Disciplina de Sistemas Distribuídos. Comunicação em Sistemas Distribuídos

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1 Comunicação em Sistemas Distribuídos

2 Objetivos Estudar os modelos de comunicação nos Sistemas Operacionais de Rede. Apresentar as características da camada de Transporte e seus protocolos. Estudar as principais formas de inter-processos. Apresentar os principais modelos de Middleware. Message-oriented Middleware. Remote Procedure Call Remote Metod Invocation CORBA Transaction Processing Monitor.

3 A Finalidade do Modelo de Referência OSI Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Open Systems Interconnections criado pela ISO (International Organization for Standardization) Objetivos: Reduzir a complexidade Padronizar as interfaces Facilitar a engenharia modular Garantir a interoperabilidade Acelerar a evolução Reduzir conflitos entre equipamentos Simplificar o desenvolvimento

4 Camadas do Modelo OSI - Aplicação Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Serviços da rede para as aplicações Disponibiliza serviços da rede para os diversos aplicativos, como correio eletrônico, FTP, Emulação de terminal, E-commerce, etc) Contempla as tecnologias que permitem ao software do usuário a utilização dos recursos da rede. Por exemplo: um processador de texto utiliza os serviços de transferência de arquivo para ingressar na rede.

5 Camadas do Modelo OSI - Apresentação Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Representação de dados Garantir que os dados sejam compreensíveis para o sistema receptor Cuidar da formatação e codificação dos dados Estruturar e eventualmente converter os dados Negociar e compatibilizar a sintaxe com a camada de aplicação Pode ocorrer compressão, criptografia ou decodificação dos dados Exemplos de protocolos de apresentação: MPEG, JPEG, GIF, ASCII, etc

6 Camadas do Modelo OSI - Sessão Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Comunicação interhosts Estabelece, gerencia, regulamenta e finaliza sessões entre as apresentações Sessões de comunicação consiste em requisições e resposta a serviços que ocorrem entre as aplicações localizadas em equipamentos de rede diferentes. Oferece recursos para sincronismo entre aplicações em hosts diferentes Coordena os direitos de acesso Fornece relatórios acessibilidade Exemplos de protocolos de sessão: Sistemas operacionais, como Windows, Novel Netware, MAC OS

7 Camadas do Modelo OSI - Transporte Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Conexões ponto a ponto Trata das funções de transporte de segmentos entre os hosts Responsável pela confiabilidade do transporte de dados Estabelece, mantém e finaliza circuitos virtuais fim-a-fim Fornece controle de fluxo das informações Mantém um serviço de transporte de dados que isola as camadas superiores (upper layers) das inferiores (data layers) Responsável pela qualidade de tipo de serviço requeridos pelos níveis superiores (taxa, tamanho do pacote, tempo disponível para retransmissão, controle do fluxo de dados) Exemplos: TCP, UDP, SPX

8 Camadas do Modelo OSI - Rede Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Endereçamento e Melhor Rota Prove o endereçamento lógico usado pelos roteadores Fornece seleção das melhores rotas entre redes Construção das tabelas de roteamento Serviços de InternetWorking Fornece conectividade de redes geograficamente separadas Métodos de movimentação de informações entre redes A camada de rede pode escolher uma rota específica e impedir que os dados sejam enviados a redes não envolvidas Exemplos: IP, IPX, X.25

9 Camadas do Modelo OSI - Enlace Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Acessos aos meios Organização dos bits em grupos lógicos de informações chamados de frames ou quadros. Fornece transferência de dados entre os meios Responsável pelo endereçamento físico e topologia de rede Possui funções de notificação de erros e controle de fluxo Função de identificar fisicamente os hosts em uma rede Exemplos: LAN: Ethernet, IEEE 802.3/802.2, etc WAN: Frame Relay, HDLC, PPP, ATM etc

10 Camadas do Modelo OSI - Física Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico Transmissão digital Cuida das estruturas e especificações físicas Define as especificações elétricas, mecânicas e funcionais da mídia de transmissão Procedimentos para ativar, manter e desativar o link físico entre sistemas Controla níveis de tensão, taxas de dados, distâncias máximas de transmissão e conectores físicos Responsável pela pinagem de cabos Codificação da transmissão de bits e regras de sincronização (clocking) Exemplo: V.24, V.35, E1, E3, SDH etc

