Grundkurs Verteilte Systeme: Grundlagen und Praxis des Client-Server-Computing — Inklusive aktueller Technologien wie Web-Services u. a. — Für Studenten und Praktiker

457 Pages·2004·33.77 MB·German

by  Günther Bengel (auth.)

Stimmen zur 2. Auflage:
"Guter, breiter Uberblick Gber die wichtigsten PC-gestGtzten
verteilten Systeme, klassisch bis webbasiert ... Ein sachlich
klares und wissenschaftlich korrektes Lehrbuch mit zahlrei-
chen Beispielen."
Prof. Dr. Langmann, FH Dusseldorf
"Dieses Buch werde ich meinen Studenten empfehlen weil es
gut verstandlich ist und praktische Hinweise liefert."
Prof. E. Albers, HS Magdeburg
"Das Buch behandelt einige der wichtigsten Konzepte paralle
ler jverteilter Systeme (Client-Server, Kommunikation, Kon
kurrenz, Sicherheit etc.) Der Schwerpunkt liegt auf den prakti
schen, anwendungsnahen Aspekten".
Prof. Dr. Christel Baier, Universitiit Bonn
"Sehr gute Stoffauswahl, aile wesentlichen Aspekte werden
behandelt ... Dieses Buch werde ich meinen Studenten emp
fehlen, weil es verstandlich und aktuell ist."
Prof. Dr. B. Schnor, Universitiit Postdam
Grundkurs Software-Entwlcklung Objektorientierte
mit C++ Programmierung in JAVA
von Dietrich May von Otto Rauh
Grundkurs Datenbankentwurf Anwendungsorientierte
von Helmut Jarosch Wirtschaftsinformatik
Web-Programmierung von Paul Alpar, Heinz Lothar Grab, Peter
von Oral AVCI, Ralph Trittmann und Werner Mellis Weimann und Robert Winter
OhneCzuC++ Rechnerarchitektur
von Peter P. Bothner und Michael Kahler von Paul Herrmann
Grundkurs JAVA Grundkurs Relationale Datenbanken
von Dietmar Abts von Rene Steiner
Aufbaukurs Wirtschaftsinformatik Grundkurs UNIX/Linux
von Dietmar Abts und Wilhelm MUlder von Wilhelm Schaffrath
Kompaktkurs Mikrocontroller Grundkurs MySOl und PHP
von Silvia Limbach von Martin Pollakowski
Von Pascal zu Assembler Pascal
von Peter Kammerer von Doug Cooper und Michael Clancy
Das PC Wissen fur IT-Berufe: Aufbaukurs JAVA
Hardware, Betriebssysteme, Netzwerktechnik von Dietmar Abts
von Rainer Egewardt Grundkurs Informatik
Datenbank-Engineering von Hartmut Ernst
von Alfred Moos Kostentrigerrechnung mit SAP R/3®
Online-Publishing fur Studenten und von Franz Klenger und Ellen Falk-Kalms
Wissenschaftler Netze - Protokolle - Spezifikationen
von Michael BeiBwenger von Alfred Olbrich
Sal mit Oracle Grundlegende Algorithmen
von Wolf-Michael Kahler von Volker Heun
Module, Klassen, Vertrige Softwaretechnik mit Ada 95
von Karlheinz Hug von Manfred Nagl
Grundkurs Betriebswirtschaftslehre Visual Basic fur technlsche
von Notger Carl, Rudolf Fiedler, William J6rasz Anwendungen
und Manfred Kiesel von Jurgen Radel
Relationales und objektrelationales SOL Controlling mit SAP R/3®
von Wolf-Michael Kahler von Gunther Friedl, Christian Hilz
Lern-und Arbeitsbuch SAP R/3® und Burkhard Pedell
von Andre Maassen und Markus Schoenen Grundkurs
Kostenstellenrechnung mit SAP R/3® Geschiftsprozess - Management
von Franz Klenger und Ellen Falk-Kalms von Andreas Gadatsch
Grundkurs Algorithmen und Grundkurs IT-Controlling
Datenstrukturen in JAVA von Andreas Gadatsch und Elmar Mayer
von Andreas Solymosi und Ulrich Grude Grundkurs Verteilte Systeme
Grundkurs Wirtschaftsinformatik von Gunther Bengel
von Dietmar Abts und Wilhelm Mulder
Prozessmodellierung mit ARIS ®
von Heinrich Seidl meier
Gunther Bengel
Grundkurs
Verteilte Systeme
Grundlagen und Praxis des
Client-Server-Computing -
Inklusive aktueller Technologien
wie Web-Services u. a. -
Fur Studenten und Praktiker
3., verbesserte und erweiterte Auflage
I I
vleweg
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chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt. Die EinschweiBfolie besteht aus Polyathylen und damit aus
organischen Grundstoffen, die weder bei der Herstellung noch bei der Verbrennung Schadstoffe
freisetzen.
