Verteilte Systeme

Autor: Prof. Dr. Martin Becke
Datum: 25. April 2024
Lizenz: Creative Commons (4.0 International License) CC BY-NC-SA 4.0

Einleitung

Das Skript behandelt verteilte Systeme, eine zentrale Technologie in vielen IT-Anwendungen. Die Einführung fordert die Studierenden auf, das Skript aktiv mitzugestalten und zu verbessern, um die Qualität der Bildung zu erhöhen. Dieses Repo ist die Instanziierung einer direkten Möglichkeit.

Anleitung CodeSpace erstellen

• CodeSpace öffnen: Navigieren Sie zu Ihrem Repository und klicken Sie auf den grünen Button "Code" und dann auf "Open with CodeSpaces". Wählen Sie dann "New CodeSpace".
• Warten Sie, bis der CodeSpace bereit ist: GitHub wird eine Cloud-basierte Entwicklungsumgebung für Sie vorbereiten. Dies kann einige Minuten dauern.

Inhaltsübersicht

• Studienplan: Gliederung der Themen über das Semester.
• Architektur: Diskussion über funktionale vs. ressourcenorientierte Zerlegung, Schnittstellen zwischen Entitäten und Architekturparadigmen wie Schichtenarchitektur und Microservices.
• Realisierung: Behandlung von Prozessen und Threads, Multithreading, Serveranwendungen und Virtualisierung.
• Koordination, Konsens und Fehler: Erörterung von Konsistenzmodellen, Synchronisationsprotokollen und Konsensbildung in verteilten Systemen.
• Algorithmen: Verschiedene Algorithmen für paralleles Rechnen und Koordination.
• Betrieb/Deployment: Themen wie Monitoring, Debugging und Deployment.

Wichtige Technologien und Konzepte

• Message Passing
• Pattern
• RPC/Chord/Blockchain-Technologie
• Discovery
• Fehler- und Fehlertoleranzmechanismen

Anwendungsbereiche

Von Online-Transaktionssystemen bis zu drahtlosen Sensornetzwerken und Cloud-Anwendungen.

Herausforderungen

Die Planung und Integration verteilter Systeme, Gewährleistung der Datensicherheit und Datenschutz sind kritische Aspekte, die leider noch nicht betrachtet werden.

Beitrag zum Lernprozess

Das Skript ist als interaktives Lehrmittel konzipiert, das die aktive Beteiligung und das Engagement der Studierenden erfordert, um theoretisches Wissen praktisch umzusetzen.

Zielsetzung

Das Hauptziel ist es, den Studierenden ein tiefes Verständnis für die Planung, Entwicklung und Implementierung verteilter Systeme zu vermitteln.

Struktur (Navigation im Projekt)

Die Struktur des Projektes ist am einfachsten der Main-Datei vs-script-first-v01.tex zu entnehmen.

Präambel

Shell-Escape Konfiguration

• % !TEX options=--shell-escape erlaubt LaTeX, externe Programme auszuführen, was für die Verwendung von makeindex und ähnlichen Tools notwendig ist.

Dokumentenklasse und Pakete

• \documentclass[a4paper]{article}: Setzt das Dokument als Artikel mit A4-Papiergröße.
• Wichtige Pakete:
  • geometry: Ändert die Ränder des Dokuments.
  • inputenc und fontenc: Stellen sicher, dass Umlaute und Sonderzeichen korrekt dargestellt werden.
  • babel: Stellt Spracheinstellungen auf Deutsch.
  • amsmath, amssymb, amsthm: Für mathematische Notationen.
  • graphicx, caption, subcaption: Für Bildunterschriften und die Einbindung von Grafiken.
  • listings und color: Für das Einfügen und die Farbgebung von Quellcode.
  • hyperref: Ermöglicht das Erstellen von interaktiven Links im Dokument.

Befehle und Umgebungen

• \newcommand: Definiert neue Befehle für wiederholte Anwendungen.
• \lstset: Konfiguriert das Aussehen von eingefügtem Code.

Dokumentenkörper

Titelseite

• \title, \author, \date: Definieren den Titel, Autor und das Datum des Dokuments.
• Grafik wird zentriert auf der Titelseite angezeigt.

Inhaltsverzeichnis

• \tableofcontents: Erzeugt ein Inhaltsverzeichnis basierend auf den Überschriften und Untertiteln im Dokument.

