3: Modelli Architetturali• Una presentazione di architetture distribuite • Elementi...

ASD: Sistemi Distribuiti (Prof. Scarano) 22/03/2002

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Corso di Laurea in Informatica

Università degli Studi di Salerno

3: Modelli Architetturali

Vittorio Scarano

Algoritmi e Strutture Dati: Sistemi Distribuiti

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Struttura della lezione

• Struttura a livelli: il middleware• Crescita dei servizi e del valore di un sistema

distribuito• Una presentazione di architetture distribuite• Elementi architetturali e componenti logiche

– Valutazione delle componenti logiche:– Una analisi delle architetture


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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)

applications &services

middleware

sistema operativo

computer &network

hardware

piattaforma

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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 completamente la funzione nello strato di comunicazione

• anche se può essere parzialmente implementata per ragioni di efficienza


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Il problema dell’End-to-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 (vedremo in seguito)

oggetto

processo

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Un esempio: 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


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I possibili problemi

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 sistema di comunicazione può fare un errore nel copiare dati sul buffer (sia su A che su B)

3. il processore o la memoria possono avere un errore (transiente) sia su A che su B

4. il sistema di comunicazione può perdere bit/pacchetti

5. gli host possono andare in crash

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Le possibili contromisure

• Rinforzare tutti i passi – il passo 2 equivale a scrivere programmi corretti

• riconducibile al problema della fermata della Macchina di Turing

• Rendere bassa la probabilità di errore (in ogni passo) e reiterare (forza bruta)– costoso

• “End-to-End check and retry” – checksum calcolata dalle applicazioni

– eventuale retry


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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!)

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Una linea-guida .. ma con “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 perfetta affidabilità di un sistema distribuito


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Altre 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.

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Le opzioni offerte dalle reti

• Ricevere informazioni

• Permettere delle transazioni

• Affiliare: stabilire e mantenere gruppi

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Il valore aggiunto di una rete di N utenti

• Legge di Sarnoff: il valore 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 valore aggiunto di una rete è:– il numero di transazioni potenziali che vengono permesse

agli N utenti

– quadratico in N


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• Www.OnSale.com: prima host per aste online

• Numero fissato di prodotti

• Numero variabile di utenti

• Totale del “Valore” ~ N

www.OnSale.com

La legge di Sarnoff: aste online

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La legge di Metcalfe: aste online

• Annunci messi a disposizione dagli utenti– classifieds.yahoo.com

• Sia la offerta che la domanda dipendono dal numero di utenti

• Valore ~ N2

Classifieds.yahoo.com


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La collaborazione su sistemi distribuiti: la legge di Reed

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www.eBay.com

Pez

Beanies

Un esempio della legge di Reed

• Www.eBay.com: un mercato per aste online

• Ogni sottoinsieme di utenti può formare una asta

• Valore totale ~ 2N


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Le leggi di crescita dei sistemi distribuiti

Sarnoff

Broadcast

Metcalfe

Network

Reed

Community

Valore N N2 2

N

Esempi Wire service,

OnSale

Email,

Classifieds

AOL Chat,

eBay

Connessione N+M N2+M

2+2NM 2

NX2

M

Sarnoff

Broadcast

Metcalfe

Network

Reed

Community

Valore N N2 2

N

Esempi Wire service,

OnSale

Email,

Classifieds

AOL Chat,

eBay

Connessione N+M N2+M

2+2NM 2

NX2

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Valore aggiunto

N

Valo

re T

ota

le

a N + b N2 + c 2N

a N + b N2

a N

Valore totale = a N + b N2 + c 2N

Tipicamente a >> b >> c

La combinazione delle leggi


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Regioni di valore dominante

N

Valore

N N2 2N

Miglior contenuto

MiglioriTransazioni

Migliorifacilities per gruppi

Una conseguenza

• All’aumentare della dimensione, si entra in nuovi mercati con nuove possibilità e nuove richieste di servizi per i sistemi distribuiti

