Architetture. 1. Architetture tipiche. repository-based client server peer-to-peer. Gabriele Monfardini - Corso di Ingegneria del Software

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1 Architetture 1. Architetture tipiche repository-based client server peer-to-peer 1

2 1. Architetture tipiche Differiscono fra loro per il modo in cui: i dati vengono ripartiti le risorse e le funzionalità/responsabilità vengono distribuite i sottosistemi si interfacciano e comunicano fra loro il controllo viene organizzato. 2

3 1.1 Architettura basata su repository In generale, i sottosistemi possono condividere dati in due modi: Ciascun sottosistema mantiene un suo database, e passa dati esplicitamente agli altri I dati condivisi sono mantenuti in un database centrale, o repository accessibile a tutti L architettura a repository è conveniente quando devono essere condivise grandi quantità di dati Esempi: CAD, CASE tools 3

4 Esempio: architettura di un ambiente CASE (Computer Aided Software Engineering) Design editor Code generator Design translator Project repository Program editor Design analyser Report generator 4

5 Caratteristiche della architettura a repository Vantaggi Modo efficiente di condividere grandi moli di dati: write once for all to read Un sottosistema non si deve preoccupare di come i dati sono prodotti/usati da ogni altro sottosistema Gestione centralizzata di backup, security, access control, recovery da errori... Il modello di condivisione dati è pubblicato come repository schema ==> facile aggiungere nuovi sottosistemi Svantaggi I sottosistemi devono concordare su un modello dati di compromesso ==> minor performance Data evolution: la adozione di un nuovo modello dati è difficile e costosa: (a) esso deve venir applicato a tutto il repository, e (b) tutti i sottosistemi devono essere aggiornati Diversi sottosistemi possono avere diversi requisiti su backup, security Non supportati E difficile distribuire efficientemente il repository su piu macchine (continuando a vederlo come logicamente centralizzato): problemi di ridondanza e consistenza dati. 5

6 1.2 Architettura Client-server E una architettura distribuita dove dati ed elaborazione sono distribuiti su una rete di nodi di due tipi: I server sono processori potenti e dedicati: offrono servizi specifici come stampa, gestione di file system, compilazione, gestione traffico di rete, calcolo. I clienti sono PC o workstation sui quali girano le applicazioni-utente, che utilizzano i servizi dei server (tramite remote procedure calls). I Clienti devono conoscere i nomi e la natura dei Server; I Server non devono conoscere identità e numero dei Clienti. 6

7 Computers in rete locale c1 c2 c3, c4 CC1 CC2 CC3 s1, s2 Network s3, s4 SC2 SC1 Server computer c5, c6, c7 CC4 CC5 c8, c9 c10, c11, c12 CC6 Client computer 7

8 Client-server- Biblioteca elettronica di foto e film The client program is an integrated user-interface to the services Client 1 Client 2 Client 3 Client 4 Wide-bandwidth network Catalogue server Video server Picture server Hypertext server Catalogue Film clip files Digitiz ed photographs Hypertext web Providing links to other servers Transmit quickly, in synchrony, low resolution High resolution, no stringent timing requirements (complementary info) 8

9 Strati funzionali nell architettura C/S Presentation layer Presentazione dei risultati dell'elaborazione, raccolta input Application processing layer Funzionalità specifiche dell'applicazione (in un sistema bancario, ad es., apertura conti, gestione titoli ecc...) Data management layer Amministrazione dei dati/database Presentation layer Application processing layer Data management layer 9

10 Architettura one-tier E' una architettura client/server nella quale tutto gira su una singola macchina Dal momento che l'applicazione è centralizzata e funziona in un ambiente noto e circoscritto, è facile da manutenere, controllare ed è sicura riguardo all'accesso improprio ai dati Manca però di scalabilità, portabilità, flessibilità 10

11 Architettura two-tier E' una architettura client/server nella quale l'interfaccia utente gira sul client mentre il database ed i dati sono sul server. La logica dell'applicazione può essere elaborata sia sul client ( fat client ) che sul server ( thin client ). 11