1. Auflage 2000
2. Auflage 2002
Diese Auflagen erschienen unter dem Titel "Verteilte Systeme".
3., verbesserte und erweiterte Auflage Februar 2004
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ISBN-13: 978-3-528-25738-5 e-ISBN-13: 978-3-322-80339-9
DOl: 10.1007/978-3-322-80339-9
Vorwort
Der bedeutendste Trend bei Informationssystemen in den letzten
Jahren ist das Aufkommen yom Client-Server-Computing. Dieser
Rechnerbetrieb ersetzt einerseits groBrechnerdominierte oder
zentralisierte Ansatze, andererseits bindet er lokale und isolierte
Rechner zusammen und fbrdert ihre Zusammenarbeit. Die dazu
gehorende Strukturierungsmethode del' Software in Clients und
Server ist heute weit verbreitet und findet immer mehr Zugang
und Einsatz bei del' vel'teilten Verarbeitung.
Die Untergliederung del' Software in Clients und Server ist eine
Strukturierungsmoglichkeit bei verteilter Informationsverarbei
tung. Um dieses Modell fur Verteilte Systeme zu erschlieBen,
wurden in Abschnitt 2 die moglichen Client-Server-Systeme klas
sifiziert. Die Klassifikation enthalt neben Clients und Server eine
weitere Klasse, namlich den verteilten Prozess. Dies fuhrt zu
einem vertieften allgemeinen Verstandnis fur das Client-Server
Computing und der entstehenden Client-Server-Strukturen, wei
terhin ermoglicht es eine nachfolgende einheitliche Betrachtung
der verteilten Systeme unter dem Client-Server-Gesichtspunkt.
In die Programmierkonzepte und -metll0den zur Gestaltung der
Client-Server-Beziehungen fuhrt Abschnitt 3 ein. Die einzelnen
Programmiermethoden und -verfahren bauen in dem Sinne auf
einander auf, dass die hoheren abstrakteren Programmierverfah
ren mit den Verfahren in einer darunter liegenden Schicht imp
lementiert sind. Wir starten mit den Verfahren der untersten
Ebene, den Sockets, und gehen liber entfernte Prozeduraufrufe
hin zu entfernten Methodenaufrufe und enden bei den Kommu
nikationsverfahren fur das World Wide Web, dem heute aktu
ellsten und in1mer mehr eingesetzten Verfahren der Client
Server-Programmierung. Bei den vorgestellten und ausgewahlten
Programmierkonzepten habe ich mich an den Konzepten, die
den Standard gesetzt haben oder die schon standardisiert sind,
orientiert.
Abschnitt 4 fuhrt in die fundamentalen und haufig benotigten
verteilten Algorithmen ein. Es bildet mit der Klassifikation der
Client-Server-Strukturen in Abschnitt 2 die Basis fur die in Ab
schnitt 5 vorgestellten wichtigsten Server. Die vorgestellten Ser
ver starten bei einfachen Namens-Server und gehen dann liber
File-Server hin zu Transaktions-Server. Eng verknlipft mit den
v
atomaren Aktionen bei Transaktionen sind dann die nachfolgend
beschriebenen Konkurrenzdienste zur Erreichung eines wechsel
seitigen Ausschlusses bei verteilten Prozessen. Neben der in
Abschnitt 4 beschriebenen logischen Zeitordnung von Ereignis
sen werden anschlieBend Synchronisationsverfahren fur physika
lische Uhren beschrieben. Abschluss bilden schlieBlich die bei
Verteilten Systemen eingesetzten Kryptosysteme und Authentifi
kationsprotokolle.
Der Inhalt des Buches entwickelte sich aus einer Vorlesung tiber
Verteilte Systeme, die ich an der Fachhochschule Mannheim,
Hochschule fur Technik und Gestaltung, im Fachbereich Infor
matik seit 1993 halte. Diese Vorlesung liegt im zweiten Drittel
des Informatikstudiums und setzt deshalb fundamentale Pro
grammier-, Betriebssystem- und Kommunikationssoftware-Kennt
nisse voraus.
Mit der Vorlesung einher gehen Dbungen, die als Projekt ausge
legt sind. Das Projekt umfasst den Entwurf und die Programmie
rung eines Spieles als Verteiltes System, z. B. des Spieles
"Mensch argere dich nicht". Dabei soIl eines der in Abschnitt 3
beschriebenen Kommunikationsverfahren zum Einsatz kommen.
Beim Entwurf des Client-Server-Systems und den damit einher
gehenden Kommunikationsprotokollen sol1en die fundamentalen
verteilten Algorithmen von Abschnitt 4 und die in Abschnitt 5
vorgestellten Dienste mit beriicksichtigt werden und einflieBen.