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Modello Client Server

• Modello più comune

• Il Client effettua una richiesta– invocazione

• Il server invia la risposta– risultato

• Un server può agire anche da client

server

clientclient

request

response

servercomputer

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service

Variazioni al Client-Server

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clientserver

server

Servizi replicati

client

server

client

proxy

server

Proxy server


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Il modello Peer Process

• Tutti i processi hanno un ruolo simmetrico

• Riduce ritardo dovuto a colli di bottiglia sul server

application

coordinationcode

application

coordinationcode

application

coordinationcode

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Oggetti mobili

• Tra i più comuni– Applet

• Gli applet vengono– scaricati

– effettuano servizi localmente

• Agenti mobili– hanno una propria politica di

gestione, che seguono indipendentemente

• Problemi di sicurezza

client

server

applet

applet


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NOMAD Le applicazioni future

• Servizi implementati da diversi oggetti mobili

• Risorse fornite da una federazione di “depositi”– necessario un protocollo di

negoziazione delle risorse

• Servizi di location forniscono la localizzazione della applicazione

• Trasparenza della mobilità

depot

service

locationservice

depot

service depot

service

federation

client

service

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Un esempio di Spontaneous Network

Internet

gateway

PDA

service

Music service

serviceDiscovery

Alarm

Camera

Guestsdevices

LaptopTV/PC

Hotel wirelessnetwork


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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 progetto e la evoluzione del sistema


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Una architettura di base

• Client– utilizzata direttamente dall’utente, genera la richiesta

• Server– contiene le risorse da accedere (dati/programmi)

• Network– assicura la connessione

Client ServerNetwork

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Alcuni commenti

• 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

Client ServerNetwork


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Componenti logiche di una architettura

• Caratterizzate dagli aspetti funzionali rispetto alla localizzazione fisica– centrali per la progettazione e manutenzione

• Componenti di particolare rilievo:– la interfaccia utente

– la gestione dei dati

– la computazione

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Le componenti: (1) Interfaccia utente

• Direttamente acceduta dall’utente (front-end)– per l’utente l’interfaccia è il sistema

• La evoluzione:– Terminali “stupidi” (dumb)

• tastiera, video, alfanumerico

– X-terminal• grafica

– Personal Computers

– Network Computer• boot e S.O. caricato da rete, potenzialità da PC


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Valutazione della interfacce utente

Costo HW Addestr. Input Output AltroTerminali

stupidibasso alto tastiera testo

PC medio-alto bassotastiera e mouse

grafico Standard SW

X-terminals medio mediotastiera e mouse

grafico

Network Computers

medio bassotastiera e mouse

graficoStandard SW(con server)

Costo HW Addestr. Input Output AltroTerminali

stupidibasso alto tastiera testo

PC medio-alto bassotastiera e mouse

grafico Standard SW

X-terminals medio mediotastiera e mouse

grafico

Network Computers

medio bassotastiera e mouse

graficoStandard SW(con server)

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Le componenti: (2) Gestione dei dati

• Memorizzazione e reperimento di dati (back-end)

• La evoluzione:– flat file

• non permette l’uso di meta-dati(per la descrizione)

• non permette di correlare dati in un file ad altri dati

– database relazionali• organizzati in tabelle• accesso concorrente efficiente (lock al record)• Standard Query Language• memorizzazione di oggetti come BLOB (binary Large Objects)

ma non di classi

– database ad oggetti


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Valutazione della gestione dei dati

Indipendenzadei dati

Condivisionedei dati

Standard language

Flat File No No No

Databaserelazionali

Si Si SQL

DatabaseObj. Orient.

Si Si SQL-3 (?)

Indipendenzadei dati

Condivisionedei dati

Standard language

Flat File No No No

Databaserelazionali

Si Si SQL

DatabaseObj. Orient.

Si Si SQL-3 (?)

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Le componenti: (3) Computazione

• Elaborazione dei dati

• 3 parametri:– allocazione di una o più CPU

• possibile un uso limitato della CPU del client/terminale

– linguaggio portabile/non portabile• facilita la migrazione e l’upgrade

– allocazione processi statica/dinamica• agenti: codice che può migrare operando laddove risulta più

efficiente


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Architetture tradizionali

• Modelli di computazione assestati

• Due architetture:– architettura basata su mainframe

• anni 60-70

– architetturafile-server• anni 80

• La architettura file-server ancora in uso

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Architettura basata su mainframe

Componenti:• gestione dati• computazione• interfaccia utente


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Architettura basata su mainframe

• Modello:– smart server / dumb terminal

• Componenti logiche (interfaccia utente, gestione dei dati, computazione) – localizzate totalmente sul server

