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Entwicklung verteilter Anwendungen I WS 2013/14Prof. Dr. Herrad Schmidt
Kapitel 1
Einführung in die Konzepte zur Entwicklung verteilter Anwendungen
Entwicklung verteilter Anwendungen I, WS 13/14
Prof. Dr. Herrad SchmidtWS 13/14Kapitel 1Folie 2
Ziel: Erwerb von Kenntnissen zur Implementierung verteilter Anwendungen mit Microsoft-Techniken.
Inhalt:Konzepte zur Entwicklung verteilter AnwendungenProgrammierung in C#WPFSockets/ThreadsDatenbankprogrammierung (remote)Webanwendungen
Technologische Basis: Microsoft .NET Framework
Programmierumgebung: Microsoft Visual Studio 2010
MSDN Library: Microsoft msdn
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Prof. Dr. Herrad SchmidtWS 13/14Kapitel 1Folie 3
Literatur
Geirhos, M. (2011): Professionell entwickeln mit Visual C# 2010. Das Praxisbuch. Galileo Press, Bonn.
Mandl, P. (2009): Masterkurs Verteilte betriebliche Informationssysteme: Prinzipen, Architekturen und Technologien. Vieweg+Teubner, Wiesbaden.
Schill, A./Springer, T. (2012): Verteilte Systeme. Grundlagen und Basistechnologien. 2. Aufl., Springer, Berlin Heidelberg.
Tanenbaum, A.S./van Stehen, M. (2007): Distributed Systems Principles and Paradigms. Pearson, Prentice Hall.
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Definitionen:
Verteiltes System:System aus eigenständigen, vernetzten Rechnern, die über Nachrichten miteinander kommunizieren, um eine gemeinsame Aufgabe zu erledigen.
Verteilte Anwendung:Anwendungsprogramm, das auf einem verteilten System basiert und dessen Komponenten im Netz verteilt sind. Die Komponenten verfügen nicht über einen gemeinsamen Speicher. Sie kommunizieren über Schnittstellen. Der Anwender kommuniziert mit der verteilten Anwendung, ohne dass ihm die Verteilung transparent wird.
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Beispiele:
Mail-Programme
Skype, ICQ,…
File-Server
Groupware
Internetshops
Buchungssysteme
ERP-Systeme
Fertigungssteuerung
Sensor-Systeme zur Überwachung
Cluster-/Grid-Computersysteme für rechenintensive Aufgaben
…
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Zielsetzungen:
Kommunikationsverbund
Datenverbund
Lastverbund
Leistungsverbund (Aufteilung einer Aufgabe in Teilaufgaben)
Mitarbeiterübergreifende Unterstützung von Geschäftsprozessen
Gemeinsamer Ressourcenzugriff
Ausfallsicherheit
Flexibilität
Skalierbarkeit (leistungsmäßig, geographisch, administrativ)
Wirtschaftlichkeit
Nachteile:
Komplexität
Kommunikationsprobleme
Sicherheit
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Herausforderungen:
Namens- und Verzeichnisdienste zum Auffinden von Kommunikationspartnern
Schnittstellen
Verteilte Transaktionen
Sicherheit
Überwindung der Fehleranfälligkeit
Überwindung der Heterogenität (Netzwerktechnologie, Betriebssysteme, Programmiersprachen, Datenformate, …)
Transparenz (Ortstransparenz, Migrationstransparenz, Skalierungstransparenz, Zugriffstransparenz, …)
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Verteilte Architektur:
Die physische Architektur repräsentiert die verfügbaren Rechnersysteme.
Zur Verteilung müssen logische Subsysteme (layer) gebildet werden. Diese werden auf die physische Architektur verteilt und damit zu tiers.
Typische Architekturen (Programmiermodelle) für verteilte Anwendungen:
Client/Server-Architektur
Web-Architektur
Objektorientierte Architektur
Komponentenbasierte Architektur
Serviceorientierte Architektur
u.a., z.B.: Grid-Architektur, Peer-to-Peer-Architektur
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Client/Server-Architektur (1):
Die Anwendung wird auf einen oder mehrere Server und Clients verteilt.
Clients und Server können auf einem oder verschiedenen Rechnern ablaufen.
Die Anfrage (request) geht immer vom Client aus. Der Server entscheidet über die Reaktion (Verfahren, Reihenfolge) und schickt eine Rückantwort (reply).
Der Server verwaltet pro Client eine Verbindung.
Die Clients stehen in keinem Bezug zueinander.
Ein Server kann wiederum Anfragen an andere Server richten.
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Client/Server-Architektur (2):
Die Client/Server-Umgebung ist i.d.R. bekannt und kontrollierbar.
Auf den Clients ist ein Teil der Anwendung installiert.
