FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita PB001: Uvod do informačních technologií Luděk Matýska a Eva Hladká podzim 2019 Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 1/35 FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Obsah přednášky Multimédia všitích Bezdrátové sítě Distribuované systémy Client-server model Mobilní systémy Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 2/35 Multimédia všitích FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Multimediální systémy CÍL: přenos zvuku a obrazu po počítačové síti Požadavky na kvalitu (vlastnosti) spojení ■ včasné doručení ■ nepříliš velký rozptyl doručení paketů Spojované sítě (telefony) ■ jednodušší řešení ■ nedostatečná koncová kapacita ■ potenciální plýtvání pásmem (musí být vyhrazeno, i když mlčíte) Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 3/35 Multimédia všitích FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Multimédia - podpora v IP sítích Přepínané sítě ■ mohou dobře využít muLticast ■ vyžadují kvalitu služby: rezervace ■ možná řešení ■ overprovision (dostatek kapacity bez ohledu na požadavky) ■ dedikované okruhy (a la telefony): VPN ■ rezervace pro každý tok zvlášt RSVP ■ agregace toků, rezervace (statická) pro agregace: DiffServ ■ pro současný Internet vhodné poslední řešení Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 4/35 Multimédia všitích FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Multimediální aplikace Streaming ■ způsob doručení multimediálního obsahu klientům prostřednictvím sítě ■ Live streaming ■ multimediální obsahu vzniká živě během streamování ■ Video on Demand vs. pasivní příjem ■ pasivní příjem obvykle pro příjem živých streamů ■ možné streamovat i multimediální archivy Videokonference ■ jednoznačný požadavek na interaktivitu ■ obousměrný provoz Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 5/35 Bezdrátové sítě FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Bezdrátové sítě CÍL: umožnit přístup k výpočetním a komunikačním zdrojům z mobilních zařízení ■ s infrastrukturou: buňková sít ■ bez infrastruktury: ad-hoc sítě HLavní charakteristiky: ■ podstatně vyšší chybovost ■ oprava přímo na spojení, ne ve vyšších vrstvách ■ často kombinováno s redundancí ■ optické sítě (infra, Laser) ■ silně závislé na vnějších podmínkách (mlha) ■ radiové ■ kapacita závislá na frekvenci, kvalita na kódování a vyzářené energii Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 6/35 Bezdrátové sítě FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Buňková síť ■ základové stanice pokrývají území signálem ■ základny jsou propojené drátovou sítí ■ veškerá komunikace mobilních agentů je směřována přes základové stanice ■ mobilní agent může plynule přecházet mezi základovými stanicemi Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 7/35 Bezdrátové sítě FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Ad-hoc sítě Motivace: vytvořit síť při absenci infrastruktury ■ živelné katastrofy, nedostatek financí/času ■ využívá pouze síťové vlastnosti účastníků Princip ■ kolekce autonomních uzlů komunikujících skrze decentralizovanou muLti-hop síť ■ každý uzeL zároveň koncovým uzlem i síťovým směrovačem ■ dynamická topologie sítě ■ řízení sítě rozděleno mezi jednotlivé uzly Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 8/35 Bezdrátové sítě FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Ad-hoc sítě Výhody ■ rychlé vybudování ■ odolnost - neobsahují single point of faiLure ■ efektivní využívání rádiového spektra Nevýhody ■ omezený dosah bezdrátové komunikace ■ komplikované řízení sítě díky neexistenci centrální entity ■ změny v topologii při pohybu mobilních uzlů Aplikace ■ záchranné operace při přírodních katastrofách ■ zasíťování osobních zařízení (hodinky, PDA, medicínské přístroje...) ■ vojenské operace ■ senzorové sítě LudHc Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 9/35 Bezdrátové sítě FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Mobilní počítání Možné realizace: ■ aLways on - bezdrátové sítě ■ přenos prostředí - realizované