11 Comunicação entre as Camadas do Modelo OSI Usuário A Dados Dados Usuário B Aplicação A Dados A Dados Aplicação Apresentação A A Dados A A Dados Apresentação Sessão S A A Dados S A A Dados Sessão Transporte T S A A Dados T S A A Dados Transporte Rede R T S A A Dados R T S A A Dados Rede Enlace E R T S A A Dados E E R T S A A Dados E Enlace Físico F E R T S A A Dados E F F E R T S A A Dados E F Físico

12 Modelo de Referência OSI Aplicação Protocolo de aplicação Aplicação Apresentação Sessão Transporte Protocolo de apresentação Protocolo de sessão Protocolo de transporte Sub-rede De Comunicações Apresentação Sessão Transporte Rede Rede Rede Rede Enlace Enlace Enlace Enlace Físico Físico Físico Físico Roteador Roteador

13 Overhead das camadas

14 Data Link Layer 2-3

15 Arquitetura TCP/IP

16 As Camadas OSI x TCP/IP Modelo OSI Aplicação Apresentação Sessão Transporte Rede Enlace Físico TCP/IP FTP, SMTP, Telnet, etc.. TCP/UDP IP, ICMP, ARP/RARP Não Padronizado Para redes LAN: Ethernet, Gigabit Eth, 802.3, Para redes WAN: Frame Relay, ATM, PPP, etc

17 Arquitetura Internet

18 Comunicação entre processos cliente request reply Comunicação lógica servidor kernel kernel Comunicação real

19 Cabeçalho TCP Número do porta de origem 16 bits Número da porta de destino 16 bits HLEN. 4 bits Reservado 6 bits Número de Seqüência 32 bits Número de ACK (Reconhecimento) 32 bits U R G A C K P S H R S T S Y N F I N Tamanho da janela 16 bits 20 bytes Checksum TCP 16 bits Ponteiro de Urgência 16 bits Opções (se existir) Dados

20 Triplo HandShake TCP / Estabelecer conexão Host A Host B 1 3 Envia SYN (seq=100 ctl=syn) SYN recebido Estabelecido (seq=101 ack=301 ctl=ack) SYN recebido Envia SYN, ACK (seq=300 ack=101 ctl=syn,ack) 2

21 Sequencia TCP e Números de ACK Source Dest. Sequence Acknowledgement Port Port # # Acabo de enviar #10 Recebi o #10, Agora preciso do #11. Source Dest Source Dest. Seq. 10 Seq. Ack. 100 Ack. Source Dest Seq. 100 Ack Source Dest Seq. 101 Ack. 12

22 No exemplo ao lado: O tamanho da janela é 1 Com esse tamanho, cada segmento deve ser reconhecido (ACK) antes que outro segmento possa ser enviado. Resulta num uso pouco eficiente da banda ACK TCP Simples Host A Envia 1 Recebe ACK 2 Envia 2 Recebe ACK 3 Envia 3 Recebe ACK 4 Host B Recebe 1 Envia ACK 2 Recebe 2 Envia ACK 3 Recebe 3 Envia ACK 4

23 Janela Deslizante TCP No exemplo ao lado: O tamanho da janela é 3 Um tamanho de janela maior permite que mais dados sejam transmitidos enquanto se espera um reconhecimento. O termo janela deslizante se refere ao fato do tamanho da janela se adequar dinamicamente durante a sessão TCP. A janela deslizante possibilita o uso otimizado da banda Host A Host B Envia 1 Envia 2 Envia 3 Recebe 1 Recebe 2 Recebe 3 Envia ACK 4 Recebe ACK 4 Envia 4 Envia 5 Envia 6 Recebe ACK 7 Recebe 4 Recebe 5 Recebe 6 Envia ACK 7

24 Client-Server TCP

25 Protocolo UDP - User Datagram Protocol Protocolo de camada 4 Opera em modo não orientado à conexão (connection less) - RFC 768 Oferece protocolo sem confiabilidade Não há campos de seqüência ou de reconhecimento Os protocolos da camada de aplicação (superiores) devem prover reconhecimento para haver confiabilidade. Os protocolos que utilizam UDP são TFTP (Trivial File Transfer Protocol), SNMP (Simple Network Management Protocol), NFS (Network File System) e DNS (Domain Name System) Possibilita várias conexões UDP simultâneas no mesmo host

