Architetture dei sistemi distribuiti

Architetture multiprocessore Architetture client server Sommario Architetture multiprocessore Architetture client server Architetture a oggetti distribuiti Calcolo interoganizzativo

Sistemi distribuiti Sistemi in cui l’elaborazione delle informazioni è distribuita su diversi computer

Condivisione delle risorse Apertura Simultaneità Scalabilità Vantaggi Condivisione delle risorse Apertura Simultaneità Scalabilità Fault tolerance

Svantaggi Complessità Protezione Gestibilità Non prevedibilità

Architetture multiprocessore Il software consiste in una serie di processi che possono essere eseguiti su processori separati Tipico nei sistemi real time: Sistemi che raccolgono le informazioni in base alle quali prendono decisioni e inviano segnali agli attuatori che modificano l’ambiente del sistema I processi possono essere eseguiti su un unico processore sotto il controllo di uno scheduler L’uso di processori multipli ( non obbligatorio) migliora le prestazioni del sistema La ripartizione dei processi è determinata da un dispatcher Es. sistema di controllo del traffico I sistemi composti da processi multipli non sono necessariamente dei sistemi distribuiti

Tipi di architetture di sistema Client server: Il sistema può essere considerato come un insieme di servizi forniti ai client che ne fanno uso A oggetti distribuiti Il sistema è un insieme di oggetti interagenti in cui non c’è distinzione tra fornitore e utente di servizi Peer-to-peer: utilizzate principalmente per sistemi personali A servizi distribuiti

middleware “software di mezzo” Un sistema distribuito necessita di un software che gestisca le diverse componenti di un sistema distribuito Le diverse componenti possono essere implementate in linguaggi di programmazione diversi ed eseguiti su differenti tipi di processore Il middleware deve gestire la comunicazione e lo scambio di dati tra le diverse componenti

Architetture client server Un’applicazione viene modellata come un insieme di servizi forniti da un server e un insieme di client che li utilizza Client, server identificano i processi logici (possono essere utilizzati per individare i processori su cui i processi sono eseguiti) Client: devono conoscere i server disponibili Non sanno dell’esistenza di altri client Server: Diversi processi server possono essere eseguiti su un singolo processore server

Struttura logica dell’applicazione Un’applicazione è strutturata in 3 strati : Presentazione: Rappresentazione dei dati e interazioni con l’utente Elaborazione applicativa: Implementa la logica dell’applicazione Gestione dei dati: Esegue tutte le operazioni sul database

Architettura client server e struttura logica dell’applicazione Se si sta progettando un sistema distribuito ogni strato dell’applicazione dovrebbe essere distribuito su un computer diverso

Architetture client server A due livelli Thin-client Fat-client A tre livelli A livelli multipli

Architettura two-tier È un’applicazione organizzata in un server (o diversi server identici) e un insieme di client

Il client si occupa soltanto di eseguire il software di presentazione Thin client Tutte le elaborazioni applicative e la gestione dei dati sono gestite dal server Il client si occupa soltanto di eseguire il software di presentazione Esempio un sistema centralizzato ereditato L’interfaccia viene migrata verso PC, l’applicazione funge da server e gestisce tutte le elaborazioni applicative e le gestioni dei dati I client sono semplici dispositivi di rete (anziché dei pc), il dispositivo usa un browser internet e l’interfaccia è implementata tramite tale sistema

Svantaggi del thin client Pesante carico di lavoro sul server e sulla rete La potenza di elaborazione dei dispositivi client viene sprecata

Client: Server: Esempio elaborazione della logica dell’applicazione Fat client Client: elaborazione della logica dell’applicazione Presentazione Server: È un server di transazione che gestisce le transazioni al database Esempio Bancomat, lo sportello è il client, il server è un mainframe che gestisce il database dei conti dei clienti, l’hardware dello sportello esegue molte delle elaborazioni relative al cliente associate a una transazione, lo sportello non si connette direttamente al database ma a un monitor di telelaborazione , un middleware che organizza le comunicazioni con i client e serializza le transazioni

Svantaggi del fat client La gestione del sistema è più complessa: Le funzionalità dell’applicazione sono divise su diversi computer Quando deve essere modificato il software è necessario reinstallare su ogni computer client Costi notevoli

Svantaggi del two-tier Gli strati logici sono mappati su due soli sistemi Problemi di scalabilità e prestazioni ( nel thin client) Problemi di gestione del sistema ( nel fat client

Architettura three-tier La presentazione, l’elaborazione applicativa e la gestione dei dati sono processi logicamente separati ed eseguiti su processori diversi Esempio Un sistema di internet banking: il database dei clienti, mainframe fornisce i servizi di gestione dei dati, un server web fornisce i servizi applicativi estratti conto, invio di pagamenti, ecc, il computer dell’utente, dotato di un browser internet è il client

Vantaggi dell’architettura three-tier Ottimizzazione del trasferimento delle informazioni tra il server web e il server database: è possibile usare un protocollo veloce di basso livello Utilizzo di un middleware efficiente per recuperare le informazioni dal database

