Sisteme distribuite

• Continutul capitolului:– Stiluri arhitecturale pentru aplicatii distribuite– Tipare utilizate in realizarea infrastructurii pentru

sisteme distribuite:• Client-Dispatcher-Server• Forwarder-Receiver• Remote Proxy• Broker

– Exemple de tehnologii de middleware care implementeaza tiparul Broker: Java RMI, CORBA, .NET Remoting

Arhitecturi de aplicatii distribuite• Client-Server:

– Servicii distribuite, furnizate de Servere, care sunt utilizate de Clienti– Clientii sunt diferiti de Servere– Exemplu: Biblioteca online de multimedia

• N-Tiers:– Combinatie intre Layered si Client-Server– Cazul tipic: 3-Tiers: – Exemplu: Internet banking

• Peer-to-Peer:– Toti participantii sunt egali– Fiecare Peer furnizeaza unele servicii si utilizeaza alte servicii– Variante: p2p semicentralizat– Exemplu: Sistem de peer to peer filesharing

Exemplu Client-Server

Catalogueserver

Librarycatalogue

Videoserver

Film clipfiles

Pictureserver

Digitisedphotographs

Web server

Film andphoto info.

Client 1 Client 2 Client 3 Client 4

Internet

[Sommerville]

Exemplu 3-Tiers

Database server

Customeraccountdatabase

Web serverClient

Client

Account serviceprovision

SQLSQL query

HTTP interaction

Client

Client

[Sommerville]

Presentation Layer

Application Processing Layer

Data Management Layer

Suport pentru aplicatii distribuite• Middleware:

– Infrastructura care suporta realizarea aplicatiilor distribuite

– De obicei realizata de software “off-the-shelf”

– Incercari de standardizare: CORBA

[POSA2]

Rolul middleware

• Calitati dorite ale sistemelor distribuite:– Separation of concerns: logica aplicatiei sa fie separata de aspectele

legate de realizarea comunicatiei la distanta => “cineva” trebuie sa rezolve stabilirea canalului de comunicatie si eventualele transformari ale formatului datelor

– Location independence: interactiunile client-server sa se desfasoare la fel, independent de locatia serverului => “cineva” trebuie sa rezolve localizarea serverului

– Location transparence: interactiunea unui client cu un server la distanta sa aiba loc in mod similar cu un server local => “cineva” trebuie sa rezolve aducerea unei referinte la un obiect aflat la distanta

• Tipare arhitecturale pentru sisteme distribuite:– Broker– Utilizeaza si integreaza tiparele:

• Forwarder-Receiver• Client-Dispatcher-Server• Remote Proxy

Client-Dispatcher-Server

Tiparul Client-Dispatcher-Server introduce o componenta intermediara = Dispatcher intre componentele clienti si servere. Rolul unui Dispatcher este de a realiza transparenta locatiei serverelor prin intermediul unui Naming Service si de a ascunde detaliile stabilirii legaturii (la distanta) intre clienti si servere.

• Exemplu: Sistemul “Achilles” de regasire a informatiilor stiintifice– Furnizorii de informatii sunt atat locali cat si la distanta– Accesarea unui furnizor de informatii se face specificand locatia

acestuia si serviciul solicitat: • de exemplu: Client trimite la serverul

“NASA/HUBBLE_TELESCOPE”, un mesaj cu continutul “HUBBLE_DOC_RECEIVE, ANDROMEDA.JPG”

Exemplu Client-Dispatcher-Server

[POSA]-Fig/P.323

• Clientul nu trebuie sa cunoasca locatia serverelor pe care le foloseste

– Dispatcher: furnizeaza un Naming Service

• Codul care implementeaza functionalitatea clientului trebuie sa fie separat de codul care realizeaza conexiunea cu serverul

– Dispatcher: realizeaza stabilirea legaturii de comunicatie intre Client si Server

Structura Client-Dispatcher-Server

[POSA]-Fig/P. 325

Structura Client-Dispatcher-Server

[POSA]-Fig/P. 326

Scenariu Client-Dispatcher-Server

[POSA]-Fig/P.327

Pasi de definire a unei arhitecturi Client-Dispatcher-Server

• Separarea componentelor in clienti si servere• Stabilirea mecanismelor de comunicare necesare

– In functie de “distanta” intre clienti si servere: • In acelasi spatiu de nume• Pe aceeasi masina• In retea

• Specificarea protocoalelor de interactiune intre componente: – Protocol: specifica

• o secventa ordonata de activitati necesare pentru initializarea si pastrarea canalului de comunicatie

