sistemas distribuídos capítulo 2: programação da comunicação

3/6/2005 José Alves Marques

Departamento de Engenharia Informática

Sistemas DistribuídosCapítulo 2: Programação da Comunicação



Índice

• Revisão das Redes• Modelo da comunicação distribuída• Caracterização da interface• Exemplos de Interfaces de comunicação



Modelo de Comunicação

• Comunicação: interacção entre um processo emissor, que gera a informação, e um processo receptor, que irá tratá-la.

• Canal: abstracção dos mecanismos de transporte que suportam a transferência de informação

• Porto: extremidade de um canal– Conceptualmente, o canal pode ser visto pelos utilizadores como a

associação entre dois portos • Protocolo: definição das mensagens e respectivo

encadeamento que permite a comunicação entre os interlocutores



Programação da comunicação: modelo

Processo Canal de comunicaçãoporto

Processo

API dacomunicação

modo utilizador modo sistema

rede

porto

trans

porte

rede

lógi

co

físic

o



Redes de Dados

• Fornecer uma base mínima de compreensão das redes de dados– Arquitectura– Organização– Protocolos

• Identificar os aspectos relevantes das redes de dados na concepção de sistemas distribuídos

Revisão



Arquitectura Lógica

• Porquê uma arquitectura Lógica nas redes?

• A arquitectura lógica define as propriedades da rede, adequadas ao seu campo de aplicações– Tipo de endereçamento– Desempenho– Garantia de entrega de mensagens– Ordenação das mensagens– Tolerância a faltas– Endereçamento em difusão– …

• A mesma arquitectura lógica pode ser realizada (com maior ou menor facilidade) sobre várias arquitecturas físicas



Características habituais das Arquitecturas Físicas

Redes Locais– Transmissão em difusão– Banda passante muito grande– Topologias de bus ou anel– Encaminhamento trivial– Menor escalabilidade,– Maior tolerância a faltas

Redes de Larga Escala– Transmissão ponto a ponto– Banda passante com limitações mas tecnologias tradicionais– Topologia malhada com redundância– Necessidade de encaminhamento– Grande escalabilidade, – Menor tolerância a faltas



Modelo de Referência

Um Modelo de Referência, ou Família de Protocolos, define as características lógicas e físicas das redes– Normalmente divididos em níveis– Os níveis são independentes mas estão relacionados– Permitem várias realizações compatíveis



OSI - Nível Físico

Funções: conseguir transmitir 1 bit de informação sobre o meio físico de interligação

– Velocidade de propagação, atenuação, imunidade ao ruído, etc.Nível Físico define:

– Níveis eléctricos do sinal– Características temporais– Protocolos de codificação, baseados no funcionamento da rede (taxa de

erros, recuperação de relógio, …)– Placas de interface (network cards)

• Interface eléctrica• Aspectos mecânicos dos conectores



BusAnelMalhada

Nível Físico



OSI: Nível Lógico ou Ligação de Dados

• Funções: transmissão de pacotes, ou tramas, entre duas máquinas ligadas à mesma rede física

• Nível Lógico define:– Delimitadores de trama– Endereço físico do destinatário (endereço único, broadcast,

multicast)– Multiplexagem do meio de transmissão (emissor)– Detecção do endereço do destinatário (receptor)– Detecção de erros de transmissão (códigos CRC)– Definição da unidade básica de informação (bit, octeto)– Recuperação de erros de transmissão– Controlo de fluxo



EthernetATMFrame

Relay

Nível Lógico

GPRSUMTS



OSI: Nível Rede

• Funções: interligar máquinas independentemente da rede física a que estão ligadas

• Uma rede lógica passa a ser composta pela interligação de várias redes físicas

• Nível Rede define:– Formato dos pacotes de dados– Mecanismos de encaminhamento entre redes

• Fundamental para redes malhadas• Normalmente baseados em tabelas de encaminhamento

– Protocolo de rede OSI: X.25• Com ligação, sequencialidade, controlo de fluxo

– Protocolo de rede Internet: IP• Sem ligação nem garantias de qualidade (ex: IP)



