Systemy rozproszone: definicje, własności systemowe i obliczeniowe

Transkrypt

1 Wykład 10 Systemy rozproszone: definicje, własności systemowe i obliczeniowe Spis treści: 1. Ogólne definicje i problemy realizacyjne 2. Architektura systemów rozproszonych 3. Komunikacja w systemach rozproszonych

2 1. Równoległe systemy komputerowe a rozproszone systemy komputerowe Równoległe systemy komputerowe (ang. parallel computer systems) zawierają wiele współpracujących procesorów wykorzystywanych do wykonania programów, stąd nazwa systemy wieloprocesorowe. Systemy równoległe (wieloprocesorowe) są fizycznie skupione w obrębie jednej obudowy lub kilku obudów znajdujących się w bliskim sąsiedztwie (np. w tej samej sali). Jeżeli system komputerowy zawiera wiele odrębnych komputerów (zawierających procesor z całą hierarchią pamięci i urządzeniami wejścia/wyjścia) połączonych ze sobą zewnętrzną siecią komunikacyjną i wykonujących programy poprzez ich skoordynowane wykonanie na komputerach składowych, to mówimy wtedy o systemie rozproszonym albo sieci komputerowej (ang. distributed system, computer network).

3 Systemy rozproszone wykonują tzw. obliczenia rozproszone. System rozproszony = rozproszony sprzęt + rozproszone sterowanie + + rozproszone programy + rozproszone dane Systemy rozproszone posiadają następujące cechy: każdy węzeł systemu ma własną przestrzeń adresową, czas transmisji między węzłami systemu jest niepomijalny, w stosunku do czasu obliczeń, procesy są traktowane jak logiczne zasoby systemu, jednostki wykonawcze są zasobami fizycznymi, komunikacja w systemie odbywa się na zasadzie przesyłania komunikatów,

4 interakcje między procesami maja charakter kooperacyjny i służą wspólnemu rozwiązywaniu problemów obliczeniowych, awaria zasobu logicznego lub fizycznego nie powinna spowodować załamania systemu jako całości, w przypadku awarii zasobu, system powinien mieć możliwość zrekonfigurowania struktury i adaptacji przydziału zasobów dla wykonywanej aplikacji. Sieci komputerowe typu LAN (Local Area Network), MAN (Metropolitan Area Network) and WAN (Wide Area Network), o ile nie wykonują wspólnej aplikacji, nie są w świetle tej definicji systemami rozproszonymi.

5 Dla wykonania w systemie rozproszonym, program musi być podzielony na fragmenty, wykonywane w poszczególnych komputerach. Nazywa się to zrównolegleniem programu (ang. program parallelization). Ze względu na sposób podziału programu sposób zrównoleglenia programu, wyróżniamy: zrównoleglenie oparte na dekompozycji danych (ang. data decomposition), zrównoleglenie oparte na dekompozycji kodu programu (ang. code decomposition), zrównoleglenie oparte na obu tych sposobach dekompozycji (ang. data and code decomposition).

6 Przy dekompozycji danych, kod programu jest zwykle wykonywany równolegle na mniejszych podzespołach danych a potem zbierane są wyniki częściowe, co zwykle wymaga pewnej ilości dodatkowych obliczeń. Zrównoleglenie przez dekompozycję danych zwykle stosuje się do programów o dużych zespołach danych i regularnych strukturach (np. wektory, macierze, listy, drzewa). Przy dekompozycji kodu programu, każdy fragment programu zawiera odrębne dane, określone poprzez podział kodu. Zrównoleglenie przez dekompozycję kodu stosuje się do programów o nieregularnych strukturach danych.

7 Wykonanie fragmentów programu po zrównolegleniu na wiele komputerów często wymaga wymiany wyników częściowych - danych, podczas wykonywania. Tę wymianę danych nazywamy komunikacją między komputerami (ang. intercomputer communication). Komunikacja w systemach rozproszonych (sieciach komputerowych) zajmuje czas niepomijalny z punktu widzenia czasu wykonania programów. W systemach równoległych, komunikacja danych (programów) zachodzi bardzo szybko i zdarza się, że jest ona pomijalna w stosunku do czasu obliczeń. Pomijalność czasu komunikacji w całkowitym czasie wykonania programu zależy od: ziarna zrównoleglenia programów (ang. grain of parallelism) relacji między szybkością obliczeń w komputerach a szybkością komunikacji między komputerami.