• Structura mesajelor/datelor care se pot transmite– CDProtocol – DSProtocol– CSProtocol

• Numirea serverelor • Proiectarea si implementarea Dispatcher

– Implementarea protocoalelor de interactiune– Gestiunea canalelor de comunicatie daca reprezinta o resursa limitata (de ex –

numarul de socket-uri ce se pot deschide)– Performanta: N Clienti, N Servere, 1 Dispatcher ! => multithreading in

implementarea Dispatcher• Implementarea Clientilor si Serverelor

Varianta: Client-Dispatcher-Service

• Clientii adreseaza Servicii si nu Servere• Dispatcher-ul gaseste in repository-ul sau un server care furnizeaza

respectivul serviciu (Pot fi mai multe servere care furnizeaza acel serviciu)

• Exemplu: urmatorul exemplu simplu ilustreaza realizarea unui asemenea Naming Service, pentru un sistem simplificat in care Dispatcher, Clientii si Services ruleaza toti in acelasi spatiu de nume

• Cod complet -> vezi ClientDispatcherServer.jsl

Exemplu: Implementare Dispatcher

class Dispatcher {Hashtable registry = new Hashtable();Random rnd = new Random(12345);

public void register(String svc, Service obj) {Vector v = (Vector)registry.get(svc);if (v == null) {

v = new Vector();registry.put(svc, v);

}v.addElement(obj);

}public Service locate(String svc) throws NotFound {

Vector v = (Vector)registry.get(svc);if (v == null) throw new NotFound();if (v.size() == 0) throw new NotFound();int i = rnd.nextInt() % v.size();return (Service)v.elementAt(i);

}}

Exemplu: Implementare Service

abstract class Service {String nameOfService;String nameOfServer;public Service(String svc, String srv) {

nameOfService = svc;nameOfServer = srv;CDS.disp.register(nameOfService, this);

}abstract public void service();

}

class PrintService extends Service {public PrintService(String svc, String srv) {

super(svc, srv);}public void service() {

System.out.println("Service " + nameOfService + " by " + nameOfServer);}

}

Presupune cazul particular in care D-S sunt in acelasi spatiu de nume, caz in care D poate fi realizat de un Singleton.

Altfel protocolul S-D este mai complicat de implementat (D va trebui sa existe ca serviciu care ruleaza la o adresa prestabilita si cunoscuta de toate partile)

Exemplu: Implementare Client

class Client { public void doTask() {

Service s;try {

s = CDS.disp.locate("printSvc");s.service();

} catch (NotFound n) {System.out.println("Service not available");

}try {

s = CDS.disp.locate("printSvc");s.service();

} catch (NotFound n) {System.out.println("Service not available");

}try {

s = CDS.disp.locate("drawSvc");s.service();

} catch (NotFound n) {System.out.println("Service not available");

} }}

Presupune cazul particular in care C-D sunt in acelasi spatiu de nume, caz in care D poate fi realizat de un Singleton.

Presupune cazul particular in care C-S ruleaza in acelasi spatiu de nume

Exemplu:Inregistrare servicii, client

public class CDS{

public static Dispatcher disp = new Dispatcher();public static void main(String[] args){

Service s1 = new PrintService("printSvc", "srv1");Service s2 = new PrintService("printSvc", "srv2");Client client = new Client();client.doTask();

}}

Proprietati ale tiparului Client-Dispatcher-Server

• Avantaje:– Exchangeability of servers– Location and migration transparency– Re-configuration– Fault-tolerance

• Atentionari:– Lower efficiency: performanta este determinata de overhead-ul

introdus de dispatcher (1 singur Dispatcher la N Clienti si M Servere)

• Localizarea serverelor• Inregistrarea serverelor• Stabilirea conexiunilor

– Nu incapsuleaza detaliile infrastructurii de comunicatie (vezi pe diagrama de colaborari cate operatii diferite traverseaza limitele proceselor !) => e nevoie de alt pattern mai bun din acest punct de vedere: Forwarder-Receiver

Forwarder-Receiver

Tiparul Forwarder-Receiver realizeaza transparenta comunicatiilor inter-procese pentru sisteme care interactioneaza dupa un model peer-to-peer. Tiparul introduce elementele Forwarder si Receiver pentru a decupla functionalitatea fiecarui peer de mecanismul de comunicare utilizat.

Peer1 Peer2

How are you ?

I am alive !