26 Formato do Segmento UDP Número do porta de origem 16 bits Comprimento 16 bits Número da porta de destino 16 bits Checksum 16 bits 8 octetos Dados

27 Comunicação entre processos Em um S.D. os processos (programas em execução) se comunicam através de: Acesso compartilhado em uma memória comum Rede na qual estão conectados via troca de mensagens (message passing) ou comunicação orientada à mensagens Esta operação é conhecida como IPC (Inter-Process Communication) Características: Simplicidade Atende diferentes aplicações Semântica simples Atende tanto IPCs local e remoto Eficiência Refere-se ao custo de estabelecer e encerrar uma conexão Confiabilidade Manipulação de mensagens perdidas, time-out, etc.. Segurança Deve suportar criptografia Portabilidade

28 Comunicação entre processos O destino da mensagem (p. ex. um servidor) é definido através de de duas referências: endereço IP e porta local. Este par recebe o nome de socket. Socket é um end-point de um enlace de comunicação de duas vias entre dois programas rodando em um Sistema Distribuído. Um socket é descrito por uma API (Application Programer s Interface). Uma API para UDP estabelece a mais simples forma de comunicação entre processos: datagramas ou message passing. Uma API para TCP estabelece uma conexão entre um par de processos definido como stream. Um par socket estabelece uma conexão entre dois end-points As duas principais primitivas de serviço são: send e receive.

29 Comunicação entre processos A comunicação entre processos pode ser: Síncrona Assíncrona As primitivas de serviço podem ser do tipo: Bloqueadas Não bloqueadas A comunicação segue dois modelos: Persistente Transiente

30 Comunicação entre processos Comunicação síncrona Os processos atendem a uma semântica de sincronização. O processo transmissor da mensagem estabelece uma conexão e aguarda a resposta do processo remoto depois de enviada a solicitação. Comunicação assíncrona O processo transmissor não aguarda a resposta do servidor. Depois de bufferizada a mensagem para posterior envio, o processo segue, sem aguardar a resposta do processo remoto.

31 Comunicação entre processos Técnicas para o processo remoto detectar a chegada de uma mensagem: Polling: Uma primitiva test permite ao receptor verificar se alguma mensagem chegou antes de chamar a primitiva receive Interrupt: Uma interrupção de software é usada para notificar o processo receptor quando chega uma mensagem e esta é armazenada no buffer

32 Comunicação entre processos Primitiva Bloqueante (síncrona) Para a primitiva send enquanto a mensagem está sendo enviada o processo fica bloqueado Para a primitiva receive fica bloqueado até alguma mensagem chegar ou até um time-out. Primitiva não Bloqueante (assíncrona) Para a primitiva send retorna o controle imediatamente antes da mensagem ser enviada. Para a primitiva receive passa para o kernel o ponteiro para o buffer e retorna imediatamente, antes de receber a mensagem.

33 Comunicação entre processos Comunicação persistente A mensagem submetida à transmissão é armazenada nos sistemas de comunicação e assim que possível é entregue ao seu destino, não sendo necessário queos processos send e receiver estejam rodando Comunicação transiente A mensagem submetida à transmissão é armazenada nos sistemas de comunicação, se e somente se, os processos send e receiver estirem rodando.

34 Comunicação entre processos

35 Comunicação entre processos a) Persistent asynchronous communication b) Persistent synchronous communication

36 Comunicação entre processos c) Transient asynchronous communication d) Receipt-based transient synchronous communication

37 Comunicação entre processos e) Delivery-based transient synchronous communication at message delivery f) Response-based transient synchronous communication

38 Comunicação entre processos cliente request reply Comunicação lógica servidor kernel kernel Comunicação real Porta Cliente Apresentação Conexão TCP Porta de entrada Porta de conexão

39 Arquitetura TCP/IP - Well Know ports Application Presentation Session T E L N E T F T P S M T P D N S T F T P S N M P 23 20/ Transport Layer TCP UDP 6 17 Network Layer ICMP IP ARP RARP Data Link Ethernet CSMA/CD Token Ring FR/PPP Physical Ethernet Camada Física Token Ring Camada Física EIA/TIA 232 / V35

