tt

1. Крос-платформне програмування
Лекція 15
Архітектура та проектування
компонентних систем. Розподілена
архітектура компонентних систем
3 червня, 2015
Примітка: частину слайдів лекції підготовлено за
матеріалами курсу А.Н.Свістунова, ННГУ, ВМК, ИТЛаб,
ЛМСС

2. • Розподілена архітектура компонентних
систем
• Компонентно-орієнтоване проектування
• Формальні та візуальні методи
конструювання компонентів

3. Визначення
• Розподілена система - ряд з’єднаних централь-
них процесорів (ЦП, CPU), що працюють разом
• Розподілена система - ряд машин з нерозділе-
ною пам'яттю
• Розподілена система - система із просторово
розподіленими компонентами, які не викорис-
товують ніякої спільної пам'яті й не підлягають
децентралізованій адміністрації. Для реалізації
спільних цілей можлива кооперація компонентів
• Розподілена система - набір незалежних
комп'ютерів, що уявляється користувачами
єдиною об'єднаною системою [1]
– стосовно апаратури: всі машини автономні
– стосовно програмного забезпечення: користувачам
надається у користування єдина система

4. Визначення (2)
• Розподілена система - взаємопов'язаний набір
автономних комп'ютерів, процесів або
процесорів
– Вузли РС - комп'ютери, процеси або процесори
– Автономні - обладнані, принаймні, своїм власним
блоком керування. Отже паралельний комп'ютер з
одним потоком управління і декількома потоками
даних (SIMD) не підпадає під визначення РС
– Визначення включає програмні системи, побудовані
як набір взаємодіючих процесів
– Взаємопов'язані - вузли повинні мати можливість
обмінюватися інформацією
• Розподілена ІС – сукупність програмних компонен-
тів, що взаємодіють один з одним. Кожний з таких
компонентів може розглядатися як програмний
модуль (застосування), що виконується в рамках
окремого процесу

5. Фактори розвитку РС
• зростання продуктивності комп'ютерів при
зменшенні вартості обробки інформації
• розповсюдження швидких локальних мереж
• зростання швидкості роботи з Internet
• розвиток теорії і практики створення
програмних засобів розподілених БД та засобів
графічного інтерфейсу для них
• упровадження еталонної моделі взаємодії
відкритих систем OSI для реалізації стеків
протоколів реальних систем

6. Приклади розподілених систем
• Інтернет
– Гетерогенна мережа
комп'ютерів та
програм
– Реалізація взаємодії –
IP стек
• Intranet
– Адмініструється локально
– Забезпечує сервісами
(внутрішніх і зовніш-
ніх користувачів)
– Взаємодія з Інтернет
• Wireless Information
Devices
• Обчислювальні
кластери
© Pearson Education 2001
© Pearson Education 2001

7. 8
Chip
(2 processors)
17 watts
Compute Card
(2 chips, 2x1x1)
4 processors
Node Board
(32 chips, 4x4x2)
16 Compute Cards
64 processors
(64 racks, 64x32x32)
131,072 procsRack
(32 Node boards, 8x8x16)
2048 processors
2.8/5.6 GF/s
4 MB (cache)
5.6/11.2 GF/s
1 GB DDR
90/180 GF/s
16 GB DDR
2.9/5.7 TF/s
0.5 TB DDR
180/360 TF/s
32 TB DDR
IBM BlueGene/L #1 131,072 Cores Total of 33 systems in the Top500
BG/L 700 MHz 131K
proc
64 racks
Peak: 367 Tflop/s
Linpack: 281 Tflop/s
77% of peak
BlueGene/L Compute ASIC
Full system total of
131,072 processors
The compute node ASICs include all networking and processor functionality.
Each compute ASIC includes two 32-bit superscalar PowerPC 440 embedded
cores (note that L1 cache coherence is not maintained between these cores).
(13K sec about 3.6 hours; n=1.8M)
1.6 MWatts (1600 homes)
43,000 ops/s/person
Приклад багаторівневої архітектури

8. Приклади розподілених систем (2)
• Системи управління аеропортом
• Автомобільні управляючі системи
– Сучасний Mercedes S класу має
більше 50 автономних вбудованих
процесорів, з'єднаних більш ніж
однією мережею
• Складні мережі підприємств
• Мережеві файлові системи
• Телефонні системи
– Кожен телефон з'єднаний зі
своєю АТС, які утворюють
міську мережу АТС
– До кожної з АТС підключено
міжміську АТС, які утворюють
національні телефонні мережі
• WWW
• ...
© А.М.Астапкович, ГУАП, СПб, 2012
«Павутина» на
міжміському
рівні
До АТС можуть підклю-
чатися різні пристрої