Rede IP

Nível Rede



OSI: Nível Transporte

• Funções: oferecer um serviço de transmissão de informação que permita a comunicação entre utilizadores finais

• Características– Com ou sem ligação– Comunicação fiável

• Garantia de entrega• Garantia de ordem

– Fragmentação– Controlo de fluxo– Notificação de excepções na comunicação



Nível Transporte

Rede TCP

Processo Utilizador

Processo Utilizador



OSI – Níveis superiores do Modelo

• Os restantes níveis do modelo OSI implicam a integração com o sistemas operativos e com as aplicações

• São em grande parte o objecto desta cadeira,

• Embora alguns protocolos de nível aplicacional possam ser vistos como de transporte de informação

Aplicação HTTP, FTP, SMTP, Corba, IIOP, SOAP, RMI

Apresentação XML, XDR, XML

Sessão Binding protocol, DCE-RPC



Aspectos a Analisar

• Integração das Redes no Sistema Operativo• Características do Canal de Comunicação



Integração da Comunicação no Sistema Operativo

• As aplicações invocam uma API que lhes permite aceder ao mecanismos de transporte

• A API deve ser conceptualmente independente de uma determinada pilha de protocolos de transporte

• Alternativas de implementação– Funções de ES genéricas

• Ex: sockets – parcialmente– Funções de comunicação específicas

• Ex: Algumas funções dos sockets• Ex: TLI

– Mecanismo básico de comunicação entre processos do sistema operativo

• Ex: IPC dos micro-núcleos



System calls

Terminal handing

Sockets Filenaming

Map-ping

Pagefaults Signal

handlingProcess

Creation andTermination

Rawtty

Cooked tty

Interrups and traps

Linedisciplines

Network protocols

Filesystems

Virtualmemory

Routing Buffercache

Pagecache

Processscheduling

Characterdevices

Netwokdevice drivers

Diskdevice drivers

Processdispatching

Hardware

Unix – 4.4 BSD



Winsock Implementation

Application Mswsock.dllSPI

Service Providers

NtReadFile, NtWriteFile,NtCreateFile,NTDeviceloControlFile

Kernel modeUser mode

\Device\AFDAFD FSD

TCP/IPIPX/SPX

TDI IRPs

NetBEUI

TDIProtocol drivers

Wshtcpip.dll

Ntdll.dll

Msafd.dll



Caracterização do canal



Tipos de canais (I)

• Com ligação– Normalmente serve 2 interlocutores

– Normalmente fiável, bidireccional e garante sequencialidade• Sem ligação

– Normalmente serve mais de 2 interlocutores

– Normalmente não fiável• Canal com capacidade de armazenamento em fila de Mensagens

– Normalmente com entrega fiável das mensagens



Emissor

Emissor

Emissor

Emissor

Receptor

Receptor

Receptor

Receptor

fila

fila

fila

fila

Rede

Canal com Fila de Mensagens



Portos – Extermidades do Canal de Comunicação

• Portos– São extremidades de canais de comunicação

• Em cada máquina são representados por objectos do modelo computacional local

– Possuem 2 tipos de identificadores:• O do objecto do modelo computacional

– Para ser usado na API pelos processos locais– Ex.: File descriptors, handles

• O do protocolo de transporte– Para identificar a extremidade entre processos (ou

máquinas) diferentes– Ex.: Endereços TCP/IP, URL



Programação da comunicação: semântica de envio

• Assíncrona– Transferência para os tampões do

núcleo– A função retorna e a aplicação

continua• Síncrona

– Garantia de entrega no destino– A aplicação fica bloqueada até a

emnsagem ser entregue

• Pedido/resposta ou Remote Procedure Call

– Cliente só prossegue após resposta do servidor

Núcleo SO

aplicação

aplicação

cliente

servidor



Programação da comunicação:

• Conteúdo– Não Estruturado – as mensagens são constituídas por bytes transmitidos

entre as aplicações– Estruturado – o conteúdo das mensagens é descrito com um protocolo de

