6. Итоги
Распределенные системы (РС) состоят из автономных компьютеров, работающих совместно, в виде единой связной системы. Их преимущества по сравнению с монолитными системами:
РС упрощают интеграцию разных приложений в единую систему;
Масштабируемость. Размер РС ограничен только размерами базовой сети.
Платой за эти преимущества часто есть усложнение ПО, снижение производительности и проблемы с безопасностью.
Существуют разные типы распределенных систем. Распределенные ОС используются для управления аппаратными средствами взаимосвязанных КС к которым относятся мультипроцессорные и гомогенные мультикомпьютерные системы. Эти РС на самом деле не состоят из автономных компьютеров, но успешно воспринимаются в виде единой системы. Сетевые ОС, с другой стороны, объединяют разные компьютеры, работающие под управлением своих ОС, так что пользователи могут получать доступ к локальным службам каждого из узлов.
Современные РС обычно содержат поверх сетевой ОС промежуточный слой ПО (middleware), предназначенный для того чтобы скрыть гетерогенность и распределенную природу базового набора компьютеров. РС с промежуточным слоем требуют специфическую модель распределения и связи. Известные модели основаны на удаленном вызове процедур, а также на распределенных объектах, файлах и документах.
Для каждой РС важна схема ее внутренней организации. Наиболее распространенная модель – Клиент-сервер. Эта модель тесно связана с традиционным программированием, в котором службы реализуются в виде процедур в отдельных модулях. Дальнейшее уточнение обычно состоит в подразделении на уровень пользовательского интерфейса, уровень обработки и уровень данных. Сервер обычно отвечает за уровень данных, а уровень пользовательского интерфейса реализуется на стороне клиента. Уровень обработки может быть реализован на клиенте, на сервере или разделен между ними.
В современных РС для построения крупных систем такой вертикальной организации приложений модели клиент-сервер недостаточно. Необходимо горизонтальное распределение, при котором клиенты и серверы физически распределены и реплицируются на несколько компьютеров. Типичным примером успешного применения горизонтального распределения является Web.
Тема 2. Модели взаимодействия компонентов рс (2 часа)
2.1 Понятие промежуточной среды
2.2 Модели взаимодействия компонентов
2.1 Понятие промежуточной среды
С точки зрения одного из компьютеров распределенной системы, все другие входящие в нее машины являются удаленными вычислительными системами. Теоретической основой сетевого взаимодействия удаленных систем является общеизвестная модель взаимодействия открытых систем OSI/ISO, которая разделяет процесс взаимодействия двух сторон на семь уровней: физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, прикладной, представительский.
Правила взаимодействий в открытых системах определяются стандартными протоколами. В сетях наиболее распространенного стека протоколов TCP/IP протокол TCP является протоколом транспортного, а протокол IP – протоколом сетевого уровня. Обеспечение интерфейса к транспортному уровню в настоящее время берет на себя сетевая компонента операционной системы, предоставляя обычно основанный на сокетах интерфейс для верхних уровней. Сокеты обеспечивают примитивы низкого уровня для непосредственного обмена потоком байт между двумя процессами. Стандартного представительского или сеансового уровня в стеке протоколов TCP/IP нет, иногда к ним относят защищенные протоколы SSL/TLS.
Примечание:
В целом протоколы можно разделить на 2 основных типа: с установленным соединением и без установления соединения. В первом случае перед началом обмена данными отправитель и получатель должны установить соединение, а после завершения – разорвать его. Пример соединения – телефон. Во втором случае – никакой подготовки не нужно. Отправитель сразу посылает сообщение.
Использование протокола TCP/IP посредством сокетов предоставляет стандартный, межплатформенный, но низкоуровневый сервис для обмена данными между компонентами. Для выполнения сформулированных выше требований к распределенным системам функции сеансового и представительского уровня должна взять на себя промежуточная среда (middleware), называемая так же промежуточным программным обеспечением (рис. 2.1). Такая среда должна помочь создать разработчиками открытые, масштабируемые и устойчивые распределенные системы. Для достижения этой цели промежуточная среда должна обеспечить службы для взаимодействия компонент распределенной системы. К таким службам относятся:
– обеспечение единого и независимого от операционной системы механизма использования одними программными компонентами служб других компонент;
– обеспечение безопасности распределенной системы: аутентификация и авторизация всех пользователей сервисов компоненты и защита передаваемой между компонентами информации от искажения и чтения третьими сторонами;
– обеспечение целостности данных: управление транзакциями, распределенными между удаленными компонентами системами;
– балансировка нагрузки на серверы с программными компонентами;
– обнаружение удаленных компонент.
