Inżynieria oprogramowania

część IX – Architektury systemów rozproszonych

mgr inż. Piotr Greniewski

Europejska Wyższa Szkoła Informatyczno-

Ekonomiczna

Slajd nr 2

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Materiały do wykładu



Wykład opracowano na podstawie książki:



Inżynieria oprogramowania - Jan Sommerville



Wydawnictwa Naukowo – Techniczne



Warszawa 2003 r.



Prawa własności:



Rysunki, diagramy oraz układ prezentowanych treści są
własnością:

©Ian Sommerville 2000

.



Prezentacja stanowi tłumaczenie prezentacji autora
książki pobranej z witryny

http:/www.software-

engin.com.



Zgodnie z wolą autora: ”wykładowcy mają prawo
dowolnie modyfikować i adoptować tę prezentacje”
(Przedmowa – Witryna WWW – punkt 2 ) co też czynię.

Slajd nr 3

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych

Zawartość:



Architektury wieloprocesorowe



Architektury klient-serwer



Architektury obiektów rozproszonych



CORBA

Slajd nr 4

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych



Niemal wszystkie współczesne systemy
komputerowe są systemami rozproszonymi.



W systemie rozproszonym przetwarzanie jest
wykonywane na kilku komputerach i nie jest
przydzielone do jednej maszyny.



Inżynieria systemów rozproszonych ma wiele
wspólnego z innymi inżynieriami
oprogramowania.



Inżynierowie oprogramowania muszą znać
zagadnienia związane z tymi systemami gdyż
są one szeroko stosowane.

Slajd nr 5

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych



Do niedawna wielkie systemy były w
większości

scentralizowane

i działały na

komputerach głównych

do których były

podłączone

terminale

.



Terminale

nie posiadały mocy obliczeniowej.



Za całość przetwarzanej informacji
odpowiadał

komputer główny

.



Projektanci nie musieli zajmować się
sprawami związanymi z przetwarzaniem
rozproszonym.

Slajd nr 6

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych



Obecnie istnieją trzy rodzaje systemów:



Systemy osobiste

, które nie są rozproszone i są

przeznaczone do pracy na komputerze osobistym lub
stacji roboczej. Przykładami takich systemów są:
procesory tekstów, arkusze kalkulacyjne ...



Systemy wbudowane

, które działają na jednym

procesorze lub na zintegrowanej grupie procesorów.
Przykładami takich systemów są systemy sterowania
sprzętem domowym, systemy sterujące ...



Systemy rozproszone

, w których oprogramowanie

działa na luźno zintegrowanej grupie
współpracujących procesorów połączonych siecią.
Przykłady: systemy bankomatów, systemy rezerwacji
miejsc, systemy pracy grupowej ...

Slajd nr 7

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych



Obecnie dość łatwo możemy rozróżnić do
której grupy należy system.



Szybki rozwój sieci łączności bezprzewodowej
może doprowadzić do zatarcia granic
pomiędzy grupami systemów.



Będzie możliwe stała lub czasowa integracja
różnych systemów.

Slajd nr 8

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych

Istotne cechy systemu rozproszonego:



Współdzielenie zasobów



Otwartość



Współbieżność



Skalowalność



Odporność na awarie



Przezroczystość

Slajd nr 9

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych



Współdzielenie zasobów

. System rozproszony

umożliwia współdzielenie zasobów
sprzętowych i programowych umieszczonych
na różnych komputerach w sieci, np. dysków,
drukarek, plików, kompilatorów itd.
Współdzielenie zasobów było znane w
systemie wielodostępnym, ale tam zasoby
znajdowały się na jednym komputerze.

Slajd nr 10

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych



Otwartość

. Otwartość systemu mierzy się

łatwością rozszerzania go o nowe nie należące
do niego zasoby. Systemy rozproszone są
otwarte i zwykle zawierają sprzęt i
oprogramowanie różnych producentów.



Współbieżność

. W systemie współbieżnym

kilka procesów może działać na różnych
komputerach w tym samym czasie. Te procesy
mogą (ale nie muszą) komunikować się w
czasie swej normalnej pracy.

Slajd nr 11

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych



Skalowalność

. Systemy rozproszone powinny być

skalowane w sensie zwiększania możliwości
poprzez dodawanie nowych zasobów. W praktyce
skalowalność jest ograniczona przez sieć łączącą
komputery.