8 Pod względem ziarnistości zrównoleglenia wyróżniamy: programy drobnoziarniście równoległe (ang. fine-grained parallel programs), w których średni czas obliczeń między komunikacjami jest mały i stosunek czasu obliczeń do czasu komunikacji w całym programie jest niski. programy gruboziarniście równoległe (ang. coarse-grained parallel programs), w których średni czas obliczeń między komunikacjami jest duży i stosunek czasu obliczeń do czasu komunikacji w całym programie jest wysoki. Systemy rozproszone wykonują zatem efektywnie programy gruboziarniście równoległe.

9 System rozproszony zawiera oprogramowanie systemowe, które sprawia, że zbiór niezależnych komputerów jest traktowany przez ich użytkowników jako jeden spójny system wykonawczy. Przykładowa struktura systemu rozproszonego

10 Cele funkcjonalne systemów rozproszonych: udostępnianie zasobów przezroczystość rozproszenia wykonywania peogramów, zapewnienie otwartości oprogramowania zapewnienie skalowalności wykonania równoległego.

11 Różne aspekty przezroczystości w systemach rozproszonych: Przezroczystość dostępu - maskuje różnice w reprezentacji danych i mechanizmach wywoływania. Przezroczystość lokalizacji - maskuje szczegóły lokalizacji obiektów Przezroczystość migracji - maskuje dla obiektu zdolność systemu do zmiany jego lokalizacji, Przezroczystość relokacji - maskuje dla obiektu zdolność systemu do zmiany obiektu z którym dany obiekt jest związany Przezroczystość współbieżności - realizuje koordynację między obiektami dla zachowania spójności na wyższym poziomie, Przezroczystość replikacji - maskuje fakt że obiekt i jego stan mogą być zreplikowane, Przezroczystość awarii - maskuje awarie i ewentualną naprawę obiektów,

12 Osiągnięcie pełnej przezroczystości rozproszenia może być nieosiągalne lub zbyt kosztowne gdyż: użytkownicy mogą być rozproszeni na różnych kontynentach, kompletne ukrycie awarii sieci i węzłów jest praktycznie niemożliwe, a) trudno jest odróżnić wolny komputer od upadającego, b) nigdy nie wiadomo czy serwer wykonał operacje przed awarią, pełna przezroczystość jest kosztowna w sensie wydajności, a) trzeba utrzymywać pamięci podręczne w sieci dokładnie zgodne z masterem, b) wykonywać natychmiastowe zapisy do pamięci dyskowej po modyfikacji dla zapewnienia tolerancji na uszkodzenia.

13 Otwartość Otwarty system rozproszony powinien być zdolny do współpracy z usługami innych otwartych systemów bez względu na towarzyszące środowisko. System powinien akceptować dobrze określone interfejsy. System powinien wspierać przenośność aplikacji. System łatwo powinien zapewniać możliwość współpracy (ang. interoperability). Dla osiągnięcia otwartości: system rozproszony nie powinien być czuły na heterogeniczność na poziomie sprzętu, platform i języków.

14 Implementacja otwartości Wymaga wsparcia dla różnych strategii: Jakiego poziomu spójności wymagać dla danych klienta? Jakie operacje może wykonywać załadowany kod? Jakich wymagań na jakość usług (QoS) wymagać przy zmiennej przepustowości? Jakiego poziomu tajności wymagać dla komunikacji? Idealny system rozproszony zabezpiecza następujące mechanizmy: Dynamiczne ustawianie strategii spójności pamięci cache. Wspieranie różnorodności poziomów zaufania dla mobilnego kodu. Umożliwienie ustawialności parametrów QoS dla strumienia danych. Umożliwienie różnych algorytmów szyfrowania.

15 Skalowalność Skalowalność systemu rozproszonego jest to zdolność systemu do łatwego rozszerzania lub redukowania swoich zasobów dla dostosowania się do zwiększającego się lub zmniejszającego się obciążenia zadaniami użytkowników. Przynajmniej 3 parametry są brane pod uwagę: Liczba użytkowników lub procesów (skalowalność rozmiaru) Maksymalna odległość miedzy węzłami (skalowalność geograficzna) Liczba domen administracyjnych (skalowalność administracyjna) Metody zapewnienia skalowalności 1. Redukcja czasów wykonania komunikacji Unikać czekania na odpowiedzi, wykonywanie innych zadań. Stosować komunikację asynchroniczną. Zapewnić oddzielnego wykonawcę obsługi (ang. handler) dla przychodzących odpowiedzi.