In dieser Form am Zustandekommen des Werkes beigetragen
haben die Studenten mit konstruktiven Diskussionen tiber den
Stoffinhalt und die Gliederung des Stoffes sowie mit ihren Hin
weisen auf Fehler und didaktisch bessere Darstellungen. Mein
Dank gilt weiterhin dem Kollegen aus dem Fachbereich Nach
richtentechnik Herrn prof. Dr. Erich Eich und meinem alten
Freund aus Schul- und Studienzeiten Herrn Dipl.-Math. Wolfgang
Knierim. Herr Eich hat die Client-Server-Klassifikation kritisch
durchleuchtet und hat bei den Client-Server-Programmierver
fahren viele Verbesserungsvorschlage genannt. Herr Knierim, ein
Vertreter aus der Praxis und der Industrie, hat durch seine Hin
weise und Bemerkungen den praktischen Bezug des Werkes
sichergestellt. Nicht vergessen und in meinen Dank mit ein
schlieBen mochte ich meinen Sohn Ralf Bengel und den Infor
matikstudenten Martin Hawlisch. Beide haben mich bei der For
matierung des Textes untersrutzt und gaben viele Tipps im Um
gang mit dem Textverarbeitungsprogramm.
Angesichts des sich dynamisch und stiirmisch entwickelnden
Gebiets der Verteilten Systeme, besonders im Bereich des World
Wide Web, ist dieses Buch durch seine einfuhrende Klassifikati
on von Client-Server-Strukturen eine Hilfe, sich besser in dem
Dschungel der Techniken des Client-Server-Computing und der
Client-Server-Programmierung zurechtzufinden. Beim Gang
durch den Client-Server-Dschungel wtinsche ich Ihnen nun viel
SpaJS und einen erfolgreichen Einsatz der Client-Server
Techniken bei Ihrer verteilten Anwendung.
Altrip, im Januar 2000 Gtinther Bengel
Vorwort zur 2. Auflage
Das rasche Voranschreiten der Programmierkonzepte und -me
thoden des Client-Server-Computing und deren heutiges schnel
les EinflieJSen in die Praxis bedingten in der 2. Auflage Erweite
rungen. Sie betreffen die Kommunikation und Koordination bei
verteilter Verarbeitung und somit Abschnitt 3. Neu in diesem
Abschnitt sind die Themen Remote Method Invocation (RMI),
Extensible Markup Language (XML) und Enterprise JavaBeans
(EJB).
Abschnitt 3 startet nun mit der Nachrichten-basierten Kommuni
kation, den TCP lIP-Sockets, und fuhrt tiber Remote Procedure
Calls hin zu den Objekt-basierten Kommunikationsmethoden,
dem Remote Method Invocation (RMI) und CORBA. Die Web
basielten Programmierkonzepte gehen tiber HTML, Common
Gateway Interface (CGI), Servlets, Extensible Markup Language
(XML) und den XML-Parsern, hin zu den Applets. Den Abschluss
von Abschnitt 3 bildet die komponenten-basierte Methode der
Enterprise JavaBeans, einem Rahmenwerk fur die Client-Server
Programmierung.
Mit der 2. Auflage steht ein kostenloser Online-Service zur Ver
fugung. Die Internet-Adresse der Web-Seiten ist
http://www.vts.fh-mannheim.de
VII
Die folgenden Informationen kbnnen auf den Web-Seiten gefun
den werden:
• Informationen tiber den Autor mit der Email-Adresse, die
zum Senden von Anmerkungen, Kommentaren und Berichti
gungen verwendet werden kann.
• Aile Abbildungen des Buches zum Herunterladen; sie lassen
sich in der Lehre einsetzen und wiederverwenden.
• Aile Programmbeispiele des Buches zum Herunterladen. Sie
soHen den Leser ermuntern die Programme auszuprobieren
und dienen zur Gewinnung von praktischer Erfahrung mit
den Techniken der verteilten Programmierung.
• Ein Errata, d.h. Korrekturen zu Fehlern, die erst nach der
Drucklegung des Buches gefunden wurden.
• AktueHe Informationen zu Weiter- und Neuentwicklungen
bzgl. der im Buch beschriebenen Technologien.
Die Web-Seiten werden kontinuierlich weiterentwickelt und
ausgebaut. Zuktinftige Erweiterungen sehen vor, zu jedem Kapi
tel Dbungsaufgaben mit Musterlbsungen anzubieten. AuBerdem
soHen grbBere Anwendungsbeispiele mit aufgenommen werden,
die das in der Dbung programmierte verteilte Spiel behandeln.
