Ad Cap3 Prog Comunicacao

8/8/2019 Ad Cap3 Prog Comunicacao

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Alexandre Fonte Material de Apoio a AD, ESTCB Edio 2010-2011 1

Comunicao entre Processos

Licenciatura em Engenharia InformticaAplicaes Distribudas

3 Ano 5 SemestreAno lectivo 2010-2011


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Alexandre Fonte Material de Apoio a AD, ESTCB Edio 2010-2011

Resumo

Comunicao entre Processos Mecanismos de Comunicao entre Processos Passagem mensagens:

Pipes, FIFOs Sockets

Representao externa de Dados e Marshalling


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O modelo processo um modo til para isolarprogramas em execuo: Separar recursos, estado, etc Simplificao atravs da escrita de programas simples

Mas, ... existem aplicaes que precisam que osprocessos sejam capazes de comunicar e desincronizar entre eles:

No mesmo espao de endereamento: Um simples pedido deutilizador pode resultar na execuo de vrios processos no sistemaoperativo, onde normalmente estes processos necessitam decomunicar entre si

Em espaos de endereamento diferentes: Um pedido deconsulta a uma base de dados pode resultar no pedido remoto deconsulta sobre um processo remoto que gere o acesso base dedados remota (em mquinas remotas).


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Espao deendereamento

doSistema Operativo

Processo A Processo B

Espao deendereamentoPrivado


Privado

Ilustrao Processos no mesmo espao de Endereamento

Normalmente, nenhum processo pode escrever noespao de endereamento de outro processo


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Espao de endereamentodo Sistema Operativo (A)

Espao de endereamentodo Sistema Operativo (B)



Privado


Privado

Ilustrao Processos em espaos de Endereamento diferentes


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Fundamentalmente, existem dois tipos de solues,fornecidas pelos SO:

1. Suporte de alguma forma de partilha entre espaos deendereamento:

Memria partilhada

2. Utilizao de mecanismos explcitos para transporte dedados entre o espao de endereamento de um processoe o espao de endereamento do outro processo:

Passagem de Ficheiros, passagem mensagens, chamadas deprocedimentos remotos, invocao remota de mtodos, etc

Nota: Cada mecanismo IPC tem as suas vantagens e limitaes,podendo existir programas que utilizem vrios mecanismosdisponveis.


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Memria Partilhada

Mecanismo pelo qual os processos podem trocar dados mais rapidamente Processos distintos partilham uma zona de memria comum

Fisica ou virtual (normalmente em disco) Comunicaes atravs de via normais reads/writes Pode ser necessrios mecanismos de sincronismo

E.g., baseados em trincos

write variable xmain () {.x = 10.

..}

.

.

.print(x);.

..

read variable x

x: 10


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IPC atravs do Sistema de Ficheiros

Mais lento que o mecanismo de memria partilhada Processo emissor escreve um ficheiro Processo receptor l o ficheiro Quando pode o receptor ler o ficheiro?

Utilizao frequente de trincos (locks)

Processo A Processo BDados


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Passagem de Mensagens

O emissor formata os dados em mensagens O SO envia a mensagem para o buffer do receptor O receptor l a mensagem

Processo A Processo B

Dados de Aenviados para B

OS

Bufferdo receptor


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Chamadas de Procedimentos(Remote Procedure Calls)

Mtodo que permite a chamada de procedimentos sobre outrosespaos de endereamento Usa uma interface remota idntica interface local Os dados so passados como parmetros Geralmente, a chamada de um RPC bloqueia at chegada dos

resultados da execuo do RPC

11Processo A Processo B

Dados como parmet rosmain () {

.rpc();.

..}

.

.

.server();

..

.Dados comovalores de retorno


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Invocao Remota de Mtodos(Remote Invocation Method)

Semelhante aos RPCs Mtodo que permite a invocao de mtodos sobre

objectos em execuo numa mquina virtual remota

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cliente A Objecto Remoto

Dados como parametrosC=Objecto.metodo(A,B)

metodo(Obj1 a,Obj2b) {

//Implementao domtodo...}

Dados comovalores de retorno


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Passagem de mensagens o paradigma base para as aplicaesdistribudas Um processo envia uma mensagem representando um pedido A messagem entregue no receptor, o qual processa o pedido, e

devolve a resposta numa mensagem. Eventualmente, a resposta pode disparar um pedido adicional,... Exemplos de mecanismos IPC baseados neste paradigma:

Na mesma mquina: Pipes, FIFOS, message queues Entre mquinas: Sockets

Process AProcess B

a message

Message passing

Passagem de Mensagens (1)


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As mensagens so, portanto, um dos blocos bsicosconstituintes de uma comunicao inter-processos

Uma mensagem um pedao de informao que trocado entre processos


11 2.4 1 100 3.5 1002MsgID p1 p2 p3 p4 p5

float a=2.4int b=1long c=100, etc

ProcessoEmissor Processo

Receptor


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As mensagens consistem num: Cabealho

Tipo da mensagem ID da fonte e destino

Comprimentos damensagem Informao de controlo

Corpo

Contedo (dados)



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As operaes bsicas para suporte da passagem de mensagensso:

Send(message) Receive(message) .