12 Architettura two-tier: thin client e fat client Thin-client model Client Presentation Server Data management Application processing Fat-client model Client Presentation Application processing Server Data management 12

13 Architettura three-tier E' una architettura client/server con tre processi ben separati che vengono eseguiti su tre piattaforme diverse: 1. L'interfaccia utente che viene eseguita sul client 2. I moduli che realizzano l'elaborazione dei dati e le funzionalità specifiche dell'applicazione. Questo strato gira su una piattaforma che è spesso chiamata application server. 3. Il DBMS che mantiene i dati necessari all'application server. La piattaforma che implementa questo strato è spesso detta database server. L'architettura three-tier ha diversi vantaggi rispetto a quella one-tier o two-tier: Una maggiore modularità che rende più facile modificare i componenti di uno strato senza che vi siano influenze sugli altri Separare le funzioni rende più facile avere performance più elevate all'aumentare delle richieste 13

14 Three-tier architecture struttura ed esempio Presentation Server Server Client Application processing Data management Client HTTP interaction Client Web server Account service provision SQL query Database server SQL Customer account database Client Client 14

15 Caratteristiche dell'architettura client-server Vantaggi La distribuzione dei dati (quando c è) è ovvia Economico: permette di dimensionare l hardware a seconda del servizio supportato Facile aggiungere nuovi server, o aggiornare quelli presenti, senza toccare gli altri sottosistemi (server) Difficoltà I sottosistemi usano diversa rappresentazione e organizzazione dei dati. Lo scambio dati (quando serve ) puo essere inefficiente Management (backup, recovery ) ridondante in ciascun server Non c è un registro centrale di server e servizi: puo essere difficile individuare i servizi disponibili (in WAN piu che in LAN) 15

16 Uso delle architecture Architetture Sistemi Two tier Sistemi legacy nei quali separare la logica dai dati non è fattibile / economicamente conveniente Sistemi con un alto livello di computazione ma con pochi dati Sistemi orientati ai dati (navigazione o ricerche) ma poca computazione 16

17 Uso delle architecture Architetture Two-tier con fat clients Sistemi Applicazioni dove l'eleborazione, di solito piuttosto elevata, viene eseguita sul client (esempio visualizzazione di dati) Applicazioni con funzionalità lato utente sufficientemente stabili 17

18 Uso delle architecture Architetture Three tier Sistemi Applicazioni grandi con centinaia/migliaia di clienti Applicazioni che integrano ed elaborano informazioni provenienti da fonti diverse 18

19 Architettura peer-to-peer Una rete peer-to-peer (P2P) pura non ha il concetto di client e server ma soltanto di nodi paritetici che ad ogni istante funzionano come client e come server rispetto agli altri nodi della rete 19

20 Architectura peer-to-peer pura Non esistono server centrali che tengono traccia dei nodi e delle informazioni loro associate e che rispondono alle interrogazioni che li riguardano Non ci sono server centrali che controllino la rete 20

21 Architetture peer-to-peer ibride Esistono server centrali che tengono le informazioni sui nodi e rispondono alle interrogazioni su di essi I nodi tengono le risorse disponibili (mentre i server non hanno risorse) ed informano di tali risorse i server I nodi condividono le risorse fra loro 21

22 BitTorrent Sviluppato da Bram Cohen nel 2002 in Python Disponibile per Windows, MacOS e Linux Ha bisogno di un server, il tracker che tiene traccia dei client per poterli mettere in comunicazione Il tracker gestisce le risorse e può bannare clienti che non rispettino le regole Tracker pubblici/privati (a invito) 22

23 BitTorrent: file.torrent Il file originale è diviso in tante parti (frammenti o segmenti) di cui si calcola un codice hash con SHA1 Il numero dei frammenti e i codici hash necessari a garantire l'integrità dei dati sono contenuti nel file.torrent Tutti i client sono in grado di leggere e produrre file.torrent Il file.torrent contiene anche l'url del tracker in una apposita sezione announce 23

24 BitTorrent: come trovare il.torrent Il file.torrent è messo a disposizione da chi ha distribuito la prima copia del file Esistono motori di ricerca specifici che indicizzano solo file.torrent 24