16 2. Rozproszenie wykonywanych zadań Rozłożenie danych i obliczeń na różne maszyny. Przesunięcie obliczeń do klientów (Java applets). Zdecentralizowanie serwisu nazw (DNS). Zdecentralizowanie systemów informacyjnych (WWW) 3. Replikowanie/buforowanie (ang. replication/caching Instalowanie kopii danych dostępnych na różnych komputerach. Replikowane serwery plików i bazy danych Lustrzane kopie stron Web Web caches (w browserach and proxies) Buforowanie plików (ang. file caching) u klienta i serwera

17 Problemy ze skalowalnością Po wprowadzenie wielu kopii (buforowanych lub replikowanych) dla polepszenia skalowalnośći aplikacji, modyfikowanie jednej kopii prowadzi do niespójności. Utrzymywanie spójności kopii wymaga globalnej synchronizacji przy każdej modyfikacji. 13

18 Podstawowe rodzaje systemów rozproszonych Rozproszone systemy obliczeniowe (ang. computational systems Rozproszone systemy informacyjne (ang. information systems) Rozproszone systemy powszechne (ang. pervasive systems)

19 Rozproszone obliczenia prowadzone są w klastrach komputerów Klaster (ang. cluster) jest zbiorem systemów połączonych za pomocą sieci LAN. Jeśli klaster jest jednorodny, to ma ten sam system operacyjny i prawie ten sam sprzęt we wszystkich węzłach. Pojedynczy węzeł zarządzający. Ogólna struktura klastra procesorów

20 Aby umożliwić współpracę, systemy Grid używają pojęcia wirtualnych organizacji. Jest to zgrupowanie użytkowników (ich ID), które pozwala na autoryzację przydziału zasobów. Wiele systemów rozproszonych stanowi dzisiaj formy systemów informacyjnych, które integrują systemy tradycyjne (ang. legacy systems).

21 Rozproszone systemy informacyjne: transakcje Transakcja jest zbiorem operacji na stanie obiektu (np. bazy danych), która spełnia następujące własności (ACID): Atomowość (ang. Atomicity): wszystkie operacje albo kończą się sukcesem albo wszystkie niepowodzeniem. Gdy transakcja koczy się niepowodzeniem, stan obiektu się nie zmienia pod wpływem tej transakcji. Spójność (ang. Consistency): Transakcja realizuje dopuszczalna zmianę stanu. Nie wyklucza to możliwości zaistnienia niedozwolonego stanu pośredniego podczas wykonywania transakcji. Izolacja (ang. Isolation): Współbieżne transakcje nie interferują wzajemnie. Dla każdej transakcji T inne transakcje występują przed T albo po T, ale nigdy jednocześnie. Trwałość (ang. Durability): Po wykonaniu transakcji jej efekty stają się trwałe.

22 Monitor wykonania transakcji W wielu przypadkach dane używane podczas transakcji są rozproszone na wielu serwerach. Monitor wykonania transakcji jest odpowiedzialny za koordynowanie wykonania transakcji w systemie rozproszonym.

23 Powszechne systemy rozproszone (Pervasive distributed systems) Powstają nowe generacje systemów rozproszonych w których węzły są małe, ruchome i są zagnieżdżone w większych systemach. Wymagania Zmiany kontekstu (ang. contextual changes). System jest częścią środowiska w którym zmiany powinny być natychmiast utrwalone. Łatwe konfigurowanie (ang. ad hoc composition). Każdy węzeł może być użyty w inny sposób przez różnych użytkowników. Potrzebna jest łatwość konfigurowania. Współdzielenie jest domyślne. (ang. sharing is the default). Węzły przychodzą i odchodzą, wprowadzając współdzielone usługi i informacje. Wymaga to prostoty.

24 Przykłady powszechnych systemów rozproszonych. Systemy domowe Powinny być całkowicie samo-organizowalne, bez administratora systemu. Każdy użytkownik powinien mieć osobistą przestrzeń działania. Elektroniczne systemy zdrowotne Urządzenia są fizycznie bliskie człowiekowi. Występuje szereg problemów skladowych. Jak i gdzie należy pamiętać monitorowane dane? Jak zapobiegać stratom ważnych danych? Co jest wymagane dla generowania i ogłaszania alarmów? Jak zorganizować bezpieczne użytkowanie? Jak zorganizować stałą współpracę z lekarzem w czasie rzeczywistym?

