Sistemas Distribuídos Capítulo 2: Programação da Comunicação

1. Sistemas DistribuídosCapítulo 2: Programação da Comunicação José Alves Marques

2. Índice • Revisão das Redes • Modelo da comunicação distribuída • Caracterização da interface • Exemplos de Interfaces de comunicação José Alves Marques

3. 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 José Alves Marques

4. Programação da comunicação: modelo porto porto Processo Processo Canal de comunicação API da comunicação rede transporte rede lógico físico modo utilizador modo sistema José Alves Marques

5. 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 José Alves Marques

6. 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 José Alves Marques

7. 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 José Alves Marques

8. 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 José Alves Marques

9. 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 José Alves Marques

10. Bus Anel Malhada Nível Físico José Alves Marques

11. 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 José Alves Marques

12. Nível Lógico Ethernet Frame Relay ATM GPRS UMTS José Alves Marques

13. 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) José Alves Marques

14. Nível Rede Rede IP José Alves Marques

15. 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 José Alves Marques

16. Nível Transporte Processo Utilizador Rede TCP Processo Utilizador José Alves Marques

17. 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 José Alves Marques

18. Aspectos a Analisar • Integração das Redes no Sistema Operativo • Características do Canal de Comunicação José Alves Marques

19. 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 José Alves Marques

20. System calls Interrups and traps File naming Map- ping Page faults Terminal handing Sockets Process Creation and Termination Signal handling Network protocols File systems Virtual memory Cooked tty Raw tty Line disciplines Buffer cache Page cache Process scheduling Routing Character devices Netwok device drivers Disk device drivers Process dispatching Hardware Unix – 4.4 BSD José Alves Marques

21. Winsock Implementation Application Mswsock.dll SPI Msafd.dll Wshtcpip.dll Service Providers Ntdll.dll NtReadFile, NtWriteFile, NtCreateFile, NTDeviceloControlFile User mode Kernel mode \Device\AFD AFD FSD TDI IRPs TDI TCP/IP Protocol drivers IPX/SPX NetBEUI José Alves Marques

22. Caracterização do canal José Alves Marques

23. 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 José Alves Marques

24. Canal com Fila de Mensagens Rede Emissor Receptor Emissor Receptor fila Emissor Receptor fila Emissor Receptor fila fila José Alves Marques

25. 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 José Alves Marques

26. Programação da comunicação: 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 emnsagem ser entregue • Pedido/resposta ou Remote Procedure Call • Cliente só prossegue após resposta do servidor aplicação aplicação cliente servidor José Alves Marques

27. 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 José Alves Marques

28. 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 José Alves Marques

29. 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 José Alves Marques

30. 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 José Alves Marques

31. 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 José Alves Marques

32. Exemplos de Interfaces Sockets TLI Netbios Mach Message Java Message José Alves Marques

33. 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 José Alves Marques

34. 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) José Alves Marques

35. Interface sockets Relação entre domínio, tipo de socket e protocolo José Alves Marques

36. Sockets sem Ligação Servidor Cliente socket socket bind bind sendto recvfrom sendto recvfrom José Alves Marques

37. 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();} } } José Alves Marques

38. 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();} } } José Alves Marques

39. 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 José Alves Marques

40. socket bind listen accept connect read write socket write read Sockets com Ligação Servidor Cliente José Alves Marques

41. Sockets em Java import 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} } José Alves Marques

42. 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());} } } José Alves Marques

43. 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 José Alves Marques

44. 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. José Alves Marques

45. Transport Layer Interface