Verkkosovelluksen toimintaperiaatteita

Verkkosovellus

Aiemmalla kurssilla kävimme jo läpi Internetin protokollapinon ja eri kerrosten tehtävät. Tarkastellaan nyt huolellisemmin sovelluskerroksen ohjelmistoja ja niiden periaatteita. Sovelluskerros on protokollapinon ylin kerros. Sen alapuolella olevien kerrosten toteutuksesta vastaa käyttöjärjestelmä tai laitteisto. Muistathan, että sovelluskerros on vain verkon reunoilla olevilla laitteilla. Verkkosovelluskin siis toimii vain näillä laitteilla.

Jos ohjelmien todellinen suoritusympäristö on pilvipalvelussa, virtuaalikoneella tai jossain muussa uudemmassa arkkitehtuuriratkaisussa (kuten kontit), niin näillä on usein omia sisäisiä hierarkiatasoja. Virtuaalikoneella voi esimerkiksi olla oma käyttöjärjestelmä ja sen toteuttama protokollapino. Tällä kurssilla emme kuitenkaan ehdi paneutua näihin, mutta lukijan on hyvä muistaa, että todellisuus on huomattavan monimuotoisempi kuin kurssilla käsitelty perinteinen malli. Perinteisessä mallissa ajatellaan, että sovelluskerroksen ohjelmaa suoritetaan suoraan käyttöjärjestelmän päällä toimivassa prosessissa. Prosessin toimintaa on kuvattu Tietokoneen toiminta -kurssin materiaalissa. Käyttöjärjestelmän näkökulmasta kaikki nämä uudet suoritusympäristötkin ovat prosesseja, jotka ovat sisäisesti vain hyvin paljon monimuotoisempia ja käyttävät sen tarjoamaa protokollapinoa hyvin perinteisesti.

Verkkosovellus ohjelmistosta muodostuu, kun sen osia suoritetaan useammalla koneella eri prosesseissa ja prosessien täytyy kommunikoida keskenään. Ohjelmien (tai prosessien) välinen kommunikointi täytyy suunnitella huolellisesti. Ensin täytyy päättää, millaista kommunikointimallia ohjelman osien välillä halutaan käyttää, ja sitten suunnitella protokolla tälle kommunikoinnille.

Yksinkertainen ja paljon käytetty kommunikointimalli on asiakas-palvelija -malli, jossa ohjelmiston eri komponentit ovat joko asiakkaita tai palvelijoita. Yhdellä palvelijalla voi olla useita asiakkaita, mutta yksi asiakas tyypillisesti käyttää vain yhtä palvelijaa kerrallaan. Eri suorituskerroilla tai eri aikoina asiakas voi käyttää eri palvelijoita. Asiakkaat olettavat, että palvelin on aina niiden käytettävissä eli saatavilla 24/7 (24 tuntia vuorokaudessa, 7 päivää viikossa). Asiakkaan pitää tietää, miten palvelimeen otetaan yhteyttä (palvelimella pysyvä IP-osoite). Palvelin vain odottaa yhteydenottoja. Palvelinohjelmaa suorittavat palvelinkoneet on usein koottu erillisiin palvelinkeskuksiin (engl. data center), jossa niiden ylläpito ja seuranta on helpompi toteuttaa. Asiakaspuolen ohjelma puolestaan on usein käyttäjän omalla koneella. Asiakkaat ovat yhteydessä palvelimeen tyypillisesti vain silloin, kun ne tarvitsevat palvelua. Ne voivat vaihtaa sijaintiaan verkossa ja silloin niiden IP-osoitekin voi eri yhteyskertojen välillä vaihtua. Asiakkaat eivät kommunikoi keskenään vaan ainoastaan palvelimen kanssa. Hyvä esimerkki asiakasohjelmistosta on web-selain.

Toisessa yleisesti käytetyssä mallissa kaikki ohjelmiston osat ovat keskenään samanarvoisia ja kommunikoinnin voi aloittaa mikä tahansa osapuoli. Tästä mallista käytetään usein nimitystä vertaisverkko (engl. peer-to-peer network). Puhtaimmillaan tässä mallissa ohjelman komponenteilla ei ole toisistaan poikkeavia rooleja tai toiminnallisuutta, vaan kaikki tekevät kaikkea. Kun keskitettyä palvelinta ei ole, niin komponenttien pitää pyytää palveluja toisiltaan ja myös antaa palveluja toisille. Vertaistoimijoiden ei tarvitse aina olla aktiivisia ja niiden IP-osoitekin voi muuttua. Tästä seuraa, että tällaisen verkon ylläpitäminen on monimutkaista, kun verkon jäsenet koko ajan vaihtuvat.

Todellisuudessa monet laajat verkkosovellukset ovat näiden kahden mallin sekoituksia. Esimerkiksi verkkopeleille on tyypillistä se, että pelin alussa käyttäjän ohjelma ottaa yhteyttä palvelimeen, mutta pelin kuluessa osa kommunikoinnista voi tapahtua vertaisverkon kaltaisesti suoraan kahden pelaajan ohjelmistojen välillä ilman palvelinta.