softwarově Mobilita s přenosem prostředí ■ např. čtení pošty přes webový prohlížeč ■ problémy ■ různost klientských systémů ■ bezpečnost - autentizace uživatele ■ vnímaná kvalita závislá na kvalitě připojení Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 10/35 Distribuované systémy FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Distribuované systémy ■ Počítač: několik vzájemně propojených komponent ■ Co se stane, když některé z propojení nahradíme sítí? Vznikne distribuovaný systém ■ Definice: ■ Systém, který je tvořen dvěma nebo více nezávislými počítači propojenými sítí a komunikujícími formou předávaní zprav. ■ Distribuovaný systém tvoří nezávislé počítače, které se uživateli jeví jako jeden celek [Tanenbaum]. Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 11/35 Distribuované systémy FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Příklady ■ Internet ■ Telefonní systém (automatické ústředny) ■ Multimediální systémy (videokonference, e-Learning) ■ Mobilní systémy ■ Clustery ■ Gridy ■ Peer-to-peer systémy ■ Cloud Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 12/35 Distribuované systémy FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Problémy distribuovaných systémů I Heterogenita jednotlivých složek ■ Middleware: skrýva heterogenitu (CORBA, Globus) ■ Mobilní kód (Java) Otevře n ost/i nte ro pe ra b i Lita ■ Nezbytné využití standardů Bezpečnost ■ Autentizace, autorizace, soukromí Zpracování výpadků ■ Detekce, maskování, tolerance Rozšiřitelnost Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 13/35 Distribuované systémy FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Problémy distribuovaných systému II Paralelismus ■ Nebezpečí např. smrtelného objetí" (deadlock) ■ Závislosti (synchronní pohled) Transparence ■ Přístup ■ Místo ■ Replikace ■ Selhání ■ Mobilita/přenositelnost ■ Výkon ■ Škálovatelnost/rozšiřitelnost Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 14/35 Distribuované systémy FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Gridy Motivace: sdílení výpočetních zdrojů za účelem zvýšení efektivity ■ inspirace z elektrické rozvodné sítě (powergrid) Vlastnosti ■ rozsáhlé distribuované systémy ■ heterogenní ■ geograficky rozsáhlé ■ dynamické (z pohledu uživatele) ■ velký výkon (desítky tisíc procesorů) ■ velké datové objemy (PB a více) Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 15/35 Distribuované systémy FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Gridy - príklady Data Gridy - zpracování velkých objemů dat, generovaných ■ zařízeními časticové fyziky ■ radioteleskopy ■ analýzou genomu ■ 3D snímky (mozek) Výpočetní Gridy - náročné výpočty ■ astronomie ■ vlastnosti materiálů ■ předpověď počasí (též Data Grid) ■ struktura a chování molekul Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 16/35 Distribuované systémy FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Cloud Computing ■ Nový přístup k nabídce výpočetních a úložných služeb ■ Postaven na virtualizaci zdrojů ■ Ta umožňuje nabídnout počítač nebo celou skupinu počítačů (cluster, grid) při zachování spravovatelnosti (manageability) ■ Uživatel dostává Jiolý" systém, který sám spravuje ■ Jednoduchý přístup, zpravidla přes webové rozhraní ■ Pay per use, tj. žádné počáteční investiční náklady Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 17/35 Distribuované systémy FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Cloud Computing - príklad Amazon ELastic CLoud ■ přístup přes webové rozhraní ■ platba kreditní kartou ■ součástí nabídky i úložný prostor (Amazon S3) ■ nestrukturované objekty (upload/douwnload), blokový systém (holý disk), filesystém ■ platba i za přenos dat z/do S3, nikoliv za interní přesuny dat Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 18/35 Distribuované systémy FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Cloudy - shrnutí Qoudy nabízí flexi b i In ľkapaáty m Je možné okamžitě dokoupit daLší zdroje ■ VirtuaLizace podporuje navyšování výkonu poskytnutím kopií ■ Potenciál pro odolnost proti výpadku Otevřené