Elosztott rendszerek: Alapelvek és paradigmák Distributed Systems: Principles and Paradigms

Átírás

1 Elosztott rendszerek: Alapelvek és paradigmák Distributed Systems: Principles and Paradigms Maarten van Steen 1 Kitlei Róbert 2 1 VU Amsterdam, Dept. Computer Science 2 ELTE Informatikai Kar 10. rész: Objektumalapú elosztott rendszerek május 24.

2 Tartalomjegyzék Fejezet 01: Bevezetés 02: Architektúrák 03: Folyamatok 04: Kommunikáció 05: Elnevezési rendszerek 06: Szinkronizáció 07: Konzisztencia & replikáció 08: Hibatűrés 10: Objektumalapú elosztott rendszerek 11: Elosztott fájlrendszerek 12: Elosztott webalapú rendszerek Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 2 / 24

3 Távoli elosztott objektumok Objektum: műveleteket és adatokat zár egységbe (enkapszuláció) A műveleteket metódusok implementálják, ezeket interfészekbe csoportosítjuk Az objektumokat csak az interfészükön keresztül érhetik el a kliensek Az objektumokat objektumszerverek tárolják A kliensoldali helyettes (proxy) megvalósítja az interfészt A szerveroldalon a váz (skeleton) kezeli a beérkező kéréseket Client invokes a method Client Client OS Client machine Proxy Same interface as object Skeleton invokes same method at object Server machine Server Skeleton Server OS Object State Method Interface Network Marshalled invocation is passed across network Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 3 / 24

4 Távoli elosztott objektumok Objektumok létrehozás ideje alapján Fordítási időben létrejövő objektumok: A helyettest és a vázat a fordítóprogram készíti el, összeszerkeszti a kliens és a szerver kódjával. Nem cserélhető le, miután létrejött, és a klienssel/szerverrel azonos a programozási nyelve. Futási időben létrejövő objektumok: Tetszőleges nyelven valósítható meg, de objektumadapterre van szükség a szerveroldalon a használatához. Objektumok élettartamuk alapján Átmeneti (tranziens) objektum: Élettartama csak addig tart, amíg be van töltve a szerverbe. Ha a szerver kilép, az objektum is megsemmisül. Tartós (perzisztens) objektum: Az objektum állapotát és kódját lemezre írjuk, így a szerver kilépése után is megmarad. Ha a szerver nem fut, az objektum passzív; amikor a szerver elindul, betöltéssel aktivizálható. Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 4 / 24

5 Példa: Enterprise Java Beans (EJB) Az objektumokat alkalmazásszerverek (pl. GlassFish) tárolják, amelyek lehetővé teszik az objektumok különböző módokon való elérését. Container Server EJB EJBEJB Services JMS JNDI JDBC RMI Server kernel Local OS Network Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 5 / 24

6 Példa: Enterprise Java Beans (EJB) EJB-k fajtái Stateless session bean: Tranziens objektum, egyszer hívják meg, miután elvégezte a feladatát, megszűnik. Példa: egy SQL lekérdezés végrehajtása, és az eredmény átadása a kliensnek. Stateful session bean: Tranziens objektum, de a klienssel egy munkameneten (session) keresztül tartja a kapcsolatot, ezalatt állapotot is tart fenn. Példa: bevásárlókosár. Entity bean: Perzisztens, állapottal rendelkező objektum, amely több munkamenetet is ki tud szolgálni. Példa: olyan objektum, amely az utolsó néhány kapcsolódó kliensről tárol adatokat. Message-driven bean: Különböző fajta üzenetekre reagálni képes objektum. A publish/subscribe kommunikációs modell szerint működik. Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 6 / 24

7 Globe elosztott objektumok Általában a távoli objektumok nem elosztottak: az állapotukat egy gép tárolja. A Globe rendszerben az objektumok fizikailag több gépen helyezkednek el: elosztott közös objektum (distributed shared object, DSO). Distributed shared object Local object Network Process Interface Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 7 / 24

8 Globe elosztott objektumok Az elosztottság támogatásához belső architektúra szükséges, és célszerű, ha ez független attól, hogy a DSO külső felülete milyen szolgáltatásokat nyújt. A replikációkezelő alobjektum vezérli, hogy hogyan és mikor kell a lokális szemantikus alobjektumot meghívni. Replication subobject Communication subobject Communication with other local objects Control subobject Same interface as implemented by semantics subobject Semantics subobject Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 8 / 24