AItrip, im Dezember 2001 Gtinther Bengel
Vorwort zur 3. Auflage
In den letzten beiden Jahren ist Service-Oriented Computing
(SOC) zum Hype in der Computing-Szene geworden. Besonders
im Bereich der Enterprise Applications und deren Integration
(EAI) spricht und diskutiert man nur noch tiber SOC. Die zu SOC
gehbrenden Basis-Services sind die Web Services. Der neu hin
zugefugte Abschnitt 3.4.4 widmet sich den Web Services und
erlautert das dazugehbrige Simple Object Access protocol (SO
AP), die Beschreibungssprache fur Web Services - die Web Ser
vice Description Language (WSDL), und zeigt, wie ein Client die
Web Services findet tiber die Universal Description Discovery
VIII
and Integration (UDDI). SOAP, WSDL und UDDI basieren auf
der Exentsible Markup Language (XML) und bedingten, dass irn
Abschnitt 3.4.2.4 liber XML die Punkte Namespaces und Schema
mit aufgenommen werden mussten. Vorlage und Basis fur die
Web Servives waren die Arbeiten von Herrn Kebrich S., Ent
wicklung von Web Services fur mobile Endgerate mit J2ME,
Diplomarbeit an der Fachhochschule Mannheim 2003 und von
Herrn Mostowoj D., Web Services, Diplomarbeit an der Fach
hochschule Mannheim 2003. Vielen Dank den beiden Diplo
mand en fur die geleistete Arbeit.
Die Enterprise JavaBeans (EJBs) Spezifikation liegt zwischenzeit
lich in der Version 2.0 vor. Neu hinzugekommen bei der Version
2.0 sind die Message Driven Beans. Der neue Abschnitt 3.5.3.3.3
beschreibt die Message Driven Beans. Diese Beans sind ohne
das Verstandnis fur asynchronen Nachrichtenaustausch nur
schwer zu verstehen. Aus diesem Gmnd wurde in Abschnitt 3.1.2
ein weiteres asynchrones Nachrichtenaustauschverfahren der
Java Message Service OMS) mit aufgenommen. JMS ist ein Bei
spiel fur einen zentralen Nachrichten-Server und bildet einen
Gegenpol zu den bisher und jetzt in Abschnitt 3.1.3 beschriebe
nen Communicating Processes (ComPro), die dezentral asyn
chron Nachricht versenden. Durch die Gegenliberstel1ung von
JMS und ComPro ist der Unterschied zwischen einem Client
Server-System und einem Verteilten System direkt und unrnittel
bar ersichtlich.
Weitere Hinzufugungen sind Verbessemngen und sie wurden
hauptsachlich in der Einfuhmng im Abschnitt 1.3.1 und bei DNS
in Abschnitt 5.1.1 durchgefuhrt.
Das Hauptaugenmerk bei dieser 3. Auflage lag darauf, die neus
ten aktuellen Entwicklungen auf dem Gebiet der Verteilten Sys
teme aufzugreifen und sie dem Leser verstandlich zu erlautern
und darzulegen. Mit dieser Kenntnis ist der Leser in der Lage, die
neusten Technologien abzuschatzen und sie erfolgreich in der
Praxis einzusetzen.
Altrip, im Dezember 2003 Glinther Bengel
IX
Inhaltsverzeichnis
1 Einfuhrung und Grundlagen ................................................................................... 1
1.1 Netzwerkbetriebssysteme ................................................................................ 7
1.2 Verteilte Betriebssystenle ............................................................................... 14
1.3 Verteilte Systetne ............................................................................................ 17
1.3.1 Schichtenmodelle ................................................................................... 17
1.3.2 Middleware ............................................................................................. 21
1.3.2.1 Distributed Computing Environment (DCE) ...................................... 23
2 Klassifikation von Client-Server-Architekturen ..................................................... 27
2.1 Client-Server ................................................................................................... 29
2.1.1 Interaktionssemantik .............................................................................. 30
2.1.2 Parallele Server ....................................................................................... 37
2.1.2.1 Threads ............................................................................................... 38
2.1.2.2 Implementierung von Threads ........................................................... 40
2.1.2.3 Pthreads .............................................................................................. 45
2.1.3 Serveraktivierungen ................................................................................ 57
2.1.4 Serverzustande ....................................................................................... 58
2.1.5 Client Caching ........................................................................................ 61
2.2 Verteilte Prozesse ........................................................................................... 67
2.3 Client-Server-Server ....................................................................................... 68
2.3.1 Proxy ...................................................................................................... 69
2.3.2 Broker ..................................................................................................... 70
2.3.3 Trader ..................................................................................................... 74
2.3.4 Filter ........................................................................................................ 74
2.3.5 Balancer .................................................................................................. 75
2.3.6 Koordinator ............................................................................................ 76
2.3.7 Agent ...................................................................................................... 78
2.4 Client-Server-Ketten ....................................................................................... 81
2.5 Client-Server-Bautne ...................................................................................... 83
XI