Odporność na awarie

. Dostępność wielu

komputerów i związana z tym możliwość
powielania informacji powinna oznaczać, że
systemy rozproszone powinny być odporne na
pewne awarie sprzętowe i programowe. W
większości systemów rozproszonych, gdy nastąpi
awaria, oferuje się gorsze usługi. Całkowity zanik
usługi zdarza się jedynie w wypadku awarii sieci.

Slajd nr 12

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych



Przezroczystość

. Polega na ukryciu przed

użytkownikiem rozproszonej natury systemu.
Celem projektu systemu może być
zapewnienie użytkownikom całkowicie
przezroczystego dostępu do usług i
wykluczenia potrzeby jakiejkolwiek informacji
o rozproszeniu systemu. Powinno się
udostępniać użytkownikom pewną wiedzę o
rozproszeniu systemu co pozwala na lepsze
korzystanie z jego zasobów.

Slajd nr 13

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych

Wady systemów rozproszonych:



Złożoność



Mniejsze bezpieczeństwo



Problemy z administrowaniem



Nieprzewidywalność

Slajd nr 14

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych



Złożoność

. Systemy rozproszone są bardziej

skomplikowane niż systemy scentralizowane.
Utrudnione jest zrozumienie pojawiających się
właściwości i testowania systemu.
Efektywność systemu nie zależy od szybkości
jednego procesora ale raczej od
przepustowości sieci i szybkości różnych
procesorów. Przenoszenie zasobów z jednej
części systemu do innej może drastycznie
wpływać na efektywność systemu.

Slajd nr 15

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych



Mniejsze bezpieczeństwo

. Z systemu można

korzystać za pośrednictwem wielu komputerów,
a ruch w sieci może być podsłuchiwany.
Zarządzanie bezpieczeństwem w systemie
rozproszonym jest znacznie trudniejsze



Problemy z administrowaniem

. W sieci mogą

istnieć komputery różnych typów, posiadające
różne systemy operacyjne. Awarie jednej
maszyny mogą rozszerzać się na inne maszyny i
powodować niespodziewane konsekwencje.
Oznacza to administrowanie i pielęgnacja
takiego systemu wymagają większego wysiłku.

Slajd nr 16

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych



Nieprzewidywalność

. Wszyscy użytkownicy

WWW wiedzą, jak nieprzewidywalny jest czas
reakcji systemu rozproszonego. Czas
odpowiedzi zależy od całkowitego obciążenia
systemu, jego organizacji i obciążenia sieci.
Wszystko to może zmieniać się w bardzo
krótkich i nieprzewidywalnych okresach.
Każde zlecenie może mieć znacząco inny czas
reakcji na żądanie użytkownika.

Slajd nr 17

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych



Zagadnienia projektowania systemów rozproszonych

Zagadnienia
projektowe

Opis

Identyfikacja
zasobów

Zasoby systemu rozproszonego są umieszczone na różnych
komputerach, należy więc opracować jednolity schemat
nazewnictwa aby użytkownicy mogli znajdować i
wykorzystywać potrzebne im zasoby. Dobrym przykładem
jest URL (Uniform Resource Locator) służący do
identyfikacji stron WWW. Bez jednolitego schematu
większość zasobów będzie niedostępna

Komunikacja

Dostępność sieci i efektywna implementacja protokołu
TCP/IP oznacza, że jest to najskuteczniejszy sposób
komunikacji komputerów w systemach rozproszonych.

Jakość usług

Jakość usług oferowanych przez system odzwierciedla jego
efektywność dostępność i niezawodność. Mają na nią wpływ
również inne czynniki.

Architektury
oprogramowania

W architekturze opisuje się jak funkcjonalność programu
użytkowego rozproszono na kilku logicznych komponentach
oraz jak te komponenty rozproszono na procesorach.

Slajd nr 18

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury systemów rozproszonych



Omówimy dwa rodzaje architektur systemów
rozproszonych:



Architektura klient-serwer

. W tym podejściu system

jest postrzegany jako zbiór usług oferowanych
klientom. W takich systemach odmiennie traktuje
się serwery i klientów



Architektura obiektów rozproszonych

. W tym

podejściu nie istnieje rozróżnienie pomiędzy
klientami i serwerami. System jest postrzegany jako
zbiór komunikujących się obiektów, których
położenie jest nieistotne. Nie ma różnicy pomiędzy
dostawcą i użytkownikiem usług.