Com esta abstraco, os processos em comunicao realizamtrocas de dados (I/O-input/output) de forma semelhante escrita eleitura de um ficheiro.

Estas operaes I/O encapsulam os detalhes das comunicaesao nvel do sistema operativo.



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Problema 1: Os dados, em programas, sorepresentados como estruturas de dados, enquanto quea informao em mensagens sequencial.

Problema 2: Heterogeneidade na Representao dosDados Diferentes arquitecturas (processadores), sistemas e linguagens

podem ter: diferentes representaes de nmeros inteiros (2, 4, 8 bytes?) ou

reais diferente ordem na representao de inteiros (big-endian, little-

endian) diferentes representaes de caracteres (ASCII, Unicode)

Mapeamento de estruturas de dadospara mensagens


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Mapeamento de estruturas de dadospara mensagens

Big-endian vs Little-endian

e.g., Computadores comCPUs Intel

e.g., Computadores com CPUsMotorola


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Tabela ASCII (7 bits)


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Tabela Unicode (2 bytes)


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Solues para definir o formato no qual os dados devempassar na Rede:

Forma Nativa: Transmisso de dados na sua forma nativa juntamentecom um identificador da arquitectura (Ex: Intel ou Motorola ).

Representao externa de dados: Converter os dados numa formaexterior acordada entre ambos ( marshalling e unmarshalling )

As estruturas de dados so aplanadas (serializadas) e convertidas parauma forma externa combinada antes da transmisso e reconstrudasaps a recepo;

Omisso: Poder omitir-se tambm o uso de uma forma exterior caso oscomputadores em jogo sejam da mesma arquitectura.

Solues p/ representaodos Dados na Rede


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Mais sobre Marshalling e Unmarshalling Marshalling o processo de montagem de um conjunto de dados numa

forma adequada para a sua transmisso numa mensagem. Unmarshalling o processo inverso.

Marshalling = arrange in proper order

O marshalling consiste em: Aplanar as estruturas de dados para uma sequncia de dados; Codificao do formato interno para o formato externos (rede).

Unmarshalling : Descodificao do formato rede para o formato interno; Reconstruo das estruturas de dados .

O processo de marshalling e unmarshalling vulgarmente efectuado pelacamada de middleware .

Marshalling e Unmarshalling


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Marshalling e Unmarshalling

Processo 1

Processo 2

Marshalling

Unmarshalling

0110101 ....1010101010....

Double a=10.1String str=Sistemas Distribudos

Middleware

Middleware


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Exemplos de representao externa de dados Especificao XDR (External Data Representation) (RFC 1832) em que

a mensagem constituda por uma sequncia de objectos com 4bytes, em que os nmeros ocupam um objecto e os caracteres seencontram em ASCII.



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IPC e Ligaes

Os mecanismos IPC podem ser sem ligao ou podemrequerer ligao Mecanismos IPC sem ligao no requerem setup inicial Mecanismos IPC com ligao requerem negociao e

setup antes da troca de dados entre processos.


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Connectionless IPC(Sem Ligao)

Os dados simplesmente fluem em blocos de bytes com fronteiras limitadas , cujo fluxo pode nomanter a ordem

Tipicamente, no existem estruturas de dadospermanentes partilhadas entre o emissor e receptor

Vantagens e Desvantagens:+ Bom para comunicao rpida e curta+ Menor long-term OS overhead- Menor eficincia para grandes e frequentes

comunicaes- Cada processo toma os recursos byte abyte


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Connection-Oriented IPC(Com Ligao)

O emissor e receptor combinam previamente osdetalhes das comunicaes entre os processos O SO tipicamente aloca recursos e guarda informao

do estado das comunicaes entre processos Sequncias de bytes ilimitadas (byte stream),

sem fronteiras Vantagens/desvantagens so as opostas dos IPC sem

ligao


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Sincronismo das Comunicaes/Processos

A troca de mensagens envolve sincronismo entreprocessos Sincronismo um aspecto importante pois:

Permite ao emissor indicar quando os dados so transmitidos Permite ao receptor saber quando os dados esto disponveis

Como que o processo emissor e processo receptorsincronizam as suas comunicaes? As solues andam em torno de:

Qual o processo a bloquear (emissor ou receptor?) equando.


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Na comunicao sncrona os processos sincronizam-se acada mensagem Neste caso, tanto a operao de envio como a de

recepo so bloqueantes Sempre que um processo (Emissor) envia uma

mensagem, este bloqueia-se at: O receptor receber os dados Comunicao Unidireccional Ou at a confirmao da respectiva recepo seja feita Comunicao

C-S

Sempre que um processo (Receptor) pretende receber

alguma mensagem, este bloqueia-se at receber amensagem.

Comunicao Sncrona(Blocking Send, Blocking Receive)


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Sncrona Unidireccional

Sncrona Cliente-Servidor ou Pedido-Resposta

Comunicao Sncrona(Blocking Send, Blocking Receive)


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Blocking, Deadlock

Operaes bloqueantes programadas numa sequncia erradapodem causar deadlocks .

