Software Engineering für verteilte Anwendungen: Mechanismen und Werkzeuge

418 Pages·1992·21.697 MB·German

by  Professor Dr. Max Mühlhäuser, Dr. Alexander Schill (auth.)

Springer-Lehrbuch
Max Miihlhauser Alexander Schill
Software Engineering
fur verteilte Anwendungen
Mechanismen und Werkzeuge
Mit 80 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona
Budapest
Professor Dr. Max Mtihlhauser
UniversiUit Kaiserslautem
Fachbereich Inforrnatikffelematik
Erwin-SchrOdinger-StraBe
W-67S0 Kaiserslautem
Dr. Alexander Schill
UniversiUit Karlsruhe
Institut fUr Telematik
Am Zirkel 2
W-7S00 Karlsruhe 1
Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
MUhlhiiuser, Max: Software Engineering fUr verteilte Anwendungen : Mechanismen und
Werkzeuge I Max MUhlhiiuser ; Alexander Schill. -Berlin; Heidelberg; New York; London;
Paris; Tokyo; Hong Kong; Barcelona; Budapest: Springer, 1992
NE: Schill, Alexander
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geltenden Fassung zuliis'sig. Sie ist grundsiitzlich vergUtungspflichtig. Zuwiderhandlungen
unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1992
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1992
ISBN-13: 978-3-540-55412-7 e-ISBN-13: 978-3-642-95685-0
DOl: 10.1007/978-3-642-95685-0
Vorwort
Das vorliegende Buch gibt einen breiten Uberblick fiber Mechanis
men, Methoden, Werkzeuge und Systeme zur Entwicklung verteilter
Anwendungsprogramme. Es richtet sich sowohl an den Wissen
schaftler als auch an den interessierten Praktiker im Bereich von
Rechnerkommunikation, Telematik und verteilten Systemen. Gene
rell wird Wert darauf gelegt, moglichst aktuelle Konzepte und
Entwicklungen in bezug auf Forschung und Standardisierung aufzu
zeigen, aber gleichzeitig auch die Grundlagen allgemeinverstandlich
darzustellen. Gesamtziel des Buches ist es, das Verstandnis fUr die
grundlegenden Probleme bei der Entwicklung verteilter Anwen
dungsprogramme zu wecken, das Wissen fiber die dazu existierenden
Ansatze in moglichst detaillierter Form zu vermitteln und dem Leser
auch wichtige aktuelle Tendenzen auf diesem sich sehr schnell ent
wickelnden Gebiet aufzuzeigen.
Kapitel 1 gibt zunachst eine kurze Einffihrung in die Gesamtproble
matik und diskutiert die allgemeinen Entwicklungstendenzen im
Bereich der verteilten Systeme und Anwendungen. In Kapitel 2 wer
den die wichtigsten existierenden Ansatze zur verteilten
Programmierung zusammengefaBt und vergleichend bewertet Die
darauffolgenden Kapitel gehen dann im Detail auf den erweiterten
Betriebssystemansatz und auf den sprachintegrierten Ansatz ein.
Beim ersten Punkt stehen Netzbetriebssysteme und verteilte
Betriebssysteme im Vordergrund (Kapitel 3), wahrend im Zusam
menhang mit dem Sprachansatz verteilte Programmiersprachen
(KapiteI4), der Remote Procedure Call (KapiteI5), der verteilte ob
jektorientierte Ansatz (Kapitel 6) sowie die verteilte strukturelle
Konfigurationsverwaltung (Kapitel 7) detailliert diskutiert werden.
Diese Kapitel sollen dem Leser insgesamt die erforderlichen Basis
mechanismen zur Realisierung verteilter Programme vermitteln. Die
beiden nachfolgenden Kapitel gehen dann starker auf die Integration
VI Vorwort
der Mechanismen in Softwareproduktionsumgebungen und auf die
im einzelnen erforderlichen Methoden und Werkzeuge ein. Kapitel8
vergleicht verschiedene Architekturen fUr Softwareproduktionsum
gebungen zur Entwicklung verteilter Programme. In Kapitel 9
werden dann konkrete Methoden und Werkzeuge zur Spezifikation,
zum Entwurf, zum Test und Debugging sowie zur Laufzeitverwal
tung verteilter Anwendungen vorgestellt.