Apresentação. As mensagens podem ser traduzidas entre máquinas heterogéneas

– Documentos – as mensagens são documentos estruturados que podem ser usados de diversas formas pelas aplicações. Exemplo: doc em XML

• Fluxo– Sequências de octetos (byte stream)

• Normalmente ilimitadas– Sequências de blocos de octetos

• Fronteiras bem definidas e mantidas pelo transporte• Normalmente os blocos são limitados• O fluxo de blocos pode não manter a ordem



Programação da comunicação:semântica de recepção

• Ler de forma não bloqueante– Erro se nada houver na fila

• Bloquear à espera de ler uma mensagem– Bloqueio infinito ou temporizado

• Bloquear à espera de múltiplos eventos - guarda– Multiplexagem de E/S

• e potencialmente de outras operações (ex. Windows)– Leitura da fila só após receber um dado evento– Utilizável para outras operações bloqueantes:

• Espera de pedidos de ligação• Espera por aceitações de ligação• Espera por capacidade de envio



Programação da comunicação:Deteção e tratamento de faltas

• O modelo de faltas depende do tipo dos canais– Com ligação:

• Na ligação: destinatário inexistente, etc.• Na conversação: quebra de ligação, etc.

– Sem ligação:• destinatário inexistente, perda de dados, etc.

• A notificação das faltas às aplicações depende da API e do modelo computacional– Valores de retorno da API– Chamadas assíncronas de procedimentos– Chamadas próprias da API



Programação da comunicação:Difusão de mensagens

• Semântica– Enviar apenas uma mensagens para múltiplos receptores

• Suporte à difusão depende da rede– Fácil em LANs (Ethernet, etc.)

• Suporte dos níveis 1 e 2 (físico e rede)– Complexo em redes maiores (MANs, WANs)

• Requer suporte dos níveis superiores• Suporte específico a níveis superiores

– IP multicast– Comunicação em grupo (ex. ISIS)– Brokers de mensagens com regras de distribuição das mensagens



Concretizações da API: semânticas próximas do Transporte

• UNIX– Sockets (BSD 82)– TLI (Transport Layer Interface, ATT 86)– Streams (Ritchie 84, ATT 89)

• Windows– NetBIOS (IBM 84)– NetBEUI (IBM 85)– Winsocks (Windows Sockets )

• V1 (MS 93)• V2 (MS 96)

– Named Pipes (IBM OS/2)– Mailslots (IBM OS/2)– NetDDE (MS)– MSMQ – sistema de message queuing



Exemplos de Interfaces

SocketsTLI

NetbiosMach MessageJava Message



Interface sockets

• Interface de programação para comunicação entre processos introduzida no Unix 4.2 BSD

• Objectivos:– Independente dos protocolos– Transparente em relação à localização dos processos– Compatível com o modelo de ES do Unix– Eficiente



Interface sockets

• Domínio do socket: define a família de protocolos associada a um socket– Internet: família de protocolos Internet– Unix: comunicação entre processos da mesma máquina– Outros…

• Tipo do socket: define as características do canal de comunicação– Stream: canal com ligação, bidireccional, fiável, interface tipo

sequência de octetos– Datagram: canal sem ligação, bidireccional, não fiável, interface

tipo mensagem– Raw: permite o acesso directo aos níveis inferiores dos protocolos

(ex: IP na família Internet)



Interface sockets

Relação entre domínio, tipo de socket e protocolo

UNIX INET NS

Stream Sim TCP SPPDatagram Sim UDP IDP

Raw - IP SimSeq

Packet- - SPP



Sockets sem Ligação

socket

bind

recvfrom

sendto

socket

bind

sendto

recvfrom

Servidor Cliente



Sockets UDP em Java

import java.net*;import java.io*;public class UDPClient{ public static void main(String args[]){ // args give message contents and server hostname DatagramSocket aSocket = null; try {

aSocket = new DatagramSocket(); byte [] m = args [0].getBytes(); InetAddress aHost = InetAddress.getByName(args[1]); Int serverPort = 6789; DatagramPacket request = new DatagramPacket(m, args[0].length(), aHost, serverPort); aSocket.send(request); byte[]buffer = new byte[1000]; DatagramPacket reply = new DatagramPacket(buffer, buffer.length); aSocket.receive(reply); System.out.println(“Reply:” + new String(reply.getData()));

