2-Prog Comunicacao 2009

Transcrição

Departamento de Engenharia Informática
Sistemas Distribuídos
Capítulo 2: Programação da Comunicação
3/6/2005
José Alves Marques, Rodrigo Miragaia Rodrigues
Índice
•
•
•
•
Revisão das Redes
Modelo da comunicação distribuída
Caracterização da interface
Exemplos de Interfaces de comunicação
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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
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Programação da comunicação:
modelo
porto
porto
Canal
Canal de
de comunicação
comunicação
Processo
físico
lógico
rede
rede
transporte
API da
comunicação
Processo
modo utilizador modo sistema
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Redes de Dados
• Fornecer uma base mínima de compreensão das
redes de dados
– Arquitectura
– Organização
– Protocolos
Revisão
• Identificar os aspectos relevantes das redes de
dados na concepção de sistemas distribuídos
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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
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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
–
–
–
–
–
–
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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
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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
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Nível Físico
Bus
Malhada
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Anel
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5
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
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Nível Lógico
Ethernet
Frame
Relay
ATM
GPRS
UMTS
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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
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Nível Rede
Rede IP
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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
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Nível Transporte
Processo Utilizador
Rede TCP
Processo Utilizador
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A Internet como um Relógio de Areia
Mail
Web
Audio
Passível de alterações
Maior inovação
VoIP
Video
IM
Web Services
TCP / UDP
Difícil de alterar
IP
Ethernet
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GPRS
802.11
Satélite
Bluetooth
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
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Aplicação
HTTP, FTP,
SMTP, Corba,
IIOP, SOAP, RMI
Apresentação
XML, XDR,
XML
Sessão
Binding protocol,
DCE-RPC
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Aspectos a Analisar
• Integração das Redes no Sistema Operativo
• Características do Canal de Comunicação
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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
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Unix – 4.4 BSD
System calls
Terminal handing
Sockets
Cooked tty
Network
protocols
Line
disciplines
Routing
Raw
tty
Character
devices
Interrups and traps
File Map- Page
Process
naming ping faults Signal
handling Creation and
File
Virtual
Termination
systems memory
Buffer
cache
Netwok
device drivers
Page
cache
Process
scheduling
Disk
device drivers
Process
dispatching
Hardware
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Winsock Implementation
Application
Mswsock.dll
SPI
Msafd.dll
Wshtcpip.dll
Service Providers
Ntdll.dll
NtReadFile, NtWriteFile,
NtCreateFile,
NTDeviceloControlFile User mode
Kernel mode
\Device\AFD
TDI IRPs
Protocol drivers
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IPX/SPX
AFD FSD
NetBEUI
TDI
TCP/IP
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Caracterização do canal
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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: perdas, duplicação, reordenação
• Canal com capacidade de armazenamento em fila de Mensagens
– Normalmente com entrega fiável das mensagens
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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
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semântica de envio
•
Núcleo SO
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
mensagem ser entregue
•
aplicação
aplicação
Pedido/resposta ou Remote
Procedure Call
– Cliente só prossegue após resposta
do servidor
cliente
servidor
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• 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
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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
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Detecção 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
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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 (não é suportado genericamente)
– Comunicação em grupo (ex. ISIS)
– Brokers de mensagens com regras de distribuição das mensagens
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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)
–
–
–
–
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Named Pipes (IBM OS/2)
Mailslots (IBM OS/2)
NetDDE (MS)
MSMQ – sistema de message queuing
Exemplos de Interfaces
• Sockets
• TLI
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Interface sockets
• Interface de programação para comunicação entre
processos introduzida no Unix 4.2 BSD
• Objectivos:
–
–
–
–
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Independente dos protocolos
Transparente em relação à localização dos processos
Compatível com o modelo de E/S do Unix
Eficiente
Interface sockets
• Domínio do socket: define a família de protocolos
associada a um socket
– INET: 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)
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Interface sockets
Relação entre domínio, tipo de socket e protocolo
Stream
Datagram
Raw
Seq
Packet
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UNIX
INET
NS
Sim
Sim
-
TCP
UDP
IP
-
SPP
IDP
Sim
SPP
Sockets sem Ligação
Servidor
Cliente
socket
socket
bind
bind
sendto
recvfrom
sendto
recvfrom
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Sockets UDP em Java (Cliente)
Constrói um socket
datagram (associado a
qualquer porto disponível)
import java.net*;
import java.io*;
public class UDPClient{
public static void main(String args[]){
// args give message contents and server hostname
Conversão do nome
DatagramSocket aSocket = null;
DNS para endereço IP
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();}
} 3/6/2005
}
Sockets UDP em Java (Servidor)
Constrói um socket
import java.net*;
datagram (associado ao
import java.io*;
porto 6789)
public class UDPServer{
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();}
} 3/6/2005
}
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19
Sockets com Ligação
Servidor
Cliente
socket
bind
3/6/2005
listen
socket
accept
connect
read
write
write
read
Sockets Stream em Java (Cliente)
import java.net*;
• classe Socket – suporta o
import java.io*;
socket cliente. Argumentos:
public class TCPClient{
nome DNS do servidor e o porto.
• Construtor não só cria o socket
// args: message and destin. hostname
Socket s = null;
como efectua a ligação
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}
}
Métodos getInputStream /
WriteUTF / readUTF – para
getOutputStream – permitem
Universal transfer format /
aceder aos dois streams
para as cadeias de caracteres
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José Alves Marques, Rodrigo Miragaiadefinidos
Rodrigues pelo socket
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20
Sockets Stream em Java (Servidor)
Cria socket servidor
que fica à escuta no
porto “serverPort”
import java.net*;
import java.io*;
Bloqueia até cliente
public class TCPServer{
estabelecer ligação.
try{
int server Port = 7896;
ServerSocket listenSocket = new ServerSocket(serverPort);
while(true){
Socket clientSocket = listenSocket.accept();
myConnection c = new myConnection(clientSocket);
}
}catch (IOException e){System.out.println(“Listen:”
+e.getMessage());}
}
}
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Transport Layer Interface
• Introduzida no Sistema V versão 3 (1987)
• 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.
• Actualmente pouco utilizados (sockets são o
standard de facto)
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Page 21
21
Transport Layer Interface
Servidor
Cliente
t_open
t_bind
t_alloc
t_open
t_bind
t_listen
t_alloc
Bloqueio à
espera de ligação
li g aç
ão
t_connect
t_accept
t_snd
t_rcv
t_rcv
t_snd
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