9. Розподілені системи у масштабі
суспільства
Будівництво та використання
сенсорних мереж WSN CS162 ©UCB (Prof. J.Kubiatowicz)
MEMS для
WSN
• Мікропроцесори скрізь
• Розгалужена мережева
інфраструктура
• У мережі поширюється
функціональність
БД
Накопичення інформації
Зовнішнє сховище
Онлайн-ігри
Електронна комерція
...
Масштабовані,
надійні, безпечні
послуги
Всюдисущі мобільні
системи

10. Мотивація
• Обмін інформацією
• Поділ ресурсів
– Користувачі сумістно використовують дорогі ресурси ЕОМ
та дорогі периферійні пристрої
• Збільшення надійності завдяки реплікації
– Деякі вузли системи можуть вийти з ладу, інші
продовжуватимуть функціонувати і зможуть взяти на себе
завдання зіпсованих компонентів
• Збільшення продуктивності завдяки распаралелю-
ванню та балансуванню навантаження
– Напр., збільшення загальної пропускної спроможності
системи шляхом балансування навантаження її складових
• Спрощення розробки завдяки спеціалізації
– Система розбивається на модулі, кожен з яких відповідає за
частину функціональності і взаємодіє з іншими модулями

11. Централизована (одноланкова) архітектура
• Переваги
– користувачі сумістно викорис-
товують дорогі ресурси ЕОМ
та дорогі периферійні пристрої
– централізація ресурсів та
обладнання полегшує обслуго-
вування й експлуатацію
обчислювальної системи
– відсутня необхідність адмініст-
рування робочих місць корис-
тувачів
• Головний недолік
– користувачі повністю залежать
від адміністратора хост-ЕОМ
IBM System/360

12. Архітектура “файл-сервер”
• Функції сервера: зберігання даних
і коду програми
• Функції клєнта: обробка даних
• Переваги
– багатокористувацький режим
роботи з даними (<5-10 користув.)
– зручність централізованого
управління доступом
– низька вартість та висока
швидкість розробки
– невисока вартість оновлення та
зміни ПЗ
• Недоліки
– проблеми багатокористувацької роботи з даними
(забезпечення їх цілісності, несуперечливоісті)
– низька продуктивність та ненадійність системи
– погана можливість підключення нових клієнтів (збільшується
навантаження на мережу)

13. Архітектура “клієнт-сервер”
• Клієнт-сервер – обчислювальна
або мережева архітектура, в якій
завдання або мережеве наванта-
ження розподілені між поста-
чальниками послуг (сервісів) -
серверами - та замовниками
послуг - клієнтами
• Як визначити кордони між
функціоналом клієнта і сервера?
– Тонкий клієнт (thin client) – усі
або більша частина завдань з
обробки інформації переноситься
на сервер
– Товстий клієнт (rich client) – забезпечує розширену
функціональність незалежно від центрального сервера
• Можна виділити рівні користувацького інтерфейсу,
обробки та даних
– Дволанкова, триланкова, багатоланкова архітектури

14. Переваги та недолки архітектури
“клієнт-сервер”
• Переваги
– можливість розподілити функції обчислювальої системи
між декількома незалежними комп'ютерами в мережі
– всі дані зберігаються на сервері, який захищений
набагато краще більшості клієнтів, простіше забезпечити
контроль повноважень, щоб дозвляти доступ до даних
тільки клієнтам з відповідними правами доступу
– підтримка багатокористувацької роботи
– гарантія цілісності даних
• Недоліки
– непрацездатність сервера може зробити непрацездатною
усю обчислювальну мережу
– адміністрування системи вимагає кваліфікованого
професіонала
– висока вартість обладнання
– бізнес логіка застосувань залишилася в клієнтському ПЗ

15. Варіанти архітектури клієнт-сервер
• Триланкова архітектура - передбачає наявність
трьох компонентів: клієнтського застосування (т.з.
“тонким клієнт” або термінал), сервера застосувань,
до якого підключено клієнтську програму, та
сервера БД, з яким працює сервер застосувань
• Переваги
– Масштабованість, конфігурованість
– Висока безпека та надійність
– Низькі вимоги до швидкості
мережі та продуктивності
терміналу
• Недоліки
– Висока складність створення
застосувань, їх розгортання
та адміністрування
– Високі вимоги до продуктив-
ності серверів та мережі, що
їх з’єднує