Slajd nr 19

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury wieloprocesorowe



Najprostszym modelem systemu rozproszonego

jest system wieloprocesowy, składający się z

wielu procesów działających na jednym lub

wielu procesorach.



Model ten powszechnie występuje w systemach

czasu rzeczywistego.



Systemy takie zbierają informacje i na ich

podstawie podejmują decyzje i wysyłają sygnały

do efektorów które zmieniają środowisko.



Z logicznego punktu widzenia procesy zajmujące

się zbieraniem informacji, podejmowaniem

decyzji i sterowaniem efektorami mogłyby

działać na jednym procesorze.

Slajd nr 20

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektury wieloprocesorowe



Użycie wielu procesorów poprawia
efektywność i odporność systemu.



Przydział procesów do procesorów może może
być zadany z góry (tak zwykle jest w
systemach krytycznych) albo sterowany przez
dyspozytora, który decyduje o przyznaniu
procesora procesowi.

Slajd nr 21

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

System wieloprocesorowy do kierowania
ruchem



Na rysunku pokazany jest model systemu

kierowania ruchem.



Zbiór rozproszonych detektorów zbiera informacje

o natężeniu ruchu i przetwarza je lokalnie przed

przesłaniem do centrum sterowania.



Operatorzy na podstawie tej informacji podejmują

decyzje i przekazują polecenia do oddzielnego

procesu sterowania światłami.



W przykładzie wyróżniono trzy logicznie

wydzielone procesy do zarządzania: detektorami,

centrum sterowania i światłami.



Systemy wieloprocesowe nie muszą być

rozproszone.

Slajd nr 22

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

System wieloprocesorowy do kierowania
ruchem

Traffic lights

Light

control

process

Traffic light control

processor

Traffic flow

processor

Operator consoles

Traffic flow sensors

and cameras

Sensor

processor

Sensor

control

process

Display

process

Konsole operatorów

Detektory natężenia

ruchu i kamery

Światła

Slajd nr 23

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer



Architektoniczny model klient-serwer jest
modelem rozproszonym systemu w którym dane
i przetwarzanie jest rozproszone między zbiór
procesorów. Główne komponenty systemu:



Zbiór samodzielnych procesorów oferujących usługi
innym podsystemom. Przykładami są systemy
realizujące usługi drukowania, serwery plików,
serwery kompilujące.



Zbiór klientów, którzy korzystają z usług oferowanych
przez serwery. Zwykle same w sobie są podsystemami.
Może być kilka współbieżnie działających programów
klient.



Sieć dająca klientowi dostęp do serwerów

Slajd nr 24

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer



Program użytkowy jest modelowany jako zbiór
usług oferowany przez serwery i zbiór
klientów, którzy z tych usług korzystają.



Klienci muszą znać dostępne serwery ale nie
muszą wiedzieć o istnieniu innych klientów.



Klienci i serwery są oddzielnymi procesami

Slajd nr 25

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer

s1

s2

s3

s4

c1

c2

c3

c4

c5

c6

c7

c8

c9

c10

c11

c12

Client process

Server process

Proces serwera

Proces klienta

Slajd nr 26

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer



Procesy i procesory nie muszą być wzajemnie
jednoznacznie przyporządkowane.



Na następnym slajdzie pokazano fizyczną
architekturę systemu z dwoma komputerami
serwerów i sześcioma komputerami klientów.



Mogą na nich działać procesy klientów i
serwerów.



Mówiąc o klientach i serwerach ma się
zazwyczaj na myśli procesy logiczne a nie
fizyczne komputery (procesory) na których
działają.

Slajd nr 27

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Komputery w sieci klient-serwer

Network

SC1

SC2

CC1

CC2

CC3

CC5

CC6

CC4

Server

computer

Client

computer

s1, s2

s3, s4

c5, c6, c7

c1

c2

c3, c4

c8, c9

c10, c11, c12

Komputer klienta

Komputer

serwera

Slajd nr 28

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer



Projekt systemu klient-serwer powinien
odzwierciedlać logiczną strukturę tworzonego
programu użytkowego.



Na następnym slajdzie przedstawiono
program użytkowy złożony z trzech warstw:



Warstwa prezentacji

, dotycząca przedstawiania

informacji użytkownikowi.



Warstwa przetwarzania

, implementująca logikę

programu użytkowego.