9 Folyamatok: Objektumszerverek A rendszer részei a kiszolgálók, a vázak és az adapterek. A kiszolgálót (servant), amely az objektum működését biztosítja, több paradigma szerint lehet implementálni: Függvények gyűjteménye, amelyek adatbázistáblákat, rekordokat stb. manipulálnak (pl. C vagy COBOL nyelven) Osztályok (pl. Java vagy C++ nyelven) A váz (skeleton) a szerveroldali hálózati kapcsolatokat kezeli: Kicsomagolja a beérkező kéréseket, lokálisan meghívja az objektumot, becsomagolja és visszaküldi a választ Az interfész specifikációja alapján hozzák létre Az objektumadapter feladata objektumok egy csoportjának kezelése: Elsőként fogadja a kéréseket, és azonosítja a releváns kiszolgálót Aktivációs házirend (policy) szerint aktiválja a megfelelő vázat Az adapter generálja az objektumhivatkozásokat Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 9 / 24

10 Folyamatok: Objektumszerverek Az objektumszerverek vezérlik a tartalmazott objektumok létrehozását. Server with three objects Server machine Object's stub (skeleton) Object adapter Object adapter Request demultiplexer Local OS Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 10 / 24

11 Példa: Ice Az Ice (Internet Communications Engine) objektumorientált köztesréteg, szolgáltatásai elérhetőek a legnépszerűbb nyelveken. Az aktivációs házirend megjelenik a köztesréteg szintjén: az adapter properties adattagján át lehet módosítani. Ez segíti a rendszer egyszerű kezelhetőségét. main(int argc, char* argv[]) { Ice::Communicator ic = Ice::initialize(argc, argv); Ice::ObjectAdapter adapter = ic->createobjectadapterwithendpoints("a","tcp -p 2000"); Ice::Object object = new MyObject; adapter->add(object, objectid); adapter->activate(); } ic->waitforshutdown(); Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 11 / 24

12 Kliens csatlakoztatása objektumhoz Objektumhivatkozás Ha egy kliens birtokol egy referenciát egy objektumra, képes hozzá csatlakozni (bind): A hivatkozás előírja, melyik szerveren, melyik objektumot, milyen kommunikációs protokoll szerint lehet rajta keresztül elérni A hivatkozáshoz kód tartozik, ezt a konkrét objektum eléréséhez felparaméterezve kapjuk a helyettest Kétfajta csatlakozás Implicit: Magán a hivatkozott objektumon hívjuk meg a műveleteket Explicit: A kliens kódjában a csatlakozás explicit megjelenik Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 12 / 24

13 Kliens-objektum csatlakozás: implicit/explicit // implicit Distr_object* obj_ref; obj_ref =...; obj_ref->do_something(); // explicit Distr_object* obj_ref; Local_object* obj_ptr; obj_ref =...; obj_ptr = bind(obj_ref); obj_ptr->do_something(); A hivatkozás tartalmazhat egy URL-t, ahonnan az implementáció letölthető Protokollban rögzíthető, hogyan kell betölteni és példányosítani a letöltött kódot A szerver és az objektum ismerete elegendő lehet a távoli metódushívás megkezdéséhez Objektumhivatkozások paraméterként is átadhatóak, amik RPC esetében bonyodalmakat okoznak Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 13 / 24

14 Távoli metódushívás (Remote Method Invocation, RMI) Tegyük fel, hogy a helyettes és a váz rendelkezésre áll a kliensnél/szervernél. 1 A kliens meghívja a helyettest 2 A helyettes becsomagolja a hívás adatait, és elküldi a szervernek 3 A szerver biztosítja, hogy a hivatkozott objektum aktív: Külön folyamatot hozhat létre, amely tárolja az objektumot Betöltheti az objektumot a szerverfolyamatba... 4 Az objektum váza kicsomagolja a kérést, és a metódus meghívódik 5 Ha paraméterként objektumhivatkozást kaptunk, ezt szintén távoli metódushívással éri el a szerver; ebben a szerver kliensként vesz részt 6 A választ hasonló úton küldjük vissza, a helyettes kicsomagolja, és visszatér vele a klienshez Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 14 / 24

15 RMI: Paraméterátadás Hivatkozás szerinti paraméterátadás: sokkal egyszerűbb, mint RPC esetén. A szerver egyszerűen távoli metódushívással éri el az objektumot Ha már nincsen szüksége rá, megszünteti a csatolást (unbind) Érték szerinti paraméterátadás: RMI esetén ez kevésbé kényelmes. Szerializálni kell az objektumot Az állapotát A metódusait, vagy hivatkozást olyan helyre, ahol elérhető az implementációjuk Amikor a szerver kicsomagolja az objektumot, ezzel másolat készül az eredetiről Ez az automatikus másolódás többféle problémát okoz, pl. néha túl átlátszó : könnyen több objektumról készíthetünk másolatot, mint amennyiről szeretnénk Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 15 / 24