16. Варіанти архітектури клієнт-сервер (2)
• Модель сервісу - одну послугу реалізує не
один, а декілька серверів
• Переваги
– Збільшується продуктивність
системи та її стійкість до збоїв
(зупинка одного з серверів не
є критичною)
– Дозволяє реалізувати різні
стратегії балансування навантаження між серверами
системи
• Недоліки
– Складніша реалізація у порівнянні з базовою
архітектурою
– Виникають проблеми з реплікацією оброблюваних
даних (підтримання на всіх серверах системи
актуальною копії даних) та підтримкою цілісності
розподілених даних

17. Варіанти архітектури клієнт-сервер (3)
• Проксі-сервер - служба (комплекс програм) у
комп'ютерних мережах, що дозволяє клієнтам
виконувати непрямі запити до інших мережних
служб
– Часто застосовується при роботі в Інтернет
• Переваги
– Можливі стратегії балансування навантаження (посередник
може вирішувати, на якій з серверів відправити запит)
– Економія трафіку за
рахунок підтримка кешу
останніх запитів
– Прискорює роботу
– Захист локальної
мережі від атак ззовні
– Анонімність при
підключенні до сайтів

18. Архітектура P2P
• Архітектура P2P (Peer to Peer) – мережа рівноправних
вузлів
– В чистій P2P не існує поняття клієнтів або серверів, лише
рівні вузли, які одночасно функціонують як клієнти та
сервери по відношенню до інших вузлів мережі
– Приклади: MPI, децентралізовані мережі обміну інформа-
цією та повідомленнями FidoNet, Usenet, Napster
• Переваги
– Зберігає працездатність
мережі при будь-якій
конфігурації її учасників
– Дозволяє організовувати
дуже витончені політики
розподілу навантаження
• Недоліки
– Проблеми масштабуван-
ня, надмірності та
відмовостійкості

19. Мобільні агенти
• Мобільний агент (Peer to Peer) – програмний модуль,
що надсилається клієнту та виконується на ньому
– Іноді певні задачі доцільно вирішувати на клієнті, оскільки
на ньому вже розташовані усі необхідні дані
– Приклад: веб-сторінка, що містить апплет
• Переваги
– Розвантаження сервера, зниження мережевого трафіку
• Недоліки
– Складність реалізації
механізму передачі
та виконання мобіль-
них агентів, а також
контролю безпеки

20. Проблеми
• Поширення застосувань
• Гетерогенність
• Відкритість
• Безпека
• Масштабованість
• Обробка помилок і відновлення після збоїв
• Паралелізм
• Прозорість
• Керованість

21. Поширення застосувань
• Фрагментація
– поділ програми на модулі для розповсюдження
• Конфігурація
– Зв'язок модулів один з одним (залежності)
• Розміщення
– Вивантаження модулів на цільову систему
– Розподіл обчислювальних модулів між вузлами
(статичний або динамічний)

22. Гетерогенність
• Гетерогенні системи - міститять цілий набір
незалежних комп'ютерів, з'єднаних
різноманітними мережами
• Різні
– мережеві інфраструктури
– апаратне та програмне забезпечення (напр.,
Intel&Motorolla, UNIX sockets & Winsock calls)
– мови програмування (і подання даних)
• Відмінності повинні бути приховані
• Інтерфейси і реалізація можуть бути різними
– Базові концепції зазвичай незмінні
• Необхідні стандарти

23. Гетерогенність. Як приховати відмінності?
• Middleware - проміжне ПЗ між платформою і
компонентами розподіленого застосування
– Дозволяє гетерогенним вузлам взаємодіяти
– Визначає однорідну обчислювальну модель
– Підтримує одну або декілька мов програмування
– Забезпечує підтримку розподілених застосувань
» Виклик віддалених об'єктів
» Віддалений виклик SQL
» Розподілена обробка транзакцій
• Приклади: CORBA, Java RMI, Microsoft DCOM

24. Гетерогенність. Як приховати відмінності? (2)
• Мобільний код - розроблений для міграції між
вузлами
– Необхідно долати апаратні відмінності (різні набори
інструкцій)
• Віртуальні машини
– Компілятор створює байт-код для VM
– VM реалізована для усіх аппаратних платформ та ОС
• Методи грубої сили
– Портуємо код під кожну платформу...