Architettura multi-tier Il modello three-tier può essere esteso ad un modello multi-tier in cui sono presenti server aggiuntivi: Usato quando le applicazioni devono accedere e utilizzare dati di database diversi Tra il server applicativo e i server database si posiziona un server di integrazione che raccoglie i dati distribuiti e li invia all’applicazione come se provenissero da un unico database

Maggiore scalabilità: 3-multitier vs 2-tier Maggiore scalabilità: le architetture 3 e multi tier distribuiscono l’elaborazione applicativa su diversi server: sono più scalabili delle architetture a due livelli Minor traffico di rete rispetto alle thin-client Facilità nell’aggiornamento della parte applicativa (essendo posizionata centralmente) Risposta più rapida alle richieste dell’utente (essendo l’elaborazione distribuita sui server applicativo e database)

Uso delle diverse applicazioni client server Due livelli thin-client: Sistemi ereditati in cui non è attuabile la separazione tra l’elaborazione applicativa e la gestione dei dati Applicazioni di calcolo intensivo ( es. compilatori) con minima gestione dati Applicazioni dati intensivi con elaborazione applicativa inesistente Due livelli fat-client Elaborazione applicativa fornita da software off-the shelf( es. foglio di calcolo) Elaborazione di calcolo intensivo di dati ( es. visualizzazione) Funzionalità end-user stabili e realizzare in un ambiente con gestione del sistema ben salda Tre o multi livelli Applicazioni su vasta scala con centinaia o migliaia di client Dati e applicazioni volatili Dati integrati da sorgenti multipli

Limiti del modello client server Scarsa flessibilità del progetto: Occorre decidere dove bisogna fornire i servizi Progettare la scalabilità Fornire mezzi per distribuire il carico tra diversi server in caso di aggiunta di nuovi client

Architetture a oggetti distribuiti I componenti fondamentali sono oggetti che dotano di un’interfaccia un insieme di servizi da essi forniti Altri oggetti richiamano questi servizi Non vi è distinzione logica tra client e server Gli oggetti possono essere distribuiti su diversi computer di una rete e comunicare attraverso un middleware che fornisce un’interfaccia trasparente tra gli oggetti, Object Request Broker, ORB Un insieme di servizi permette agli oggetti di comunicare e di essere aggiunti e rimossi dal sistema

Ritardare le decisioni su dove e come collocare i servizi Vantaggi del modello Ritardare le decisioni su dove e come collocare i servizi architettura molto aperta Flessibile Scalabile È possibile riconfigurare il sistema dinamicamente attraverso la migrazione di oggetti sulla rete

Esempio Un’applicazione di vendita al dettaglio può essere strutturata secondo approcci differenti: usando un modello logico di architettura ad oggetti distribuiti: Le funzionalità del sistema sono fornite in termini di servizi o combinazione di servizi (es. controllo delle scorte, dell’ordine, delle merci ecc.) Forniti usando una serie di oggetti distribuiti, oggetti business forniscono servizi specifici del dominio, domain specific Tale modello logico può essere realizzato come modello di implementazione Usando un approccio ad oggetti distribuiti per implementare un sistema client server: Il modello logico è un modello client server ma sia client che server sono realizzati come oggetti distribuiti che comunicano attraverso un software bus Il sistema è facilmente modificabile, es passare da un’architettura two tier ad una three tier Il server o i client possono essere implementati come singolo oggetto distribuito ma essere composti da oggetti più piccoli che forniscono specifici servizi

Sistemi in cui le architetture ad oggetti distribuiti sono indicate: Altri esempi Sistemi in cui le architetture ad oggetti distribuiti sono indicate: Sistemi data mining catena di negozi al dettaglio con vendita di generi alimentari e di arredamento che vuole cercare relazioni tra gli acquisti: Ogni database può essere incapsulato in un oggetto distribuito con un’interfaccia che fornisce accesso di sola lettura ai prpri dati

oggetti distribuiti vs client server Le architetture a oggetti distribuiti sono più complesse da progettare I sistemi client server riflettono il modo naturale di pensare ai sistemi, Riproducono molte transazioni umane in cui gli utenti richiedono e ricevono servizi da altri utenti specializzati in tali servizi

Implementazione di un’architettura a oggetti distribuiti Richiede un middleware per gestire la comunicazione tra gli oggetti distribuiti il middleware è detto Object Request Broker (ORB) Gli oggetti possono essere implementati utilizzando linguaggi di programmazione diversi, eseguiti su piattaforme diverse e non aver bisogno di conoscere tutti i nomi degli altri oggetti del sistema

È richiesto a due livelli: Comunicazione logica: Il middleware Il middleware deve garantire la comunicazione trasparente tra gli oggetti: È richiesto a due livelli: Comunicazione logica: fornisce funzionalità che permettono agli oggetti su computer diversi di scambiarsi dati e controllare le informazioni Standard sviluppati sono CORBA, COM per facilitare la comunicazione tra oggetti su piattaforme diverse Componenti: Il middleware fornisce una base per lo sviluppo di componenti compatibili Standard come EJB, CORBA, ActiveX forniscono una base per l’implementazione di componenti con metodi standard che possono essere interrogati e utilizzati da altri componenti