25 2. Architektura systemów rozproszonych Podstawowa koncepcja - zorganizować obliczenia w logiczne komponenty i rozproszyć te komponenty na różne komputery składowe. Wyróżniamy 2 ogólne podejścia: (a) Warstwowe, które jest stosowany w systemach klient-serwer (b) Obiektowe, które jest stosowane w obiektowych systemach rozproszonych.

26 Określenie rozdzielnych procesów programu w przestrzeni (działanie rozproszone w różnych komputerach) oraz w czasie (działanie asynchroniczne) prowadzi do odmiennych podejść architekturalnych. (a) Opublikuj/pobierz ( rozdzielenie w przestrzeni) (b) Współdzielona przestrzeń danych (rozdzielenie w przestrzeni i czasie)

27 Architektura scentralizowana Podstawowy model - klient -serwer W rozproszonym systemie istnieją procesy oferujące usługi (ang. services) są to serwery (ang. servers) oraz procesy klientów (ang. client), które używają usług. Klienci i serwery mogą być zainstalowani na oddzielnych komputerach. Dostęp do usług dla klientów jest zorganizowany zgodnie z modelem "żądanie / odpowiedź"

28 Wielopoziomowa struktura aplikacji Tradycyjna jest 3-warstwowa struktura aplikacji: Warstwa interfejsu użytkownika (ang. user interface) zawiera elementy dla API (Application User Interface). Warstwa obliczeniowa (ang. processing layer) zawiera funkcje wewnętrzne aplikacji jednak bez potrzebnych specyficznych danych. Warstwa danych zawiera dane na których użytkownik chce wykonać obliczenia lub inne operacje przy użyciu komponentów aplikacji. Taka struktura warstwowa jest spotykana w wielu systemach rozproszonych, przy wykorzystaniu techniki baz danych i odpowiednich aplikacji.

29 Struktura wielowarstwowa Pojedyncza warstwa: konfiguracja wirtualny terminal/ komputer (ang. dumb terminal/mainframe configuration) Dwie warstwy: konfiguracja klient/pojedynczy serwer (ang. client/single server configuration), różny sposó alokacji zadań. Trzy warstwy: każda warstwa na oddzielnym komputerze. Najbardziej rozpowszechniona struktura dwuwarstwowa.

30 Architektura zdecentralizowana Aktualnie rozwijane są systemy punkt-do-punktu P2P (ang. peer-to-peer systems). Wyróżniamy: Strukturalne systemy P2P (ang. structured P2P) w których węzły są zorganizowane zgodnie ze specyficznymi rozproszonymi strukturami danych. Niestrukturalne systemy P2P (ang. unstructured P2P) w których węzły mają przypadkowo wybranych sąsiadów. Hybrydowe systemy P2P (ang. hybrid P2P) w których pewne węzły mają przypisane specjalne funkcje w pewien dobrze zorganizowany sposób. W większości przypadków sieci P2P, mamy do czynienia z tzw. sieciami nadbudowanymi (ang. overlay networks), w których dane są przesyłane po specjalnie stworzonych połączeniach miedzy węzłami jakiejś już istniejącej fizycznej sieci bazowej.

31 Strukturalne systemy P2P Podstawowa koncepcja polega na zorganizowaniu węzłów w formie sieci nadbudowanej i zorganizowanie w pewnych węzłach oferowania określonych usług, wywoływanych tylko poprzez ich identyfikatory. Nadbudowana sieć na pierścieniu użyta dla strukturalnego system P2P System udostępnia specjalną operację, która przesyła żądanie wykonania operacji do wyznaczonego węzła na podstawie klucza.