25. Відкритість
• Відкрита РС (open distributed system) – система,
яка пропонує стандартні засоби та служби
доступу до системи широкому колу
користувачів, що використовують стандартні
синтаксис і семантику усіх протоколів взаємодії
• Гарантує розширюваність
• Можливість повторного використання
• Важливі фактори
– Наявність чітких специфікацій
– Наявність повної документації
– Опубліковані інтерфейси
– Тестування і перевірка на багатьох платформах

26. Безпека
• Три компоненти
– Конфіденційність - забезпечення захисту від несанк-
ціонованого доступу в систему
– Цілісність - забезпечення цілісності і збереження даних
– Доступність - забезпечення захисту при паралельному
доступі до ресурсів
• Завдання: відправка важливої інформації по
мережі безпечно і ефективно
– Авторизація
– Криптографія - ніхто крім отримувача не має
прочитати дані
• Невирішені проблеми
– Атаки типу DoS (відмови в обслуговуванні)
– Безпека мобільного коду
» Непередбачені ефекти
» Може вести себе подібно троянському коню

27. Масштабованість
• РС масштабована, якщо вона залишається
ефективною при збільшенні кількості
користувачів або ресурсів, що обслуговуються
• Проблеми
– Контроль вартості ресурсів
– Контроль втрат продуктивності
• Вартість фізичних ресурсів
– Зростає, при збільшенні кількості користувачів
– Не повинна рости швидше, ніж O(n), де n - кількість
користувачів
• Втрати продуктивності
– Збільшуються з ростом розміру даних (і кількості
користувачів)
– Час пошуку не повинен рости швидше, ніж O(log n),
де n – розмір даних

28. Обробка збоїв
• Збої частіші, ніж у централізованих системах,
але зазвичай локальні
• Обробка збоїв включає
– Визначення факту збою (може бути неможливо) -
діагностика
» Може бути можлива (помилки передачі - контрольна
сума)
» Може бути неможлива (віддалений сервер не працює
або просто дуже завантажений)
– Маскування
» Багато збоїв можна приховати
» Може бути неможливим (усі диски пошкоджені)
» Не завжди добре
– Відновлення

29. Параллелизм
• Контроль паралелізму
– Звернення декількох потоків до ресурсу
» Правильне планування доступу у паралельних
потоках (усунення взаємовиключення, транзакції)
– Синхронізація (семафори)
» Безпечно, але знижує продуктивність
– Спільні ресурси повинні працювати коректно
в багатопотоковому середовищі

30. Прозорість (transparency)
• Прозорість - приховування гетерогенної і
розподіленої структури системи так, щоб
користувачеві система здавалася монолітною
– Доступу: доступ до локальних і віддалених ресурсів за
допомогою однакових викликів
– Розташування: доступ до ресурсів незалежно від їх
фізичного розташування
– Паралелізму: можливість декільком процесам паралельно
працювати з ресурсами, не впливаючи один на одного
– Реплікації: можливість декількох екземплярів одного ресурсу
використовуватися без знання фізичних особливостей
реплікації
– Обробки помилок: захист програмних компонентів від збоїв,
що відбулися в інших програмних компонентах. Відновлення
після збоїв
– Мобільності: можливість перенесення програми між
платформами без її переробки
– ...

31. Керованість
• Розподілені ресурси не мають центральної
точки керування
• Локальна оптимізація не завжди означає
глобальну оптимізацію
– Потрібен глобальний погляд на проблему
– Не завжди можливий (є системи, що нікому конкретно
не належать)

32. Висновки
• Розподілена система
– Автономні (але з'єднані середовищем передачі даних)
вузли
– Взаємодія за допомогою передачі повідомлень
• Багато прикладів того, що РС потрібні, і їх
потрібно вміти будувати
• РС існують і їх потрібно вміти розвивати і
підтримувати

33. Наслідки
• Паралельність
– Незалежні процеси (синхронізація)
– Необхідність поділу ресурсів (дані, сервіси, пристрої)
– Типові проблеми – дедлоки, ненадійні комунікації
(проблема звільнення ресурсів)
• Немає “глобального" часу​​
– Асинхронна передача повідомлень
– Обмежена точність синхронізації часу
• Немає стану системи
– Немає жодного процесу у розподіленій системі, який
би знав поточний глобальний стан системи
– Наслідок паралелізму та механізму передачі даних
• Збої

34. Збої
• Процеси виконують автономно, ізольовано
• Невдачі окремих процесів можуть залишитися
невиявленими
• Окремі процеси можуть не підозрювати про
загальносистемні збої
• Збої відбуваються частіше ніж в централізованій
системі
• З’являються нові причини збоїв (яких не було в
монолітних системах)
• Мережеві збої ізолюють процеси і
фрагментують систему

35. Література
• Таненбаум Э., М. ван Стеен.
Распределенные системы. Принципы и
парадигмы. – СПб: Питер. – 2003 г. –
880 c.
• Свистунов А.Н. Построение распределенных
систем на Java. - М.: ИНТУИТ-Бином,
2010. - 199 c. -
http://www.intuit.ru/studies/courses/633/489/
info

36. Дякую за увагу