Warstwa zarządzania danymi

, odpowiedzialna za

wszystkie operacje na bazie danych.

Slajd nr 29

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Warstwy programu użytkowego

Warstwa prezentacji

Warstwa przetwarzania

Warstwa zarządzania

danymi

Slajd nr 30

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer



W

systemie

scentralizowanym

nie ma potrzeby

jawnego wydzielenia tych warstw.



Projektując

system rozproszony

, trzeba

wyraźnie je wyróżnić, ponieważ umożliwi to
umieszczenie każdej warstwy na innym
komputerze.



Najprostsza architektura klient-serwer nosi
nazwę

dwuwarstwowej

.



Program użytkowy składa się serwera
(serwerów) i zbioru klientów.

Slajd nr 31

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer



Dwa rodzaje architektury klient-serwer



Model klienta cienkiego

. W tym modelu całość

przetwarzania i zarządzania danymi ma miejsce na
serwerze.Jedynym zadaniem klienta jest
uruchomienie oprogramowania prezentacyjnego.



Model klienta grubego

. W tym modelu serwer

odpowiada jedynie za zarządzanie danymi.
Oprogramowanie u klienta implementuje logikę
programu i kontakt z użytkownikiem systemu.

Slajd nr 32

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Klient cienki i klient gruby

Klie

nt

Klie

nt

Serwer

Zarządzanie danymi

Przetwarzanie

Serwer

Zarządzanie danymi

Model klienta cienkiego

Model klienta grubego

Slajd nr 33

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer



Architektura dwuwarstwowa z klientem cienkim

jest najprostszym rozwiązaniem, które można

wykorzystać w scentralizowanych procesach

odziedziczonych ewoluujących w kierunku

architektury klient serwer.



Interfejs użytkownika tych systemów jest

przenoszony na komputer osobisty, a program

użytkowy działa jako serwer i obsługuje

przetwarzanie użytkowe oraz zarządzanie danymi.



Model klienta cienkiego można zaimplementować

tam gdzie klienci są prostymi urządzeniami

sieciowymi. Na takim urządzeniu sieciowym działa

przeglądarka oraz interfejs użytkownika

realizowany przez system.

Slajd nr 34

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer



Wadą klienta cienkiego

jest duże obciążanie

przetwarzaniem zarówno sieci jak i serwera.

Serwer odpowiada za wszystkie obliczenia co

prowadzi do dużego ruchu sieciowego między

klientem a serwerem.



Współczesne komputery osobiste mają dużą moc

obliczeniową, z której w modelu klienta cienkiego

nie korzysta się.



W modelu klienta grubego

korzysta się z dostępnej

mocy obliczeniowej i przekazuje klientowi

przetwarzanie związane z logiką programu

użytkowego jak i prezentację.



Serwer jest serwerem zarządzającym transakcjami

w bazie danych.

Slajd nr 35

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer



Przykładem architektury

klienta grubego

są systemy

bankomatów. Bankomat jest klientem, a serwerem
jest komputer główny obsługujący bazę danych kont
klientów.



Na następnym slajdzie przedstawiono sieć
bankomatów.



Bankomaty nie łączą się bezpośrednio z bazą danych
klientów ale z monitorem przetwarzania zdalnego.
Jest to system zarządzający komunikacją z klientami
zdalnymi, szeregujący transakcje przed
przetwarzaniem ich w bazie.



Zastosowanie transakcji szeregowych umożliwia
odtworzenie systemu po awarii bez uszkadzania bazy.

Slajd nr 36

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

System klient-serwer do obsługi
bankomatów

Serwer kont

Monitor

przetwarzania

zdalnego

Baza danych

kont

klientów

Bankomat

Bankomat

Bankomat

Bankomat

Slajd nr 37

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer



W modelu klienta grubego przetwarzanie jest
bardziej efektywne niż w modelu klienta cienkiego,
zarządzanie jest natomiast dużo trudniejsze.



Funkcjonalność programów użytkowych jest
rozproszona po wielu różnych komputerach.



Aby zmienić oprogramowanie użytkowe, trzeba
wykonać ponowną instalację na każdym
komputerze klienta.



Pojawienie się języka

Java

i ściąganych

apletów

umożliwiło opracowanie modelu klient-serwer,
który leży pomiędzy modelem klienta cienkiego a
grubego.