Das abschlieBende KapitellO gibt einen Uberblick tiber aktuelle Ent
wicklungstendenzen auf dem Gebiet der verteilten Systeme und
Anwendungen, vor allem bei den Hochgeschwindigkeitsnetzen, im
Bereich der verteilten Multimedia-Anwendungen sowie bei den Fra
gen der anwendungsorientierten Standardisierung von Diensten und
Protokollen fUr verteilte Umgebungen.
Das Buch entstand aus den Vorlesungen "Einsatz verteilter Systeme"
von Herrn Dr. Schill an der Universitat Karlsruhe sowie "Software
Engineering fUr verteilte Anwendungen" von Herrn Prof. Dr. Miihl
hanser an der Universitat Kaiserslautem. Herr Dr. Schill befaBte sich
vor allem mit den einzelnen Techniken der verteilten Pro
grammierung, dem Betriebssystemansatz, den verteilten
Programmiersprachen, dem Remote Procedure Call, den verteilten
objektorientierten Ansatzen sowie der verteilten Konfigurationsver
waltung. Die zentralen Arbeitsgebiete von Herrn Prof. Dr.
Mtihlhauser waren neben verteilten Programmiersprachen die Berei
che Softwareproduktionsumgebungen, dedizierte Werkzeuge und
Multimedia-Anwendungen.
•
In die einzelnen Kapitel wurde teilweise auch Material aus vorherge-
henden Projekten und studentischen Arbeiten an den Universitaten
Karlsruhe und Kaiserlautem konzeptionell eingearbeitet. An dieser
Stelle sei daher vor allem den an diesen Aktivitaten beteiligten Kol
legen und Studenten gedankt: Unter der Mitarbeit von Herrn J.
Becher und Herrn J. Hofler wurde im Rahmen des Kooperationspro
jektes HECTOR wichtiges technisches Material entwickelt
([BEC8?], [PTE8?]), auf dessen Basis die Beschreibung des Netzbe
triebssystems DACNOS in Kapitel 3 gegeben wird. Die
Diplomarbeit von Herrn C. Rohde [ROH90] schuf wichtige Grundla-
Vorwort V11
gen zur vergleichenden Betrachtung von Ansatzen im Bereich des
Remote Procedure Calls, der in Kapitel 5 erortert wird. AuBerdem
steHte Herr Dr. Geihs uns wichtige Originalliteratur tiber die aktuel
len Standardisierungsbestrebungen in diesem Bereich zur Verfiigung;
dieses Material wird am Ende des Kapitels 5 zusammengefaBt. Bei
der Behandlung des verteilten objektorientierten Ansatzes wird auf
Vergleichsbetrachtungen zurlickgegriffen, die von einem der beiden
Autoren, Herrn Dr. Schill, im Rahmen seiner Dissertation [SCH90]
entwickelt wurden. Ebenso wird vielfach auf zwei Projekte Bezug
genommen, bei denen prototypische Programmiersprachen und Soft
wareproduktionsumgebungen fUr verteilte Anwendungen entwickelt
wurden. Beide Projekte, DESIGN [MOR88] und DOCASE
[MSH88], wurden von Herrn Prof. Mtihlhauser geleitet. Bei der Be
schreibung des verteilten objektorientierten Systems Emerald werden
teilweise Abbildungen und Tabellen aus der Seminarausarbeitung
von Herrn S. Engler aus [SHE88] verwendet. Herr G. Blakowski lei
stete im Rahmen seiner Diplomarbeit [BLA89] sehr gute Beittage bei
der Entwicklung eines Systems zur verteilten Konfigurationsverwal
tung; einige Teilergebnisse flossen in Kapitel 7 mit ein. FUr Kapitel
9.2 lieferte die Habilitationsschrift von Herrn Prof. Dr. H. Krumm
[KRU90] pragende Gedanken. Die wichtigsten Resultate der
Diplomarbeit von Herrn E. Mayer [MAY 86] worden zur praktischen
Veranschaulichung der Problematik des verteilten Debuggings in Ka
pitel9.6 eingesetzt. In dieses Kapitel gehen auch Arbeiten von Herrn
Thomas Detzel zur Laufzeit-Codeverwaltung ein. Die im Buch ver
wendete Beispielanwendung wurde im Rahmen einer Studienarbeit
[HOK89] von den Herren J. Hofler und T. Klenner realisiert. Die
Grundstruktur der Anwendung wurde begleitend zu einer Team
Diplomarbeit von den Herren C. Baader [BAA89], M. Wagner
[WA G89] und M. Wersch [WER89] ausgearbeitet.