40 Programação de Sockets com TCP Socket: uma porta entre o processo de aplicação e o protocolo de transporte fim-a-fim (UCP or TCP) serviço TCP: transferência confiável de bytes de um processo para outro controlado pelo criador da aplicação controlado pelo sistema operacional processo socket TCP com buffers, variáveis internet processo socket TCP com buffers, variáveis controlado pelo criador da aplicação controlado pelo sistema operacional host o servidor host ou servidor

41 Sockets Socket API introduzida no BSD4.1 UNIX, 1981 explicitamente criados, usados e liberados pelas aplicações paradigma cliente/servidor dois tipos de serviço de transporte via socket API: datagrama não confiável confiável, orientado a cadeias de bytes socket uma interface local, controlada pelo OS (uma porta ) na qual os processos de aplicação podem tanto enviar quanto receber mensagens de e para outro processo de aplicação (local ou remoto)

42 Berkeley Sockets (1) Primitive Socket Bind Listen Accept Connect Send Receive Close Meaning Create a new communication endpoint Attach a local address to a socket Announce willingness to accept connections Block caller until a connection request arrives Actively attempt to establish a connection Send some data over the connection Receive some data over the connection Release the connection

43 Berkeley Sockets (2) Connection-oriented communication pattern using sockets.

44 Sockets com TCP Cliente deve contactar o servidor processo servidor já deve estar executando antes de ser contactado servidor deve ter criado socket (porta) que aceita o contato do cliente Cliente contata o servidor: criando um socket TCP local especificando endereço IP e número da porta do processo servidor Quando o cliente cria o socket: cliente TCP estabelece conexão com o TCP do servidor Quando contactado pelo cliente, o TCP do servidor cria um novo socket para o processo servidor comunicar-se com o cliente permite o servidor conversar com múltiplos clientes ponto de vista da aplicação TCP fornece a transferência confiável, em ordem, de bytes ( pipe ) entre o cliente e o servidor

45 Sockets com TCP Exemplo de aplicação clienteservidor: cliente lê linha da entrada padrão do sistema (infromuser stream), envia para o servidor via socket (outtoserver stream) servidor lê linha do socket servidor converte linha para letras maiúsculas e envia de volta ao cliente cliente lê a linha modificada através do (infromserver stream) process Process o cliente stream de saída: seqüência de bytes para fora do processo teclado infromuser input stream output stream outtoserver monitor stream de entrada: seqüência de bytes para dentro do processo infromserver TCP socket clientsocket cliente input stream TCP socket para rede da rede

46 Interação Cliente/servidor: TCP Servidor (executando emhostid) Cliente cria socket, port=x, para solicitação entrante: welcomesocket = ServerSocket() TCP espera por pedido estabel. de conexão de conexão entrante connectionsocket = welcomesocket.accept() lê pedido de connectionsocket escreve resposta para connectionsocket fecha connectionsocket cria socket, conecta com hostid, port=x clientsocket = Socket() envia pedido usando clientsocket lê resposta de clientsocket fecha clientsocket

47 Exemplo: cliente Java (TCP) import java.io.*; import java.net.*; class TCPClient { Cria stream de entrada Cria socket cliente, conecta ao servidor Cria stream de saída ligado ao socket public static void main(string argv[]) throws Exception { String sentence; String modifiedsentence; BufferedReader infromuser = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); Socket clientsocket = new Socket("hostname", 6789); DataOutputStream outtoserver = new DataOutputStream(clientSocket.getOutputStream());

48 Exemplo: cliente Java (TCP), cont. Cria stream de entrada ligado ao socket BufferedReader infromserver = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream())); sentence = infromuser.readline(); Envia linha para o servidor Lê linha do servidor outtoserver.writebytes(sentence + '\n'); modifiedsentence = infromserver.readline(); System.out.println("FROM SERVER: " + modifiedsentence); clientsocket.close(); } }

49 Exemplo: servidor Java (TCP) import java.io.*; import java.net.*; class TCPServer { Cria socket de aceitação na porta 6789 Espera, no socket de aceitação por contato do cliente Cria stream de entrada, ligado ao socket public static void main(string argv[]) throws Exception { String clientsentence; String capitalizedsentence; ServerSocket welcomesocket = new ServerSocket(6789); while(true) { Socket connectionsocket = welcomesocket.accept(); BufferedReader infromclient = new BufferedReader(new InputStreamReader(connectionSocket.getInputStream()));