Kapitel

• \input und \subfile: Ermöglichen das Einbinden von Inhalten aus anderen Dateien, was die modulare Struktur unterstützt.

Indizes und Bibliographie

• \makeindex und \printindex: Für die Erstellung und Anzeige eines Stichwortverzeichnisses.
• \printbibliography: Zeigt das Literaturverzeichnis an, basierend auf den Einträgen in der .bib Datei.

Spezielle Einstellungen

Kopf- und Fußzeile

• \pagestyle{fancy}: Definiert einen eigenen Stil für Kopf- und Fußzeilen.
• \fancyhead und \fancyfoot: Ermöglichen spezifische Anpassungen für Kopf- und Fußzeileninhalte.
  • Rechte Kopfzeile zeigt den Abschnittstitel.
  • Zentrale Fußzeile zeigt die aktuelle Seitenzahl von der Gesamtzahl der Seiten.
  • Linke Fußzeile enthält das Copyright.
• \renewcommand{\headrulewidth} und \renewcommand{\footrulewidth}: Stellen die Dicke der Trennlinien in Kopf- und Fußzeilen ein.

Farbdefinitionen und Listings

• definecolor: Definiert benutzerdefinierte Farben, die im Dokument verwendet werden.
• lstset: Konfiguriert das Aussehen von Code-Listings, einschließlich Spracheinstellungen, Farbstilen und Formatierungsoptionen.

Hauptteil

Motivationsabschnitt

• Einleitende Worte zur Bedeutung des Skripts und zur Aufforderung an die Studierenden, sich aktiv an der Weiterentwicklung zu beteiligen.

Versionsgeschichte und Urheberrecht

• Dokumentiert die Versionsgeschichte des Skripts und gibt rechtliche Informationen an.

Kapitelstruktur

Einleitung

• Datei: kapitel-01/chapter-01.tex
• Inhalt: Die Einleitung gibt einen Überblick über das Thema Verteilte Systeme und setzt den Rahmen für die weiteren Kapitel.

Architektur

• Datei: kapitel-02/chapter-02.tex
• Inhalt: Dieses Kapitel behandelt die grundlegenden Architekturmodelle und -konzepte, die in verteilten Systemen verwendet werden.

Realisierung

• Datei: kapitel-03/chapter-03.tex
• Inhalt: Im Fokus stehen die technischen Aspekte und Herausforderungen bei der Implementierung verteilter Systeme.

Koordination

• Datei: kapitel-04/chapter-04.tex
• Inhalt: Dieses Kapitel geht auf die Koordinationsmechanismen und Algorithmen ein, die in verteilten Systemen zur Synchronisation und Kommunikation genutzt werden.

Algorithmen

• Datei: kapitel-05/chapter-05.tex
• Inhalt: Es werden spezifische Algorithmen vorgestellt, die für die Aufgabenverteilung und das Management in verteilten Systemen kritisch sind.

Deployment

• Datei: kapitel-06/chapter-06.tex
• Inhalt: Das letzte Kapitel beschäftigt sich mit Deployment-Strategien und Betriebsüberlegungen für verteilte Systeme.

Organisationsstruktur

• Datei: orga/vs-script-orga.tex
• Inhalt: Dieses Dokument enthält organisatorische Informationen zum Skript und Hinweise zur Nutzung und Bearbeitung des Materials.

Anmerkungen

• Jedes Kapitel ist als separates Subfile organisiert, was die Wartung und Aktualisierung der Inhalte erleichtert.
• Die Nutzung von \subfile{...} erlaubt es, jedes Kapitel separat zu kompilieren, was die Entwicklung und Überprüfung von Inhalten vereinfacht.

Anhänge

Stichwortverzeichnis und Literaturverzeichnis

• \printindex: Fügt das Stichwortverzeichnis am Ende des Dokuments ein.
• \printbibliography: Zeigt das Literaturverzeichnis basierend auf den Einträgen in der .bib Datei.

Fußnoten

• Einsatz von Fußnoten für zusätzliche Informationen oder Referenzen im Text.

Lizenzinformationen

• Erklärung der Lizenz, unter der das Dokument veröffentlicht wird, mit einem Link zur vollständigen Lizenzbeschreibung.

Abschluss

• Abschließende Worte oder Danksagungen, oft genutzt, um Beitragende zu erwähnen und die Bedeutung ihrer Mitwirkung hervorzuheben.