An dieser Stelle sei all den genannten KoHegen und Studenten sowie
allen weiteren, an unseren Projekten beteiligten Personen, insbeson
dere den Kollegen yom Campusnahen Forschungszentrum CEC der
Firma DEC in Karlsruhe und yom IBM European Networking Center
in Heidelberg, ganz herzlich flir die engagierte Mitarbeit an den ein
zeInen Forschungsbereichen gedankt.
Vlll Vorwort
Den Herren G. Blakowski und J. Becher mochten wir ganz besonders
fUr ihre Hilfe beim Korrekturlesen und bei der Durchfuhrung der be
gleitenden Vorlesung danken. SchlieBlich sei auch den anonymen
Gutachtern gedankt, die uns wertvolle Hinweise zur Verbesserung
der Struktur des Buches gaben, sowie dem Springer-Verlag, nament
lich Herrn Rossbach, der die zugige Veroffentlichung ermoglicht hat.
Unser besonderer Dank gilt dem Leiter des Instituts fur Telematik
der Universitat Karlsruhe, Herrn Prof. Dr. G. KrUger, der un sere wis
senschaftliche Entwicklung stets vorbild1ich unterstiitzt hat und es
Herrn Dr. Schill durch die Gewahrung entsprechender Freiraume er
moglicht hat, an diesem Buch zu schreiben.
Nicht zuletzt mochten wir natUrlich auch unseren Ehefrauen Andrea
und Ursula danken, die stets groBes Verstandnis fUr unsere Arbeiten
zeigten und uns sehr wichtige personliche Unterstiitzung in allen
Lebenslagen gaben.
Max Miihlhauser und Alexander Schill, Karlsruhe, im Januar 1992
Inhalt
1 Einfiihrung und Grundlagen ..................................................... 1
1.1 Einsatz verteilter DV -Systeme: Motivation und
Entwicklungstendenzen ........................................................... 1
1.1.1 Generationswechsel von Rechnersystemen ..................... 1
1.1.2 Divergierende Wachstumsprofile ..................................... 3
1.1.3 Wichtigste Folgen dieser Entwicklung ............................ 6
1.2 Verteilte Systeme und verteilte Anwendungen ....................... 7
1.2.1 Ubersicht ......................................................................... 7
1.2.2 Gegenstand der Verteilung .............................................. 9
1.2.3 Zielsetzungen ................................................................. 10
1.2.4 Eigenschaften und Probleme .......................................... 11
1.3 Beispiel einer verteilten Anwendung ..................................... 13
2 Existierende Ansatze zur verteilten Programmierung .......... 15
2.1 Betriebssystem-Ansatz ........................................................... 16
2.2 Datenbank-Ansatz .................................................................. 18
2.3 Sprachintegrierter Ansatz: Verteilte Programme ................... 19
2.3.1 Verteilte Programmiersprachen ..................................... 20
2.3.2 Softwareproduktionsumgebungen .................................. 22
2.4 Funktionaler Ansatz ............................................................... 25
2.5 Vergleichende Bewertung ...................................................... 27
3 Betriebssystemansatz ................................................................ 29
3.1 Netzbetriebssysteme und verteilte Betriebssysteme .............. 29
3.2 Klienten-Server-Modell ......................................................... 31
3.3 Nameserver ............................................................................ 31
3.4 Dateiserver ............................................................................. 32
x Inhaltsverzeichnis
3.5 Entfernte Programmausfiihrung ............................................. 34
3.6 ProzeBmigration ..................................................................... 35
3.7 Systembeispiel: Das Netzbetriebssystem DACNOS ............. 37
3.7.1 Systemarchitektur ........................................................... 38
3.7.2 Das Kernsystem RSC ..................................................... 41
3.7.3 Der Task Setup Service .................................................. 49
4 Sprachintegrierter Ansatz ........................................................ 55
4.1 Nachrichtenaustausch mit Sprachintegration ......................... 55