32 Inny przykład Węzły systemu P2P zorganizowano w 2-wymiarowej przestrzeni i obarczono każdy węzeł odpowiedzialnością za przetwarzane dane w pewnym regionie, rys (a). Gdy dochodzi nowy węzeł, regiony ulegają podziałowi, rys (b). Przykładowa struktura dystrybucji zadań aplikacji w zdecentralizowany sytemie P2P

33 Niestrukturalne systemy rozproszone P2P Wiele niestrukturalnych systemów P2P zarządza węzłami według swobodnego doboru partnerów. W takich systemach, każdy węzeł może kontaktować się z dowolnie wybranym innym węzłem. Każdy węzeł partnerski posiada częściowy obraz sieci składający się z innych węzłów. Każdy węzeł P okresowo wybiera węzeł Q z jego częściowego obrazu. P i Q wymieniają informacje i wymieniają członków ze swojego częściowego obrazu.

34 Zarządzanie geometrią sieci nadbudowanych Wyróżnia się dwie warstwy. W warstwie niższej, zarządza się przypadkowymi częściowymi obrazami sieci. W warstwie wyższej stosuje się określone reguły selekcji węzłów obrazu na wyższym poziomie. Dolna warstwa dostarcza wyższej swobodnie wybrane węzły, górna warstwa stosuje określoną selekcję gdy trzeba zarejestrować wskaźniki do węzłów. Okazuje się, że zależnie od wymian danych, może być utrzymana przypadkowość połączeń oraz odporność sieci na uszkodzenia (ang. robustness).

35 Superpartnerzy w systemach P2P Czasami korzystnie jest wybrać kilka węzłów tworzących tzw. superpartnera (ang. superpeer) aby wykonały określone zadanie. Przykłady superpartnerów Partnerzy zarządzający indeksami przy wyszukiwaniu Partnerzy zarządzający stanem sieci Partnerzy tworzący połączenia.

36 Architektura hybrydowa: klient-serwer w połączeniu z P2P Architektura z serwerami krawędziowymi (ang. edge server), często stosowana w sieciach dostarczania danych skonfigurowanych zgodnie z zawartością informacji (ang. Content Delivery Networks).

37 Modyfikowalna architektura sytemu rozproszonego W wielu przypadkach rozproszone systemy lub aplikacje zostały opracowane przy użyciu architektury, która nie jest optymalna we wszystkich przypadkach. Należy wtedy dynamicznie adaptować zachowanie warstwy pośredniczącej (middleware). Stosuje się tutaj mechanizm przechwytywania. Przechwytywacze (ang. interceptors) przechwytują zwykły przepływ sterowania gdy następują operacje związane z odległym obiektem wymagającym ingerencji.

38 Adaptacyjna warstwa pośrednicząca Dla zbudowania adaptacyjnej warstwy pośredniczącej (ang. adaptive middleware) można stosować natępujące metody: Separacja funkcji: Należy próbować odseparować dodatkowe funkcje a potem wprowadzić je do implementacji systemu (brak dotąd poważnych realizacji). Modyfikacje na bieżąco: Należy wprowadzić analizę programu w czasie wykonywania i zaadaptować/ zmienić jego ustawienia dynamicznie. Stosowalność tej metody jest niezbyt jasna, przeważnie - na poziomie języka. Rozwiązanie komponentowe Należy zorganizować rozproszona aplikacje w oparciu o podejście komponentowe, tak by była możliwa dynamiczna wymiana komponentu gdy trzeba. Rozwiązanie jest bardzo złożone, związane z problemem uwzględnienia zależności między komponentami.

39 Samoorganizujące się systemy rozproszone Samoorganizujące się systemy rozproszone (ang. self-managing distributed systems) oparte są na automatycznej adaptacyjności przejawiającej sie jako samokonfigurowanie, samozarządzanie, samonaprawianie, samooptymalizowanie itp. W wielu przypadkach samo-organizujące się systemy rozproszone wykorzystują podejście sterowania ze sprzężeniem zwrotnym. Schemat tego rozwiązania jest pokazany poniżej.

40 Podejście analityczne do auto adaptacyjnych systemów rozproszonych Koncepcja pochodzi z systemu dostarczania danych typu CDN (Content Delivery Network) o nazwie Globule opracowanego na Uniwersytecie Vrije w Amsterdamie (open source, 2006). System analizuje zarejestrowane ślady wykonania operacji aby zdecydować gdzie powinny być umieszczone repliki danych wyświetlanych w sieci WEB. Decyzje są podejmowane na podstawie analitycznego modelu kosztu: koszt = (w1 x m1)+(w2 x m2)+...+(wn x mn), gdzie wi, mi to zmierzone parametry.

