3: Modelli Architetturali

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1 3: Modelli Architetturali Vittorio Scarano Algoritmi e Strutture Dati: Sistemi Distribuiti Corso di Laurea in Informatica Università degli Studi di Salerno 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 2 1

2 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 3 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 4 2

3 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 5 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 6 3

4 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 7 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 8 4

5 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!) 9 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 10 5

6 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. 11 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 12 6

7 Le opzioni offerte dalle reti Ricevere informazioni Permettere delle transazioni Affiliare: stabilire e mantenere gruppi 13 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 14 7

8 La legge di Sarnoff: aste online prima host per aste online Numero fissato di prodotti Numero variabile di utenti Totale del Valore ~ N 15 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 ~N 2 Classifieds.yahoo.com 16 8

9 La collaborazione su sistemi distribuiti: la legge di Reed 17 Un esempio della legge di Reed un mercato per aste online Ogni sottoinsieme di utenti può formare una asta Valore totale ~ 2 N Beanies Pez 18 9

10 Le leggi di crescita dei sistemi distribuiti Sarnoff Broadcast Metcalfe Network Reed Community Valore N N 2 2 N Esempi Wire service, OnSale , Classifieds AOL Chat, ebay Connessione N+M N 2 +M +M +2NM 2 N X2 X2 19 La combinazione delle leggi Valore aggiunto Valore Totale Valore totale = a N + b N 2 + c 2 N N a N + b N 2 + c 2 N a N + b N 2 a N Tipicamente a >> b >> c 20 10

11 Una conseguenza All aumentare della dimensione, si entra in nuovi mercati con nuove possibilità e nuove richieste di servizi per i sistemi distribuiti e r l o a V Miglior contenuto N Regioni di valore dominante Migliori Transazioni N 2 Migliori facilities per gruppi 2 N N 21 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 22 11

12 Modello Client Server Modello più comune Il Client effettua una client richiesta client request invocazione response Il server invia la risposta risultato server Un server può agire anche da client computer server 23 Variazioni al Client-Server service client client Servizi replicati server server server client client proxy server server Proxy server 24 12

13 Il modello Peer Process Tutti i processi hanno un ruolo simmetrico Riduce ritardo dovuto a colli di bottiglia sul server application coordination code application coordination code application coordination code 25 Oggetti mobili Tra i più comuni Applet server Gli applet vengono scaricati effettuano servizi localmente Agenti mobili hanno una propria politica di gestione, che seguono indipendentemente Problemi di sicurezza client applet applet 26 13

14 NOMAD Le applicazioni future Servizi implementati da diversi oggetti mobili service 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 client service depot service location service depot service depot federation 27 Un esempio di Spontaneous Network Internet Discovery service gateway Hotel wireless network Music service Alarm service Camera TV/PC Laptop PDA Guests devices 28 14

15 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 29 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 30 15

16 Una architettura di base Client Network Server Client utilizzata direttamente dall utente, genera la richiesta Server contiene le risorse da accedere (dati/programmi) Network assicura la connessione 31 Alcuni commenti Client/Server sono spesso ruoli dinamici all interno dello stesso sistema, possono scambiarsi i ruoli Esempi: Client Network una connessione telefonica/chat 1-to-1 concatenazione di sistemi client/server Server 32 16

17 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 33 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 34 17

18 Valutazione della interfacce utente Costo HW Addestr. Input Output Altro Terminali basso alto alto tastiera testo stupidi tastiera PC PC medio-alto basso grafico Standard SW e SW mouse tastiera X-terminals medio medio e mouse grafico Network tastiera medio basso Computers e mouse Standard SW grafico SW (con server) 35 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 36 18

19 Valutazione della gestione dei dati Indipendenza Condivisione Standard dei dei dati dei dei dati language Flat File No No No No No No Database relazionali Si Si Si Si SQL Database Obj. Orient. Si Si Si Si SQL-3 (?) (?) 37 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 38 19

20 Architetture tradizionali Modelli di computazione assestati Due architetture: architettura basata su mainframe anni architettura file-server anni 80 La architettura file-server ancora in uso 39 Architettura basata su mainframe Componenti: gestione dati computazione interfaccia utente 40 20

21 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) 41 Architettura a mainframe: valutazione Componente Server HW Client HW Interf. Utente Gestione dei dati Computazione Costo Affidabilità Sicurezza Scalabilità Flessibilità Caratteristica Mainframe/ minicomputer Terminali stupidi Tastiera, alfanumerico Flat files COBOL (non portabile) medio-alto alta alta alta bassa 42 21

22 Architettura file-server Dati Componenti: interfaccia utente gestione dati computazione 43 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 44 22

23 Architettura file-server: valutazione Componente Server HW Client HW Interf. Utente Gestione dei dati Computazione Costo Affidabilità Sicurezza Scalabilità Flessibilità Caratteristica PC PCs Tastiera, alfanumerico Flat files Basic/DBASE su su client basso bassa bassa bassa medio-alta 45 Architettura Client-Server Componenti: gestione dati computazione Componenti: interfaccia utente computazione 46 23

24 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) 47 Architettura client-server: valutazione Componente Server HW Client HW Interf. Utente Gestione dei dati Computazione Costo Affidabilità Sicurezza Scalabilità Flessibilità Caratteristica PC, mini o mainframe PCs Grafica DB relazionali C/Visual Basic su su client/server medio-basso alta alta alta alta 48 24

25 Client-Server basata su Web Server Componenti: gestione dati computazione Componenti: interfaccia utente computazione 49 Client-Server three-tier Middleware Servers Componenti: gestione dati Componenti: computazione Componenti: interfaccia utente 50 25

26 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 51 Client-server three-tier basata su Web Dati Web server Servers Componenti: gestione dati multimedia Componenti: computazione Componenti: interfaccia utente 52 26

27 Architettura distribuite (peer-to-peer) 53 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 54 27

28 Architettura peer-to-peer: valutazione Componente Server HW Client HW Interf. Utente Gestione dei dati Computazione Costo Affidabilità Sicurezza Scalabilità Flessibilità Caratteristica PC, mini o mainframe PCs Grafica DB relazionali Vari linguaggi su su client/server medio alta alta alta alta 55 28