Calcolo distribuito inter-organizzativo Un’organizzazione ha un insieme di server sui quali distribuire il carico i server sono tutti collocati nella stessa organizzazione Possono essere applicati standard e processi operativi interni I client hanno il limitato compito dell’esecuzione dell’interfaccia utente (per i sistemi web-based) Nuovi modelli di calcolo distribuito Peer-to-peer (p2p) Basato sull’esecuzione del calcolo da parte di nodi di rete individuali orientato ai servizi Basato su standard per lo scambio di dati

Architetture peer-to-peer Sono sistemi decentralizzati dove i calcoli possono essere eseguiti da ogni nodo della rete e non ci sono distinzioni tra client e server. Il sistema generale viene progettato per trarre vantaggio dalla potenza di calcolo e della memoria disponibile su una vasta rete di computer

Applicazioni del peer-to-peer usate per lo più per: sistemi personali Condivisione di file, sistemi di messaggeria istantanea Fornire comunicazione diretta tra utenti senza utilizzare un server intermedio

Prospettive sul p2p L’architettura logica della rete è l’architettura di distribuzione del sistema L’architettura dell’applicazione è l’organizzazione generica dei componenti all’interno di ogni tipo di applicazione

Architettura logica del p2p Architetture decentralizzate Semi-centralizzate

Architettura decentralizzata Ogni nodo della rete può essere a conoscenza di ogni altro nodo e può connettersi ad esso per scambiare dati Nella pratica, però, i nodi vengono organizzati in “località” con alcuni nodi che fungono da ponte ad altre località I nodi della rete non sono solo elementi funzionanti, ma anche commutatori di comunicazione che indirizzano i dati e i segnali di controllo da un nodo all’altro

Ridondanza Overhead del sistema: Vantaggi/svantaggi Ridondanza Tolleranza agli errori e ai nodi che si disconnettono dalla rete Overhead del sistema: La stessa ricerca può essere elaborata da diversi nodi con aumento della comunicazione tra diversi peer

Architettura semi-centralizzata Uno o più nodi fungono da server per semplificare la comunicazione tra i nodi Un server aiuta a stabilire il contatto tra i nodi della rete e a coordinare i risultati del calcolo

Problemi: protezione fiducia P2p vs service oriented P2p più efficiente Problemi: protezione fiducia Preferibili in applicazioni non critiche con relazioni di lavoro già esistenti tra le organizzazioni

Architetture orientate ai servizi Web-service Una rappresentazione standard di risorse elaborative o informative che può essere utilizzata da altri programmi Usando un web-service le organizzazioni che vogliono rendere accessibili le proprie informazioni ad altri programmi possono farlo definendo e pubblicando un’interfaccia di servizio che specifica i dati disponibili e come accedervi Un webservice è un’istanza della più generica nozione di servizio: Un atto o una prestazione offerta da un parte a un’altra [Lovelock, 1996] La sua erogazione è indipendente dall’applicazione che sta usando il sistema

Modello di servizio Un fornitore offre un servizio definendo la sua interfaccia e implementandone la sua funzionalità Un richiedente si collega al servizio dalla propria applicazione che deve includere codice per richiamare quel servizio e per elaborarne i risultati Per assicurarsi che il servizio sia accessibile agli utenti esterni, il fornitore inserisce un record in un registro dei servizi che comprende informazioni sul servizio e su cosa fa

Modello service oriented vs modello distributed-object I servizi possono essere offerti da ogni fornitore di servizio dentro o fuori un’organizzazione I fornitori di servizio rendono pubbliche le informazioni sul servizio in modo che qualsiasi utente autorizzato possa utilizzarlo Fornitore ed utente non devono negoziare cosa il servizio fa Le applicazioni possono attendere il collegamento ai servizi finchè non sono consegnati o fino all’esecuzione Le applicazioni possono cambiare fornitore di servizio dinamicamente mentre il servizio è in esecuzione Un fornitore può riconoscere nuovi servizi che possono essere creati collegando i servizi esistenti in modo innovativo Gli utenti possono pagare i servizi a seconda dell’utilizzo anziché della fornitura Anziché acquistare un componente costoso, l’utente può utilizzare un servizio esterno che pagherà solo quando necessario Le applicazioni possono essere più piccole poiché possono implementare la gestione delle eccezioni come servizio esterno Le applicazioni possono essere reattive e adattarsi alle variazioni dell’ambiente collegandosi a diversi servizi

Architetture debolmente accoppiate Sviluppo basato su standard Vantaggi/svantaggi Architetture debolmente accoppiate I collegamenti ai servizi possono cambiare durante l’esecuzione Sviluppo basato su standard Standard sviluppati solo di recente