4.2 Remote Procedure Call: Uberblick ........................................ 61
4.3 Verteilte objektorientierte Ansatze: Uberblick ...................... 62
4.4 Verteilte Konfigurationsverwaltung: Uberblick .................... 63
4.5 Verteilte Programmiersprachen ............................................. 64
5 Remote Procedure Call ............................................................. 71
5.1 Grundlagen des RPC .............................................................. 72
5.1.1 Begriffsdefinition ........................................................... 72
5.1.2 Grundlegender Ablauf eines RPC .................................. 73
5.1.3 Abgrenzung zum einfachen Nachrichtenaustausch ....... 75
5.2 Der Bindevorgang beim RPC ................................................ 76
5.2.1 Beschreibung von RPC-Schnittstellen ........................... 76
5.2.2 Lokalisierung .................................................................. 81
5.2.3 Optimierung des Bindevorgangs .................................... 84
5.3 Abwicklung von RPCs zur Laufzeit ...................................... 85
5.3.1 Kodierung von Ubertragungsdaten ................................ 85
5.3.2 Zugrundeliegende Transportmechanismen .................... 86
5.3.3 ProzeBverwaltung bei Klient und Server ....................... 90
5.4 Fehlersemantik des RPC ........................................................ 92
5.4.1 Fehlerursachen beim RPC .............................................. 92
5.4.2 Fehlersemantik-Klassen ................................................. 94
5.5 Beispiele fur existierende RPC-Systeme ............................... 96
Inhaltsverzeichnis Xl
5.6 Probleme mit herkommlichen RPC-Protokollen ................... 98
5.7 Fehlerbehandlung in RPC-Systemen ................................... 101
5.7.1 Fehlerbenachrichtigung ................................................ 102
5.7.2 Behandlung verwaister Aufrufe .. :. ............................... 103
5.7.3 Fehlertoleranz durch replizierte Aufrufe ...................... 105
5.7.4 Atomaritat .................................................................... 110
5.8 Asynchrone RPCs und Massendatentransfer ....................... 115
5.8.1 RPC und Massendatentransfer: Vergleich ................ ,.115
5.8.2 Integration der beiden Mechanismen ........................... 117
5.8.3 Asynchrone RPCs mit ErgebnisrUckgabe .................... 119
5.9 Sicherheitsaspekte des RPC ................................................. 123
5.9.1 Mogliche Beeintriichtigungen der Sicherheit. .............. 123
5.9.2 Verschllisselung ........................................................... 124
5.9.3 Identifizierung und Authentisierung ............................ 127
5.9.4 Mogliche Garantien und Kosten .................................. 128
5.10 RPC in offenen verteilten Systemen .................................. 130
5.10.1 RPC liber Weitverkehrsnetze .................................... 130
5.10.2 Heterogene RPC-Systeme und Implementierungen ... 133
5.11 Standardisierungsbestrebungen im Bereich des RPC ...... 137
5.11.1 Der RPC der Open Software Foundation ................... 137
5.11.2 Der RPC der ECMA und der ISO .............................. 139
6 Verteilte objektorientierte Ansatze ....................................... 141
6.1 Grundlagen des objektorientierten Ansatzes ....................... 141
6.2 Zentrale Begriffsdefinitionen ............................................... 142
6.3 Spezielle Eigenschaften ....................................................... 144
6.4 Existierende Sprachen und Systeme .................................... 146
6.5 Verteilte Erweiterungen ....................................................... 147
6.5.1 Zentrale Eigenschaften ................................................. 148
6.5.2 Resultierende Vorteile .................................................. 149
6.5.3 Anwendungsbeispiel .................................................... 151
6.5.4 Existierende Systeme ................................................... 154