В пределах одной распределенной системы может использоваться несколько видов промежуточных сред. При хорошем подходе к проектированию системы каждая распределенная ее компонента предоставляет свои сервисы посредством единственной промежуточной среды, и использует службы других компонент посредством так же единственной промежуточной среды, однако эти среды могут быть различными.
Выделение промежуточного уровня несколько изменяет базовую модель OSI. Сеансовый уровень и уровень представления заменены одним промежуточным уровнем, который содержит не зависящие от приложений протоколы.
Рис. 2.1 Модель взаимодействия вычислительных систем
Примечание:
В модели OSI взаимодействие подразделяется на 7 уровней. Каждый уровень отвечает за один аспект взаимодействия и предоставляет интерфейс для работы с вышестоящим уровнем. Интерфейс состоит из набора операций, которые и определяют этот интерфейс. Передача сообщения начинается с прикладного уровня, затем опускается вниз по каждому уровню до физического. На каждом уровне к сообщению в начало добавляется свой заголовок, а иногда и завершение в конец (на физическом уровне, для того, чтобы разделить блоки данных). Когда сообщение доходит до физического уровня, этот уровень выполняет его реальную передачу. На машине-приемнике выполняется обратное преобразование.
Набор протоколов в модели OSI называется стеком протоколов.
Важно отличать эталонную модель OSI от реальных протоколов. Ее базовые протоколы никогда не были популярны, в отличие от протоколов Интернет, которые используются везде.
Применение модели OSI удобно для рассмотрения правил взаимодействия систем на уровнях и обсуждения реальных протоколов.
Основные функции компьютерной сети реализуются на трех нижних уровнях: физическом, канальном и сетевом.
Физический уровень отвечает за передачу сигналов (0 и 1). Таким образом, протоколы этого уровня отвечают за стандартизацию электрических, механических и сигнальных интерфейсов. Существует много стандартов физического уровня для разных носителей и линий связи. Например, RS-232, Ethernet, Fast Ethernet, FDDI.
Канальный уровень. Основная задача – поиск и исправление ошибок физического уровня. Он группирует биты в кадры (дейтаграммы) и следит за правильной их передачей (и приемом). Это делается помещением специальной битовой маски в начало и конец кадра для их маркировки, а также вычисления контрольной суммы. Для обозначения кадров они нумеруются.
Сетевой уровень. Играет особую роль в глобальных сетях, содержащих много машин, каждая из которых имеет свои собственные лини связи с другими машинами. Отправленное сообщение должно пройти множество сетевых сегментов, на каждом из которых происходит выбор исходящей линии. Задача выбора оптимального пути называется маршрутизацией и является основной задачей сетевого уровня.
В настоящее время наиболее популярным сетевым протоколом является не требующий установки соединения протокол Интернета IP (Internet Protocol).
На сетевом уровне сообщение именуется термином пакет.
Другим протоколом, который приобретает все большую популярность является протокол с соединением, который называется виртуальный канал на базе сетей АТМ. Виртуальный канал в АТМ – это непрямое соединение, устанавливаемое от источника к приемнику, возможно проходящее через несколько промежуточных АТМ-коммутаторов. Набор виртуальных каналов группируется в виртуальный путь (сравним с предопределенным маршрутом между двумя узлами, вдоль которого выстраиваются его виртуальные каналы).
Транспортные протоколы.
Транспортный уровень – это последняя часть того, что называют базовым стеком сетевых протоколов, поскольку в нем реализованы все службы, которые необходимы для построения сетевых приложений и которые не вошли в интерфейс сетевого уровня.
Основная задача транспортных протоколов – обеспечить гарантированно надежную связь (без потерь данных и в нужном порядке).
Транспортный протокол для Интернета называется протоколом управления передачей (Transmission Control Protocol, TCP).
Комбинация протоколов TCP/IP в настоящее время является фактически стандартом сетевых взаимодействий. Комплект протоколов Интернета также включает в себя не требующий соединения транспортный протокол UDP (Universal Datagram Protocol – универсальный протокол датаграмм), являющийся модификацией IP.
Протоколы верхнего уровня.
В модели OSI поверх транспортного уровня находятся еще 3: сеансовый, представительский и прикладной.
Сеансовый уровень – это расширенная версия транспортного. Он предоставляет средства синхронизации обмена. Этот протокол не входит к стек протоколов Интернет (ввиду ненужности).
Уровень представления. Отвечает за правильную интерпретацию сообщений (семантику). Это упрощает взаимодействие между машинами с разным внутренним представлением данных.
В модели OSI изначально прикладной уровень должен был содержать Прикладные протоколы. Представляют для разработчиков РС наибольший интерес набор стандартных сетевых приложений, например, передачи файлов, эмуляции терминала и др. В настоящее время на этом уровне собраны все приложения и протоколы, которые не удалось «пристроить» на более низких уровнях.