Varianten:Fat Client: GUI- und ApplikationsschichtRich Client: GUI- und Teile der ApplikationsschichtThin Client: Nur GUI-Schicht
Clients und Server kommunizieren über Remote Procedure Calls (Ein-Weg-Kommunikation, synchron, asynchron, callbacks)
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Auf der Basis der Schichten sind verschiedene Verteilungsformen möglich:
Physische Datenzugriffs-
schicht
Thin Client
Physische Datenzugriffs-
schicht
Physische Datenzugriffs-
schicht
Physische Datenzugriffs-
schicht
Physische Datenzugriffs-
schicht
Physische Datenzugriffs-
schicht
Logische Datenzugriffs-
schicht
Logische Datenzugriffs-
schicht
Logische Datenzugriffs-
schicht
Logische Datenzugriffs-
schicht
Logische Datenzugriffs-
schicht
Logische Datenzugriffs-
schicht
Applikation Applikation
Applikation Applikation Applikation Applikation
Steuerung
Steuerung Steuerung Steuerung Steuerung Steuerung
PräsentationPräsentation
Physische Datenzugriffs-
schicht
PräsentationPräsentationPräsentationPräsentation
ApplikationApplikation
Thin Client Rich Client Fat Client Fat Client Fat Client
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Prof. Dr. Herrad SchmidtWS 13/14Kapitel 1Folie 12
Web-Architektur:
Wie bei der Client/Server-Architektur werden layer bzw. Subsystem auf Clients und Server verteilt, aber speziell unter Einsatz von Web-Technologien.
Ein Webbrowser ist die Laufzeitumgebung des Web-Clients.
Die Anfragen werden von einem Web-Server entgegen genommen.
Zur Kommunikation wird das HTTP-Protokoll eingesetzt.
Die Web-Clients sind aus Entwicklersicht nicht kontrollierbar.
später mehr…
Entwicklung verteilter Anwendungen I, WS 13/14
Prof. Dr. Herrad SchmidtWS 13/14Kapitel 1Folie 13
Objektorientierte Architektur:
Die Verteilung erfolgt wie bei der Client/Server-Architektur.
Die Einheiten der Kommunikation und Verteilung stellen Objekte dar.
Die Kommunikation erfolgt über entfernte Methodenaufrufe.
Beispiel: CORBA
Komponentenbasierte Architektur:
Die Anwendung ergibt sich durch die Komposition von Komponenten.
Eine Komponente besitzt eine eigenständige Funktionalität, die i.d.R. wiederverwendbar ist.
Sie sind an ein und dieselbe Plattform gebunden.
Beispiele: Implementierung mit Enterprise JAvaBeans, Android
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Prof. Dr. Herrad SchmidtWS 13/14Kapitel 1Folie 14
Serviceorientierte Architektur (SOA):
Die Dienste sind technisch voneinander unabhängige Komponenten, die lose gekoppelt sind.
Dienste gewährleisten eine Interoperabilität über Plattform- und Unternehmensgrenzen.
Die Schnittstelle wird durch Web Service Definition Language (WSDL) beschrieben.
Der Zugriff auf die Dienste erfolgt mit dem Kommunikationsprotokoll SOAP.
Die klassische Web-Architektur kann als SOA aufgefasst werden.
Die Dienste können zu komplexen Unterstützungssystemen für Geschäftsprozesse gekoppelt werden.
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Prof. Dr. Herrad SchmidtWS 13/14Kapitel 1Folie 15
Konzepte verteilter Kommunikation (1):
Da die Subsysteme in verschiedenen Prozessen laufen, bedarf es einer Interprozesskommunikation in Form des Nachrichtenaustauschs gemäß Kommunikationsprotokollen.
synchrone/ansynchrone Kommunikation:synchrone K.: Der Sender wartet blockierend auf die Antwort.zurückgestellte synchrone K.: Der Sender arbeitet nach dem Absenden
der Anfrage weiter und prüft periodisch, ob ein Ergebnis vorliegt.asynchrone K.: Der Sender arbeitet nach dem Absenden der Anfrage
weiter. Die Erfassung der Antwort muss geregelt werden.
meldungsorientierte/auftragsorientierte Kommunikation:meldungsorientiert: Einwegnachricht ohne Antwortauftragsorientiert: Request/Response-Mechanismus
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Interaktionsformen (Quelle: Bengel, G. (2004): Grundkurs Verteilte Systeme. 3. Aufl.)
Client
Client
Client
Client
Server
Server
Server
Server
SynchroneKommunikation
ZurückgestellteSynchrone Kommunikation
AsynchroneKommunikation
Ein-Weg-KommunikationOne-Way
Request
Warte auf Reply Reply
Request
Arbeite weiterÜberprüfe periodisch dasVorliegen des Reply Reply
Request
Registriere Callback Rufe registrierteArbeite weiter Funktion oder
Event auf
Request
Arbeite weiterRückantwort wird nicht benötigt
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Konzepte verteilter Kommunikation (2):
Zustandsverwaltung:Zustandsbehaftete (stateful) Server: Der Server speichert Informationen zu einer Session über den Request hinaus.Zustandslose (stateless) Server: Der Server speichert keine Informationen über einen Request.