16 RMI: Paraméterátadás Machine A Machine B Local reference L1 Local object O1 Remote reference R1 Remote object O2 Client code with RMI to server at C (proxy) New local reference Copy of O1 Remote invocation with L1 and R1 as parameters Machine C Copy of R1 to O2 Server code (method implementation) A rendszerszintű objektumhivatkozások általában a szerver címét, adapterének portját és az objektum lokális azonosítóját tartalmazzák. Néha ezekhez további információk is járulnak, pl. a kliens és szerver között használt protokoll (TCP, UDP, SOAP stb.) Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 16 / 24

17 RMI: Paraméterátadás Machine A Machine B Local reference L1 Local object O1 Remote reference R1 Remote object O2 Client code with RMI to server at C (proxy) New local reference Copy of O1 Remote invocation with L1 and R1 as parameters Machine C Copy of R1 to O2 Server code (method implementation) Mivel a helyettesnek mindenféleképpen ismernie kell a hivatkozáshoz szükséges adatokat (cím, port, lokális ID), felhasználhatjuk a helyettest magát mint távoli hivatkozást. Ez különösen előnyös, ha a helyettes letölthető (pl. a Java esetében igen). Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 17 / 24

18 Objektumalapú üzenetküldés A kliens az üzenetekre várás közben lehet aktív vagy passzív. 1. Call by the application 1. Call by the application Client proxy Client RTS Client proxy Client RTS Client application Callback interface Client application Polling interface 4. Call by the RTS 2. Request to server 2. Request to server 3. Response from server 4. Call by the application 3. Response from server Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 18 / 24

19 Objektumhivatkozások IIOP 1 : távoli objektumhivatkozásokat kezelő protokoll CORBA 2 : Objektumalapú köztesréteg, IIOP-t használ Az alábbi ábrán a CORBA objektumhivatkozásának szerkezete látható. Tagged Profile Interoperable Object Reference (IOR) Repository identifier Profile ID Profile IIOP version Host Port Object key Components Adapter identifier Object identifier Other serverspecific information 1 Internet Inter-ORB Protocol 2 Common Object Request Broker Architecture Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 19 / 24

20 Objektumhivatkozások Különböző objektumkezelő rendszerekben a hivatkozások szerkezete nagymértékben eltérhet. A rendszerek között átjárók (gateway) biztosíthatják a hivatkozások konvertálását. Object server Interoperable references (Half) gateway Object system A Object system B Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 20 / 24

21 Replikáció és konzisztencia Az objektumok a belépő konzisztencia megvalósításának természetesen adódó eszközei: Az adatok egységbe vannak zárva, és szinkronizációs változóval (zárral) védjük őket A szinkronizációs változókat soros konzisztencia szerint érjük el (az értékek beállítása atomi lépés) Az adatokat kezelő műveletek összessége pont az objektum interfésze lesz Replikáció Mit tegyünk, ha az objektumot replikálni kell? A replikált objektumokon a műveletek végrehajtásának sorrendjének azonosnak kell lennie. Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 21 / 24

22 Replikált objektumok Nemcsak a kéréseknek kell sorrendben beérkezniük a replikátumokhoz; a vonatkozó szálak ütemezésének determinisztikusnak kell lennie. Egyszerű megoldás lehetne, ha teljesen sorosítva (egyetlen szálon) hajtanánk végre a kéréseket, de ez túl költséges. Computer 1 Computer 2 Object Thread scheduler T 1 Deterministic 1 T 1 2 T 2 1 T 2 2 Threads thread scheduling Threads Middleware Totally ordered requests Middleware Local OS Local OS Unordered requests Unordered requests Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 22 / 24

23 Replikált hívások Aktív replikáció: ha a replikált objektum hívás során maga is meghív más objektumot, az a kérést többszörörözve kapná meg. Client replicates invocation request B1 Object receives the same invocation three times A B2 C All replicas see the same invocation B3 Replicated object Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 23 / 24

24 Replikált hívások Megoldás: mind a szerver-, mind a kliensobjektumon válasszunk koordinátort, és csak a koordinátorok küldhessenek kéréseket és válaszokat. Coordinator of object B Coordinator of object C Client replicates invocation request B1 Result B1 C1 C1 A B2 A B2 C2 C2 B3 B3 Result (a) (b) Maarten van Steen, Kitlei Róbert Elosztott rendszerek 24 / 24