25 BitTorrent: seeds e peers Seed: nodo che possiede il file e sta solo facendo upload (questa fase è detta seeding) Peer: nodo che non possiede ancora l'intero file e sta quindi facendo download e upload ossia funge contemporaneamente da client e da server. Uno dei vantaggi del protocollo BT è che l'upload inizia non appena il peer è in possesso di un frammento completo 25

26 BitTorrent: leechers Share ratio=upload/download Tanto più è alto, quanto più il comportamento è collaborativo I peer con share ratio molto basso o nullo sono detti leechers (sanguisughe) e sono penalizzati in vari modi (ad esempio essendo bannati da certi tracker, oppure venendo penalizzati nel download) 26

27 Seeders promotion problem Il protocollo è molto efficiente per i contenuti popolari ma non favorisce a sufficienza la disponibilità di contenuti più rari Dato che mantenere un seed per un contenuto poco richiesto comporta dei costi, la maggior parte dei contenuti rari diventa non disponibile poco dopo la sua pubblicazione Per contrastare il problema si usa il bundling ossia il mettere insieme più file simili nello stesso.torrent 27

28 Trackerless torrent e DHT Il tracker limita la resistenza del protocollo a guasti e attacchi in quanto è il single point of failure, l'anello debole della catena Nel 2005 alcuni client BT hanno cominciato ad offrire il supporto a torrent trackerless, senza server tracker Il meccanismo funziona implementando una Distributed Hash Table 28

29 DHT L'idea è quella di costituire un sistema distribuito che permetta di fare lookup di una chiave ottenendo un valore Le coppie (chiave,valore) sono distribuite tra i vari nodi secondo un algoritmo noto Il sistema è congegnato per scalare bene fino a numeri di nodi molto elevati (miliardi) e per avere la minima redistribuzione di chiavi in caso di scomparsa/comparsa di nodi 29

30 DHT Si inizia da uno spazio astratto (ad esempio le stringhe di 160 bit) Dato un filename con i dati ad esso relativi, tramite una hash function (ad esempio SHA1) si genera la chiave k lunga 160 bit del filename A questo punto l'operazione put(k,dati) porterà il nodo assegnatario della chiave k a memorizzare il contenuto e a rispondere alle seguenti operazioni di get(k) 30

31 DHT Il collegamento fra nodi è detto overlay network e le sue proprietà, dal punto di vista della teoria dei grafi, sono influenzate dal grado massimo di ogni nodo (il numero di collegamenti ad altri nodi) e quindi dal diametro della rete Come si scelgono i nodi a cui collegarsi e come vengono distribuite le chiavi dipende dall'implementazione, ma spesso si fa riferimento al concetto di hashing consistente 31

32 DHT L'hashing consistente stabilisce una funzione distanza fra l'id del nodo e la chiave, assegnando ciascuna chiave al nodo più vicino. Allo stesso tempo i nodi sono collegati ciascuno a quelli più vicini ad esso secondo la funzione distanza Quando un nodo scompare/riappare solo i vicini saranno influenzati, dovendo acquisire o cedere parte delle coppia chiave/valore 32

33 Peer exchanging (PEX) Con questo meccanismo ogni peer contatta i peer noti per venire a conoscenza di altri peer Quindi questo consente di non avere tracker fintanto che si possa contattare uno o più peer iniziale da cui poi ottenere liste di peer 33

34 BitTorrent: traffico e throttling Il traffico generato da BT è una percentuale non indifferente della banda totale consumata (~20-40% secondo studi di diversi anni fa) Per questo motivo alcuni ISP hanno deciso di limitare la banda concessa al p2p per non penalizzare il resto del traffico (throttling), utilizzando algoritmi di traffic shaping e alimentando polemiche relative alla cosiddetta Net Neutrality 34

35 Contromisure al throttling MSE/PE: algoritmo di criptazione del traffico Alcuni algoritmi avanzati di traffic analysis sono in grado di capire il tipo di traffico usando tecniche statistiche (anche se non il contenuto inviato) 35