bezpečnostní problémy ■ Nejistota, kde jsou skutečně data uložena ■ Data i výpočty de-facto outsourcovány - ztráta kontroly Vhodné zejména tam, kde bezpečnost není kritická a není možné předem odhadnout skutečnou potřebu zejména výpočetního výkonu (a ta silně kolísá v čase) Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 19/35 Client-server model FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Client-server model ■ Distribuované počítání ■ Využití prvků (počítače) propojených počítačovou sítí ■ Dekompozice úlohy na podúlohy ■ Paralelní vykonávání podúloh Na různých systémech propojených sítí ■ Client-server model ■ Speciální případ distribuovaného počítání ■ Více strukturované ■ Asymetrické: klient posílá požadavek na zpracování serveru ■ Server pro jednoho klienta může být klientem pro jiný server. Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 20/35 Client-server model FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Vlastnosti modelu client-server ■ Klient a server samostatné procesy ■ Na stejném nebo různých počítačích ■ Interní informace je soukromá" pro každý proces ■ Klient i server se mohou vzájemně prokázat (autentizace) ■ Komunikují duplexním protokolem ■ Komunikace může být šifrovaná Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 21/35 Client-server model FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Požadované vlastnosti ■ InteroperabiLita ■ Klient a server mohou běžet na zcela odlišných systémech ■ Portabilita ■ Stačí zajistit u klientů ■ Integrace ■ Transparence ■ Klient vidí jen „svůj" server, nikoliv jeho další komunikaci ■ Bezpečnost ■ Autentizace klienta i serveru ■ Šifrovaná komunikace ■ Důvěryhodný server Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 22/35 Client-server model FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Příklady ■ telnet, ssh ■ X Win d ow systém na Unixu ■ Světová pavučina (WorLd Wide Web) ■ Distribuované systémy souborů (AFS, NFS, Samba/CIFS) Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 23/35 Client-server model FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Třívrstevný model klient-server architektury ■ Základní rozčlenění ■ Data ■ Logika ■ Prezentace ■ Sousední možno kombinovat/rozdělit (tj. např. Logika může být součástí datové i prezentační vrstvy, a to i současně) Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 24/35 Client-server model FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita „Tlustý" a „tenký" ■ PLatí pro server i klient, podstatné zejména v souvislosti s klienty ■ JLustý" (fat) klient: ■ Značná spotřeba lokálních zdrojů (CPU, pamět disk) ■ Komplexní provedení i instalace ■ Příklad: Mozilla ■ Jenký" (thin) klient: ■ Jednodušší ■ Snadná správa a přenositelnost ■ Menší škálovatelnost (příliš mnoho práce dělá server) ■ Zpravidla vyšší nároky na propustnost sítě Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 25/35 Client-server model FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Middleware ■ Software zajišťující funkcionalitu distribuovaných systémů ■ ,Zkratka" v rámci protokolů ■ Stojí „nad" operačním systémem, ale „pod" aplikací ■ Propojuje oddělené komponenty distribuovaného systému ■ Dovoluje aplikacím komunikaci přímo na vyšší abstraktní úrovni ■ Realizuje jednu (RPC) nebo více (DCE) funkcí Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 26/35 Client-server model FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Middleware - příklady ■ Primitivní: přenos souborů ■ Základní: RPC (Remote Procedure Call) ■ Integrované: DCE (Distributed Computing Environment) ■ Distribuované objektové služby: CORBA, OGSA (Open Grid Service Architecture), Web Services Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 27/35 Client-server model FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita CORBA ■ Common Object Request Broker Architecture ■ Základem ORB: vrstva, která zprostředkovává komunikaci (middleware pro middleware) ■ Kompomenty: ■ Rozhraní (řetězce) ■ Umožňují volání procedur mezi klientem a serverem ■ Pojmenování (naming service) ■ .Obchodní" služba (trader) ■ Vyhledávání vhodného serveru ■ A mnoho dalších Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 28/35 Client-server model FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Webové služby ■ Využívají standardní protokoly zavedneé v rámci WWW konsorica (W3C) ■ Určeny pro interakci mezi počítači přes počítačovou síť ■ WSDL(Web Services Description Language) ■ Popisuje rozhraní služby ■ SOAP (Simple Object Access Protocol) ■ Protokol pro výměnu zpráv ■ XML (extensible Markup Language) ■ Značkovací jazyk používaný pro popis objektů a vlastní komunikaci Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 29/35 Client-server model FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Peer-to-peer (P2P) systémy ■ decentralizovaný distribuovaný systém: kLient-kLient ■ tvořen vzájemně komunikujícími identickými entitami (peery) ■ opak modelu klient-server ■ každý peer je zároveň serverem i klientem ■ poskytuje služby ostatním peerům - role serveru ■ využívá služby ostatních peerů - role klienta Příklady ■ Skype - přenos hlasu a obrazu v reálném čase ■ BOINC - platforma pro distribuované výpočty ■ BitTorrent - sdílení dat ■ BitCoin - digitální měna ■ ... Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 30 / 35 Client-server model FAKULTA INFORMATIKY Masarykova univerzita Vlastnosti P2P systémů ■ distribuované řízení - neexistence centrální entity ■ samoorganizace ■ heterogenita - peerové běží na různých platformách ■ škálovatelnost - nehrozí přetížení centrální entity ■ dynamika - topologie systému se velmi rychle mění ■ sdílení zdrojů - každý peer se svými zdroji podílí na fungování P2P systému Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 31/35 Client-server model FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Klient-Server vs. Peer-to-Peer I Náročnost zbudování ■ K-S využívá jednoduchých modelů komunikace ■ P2P vyžaduje komplexní interakce Spravovatelnost ■ správa K-S systému je přehlednější díky koncentraci komunikace v jednom bodě Škálovatelnost ■ K-S model Limitován HW parametry serveru - využívá se vyvažování zátěže mezi několika fyzickými stroji ■ P2P systém škáluje z principu - s rostoucím počtem peerů roste kapacita systému Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 32/35 Client-server model FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Klient-Server vs. Peer-to-Peer II Bezpečnost ■ v K-S modelu je za bezpečnost zodpovědný server ■ v P2P systému je zodpovědnost rozložena mezi peery - nutnost komplexnějších bezpečnostních protokolů Spolehlivost ■ K-S systém je závislý na běhu serveru - single point of failure ■ P2P systém je do velké míry redundantní - jednu funkcionalitu poskytuje zároveň více peerů Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 33/35 Mobilní systémy FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Mobilní systémy ■ Inherentně distribuované ■ Přiměřeně malá zařízení přenášená uživateli ■ Trvale nebo občas připojená do sítě ■ Omezená procesní kapacita ■ Klient/server nebo peerto peer model ■ Klient/server lépe přizpůsobitelný dostupnému výkonu mobilních zařízení ■ Nutno ošetřit práci v odpojeném stavu ■ Vyvažování mezi kvalitou připojení a lokálně dostupným výkonem ■ Konvergence ■ Růst výkonu malých zařízení (smartphones) ■ Dostupnost a kvalita sítě ■ Sdílení aplikací ■ Často s využitím nemobiLního serveru Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 34/35 Mobilní systémy FAKULTA INFORMATIKY I Masarykova univerzita Senzorové sítě ■ MaLá (mobilní) zařízení sledující jisté parametry okolí ■ Teplota okolí (požáry) ■ Tlak, vlhkost, ...(budovy, stavby obecně, ale i sledování osob) ■ Komunikační zátěž ■ Omezená kapacita baterie ■ Nutné protokoly, které garantují „přiměřenou" konektivitu, ale nezatěžují baterie ■ Cena výpočtu (vlastnost algoritmu/protokolu) vyjádřena ve Wattech, nikoliv počtu instrukcí ■ Bezpečnostní aspekty ■ Senzoru se může útočník fyzicky zmocnit ■ Kompromitace senzoru nesmí ohrozit celou síf Luděk Matýska a Eva Hladká • PB001: Úvod do informačních technologií • podzim 2019 35/35