Exemplu Forwarder-Receiver

class Peer1 extends Thread {Receiver r;Forwarder f;public void run() {

f = new Forwarder("Peer1");Message msg = new Message

("Peer1", "How are you");

f.sendMsg("Peer2", msg);

Message result = null;r = new Receiver("Peer1");result = r.receiveMsg();System.out.println("Peer1

receptionat mesaj " + result.data + " de la " + result.sender);}

}

class Peer2 extends Thread {Receiver r;Forwarder f;public void run() {

Message result = null;r = new Receiver("Peer2");result = r.receiveMsg();System.out.println("Peer2

receptionat mesaj "+result.data+" de la "+result.sender);

f = new Forwarder("Peer2");Message msg = new Message

("Peer2", "I am alive");

f.sendMsg(result.sender, msg);}

}

Problema:• Un Peer nu trebuie sa cunoasca mecanismul de comunicare intre procese utilizat la

baza• Solutia trebuie sa permita schimbarea mecanismului de comunicare, fara a afecta

functionalitatea Peers• Fiecare Peer cunoaste doar numele altui Peer cu care comunica

Structura Forwarder Receiver

[POSA]-Fig/P.310

Structura Forwarder-Receiver

[POSA]-Fig/P.311

Scenariu Forwarder-Receiver

[POSA]-Fig/P.312

Exemplu implementare

Peer1 Peer2

deliver ( marshal ( How are you ) unmarshal ) receive

Registry

F

R

R

F

Config.db“Peer1”: adresa …“Peer2”: adresa …

receive ( unmarshal ( I am alive ) marshal ) deliver

Pasi implementare tipar Forwarder-Receiver

• Specificarea maparii nume – adrese• Specificarea protocolului de comunicatie intre

peers si intre Peers si Forwarders/Receivers: sendMsg, receiveMsg

• Alegerea mecanismului de comunicatie• Implementare Forwarder: deliver, marshal• Implementare Receiver: receive, unmarshal• Implementare Peers• Implementare configuratie de start

Pas1: Specificarea maparii nume-adrese

class Entry {private String destinationId;private int portNr;public Entry(String theDest, int thePort) {

destinationId = theDest;portNr = thePort;

}public String dest() {

return destinationId;}public int port() {

return portNr;}

}

theKey: numele sub care este cunoscut serviciul ( de exemplu Peer1, Peer2)

theDest, thePort: adresa IP+nr port

public class Registry{

private Hashtable hTable = new Hashtable(); private static Registry _instance=null; private Registry(){} public static Registry instance() { if (_instance==null) _instance=new Registry(); return _instance; }

public void put(String theKey, Entry theEntry) {hTable.put(theKey, theEntry);

}public Entry get(String aKey) {

return (Entry)hTable.get(aKey);}

}

Pas2: Specificarea protocolului de comunicatie pentru Peers

class Message{

public String sender;public String data;public Message(String theSender, String rawData){

sender = theSender;data = rawData;

}}

class Forwarder{…public void sendMsg(String theDest,

Message theMsg){

deliver(theDest, marshal(theMsg));}

}

class Receiver{…public Message receiveMsg()

{return unmarshal(receive());

}}

Pas3: Alegerea protocolului de comunicatie

class Forwarder { private Socket s; private OutputStream oStr;

… private void deliver(String theDest, byte[] data) { try {

Entry entry = Registry.instance().get(theDest);if (entry == null) { System.out.println(“Dest unknown"); return; }s = new Socket(entry.dest(), entry.port());oStr = s.getOutputStream();oStr.write(data);oStr.flush();oStr.close();} catch (IOException e) {

System.out.println("IOE forwarder"); } }

}…}

class Receiver { private ServerSocket srvS; private Socket s; private InputStream iStr;

… private byte[] receive() {

int val;byte buffer[] = null;try { Entry entry = Registry.instance().get(myName); srvS = new ServerSocket(entry.port(), 1000); s = srvS.accept(); iStr = s.getInputStream(); val=iStr.read(); buffer=new byte[val]; iStr.read(buffer); iStr.close(); s.close(); srvS.close(); } catch (IOException e) {

System.out.println("IOE receiver"); } return buffer;}

…}

Pas4: Implementare Forwarder/Receiver class Forwarder { …

private byte[] marshal(Message theMsg) {String m = " "+theMsg.sender + ":" + theMsg.data;byte b[]=new byte[ m.get_Length()];b = m.getBytes();b[0]=(byte)m.get_Length();return b;

}…}

class Receiver { … private Message unmarshal(byte[] anArray) {

String msg=new String(anArray);String sender = msg.substring(1, msg.IndexOf(':'));String m = msg.substring(msg.IndexOf(':')+1, msg.get_Length());return new Message(sender, m);

