completamente ed affidabilmente solo con la
conoscenza e l’aiuto delle applicazioni che si trovano agli
end-point del sistema di comunicazione”
La conseguenza:
– fornire le funzioni da parte del sistema di comunicazione
non è buona pratica introdurre comp letamente la funzione nello
strato di comunicazione
anche se può essere parzialment e implementata per ragioni di
efficienza
34
36

Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
L’End-to L’End to-end end negli oggetti distribuiti
La differenza tra
– oggetti nello stesso processo
– oggetti in processi differenti
Il principio dell’End-to-End
viene espanso (e confermato)
dagli ambienti ad oggetti
distribuiti
– una “nota” di Waldo (ed altri)
nel campo del calcolo
distribuito
che vedremo in seguito a
proposito di RMI
I possibili problemi
oggetto
processo
1. il file originariamente scritto correttamente viene letto
in maniera errata da A
2. il software del file system, il programma di FT, o il
Vi.ttorio
sistema di comunicazione può fare un errore nel
copiare dati sul buffer (sia su A che su B)
(2003-2004).
3. il processore o la memoria possono avere un errore
(transiente) sia su A che su B
Distribuita
4. il sistema di comunicazione può perdere bit/pacchetti
5. gli host possono andare in crash Programmazione Scarano
37
39
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Un esempio: file-transfer file transfer da A verso B
I passi coinvolti:
– A: il programma di FT usa il file system per leggere il file
– A: il programma di FT chiede al sistema di comunicazione di
trasmettere il file, dividendolo in pacchetti
– La rete muove i pacchetti da A a B
– B: il sistema di comunicazione rimuove i pacchetti e li passa
al programma di file transfer
– B: il programma di FT scrive i dati ricevuti sul proprio file
system
Le possibili contromisure
Rinforzare tutti i passi
– il passo 2 equivale a scrivere programmi corretti
riconducibile al problema della fe rmata della Macchina di Turing
Rendere bassa la probabilità di errore (in ogni passo) e
reiterare (forza bruta)
–costoso
“End-to-End check and retry”
–checksumcalcolata dalle applicazioni
– eventuale retry
38
40

Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Un esempio reale all’ MIT
Reti locali connesse da gateway
– che usavano checksum sulla trasmissione
I programmatori assumevano trasmissioni affidabili
– ma i dati non erano protetti durante la memorizzazione
temporanea nei gateway
Un errore di copia da un input buffer ad un output
buffer in un gateway:
– relativamente poco frequente: 1 byte su 1 milione di byte
– ha corrotto diversi file nell’intero sistema
– richiedendo un check manuale (end-to-end !)
Altre linee-guida linee guida simili…
Architetture RISC
– ridurre le istruzioni fornite dall’hardware e spostarne la
“responsabilità” verso gli strati superiori
Il successo di Internet (TCP/IP)
– fosse stato progettato per circuiti virtuali (come lo erano
SNA e TYMNET, altre reti degli anni 80)
– non avrebbe potuto supportare
i protocolli request -response (tipo HTTP..!)
i milioni di Internet Service Providers.
41
43
Programmazione Distribuita (2003-2004). Vi.ttorio Scarano
Una linea-guida linea guida .. ma con “buon “ buon senso”
E’ semplicistico affermare che gli strati bassi della rete
non devono avere alcun ruolo nella affidabilità
– sono in grado di migliorare notevolmente la efficienza
Nel caso del File Transfer
– limitano le ritrasmissioni richieste dagli end-points
Comunque non realizzano la pe rfetta affidabilità di un
sistema distribuito
42