50 Exemplo: servidor Java (cont) Cria stream de saída, ligado ao socket Lê linha do socket DataOutputStream outtoclient = new DataOutputStream(connectionSocket.getOutputStream()); clientsentence = infromclient.readline(); capitalizedsentence = clientsentence.touppercase() + '\n'; Escreve linha para o socket } } } outtoclient.writebytes(capitalizedsentence); Fim do while loop, retorne e espere por outra conexão do cliente

51 Sockets com UDP UDP: não há conexão entre o cliente e o servidor não existe apresentação transmissor envia explicitamente endereço IP e porta de destino em cada mensagem servidor deve extrair o endereço IP e porta do transmissor de cada datagrama recebido UDP: dados transmitidos podem ser recebidos foram de ordem ou perdidos ponto de vista da aplicação UDP fornece a transferência não confiável de grupos de bytes ( datagramas ) entre o cliente e o servidor

52 Interação Cliente/servidor: UDP Servidor (executando hostid) Cliente cria socket, port=x, para solicitação entrante: serversocket = DatagramSocket() lê pedido de: serversocket cria socket, clientsocket = DatagramSocket() Cria, endereço (hostid, port=x, envia datagrama de pedido usando clientsocket escreve resposta para serversocket especificando endereço do host cliente e número da porta lê resposta de clientsocket fecha clientsocket

53 Exemplo: cliente Java (UDP) teclado monitor process Process o cliente Saída: envia pacote (TCP envia byte stream ) stream de entrada pacote UDP infromuser sendpacket receivepacket socket UDP clientsocket cliente pacote UDP UDP socket Entrada: recebe pacote (TCP recebe byte stream ) para rede da rede

54 Exemplo: cliente Java (UDP) import java.io.*; import java.net.*; Cria stream de entrada Cria socket cliente Translada nome do host para endereço IP usando DNS class UDPClient { public static void main(string args[]) throws Exception { BufferedReader infromuser = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); DatagramSocket clientsocket = new DatagramSocket(); InetAddress IPAddress = InetAddress.getByName("hostname"); byte[] senddata = new byte[1024]; byte[] receivedata = new byte[1024]; String sentence = infromuser.readline(); senddata = sentence.getbytes();

55 Exemplo: cliente Java (UDP), cont. Cria datagrama com dados a enviar, tamanho, endereço IP porta Envia datagrama para servidor Lê datagrama do servidor DatagramPacket sendpacket = new DatagramPacket(sendData, senddata.length, IPAddress, 9876); clientsocket.send(sendpacket); DatagramPacket receivepacket = new DatagramPacket(receiveData, receivedata.length); clientsocket.receive(receivepacket); String modifiedsentence = new String(receivePacket.getData()); } System.out.println("FROM SERVER:" + modifiedsentence); clientsocket.close(); }

56 Exemplo: servidor Java (UDP) import java.io.*; import java.net.*; Cria socket datagrama na porta 9876 Cria espaço para datagramas recebidos Recebe datagram a class UDPServer { public static void main(string args[]) throws Exception { DatagramSocket serversocket = new DatagramSocket(9876); byte[] receivedata = new byte[1024]; byte[] senddata = new byte[1024]; while(true) { DatagramPacket receivepacket = new DatagramPacket(receiveData, receivedata.length); serversocket.receive(receivepacket);

57 Exemplo: servidor Java, (cont.) Obtém endereço IP e número da porta do transmissor String sentence = new String(receivePacket.getData()); InetAddress IPAddress = receivepacket.getaddress(); int port = receivepacket.getport(); Cria datagrama para enviar ao cliente Escreve o datagrama para dentro do socket } } String capitalizedsentence = sentence.touppercase(); senddata = capitalizedsentence.getbytes(); DatagramPacket sendpacket = new DatagramPacket(sendData, senddata.length, IPAddress, port); serversocket.send(sendpacket); } Termina o while loop, retorna e espera por outro datagrama

58 The Message-Passing Interface (MPI) Primitive MPI_bsend MPI_send MPI_ssend MPI_sendrecv MPI_isend MPI_issend MPI_recv MPI_irecv Meaning Append outgoing message to a local send buffer Send a message and wait until copied to local or remote buffer Send a message and wait until receipt starts Send a message and wait for reply Pass reference to outgoing message, and continue Pass reference to outgoing message, and wait until receipt starts Receive a message; block if there are none Check if there is an incoming message, but do not block

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