41 Startowy serwer Globule (origin serwer) zbiera ślady i wykonuje analizę typu cojeśli sprawdzając co by się stało gdyby dana strona danych została umieszczona na określonym serwerze krawędziowym. Wybierana jest najlepsza strategia.

42 Wirtualizacja Ponieważ zmiany cech sprzętu s a znacznie szybsze niż zmiany cech oprogramowania bardzo ważne w projektowaniu systemów rozproszonych staje się podejście wirtualizacji. Ułatwia ono przenośność oprogramowania i migrację kodu programów. Umożliwia lepsza izolację zawodnych i atakowanych komponentów systemu. Wirtualizacja sprzętu komputera polega na stworzeniu programowej maszyny wirtualnej (ang. virtual machine), która działa tak jak rzeczywisty komputer z systemem operacyjnym. Oprogramowanie wykonane na maszynie wirtualnej jest odseparowane od rzeczywistych zasobów sprzętowych.

43 Wirtualizacja aplikacji programowej polega na wykonaniu aplikacji w zamodelowanym programowo środowisku na innym komputerze wykonawczym, które jest odseparowane od bazowego systemu operacyjnego przez warstwę pośredniego oprogramowania. Program napisany dla systemu A (a) jest wykonany na systemie B wykonującym wirtualną maszynę A (b)

44 Architektura maszyny wirtualnej Wirtualizacja może mieć miejsce na wielu poziomach, z silnym uzależnieniem od interfejsów posiadanych przez różne składniki systemu.

45 Odróżniamy wirtualną maszynę procesów (ang. Process Virtual Machine) od systemowej maszyny wirtualnej (ang. Virtual Machine Monitor, System Virtual Machine) W wirtualnej maszynie procesów (a) program jest kompilowany do pośredniczącego (zwykle przenośnego) kodu, który jest następnie wykonywany przez podsystem runtime komputera, przeważnie metodą interpretacji (np. Maszyna Wirtualna Java). Systemową maszyna wirtualną (b) jest odrębna warstwa programowa, która emuluje listę rozkazów jakiejś architektury komputerowej. W tym podejściu dostępny może być wirtualny system operacyjny i z jego pomocą mogą być wykonane aplikacje dla tego systemu operacyjnego i architektury. (np. VMware, VirtualBox).

46 3. Komunikacja w systemach rozproszonych W systemach rozproszonych stosuje się warstwowy model otwarty komunikacji. W ramach międzynarodowej organizacji standaryzacyjnej ISO opracowano model komunikacji otwartych systemów rozproszonych OSI (Open Systems Interconnection), który umożliwia komunikację w zgodnych z jego zaleceniami produktach. Model został opublikowany jako norma ISO System otwarty to system zgodny z zaleceniami modelu odniesienia i zdolny do wymiany informacji z innymi systemami otwartymi.

47 W każdej warstwie może istnieć element aktywny, tzw. obiekt. Obiekty znajdujące się w tej samej warstwie nazywane są partnerami. Każda warstwa świadczy usługi na rzecz obiektów warstwy wyższej. Partnerzy mogą realizować określone funkcje, np. nawiązanie połączenia.

48 Opis warstw modelu OSI 1. Warstwa FIZYCZNA - umożliwia przesyłanie pojedynczych bitów między stacjami połączonymi łączem. Dostępne usługi tej warstwy to: przesłanie ciągu bitów z zachowaniem ich sekwencji, wykrywanie nieprawidłowości transmisji przez odbiorcę (odrzucenie bitu) i wykrywanie stanów specjalnych łącza. Warstwa ta m.in. szczegółowo określa fizyczne cechy interfejsu sieciowego stacji, takie jak: elementy mechaniczne i elektryczne, złącza, poziomy napięć i inne aspekty elektryczne. 2. Warstwa ŁĄCZA DANYCH - definiuje reguły przesyłania i otrzymywania informacji, zapewnia prawidłową transmisję między stacjami lub węzłami sieci. Umożliwia wykrywanie i korygowanie błędów powstałych w warstwie fizycznej. Jeśli wiele stacji jest połączonych jednym nośnikiem to warstwa ta realizuje funkcję wykrywania stanu łącza oraz bezkolizyjnego dostępu do tego łącza (w wypadku gdyby wiele stacji chciało nadawać jednocześnie).