• Alto costo di investimento/gestione

• Scalabilità possibile all’interno delle famiglie di sistemi (IBM 360, Digital VAX)

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Architettura a mainframe: valutazione

Componente Caratteristica

Server HWMainframe/

minicomputer

Client HWTerminali

stupidiInterf. Utente Tastiera, alfanumericoGestione dei dati Flat filesComputazione COBOL (non portabile)Costo medio-altoAffidabilità altaSicurezza altaScalabilità altaFlessibilità bassa

Componente Caratteristica

Server HWMainframe/

minicomputer

Client HWTerminali

stupidiInterf. Utente Tastiera, alfanumericoGestione dei dati Flat filesComputazione COBOL (non portabile)Costo medio-altoAffidabilità altaSicurezza altaScalabilità altaFlessibilità bassa


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Architettura file-server

Componenti:• interfaccia utente• gestione dati• computazione

Dati

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Architettura file-server

• Con postazioni client potenti (PC) il server offre solamente un repository centralizzato di dati

• Modello: dumb server / smart terminal

• Componenti logiche (interfaccia utente, gestione dei dati, computazione) – localizzate totalmente sul client

• Accesso a file remoti come file locali (S.O.)

• Problemi di sicurezza ed affidabilità

• Efficienza limitata: – computazione lato client, dati presenti sul server


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Architettura file-server: valutazione

Componente CaratteristicaServer HW PCClient HW PCsInterf. Utente Tastiera, alfanumericoGestione dei dati Flat files

ComputazioneBasic/DBASE

su clientCosto bassoAffidabilità bassaSicurezza bassaScalabilità bassaFlessibilità medio-alta

Componente CaratteristicaServer HW PCClient HW PCsInterf. Utente Tastiera, alfanumericoGestione dei dati Flat files

ComputazioneBasic/DBASE

su clientCosto bassoAffidabilità bassaSicurezza bassaScalabilità bassaFlessibilità medio-alta

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Architettura Client-Server

Componenti:• gestione dati• computazione

Componenti:• interfaccia utente• computazione


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Architettura client-server

• Modello: smart server / smart terminal

• Componenti logiche (interfaccia utente, gestione dei dati, computazione) – equamente divise tra client e server

• Basata sullo sviluppo DB relazionali– motore sul server

– query in SQL dal client

– facile programmazione (SQL)

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Architettura client-server: valutazione

Componente CaratteristicaServer HW PC, mini o mainframeClient HW PCsInterf. Utente GraficaGestione dei dati DB relazionali

ComputazioneC/Visual Basicsu client/server

Costo medio-bassoAffidabilità altaSicurezza altaScalabilità altaFlessibilità alta


ComputazioneC/Visual Basicsu client/server

Costo medio-bassoAffidabilità altaSicurezza altaScalabilità altaFlessibilità alta


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Client-Server basata su Web Server

Componenti:• gestione dati• computazione

Componenti:• interfaccia utente• computazione

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Client-Server three-tier

Componenti:• gestione dati

Componenti:• interfaccia utente

Componenti:• computazione

Middleware

Servers


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Client-server three-tier

• Un livello intermedio (middleware) che:– standardizza la interfaccia verso i server

• upgrade dei server influenzano solamente il middleware

• clients equipaggiati con un thin driver

• unico protocollo di comunicazione

– implementa la logica della applicazione verso i server

• Architettura spesso basata su Web:– middleware = server Web

– clients = browsers

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Client-server three-tier basata su Web

Componenti:• gestione dati• multimedia

Componenti:• interfaccia utente

Componenti:• computazione

Web server

ServersDati


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Architettura distribuite ( peer-to-peer)

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Architettura distribuita ( peer-to-peer)

• Ogni host è sia client che server:– obiettivo è porre computazione e dati nella locazione più

adatta sulla rete

• Per facilitare la gestione del sistema:– servizi di directory

• per facilitare la gestione/rilocazione di servizi

– rilocazione di programmi • agenti


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Architettura peer-to-peer: valutazione


ComputazioneVari linguaggi su

client/serverCosto medioAffidabilità altaSicurezza altaScalabilità altaFlessibilità alta


ComputazioneVari linguaggi su

client/serverCosto medioAffidabilità altaSicurezza altaScalabilità altaFlessibilità alta

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