} catch (SocketException e){System.out.println(“Socket:” + e.getMessage());

} catch (IOException e){System.out.println(“IO:” + e.getMessage()); } finally { if(aSocket ! = null) aSocket.close();} }}



Sockets UDP em Java

import java.net*;import java.io*;public class UDPServer{ public static void main(String args[]){ DatagramSocket aSocket = null; try{

aSocket = new DatagramSocket(6789); byte[] buffer = new byte [1000]; while(true){ DatagramPacket request = new DatagramPacket(buffer, buffer.legth); aSocket.receive(request); DatagramPacket reply = new DatagramPacket(request.getData(), request.getLength(); request.getAddress(), request.getPort());

aSocket.send(reply); } } catch (SocketException e){System.outprintln(“Socket:”+

e.getMessage()); } catch (IOException e){System.out.println(“IO:” + e.getMessage()); } finally {if(aSocket ! = null) aSocket.close();} }}



Sockets Datagram em Java

• DatagramSocket – classe que suporta os sockets datagram e que tem como argumento um porto

• Métodos– send; receive– setSoTimeout – temporizador que limita o tempo de espera do

receive– connect – define um porto remoto

• Conversão do nome DNS para um endereço Internet com o método InetAddress.getByName



Sockets com Ligação

socket

bind

listen socket

connectaccept

read

write read

write

ClienteServidor



Sockets em Javaimport java.net*;import java.io*;public class TCPClient{ public static void main(String args[]){ // arguments supply message and hostname of destination Socket s = null; try{

int server Port = 7896; s = new Socket (args[1], serverPort); DataInputStream = new DataInputStream(s.getInputStream()); DataOutputStream out = newDataOutputStream (s.getOutputStream());

out.writeUTF(args[0]); String data = in.readUTF(); System.out.prtintln(“Received: ” + data); }catch (UnknownHostException e){

System.out.println(“Sock:” + e.getMessage()); }catch (EOFException e){System.out.println(“EOF:”e.getMessage()); }catch (IOException e){System.out.println(“IO:”e.getMessage()); }finally {if(s!=null) try{s.close();}catch (IOException e} }



Sockets em Java

import java.net*;import java.io*;public class TCPServer{ public static void main(String args[]){ try{

int server Port = 7896; ServerSocket listenSocket = new ServerSocket(serverPort);

while(true){ Socket clientSocket = listenSocket.accept(); Connection c = new Connection(clientSocket);}

}catch (IOException e){System.out.println(“Listen:”+e.getMessage());}

} }



Sockets Stream em Java

• Socket – classe que suporta o socket cliente e que tem como argumentos a identificação remota do servidor: o nome DNS do servidor e o porto

• O construtor não só cria o socket como efectua a ligação • Métodos

– getInputStream; getOutputStream – permite aceder aos dois streams definidos pelo socket

• ServerSocket – classe para o servidor• Métdos

– Accept– Recebe um socket cliente sempre que é invocado o connect

• WriteUTF e readUTF – para Universal transfer format para as cadeias de caracteres



Transport Layer Interface

• Introduzida no Sistema V versão 3• A implementação da TLI é suportada nos stream

Unix. Objectivo total integração com os mecanismos de E/S.

• As funções são muito semelhantes às dos sockets mas existe uma maior uniformização com a interface genérica dos streams.

Transport Layer Interface

Servidor Cliente

t_open

t_bind

t_alloc

t_accept

t_open

t_bind

t_alloc

t_connect

t_listen

Bloqueio à espera de ligação

t_rcv

t_snd t_rcv

t_snd

li gaç ão

sistemas distribuídos capítulo 2: programação da comunicação

Documents