Marshalling (Serialisierung)/Unmarshalling (Deserialisierung):Umwandlung der Daten eines Datentyps in ein für die Übertragung geeignetes Format bzw. Rückumwandlung in einen Datentyp
Publish-Subcribe-Kommunikation (Ereignismodell):Abonnenten (Subscriber) registrieren sich beim Server (Publisher). Ereignisabhängig veröffentlicht der Publisher Nachrichten und verschickt sie an die eingetragenen Abonnenten.
Namensauflösung und Verzeichnisdienste (Naming/Directory-Services):Mechanismus zum Auffinden von Servern (z.B. Domain Name Service (DNS))
Nebenläufigkeit:Mehrere Anfragen können parallel verarbeitet werden.
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Implementierung verteilter Kommunikation (1):
Socket-SchnittstelleSocket: Kommunikationsendpunkt (IP-Adresse, Port)Datenübergabe als Byte-Strom mittels TCP/IPspäter mehr…
Remote Procedure Call Übergabe des Kontrollflusses von einem Prozess auf einen anderen mit Datenübergabe mittels Aufruf- und ErgebnisparameternDie Schnittstelle des Servers wird mittels der Interface Definition Language (IDL) beschrieben. Der Compiler generiert daraus für beide Seiten Codemodule, auf Client-Seite Stub, auf Server-Seite Skeleton oder auch Stub genannt. Diese kapseln die Funktionalität der Nachrichtenübermittlung. Variante: XML-RPCDie zu übertragenden Daten werden in XML dargestellt.
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Ablauf und Architektur eines RPC-Systems (Quelle: Schill, A./Springer, T. (2012): Verteilte Systeme. Grundlagen und Basistechnologien. )
NetzClient-Rechner Server-Rechner
Client Client- Laufzeit- Laufzeit- Server- Server Stub system system Stub
lokaler Marshalling sende Aufruf empf. Unmar- Aufruf Aufruf shalling
Aus- warten führung
lokales Unmar- empf. Sende Marshalling Ergebnis Ergebnis shalling Ergebnis
Import ..… Export
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Implementierung verteilter Kommunikation (2):
Remote Method Invocation (RMI) Konzept zur Kommunikation zwischen Objekten mittels entfernter Aufrufe von Methodeneine Realisierung: Java-RMI
Common Object Request Broker Architecture (CORBA)plattformübergreifende Spezifikation für das Erstellen verteilter Anwendungen, für die es eine Reihe von Implementierungen gibt
Web Servicessind zur Realisierung von SOA geeignetsetzen sich zusammen aus dem Kommunikationsprotokoll SOAP (ermöglicht die
Kommunikation unter Nutzung von HTTP) der Beschreibungssprache Web Services Description Language
(WSDL) den Verzeichnisdienst Universal Description, Discovery and
Integration (UDDI)
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Implementierung verteilter Kommunikation (3):
Message Oriented Middleware (MOM)Kommunikationsplattform für vor allem asynchrone KommunikationNachrichten werden in eine Message Queue eingefügt und vom Client zeitversetzt abgearbeitetBeispiele: IBM Websphere MQ, Java EE Anwendungsserver
.NET-Technologien: Klassen für Sockets, Threads, … Distributed Component Object Model (DCOM), veraltet .NET Remoting als Ablösung für DCOM, wird aber nicht mehr
unterstützt ADO.NET ASP.NET Windows Communication Foundation (WCF) Windows Workflow Foundation (WF)
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Middleware (1):
Spezielle Software zur Unterstützung der Kommunikation
Bindeglied zwischen Betriebssystem und Netzwerk sowie der Anwendung
Aufgaben:
Kommunikation (z.B. RPC)
Sicherheit (Authentifizierung, Verschlüsselung, Zugriffskontrolle,…)
Verzeichnisdienste
Repository Manager
Ablaufkontroll-Dienste (Thread-Manager, Transaktionsverarbeitung, …)
Datenkonversion
etc.
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Prof. Dr. Herrad SchmidtWS 13/14Kapitel 1Folie 23
Middleware (2):
Beispiele:
Objektorientierte Middleware: CORBA (Spezifikation), verschiedene ImplementierungenJava Remote Method Invocation (RMI), in JAVA integriert, entwickelt von SUN
Message Oriented Middleware:IBM WebSphere MQJava Message Service (JMS), Spezifikation, Teil der von SUN entwickelten Java Platform, Enterprise Edition (Java EE, früher J2EE)
Komponentenbasierte Middleware: EJB-basierte Application Server, SpezifikationMS .NET-Plattform
SOA-Middleware: SAP NetWeaver (SAP Dokumentation)
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Prof. Dr. Herrad SchmidtWS 13/14Kapitel 1Folie 24
Einordnung von Middleware und Verteilten Systemen (Quelle: Schill, A./Springer, T. (2012): Verteilte Systeme. Grundlagen und Basistechnologien. )
Anwendungsinteraktion Client Server (z.B. Kasse) (z.B. Kontenserver)
Middleware Objektinteraktion Middleware (z.B. Java RMI, Cobra, .NET, SOAP)
Transportorientierte Transportorientierte Schichten Schichten (z.B. TCP/IP)
Phys. Netzwerk Phys. Netzwerk (z.B. Fast Ethernet, ATM)
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