} …}

Pas 5: Realizare configuratie de start

class Configuration {public Configuration(){ Entry entry=new Entry("127.0.0.1", 1111); Registry.instance().put("Peer2", entry); entry=new Entry("127.0.0.1", 2222); Registry.instance().put("Peer1", entry);

}}

public class P1 {public static void main(String args[]) {

new Configuration();Peer1 p1=new Peer1();p1.start();}

}

public class P2 {public static void main(String args[]) {

new Configuration();Peer2 p2=new Peer2();p2.start();}

}

Adresele date ca exemplu reprezinta cazul particular in care componentele comunicante sunt pe acelasi calculator – localhost – identificat prin adresa IP de loopback 127.0.0.1

Proprietati ale tiparului Forwarder-Receiver

• Avantaje:– Comunicare eficienta inter-procese– Incapsulare a facilitatilor de comunicare inter-

procese

• Atentionari:– Nu suporta reconfigurarea flexibila a

componentelor => combinatie cu dispatcher

Remote Proxy

Tiparul Proxy permite clientilor unei componente sa comunice cu un “reprezentant” al acesteia, in loc de a comunica cu originalul.

Remote Proxy: permite clientilor unei componente la distanta sa un acces transparent la aceasta, ascunzand clientilor aspectele ce tin de adresarea si comunicarea la distanta

Structura generala Proxy

[POSA]-Fig/P.

Scenariul general Proxy

marshal, deliver

unmarshal, receive

Remote Proxy: pre si postprocesarea este facuta in combinatie cu tiparul Forwarder-Receiver

[POSA]-Fig/P.

Broker

Tiparul Broker structureaza sisteme distribuite constand din componente decuplate care interactioneaza prin invocarea de servicii la distanta. Broker-ul realizeaza coordonarea comunicarii si ascunderea detaliilor comunicarii fata de

componentele implicate.

Invoke foo on

Object X

Invoke bar on

Object Yfoo bar

Object X Object Y

Server1 Server2Client1 Client2

Broker

Broker vs Forwarder-Receiver

• Ambele tipare realizeaza coordonarea comunicarii si ascunderea detaliilor comunicarii fata de componentele implicate

• Forwarder-Receiver: comunicarea are loc prin mesaje al caror format este stabilit si cunoscut de componentele Peer care participa

• Broker: componentele interactioneaza prin invocare de servicii la distanta (invocare de operatii exportate de o interfata), in mod transparent fata de locatia componentelor.– Realizarea tiparului Broker presupune integrarea unui tipar Remote

Proxy cu tiparul Forwarder-Receiver

[POSA]-Fig/P. 103-105

Broker

[POSA]-Fig/P.107

Serverul se inregistreaza la Broker

[POSA]-Fig/P.108

Brokerul rezolva o cerere Client-Server

[POSA]-Fig/P.109

Variante de Broker

• Indirect Broker: – realizeaza o comunicatie indirecta intre client si server: orice

comunicatie intre client si server este transmisa prin intermediul Broker-ului

– Corespunde cu varianta prezentata in scenariul general din diagrama de colaborari anterioara

• Direct Broker:– Clientul poate comunica direct cu Server-ul, dupa ce conexiunea

a fost realizata prin intermediul Broker => creste eficienta comunicatiei

– Operatiile descrise in diagrama anterioara raman valabile ca principiu si secventa dar sunt rearondate intre Proxy-uri si Broker: Proxy-urile vor prelua operatiile forward_request si forward_response de la Broker

Interactiunea intre diferiti Brokeri

[POSA]-Fig/P.110

Implementari de referinta ale arhitecturii Broker

Middleware care implementeaza tiparul Broker: – CORBA: Common Object Request Broker

Architecture. Arhitectura de referinta elaborata de OMG (Object Management Group)

• Diverse implementari, comerciale sau open

– RMI: Java Remote Method Invocation - Sun– .NET Remoting - Microsoft

Arhitectura RMI

Client Remote Interface

Remote Object

Stub(ClientSide Proxy)

Skeleton(ServerSide Proxy)

Remote Reference Layer

TransportLayer

uses implements

implementsServer

Arhitectura CORBA

ClientRemote Interface

IDL

Remote Object

IDL Stub(ClientSide

Proxy)

IDL Skeleton(ServerSide

Proxy)

ORB (Object Request Broker)

Server

DynamicInvocationInterface

ObjectAdapter

InterfaceRepository

ImplemRepository

ORB Interface

.NET Remoting Architecture

Client Remote Interface

Remote Object

TransparentProxyRealProxy

Remoting system Remoting system

Server

Channel