Os deadlocks devem ser evitados. Timeouts podem ser usadospara detectar deadloacks.

Exemplo: Dois processos simultaneamente em modo de recepo.

receive from process 2 issued

received from process 1 issued

process 1 blocked pending datafrom process 2.

process 2 blocked pending data

from process 1.

Process 1 Process 2


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Pipes e Fifos Sockets


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Pipes Fluxo Unidireccional Se pretendemos criar um fluxo unidireccional, basta criarmos um pipe :

Um processo (que ir ser o pai) cria o pipe (fd1[0] e fd1[1]). O processo cria um ou mais processos filho (executando a

chamada de sistema fork ) que uma cpia dele prprio. Oresultado o seguinte:

(saltar slide seguinte)Pipe

Pai

fd[1] fd[0]

Filho

fd[1] fd[0]

Fork

Dados

process

Kernel


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Pipes Fluxo Unidireccional De seguida, o processo pai fecha o descritor de leitura do pipe e o

filho fecha o descritor de escrita do pipe . Assim, resulta num fluxode dados unidireccional entre dois processos:

Pipe1

Pai

fd1[1]

Filho

fd1[0]

Dados

process

Kernel


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Pipes Fluxo Bidireccional Se pretendermos ter um fluxo de dados bidireccional, temos de criar

dois pipes, um para cada direco: Criar pipe 1 (fd1[0] e fd1[1]) e pipe 2 (fd2[0] e fd2[1]) Fork criar o processo filho O pai fecha o descritor de leitura do pipe 1 (fd1[0]) e escrita do

pipe 2 (fd2[1]) O filho fecha os descritor de escrita do pipe 1 (fd1[1]) e leitura do

pipe 2 (fd2[0])

Pipe1

Pai

fd1[1] fd2[0]

Filho

fd2[1] fd1[0]

Dados

Pipe2

Dados

process

Kernel


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Pipes e Bloqueio A escrita de mais bytes do que a capacidade do pipe bloqueia o

processo emissor At o receptor consumir mais alguns bytes.

A leitura de bytes quando no esto disponveis no pipebloqueia o processo receptor

At o processo emissor escrever mais alguns bytes no pipe Uma particularidade dos pipes que o fluxo de dados

temporrio, uma vez lidos os dados no descritor no podem serlidos outra vez.


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FIFOs (ou pipes named) Os pipes no tm nenhum nome associado a eles so annimos-, e logo s

podem ser usados em processos relacionados e durante a existncia destes. Os FIFOs so semelhantes aos pipes com a vantagem que so

identificados no sistema de ficheiros pelo nome associado, e logo podem serusados por processos no relacionados.

Os FIFOs tambm proporcionam apenas um fluxo de dados unidireccional. Um named pipe chamado FIFO ( first in first out ), porque os primeiros

dados escritos no pipe so os primeiros dados a serem lidos.

Fifo1

Pai

writefd readfd

Filho

writefd readfd

Dados

Fifo2

Dados

process

Kernel

/tmp/fifo.1

/tmp/fifo.2


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Sockets

Foram originalmente introduzidos no Free BSD 4.3 Consistem num mecanismo de comunicao entre processos

cliente e servidor remotos (atravs de uma rede)

Podem ser vistos como uma evoluo dos pipes , dado que se

inserem na estrutura habitual dos descritores de ficheiros do UNIX Os sockets so baseados nos descritores de ficheiros, mas a

natureza da comunicao obrigou a adio de funes especficas

Os sockets so criados num determinado domnio que especifica os

protocolos utilizados e as convenes de identificao Permitem comunicaes bidireccionais


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Portos de comunicao Os Sockets Portos so as extremidades do canal com os quais os processos

interagem. Considera-se os portos/sockets como uma abstraco semelhante a

um ficheiro. A identificao dos portos/Sockets

Uma componente associada com o sistema operativo local, o identificador local

(file descriptor) . Esta componente devolvida pela funo de criao do Socket Outra componente associada com o protocolo de comunicao, o endereo doporto (normalmente associao IP e nmero do porto de servio).

Funes Associadas com os Portos/Sockets (dependem do SO,Prot. Transporte e tipo de canal):

Enviar/receber mensagens. Associar um endereo.

criao/eliminao do porto (leia-se socket). parametrizao do canal .

Sockets: Abstraco (2)


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Sockets API & Analogia com o Modelo OSI

Sockets API (Application Programming Interface): Fornece primitivas de comunicao que podem ser chamadas do cdigo

dos processos/threads Fornecem independncia relativamente aos protocolos de transporte

subjacentes (o TCP ou UDP) e das linguagens utilizadas na programaodos programas cliente e servidor

Apresentao

Sesso

Transporte

Aplicao

Rede

Lgica

Fsica

Aplicao sobresockets

TCP/IP

Lgica(Driver/placa rede)

Sockets API

Modelo socketsModelo OSI


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Aplicao Cliente

API Socket

UDP TCP

IP

lgica

Aplicao Servidor

API Socket

UDP TCP

IP

lgica

Protocolo C/S

Sockets API que usa os servios da PilhaTCP/IP

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