49 3. Warstwa SIECI - umożliwia utworzenie za pomocą węzłów sieci drogi transmisji między stacjami końcowymi oraz, co się z tym wiąże, wybór drogi lub dróg transmisji (routing). Funkcje warstwy sieci odczytują adres docelowy pakietu i kierują go bezpośrednio do stacji w sieci (jeśli adres dotyczy sieci lokalnej) lub przez router do innego segmentu sieci. Algorytmu wyboru drogi umożliwiają unikanie przeciążeń w sieci. W warstwie tej pracują routery. Typowe protokoły tej warstwy to: IP, X.25, IPX (w sieci Novell). 4. WARSTWA TRANSPORTOWA - zapewnia transmisje z wymaganymi charakterystykami, takimi jak: przepustowość, stopa błędów, opóźnienia transmisyjne. Optymalizuje użycie usług sieciowych. Przesłania usługi oferowane przez niższe warstwy, aby ukryć przed wyższymi warstwami szczegóły związane ze znajdującą się niżej siecią. Gwarantuje dostarczenie danych do odbiorcy oraz realizuje kontrolę błędów i inne operacje związane z niezawodnością transmisji, jeśli nie są one realizowane w niższych warstwach.

50 Warstwa transportowa oferuje usługi połączeniowe (ustalane jest łącze) lub bezpołączeniowe. W przypadku, gdy pakiet nie dotrze do odbiorcy lub dojdzie uszkodzony to protokół warstwy transportowej zażąda retransmisji tego pakietu. Typowe protokoły tej warstwy to: TCP, UDP, SPX (Novell), NetBIOS / NetBEUI (Microsoft). 5. Warstwa SESJI - rozszerza funkcje warstwy transportowej o środki umożliwiające synchronizację dialogu i zarządzanie wymianą danych między jej usługobiorcami (aplikacjami). Ustala, który z partnerów ma prawo do nadawania oraz, czy komunikacja jest naprzemienna, czy równoczesna w obu kierunkach. Warstwa ta umożliwia tworzenie punktów synchronizacji służących do powrotu przez obu uczestników dialogu do takiego punktu w razie wystąpienia nieprawidłowości (np. utrata wysłanych danych w wyniku awarii łącza).

51 6. Warstwa PREZENTACJI - w różnych systemach używane są różne postaci informacji, np. kod znaku, typ danych, itd. Warstwa ta zapewnia przekształcenie tych postaci w jednorodną formę sieciową. Przekształcenie to dotyczy składni (syntaktyki) a nie znaczenia (semantyki) informacji. W warstwie tej następuje również kompresja i szyfrowanie transmitowanych danych. Nadchodzące dane są zamieniane na postać, którą można przedstawić użytkownikowi (na ekranie lub wydruku); 7. Warstwa APLIKACJI - oferuje całość usług komunikacyjnych procesom użytkowników. Dostępne są m.in. następujące funkcje: ustalenie protokołu transmisji, zawieszanie i wznawianie połączenia, funkcje dotyczące synchronizacji działań i stwierdzania autentyczności partnerów. Typowymi usługami tej warstwy są również: transfer plików i działanie zdalne na plikach, dostęp i działanie na zdalnych bazach danych, praca procesu użytkowego jako terminala zdalnego komputera, poczta elektroniczna i inne.

52 Rozproszone programy klienta i serwera używają do komunikacji danych protokołów warstwy transportowej (TCP). Dla wielu systemów rozproszonych najniższym rozpatrywanym poziomem jest warstwa sieciowa i protokół IP. Rozgłaszanie w protokole IP w warstwie sieciowej jest uważane za standardowy mechanizm dostępny w systemach rozproszonych. Gdy program wchodzi w interakcje z oprogramowaniem protokołów musi podąć czy jest klientem czy serwerem, określić dane do wysłania lub miejsce umieszczenia danych odbieranych. Interfejs wykorzystywany przez program użytkowy przy interakcji z protokołem warstwy transportowej jest interfejsem programu użytkowego (ang. Application Program Interface - API).