Slajd nr 38

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer



Model zakłada, że części oprogramowania

przetwarzającego mogą być przekazywane klientowi

w postaci apletów Javy, co zmniejsza obciążenie

serwera.



Interfejs użytkownika jest budowany dla

przeglądarki WWW, w której mogą działać aplety.



Powstają problemy związane z tym, że przeglądarki

różnych producentów i ich wersje nie zawsze

wyświetlają w ten sam sposób.



Wcześniejsze wersje starych komputerów mogą nie

być w stanie uruchamiać programów w Javie.



To podejście można stosować gdy wszyscy

użytkownicy systemu mają zgodne przeglądarki

zdolne do uruchamiania Javy.

Slajd nr 39

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer



Zasadnicza trudność dotycząca
dwuwarstwowego podejścia klient-serwer
polega na tym, że trzy warstwy logiczne
(prezentacja, przetwarzanie użytkowe i
zarządzanie danymi) muszą być
przyporządkowane do dwóch systemów
komputerowych.



Występują kłopoty ze skalowalnością i
efektywnością dla klienta cienkiego i kłopoty z
pielęgnacją dla klienta grubego.



Unikniemy tych kłopotów stosując architekturę
trójwarstwową.

Slajd nr 40

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer



Architektura trójwarstwowa oznacza, że
prezentacja, przetwarzanie użytkowe i
zarządzanie danymi są oddzielnymi
procesami.



Nie oznacza to, że musimy mieć trzy
komputery. Jeden komputer serwera może
obsługiwać zarówno przetwarzanie użytkowe
jak i zarządzanie danymi jako dwa logiczne
serwery.



Gdy potrzeba większej wydajności możemy je
umieścić na różnych serwerach.

Slajd nr 41

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura trójwarstwowa klient-serwer

Serwer

Zarządzanie

danymi

Serwer

Przetwarzanie

użytkowe

Klie

nt

Prezentacja

Slajd nr 42

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer



System bankowy w sieci jest przykładem
trójwarstwowej architektury klient serwer.



Bankowa baza danych o klientach oferuje usługi
zarządzania danymi.



Serwer WWW zapewnia usługi użytkowe, takie
jak udogodnienia do przelewu pieniędzy,
generowanie wyciągów, płacenie rachunków itp.



Komputer użytkownika z przeglądarką sieci
odgrywa rolę klienta.



System jest skalowalny, ponieważ łatwo dodać
nowe serwery WWW w miarę wzrostu liczby
klientów.

Slajd nr 43

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura rozproszona systemu
bankowego

Serwer WWW

Obsługa

konta

Klie

nt

Klie

nt

Klie

nt

Klie

nt

Serwer bazy danych

SQL

Baza danych

kont klientów

Zapytania SQL

Slajd nr 44

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Architektura klient-serwer



Architektura trójwarstwowa klient-serwer umożliwia
optymalizację przekazywania informacji pomiędzy
serwerem WWW a serwerem bazy danych.



Komunikacja pomiędzy tymi serwerami nie musi być
zgodna ze standardami sieci ale opierać się na
szybszych protokołach komunikacyjnych.



Aby wydobyć informacje z bazy używa się języka
SQL.



W uzasadnionych wypadkach można rozszerzyć
model trójwarstwowy do modelu wielowarstwowego.



Systemy wielowarstwowe stosujemy tam, gdzie
programy użytkowe muszą wykorzystywać dane z
różnych baz.

Slajd nr 45

©Ian Sommerville 2000 - Inżynieria oprogramowania

Zastosowanie różnych architektur klient-
serwer

Architektura

Zastosowanie

Architektura
dwuwarstwowa
klient-serwer
z klientami
cienkimi

Systemy odziedziczone w których oddzielenie przetwarzania
od zarządzania danymi jest niepraktyczne lub niemożliwe.
Programy użytkowe wykonujące dużo obliczeń i w małym
stopniu albo wcale zarządzające danymi, np. kompilatory.

Architektura
dwuwarstwowa
klient-serwer
z klientami
grubymi

Programy użytkowe, w których obliczenia są wykonywane u
klienta przez komponenty z półki np. Excel.
Programy wymagające złożonego przetwarzania danych.

Architektura
trójwarstwowa
lub
wielowarstwowa
klient-serwer

Duże programy użytkowe dla tysięcy użytkowników.
Programy użytkowe dla których zarówno dane jak i
programy są płynne.
Programy użytkowe w których integruje się dane z różnych
źródeł.