Sovelluskerroksen odotuksia kuljetuskerrokselle

Sovelluksen oman kommunikoinnin suunnittelussa täytyy ottaa kantaa siihen, millaista palvelua kuljetuskerrokselta halutaan. Kuten aiemmin jo havaitsimme, itse tietoliikenneverkon toiminta on epäluotettavaa, mutta useimmat sovellukset ja niiden suunnittelijat haluavat luotettavaa viestinvälitystä sovelluksen komponenttien välillä. Tällöin sovellus edellyttää, että kuljetuskerros tarjoaa tällaisen luotettavan viestin välityksen. Sovellus voi myös hoitaa kadonneisiin viesteihin liittyvän toipumisen sovelluksen oman logiikan mukaisesti, jolloin sille voi hyvin riittää epäluotettava kuljetuspalvelu.

Sovelluksilla on itse asiassa paljon erilaisia toiveita ja tarpeita viestien kuljetukselle. Kurose-Rossin oppikirjassa Computer Networking nämä on jaoteltu neljään ryhmään: tiedon eheys, ajoitukset, suoritusteho ja turvallisuus. Tiedon eheys (engl. data integrity) -ryhmään kuuluvat ne sovelluksen vaatimukset, jotka liittyvät viestinnän luotettavuuteen. Esimerkiksi edellytetään, että sanomat menevät perille juuri sellaisina kuin ne on lähetetty. Ajoitukset (engl. timing) liittyvät esimerkiksi pakettien siirtoaikojen vaihteluun yms. Suoritusteho (engl. throughput) liittyy verkon tarjoamaan kapasiteettiin ja sen riittävyyteen sovelluksen näkökulmasta. Sovellus voi tarvita esimerkiksi tietyn minimikapasiteetin voidakseen toimia hyvin. Turvallisuus (engl. security) kattaa sitten erilaiset tiedon suojaukseen ja salaukseen liittyvät seikat.

Sovelluksen odotuksia ja verkon tarjoamia palveluja voidaan kuvata numeerisesti palvelun laatu-termin (engl. quality of service, QoS) avulla. Pakettikytkentäisen verkon palvelun laatuun liittyy useita erilaisia numeerisia arvoja, kuten suurin sallittu paketin koko (engl. maximum packet size), siirtonopeuden keskiarvo (engl. mean transfer rate), virhetaajuuden keskiarvo (engl. mean error rate), paketin siirron keston keskiarvo (engl. mean packet transfer delay), siirtoviive (engl. transmission delay) ja pahin mahdollinen vaihtelu (engl. worst-case jitter). Tässä on edelleen tavallaan kyse pakettien siirtoaikojen vaihtelusta, mutta nyt nimenomaan maksimivaihteluvälistä. Kyse on siis yksinkertaisesti siitä, kuinka paljon kahden eri viestin siirtoajoissa voi olla vaihtelua keskenään. Jos kaikki paketit kulkevat saman ajan, niin vaihtelua ei ole. Jos pakettien siirtoajoissa on suuria eroja, niin myös vaihtelu on suurta.

Tämä nimenomainen termi 'quality of service' QoS on tietoliikenteessä suhteellisen vakiintunut nimenomaan kuljetuskerroksen TCP:n palvelutason kuvaukseen liittyen. Sen tarkempi tarkastelu tässä yhtydessä jätetään myöhemmille kurssille. Tietoliikennealan asiantuntijan on hyvä huomata, että vaikka termi internet-verkoissa on varsin vakiintunut TCP:n palvelutasoon liittyen, niin yleisterminä palvelun laatu on paljon muuutakin. Siksi pitää aina olla varovainen, jos keskustelukumppani sanoo QoS. Silloin on syytä tarkistaa, että mitä hän kyseisellä termillä ymmärtää. Vastaus voi olla hyvin yllättävä.

Sovelluksen tarpeet yhteyden laadulle liittyvät nimenomaan sovelluksen oman kommunikoinnin ominaisuuksiin. Sovellus saattaa tarvita tietyn siirtonopeuden tason, jotta tarvittavat sovelluksen tiedot saadaan riittävän nopeasti siirrettyä lähettäjältä vastaanottajalle. Taso voidaan määritellä joko kiinteänä minimitasona tai minimikeskiarvona, jolloin sovellus sietää jonkun verran vaihtelua eri pakettien siirtoajoille. Sovellus saattaa myös asettaa ylärajoja erilaisille viiveille ja siirtoaikojen vaihtelulle. Näiden avulla sovellus pyrkii turvaamaan oman toimintansa laadun. Esimerkiksi videota siirtävä sovellus tarvitsee riittävän siirtonopeuden ja rajoitetut viiveet, jotta videokuva näkyisi vastaanottajalla nykimättä.