53 Warstwa oprogramowania pośredniczącego (middleware) Warstwa pośrednicząca jest wprowadzona aby umożliwić wspólne usługi i protokoły, które mogą być użyte przez aplikacje. Wykorzystywane mechanizmy i protokóły stanowią: Protokóły komunikacyjne (ang. communication protocols) Serializacja (deserializacja) danych (ang. marshaling, serialization) Protokoly nazewnictwa (ang. naming protocols) dla łatwego współdzielenia zasobów. Protokoly bezpieczeństwa (ang. security protocols) dla bezpiecznej komunikacji Mechanizmy poprawiające skalowalność, takie jak replikacja i buforowanie (ang. caching)

54 Należy odróżnić pewność dostarczenia danych w komunikacji. Przy komunikacji niepewnej (ang. transient) serwer komunikacyjny traci dane, gdy nie mogą być dostarczone. Przy komunikacji pewnej (ang. persistent) komunikat jest przechowywany w serwerze komunikacyjnym tak długo jak długo trwa ich dostarczenie.

55 Synchronizacja klienta z serwerem Synchronizacja klienta z serwerem zachodzi w formie przesyłania komunikatów sterujących do klienta. Synchronizacja klienta z serwerem może zachodzić przy: wysłaniu żądania transmisji do sieci, dostarczeniu żądania transmisji do serwera, po wykonaniu transmisji przez serwer

56 Wyróżnia się komunikację synchroniczną oraz asynchroniczną. Przy komunikacji synchronicznej klient i serwer muszą być aktywni w momencie komunikacji. Obliczenia w architekturze klient/serwer zachodzą przy wykorzystaniu synchronicznej komunikacji w trybie transient. Klient wysyła żądanie i blokuje się aż do odebrania odpowiedzi. Serwer oczekuje na przychodzące żądania i kolejno je obsługuje. Komunikacja synchroniczna ma wady: klient nie może wykonać żadnej innej pracy gdy czeka na odpowiedź awarie serwera muszą być obsłużone natychmiast gdyż klient czeka. często taki model nie jest właściwy dla pewnych aplikacji, takich jak np. poczta czy wiadomości.

57 Warstwa pośrednicząca zorientowana na przesyłanie komunikatów realizuje synchroniczną komunikację w trybie transient na wysokim poziomie: procesy wysyłają do siebie wiadomości, które są kolejkowane, wysyłający nie musi czekać na natychmiastową odpowiedź i może robić inne prace Warstwa pośrednicząca często zapewnia odporność na błędy.

58 Zdalne wywołania procedur - Remote Procedure Call (RPC) Jest to bardzo popularnysposób komunikacji w systemach rozproszonych, wynikający z praktyki sekwencyjnego proceduralnego programowania. Projektanci oprogramowania byli przyzwyczajeni do modelu procedur i funkcji. Komunikacja między procesem wywołującym zdalnie procedurę i dostarczającym ją mogła być ukryta przez użycie mechanizmu wywołania procedury. Parametry zdalnej procedury są serializowane do postaci komunikatu. Klient i serwer muszą ustalić ten sam sposób kodowania danych Klient i serwer muszą odpowiednio interpretować komunikaty z parametrami, transformując je do postaci zależnej od komputerów na których działają.

59 Asynchroniczne RPC Pozwala na ominięcie ścisłego zachowania strategii żądanie-odpowiedź. Klient może kontynuować działania bez oczekiwania na odpowiedź serwera. (a) standardowe RPC, (b) asynchroniczne RPC. Klient może kontynuowac obliczenia po otrzymaniu potwierdzenia wykonania procedury od serwera, nie blokując się w oczekiwaniu na jej wyniki. Odbiór wyników klient organizuje sam asynchronicznie.

60 Opóźnione synchroniczne RPC Po odbiorze akceptacji przyjęcia żądania RPC od serwera klient może kontynuować obliczenia. Nadejście wyników jest oznajmiane klientowi w formie przerwania.

61 Wiązanie klienta z serwerem Klient musi zlokalizować komputer serwera a potem zlokalizować oprogramowanie serwera.

62 Przesyłanie komunikatów w trybie pewnym - gniazda (ang. sockets). Interfejs gniazd był pierwotnie częścią systemu operacyjnego Unix BSD. Obecnie interfejs gniazd jest dostępny dla wielu systemów operacyjnych, w tym różnych odmianach systemu Unix oraz Microsoft Windows. Jest też dostępny w formie procedur bibliotecznych. Programy komunikują się przez gniazda w sposób podobny do przesyłania danych z lub do pliku. W związku z tym do gniazd stosuje się zasady zbliżone do dostępu do pliku w systemie Unix a wiec wykorzystując operacje otwórz-czytaj/zapisz-zamknij, podobnie jak przy dostępie do pliku.