Passagens de Mensagens

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1 Passagens de Mensagens Felipe A. Cavani Caio Scaramucci Orientador: Prof. Norian Marranghello 11/04/2002 1

2 Sumário 1 Introdução 2 2 Primitivas básicas de comunicação Serviço de transporte Estruturas de comunicação Destino das mensagens Comunicação síncrona, assíncrona e buffering Síncrona Assíncrona Buffering Pipe 4 4 Socket Tipos de sockets Socket seguro Comunicação grupal Introdução Grupo Técnicas de gerenciamento de trocas de mensagens Características dos grupos Controle de membros do grupo

3 1 Introdução A existência de sistemas capazes de executar vários processos simultaneamente em um ou mais processadores, estando estes compartilhando a mesma memória ou então dispersos em uma rede, trouxe a necessidade de trocarem informações de forma muito eficiente. Hoje usamos a passagem de mensagem de forma transparente em diversos sistemas como por exemplo: acessar arquivos via NFS, acessar uma página na web ou em aplicações executadas paralelamente em um cluster. Estaremos vendo as primitivas básicas da passagem de mensagem e daremos ênfase nas estruturas de comunicação pipe, socket e comunicação grupal. 2 Primitivas básicas de comunicação 2.1 Serviço de transporte Para possibilitar a comunicação foram criados protocolos, um conjunto de regras semânticas e sintáticas que determinam como será estabelecida a comunicação entre os pares. O principal protocolo de transporte é o TCP que foi construído como sendo uma das camadas de um conjunto maior. Devido ao fato dele ser uma camada isso possibilita uma maior flexibilidade ao desenvolvedor. 2.2 Estruturas de comunicação São necessárias estruturas adequadas para suportar sistemas distribuídos e oferecer a eles protocolos de alto nível, ocultando dos usuário da camada de transporte como o processo de comunicação é feito. Send e Receive: Passagem simples de mensagem. Pipe: Passagem de mensagem produtor-consumidor. Socket: O sistema disponibiliza um ponto onde serão entregadas as mensagens. Cliente servidor: O cliente executa um request e aguarda por um reply do servidor, que serve como confirmação da chegada da mensagem. É um modo muito simples e rápido de troca de mensagem. Comunicação Grupal: Possibilita a comunicação com vários receptores. 2

4 2.3 Destino das mensagens O endereço de destino da mensagem deve ser conhecido pelo processo que irá envia-la, para isso podemos usar um dos métodos listados a baixo. Nome: O computador e o processo estão associados sempre a um mesmo endereço. Que podem ser, por exemplo, o número do processo mais o IP. Ligação: O endereço do destinatário é mascarado pelo SO. Com isso os serviços podem ser remanejados para outro local na rede sem que os clientes sejam informados. Caixa de correio: Possui vários processos que enviam e um que recebe. O processo busca nesta caixa de correio por mensagens para ele e a lê. Portas: Muito semelhante a Caixa de correio mas utiliza uma fila que é acessada pelos diversos processos que recebem mensagens. 2.4 Comunicação síncrona, assíncrona e buffering Síncrona Na comunicação síncrona o processo que envia é bloqueado até que a mensagem seja enviada completamente. O processo que recebe a mensagem também fica bloqueado até o término da mensagem. Bloqueio confiável: o processo só é liberado após o processo de destino receber a mensagem. Bloqueio explícito: o processo só é liberado após a mensagem ser recebida processada e uma nova mensagem ser enviada em resposta pelo receptor Assíncrona Send sem bloqueio: O processo é desbloqueado assim que a mensagem é copiada para um buffer local. Receive sem bloqueio: É envolto pela complexidade extra do processo que irá receber a mensagem, pois esta virá fora do fluxo de controle. Receive com bloqueio: O processo fica bloqueado para sempre o que cria a necessidade de criação de um timeout. Esse tipo de abordagem pode ser utilizado em servidores que ficam sempre esperando por mensagens. 3

5 2.4.3 Buffering Em um sistema quando a primitiva send é chamada antes da receive não há como o kernel identificar a qual processo a mensagem deve ser entregue, por isso é definida uma estrutura de dados simples chamada caixa de correio que faz uso de um buffer que é gerenciado pelo kernel. O processo que deseja receber mensagens solicitará para o kernel a criação da caixa de correio. As mensagens com destino a este processo serão armazenadas nela e quando o processo estiver livre para chamar a primitiva receive a mensagem será retirada dessa caixa de correio. Quando a caixa de correio não for mais necessária o processo solicitará para o kernel o término dessa caixa de correio. Este método de recepção apenas ameniza o problema do processo de destino estar ocupado e não poder receber mensagens, pois a caixa de correio em um dado momento pode estar cheia. 3 Pipe Estruturas do tipo pipe tem aplicação limitada em sistemas distribuídos, mas são usadas em algumas aplicações de rede ou multiprocessadas. Seu funcionamento esta fundamentado no conceito de produtor e consumidor, onde temos um processo que produz enquanto houver espaço na fila do receptor e o processo receptor que lê as mensagens no início da fila. Ex: Unix pipe. ls -l more 4 Socket Quando não existe possibilidade de identificarmos o compartilhamento de estruturas de dados ou arquivos de forma adequada utilizamos socket. Podemos compará-lo a um sistema de telefonia onde existem tomadas onde plugamos os telefones e executamos ligações. O processo que envia a mensagem solicita ao sistema uma saída e esse se encarrega de fazer o mapeamento necessário para enviar a mensagem através da rede. 4.1 Tipos de sockets Conexão confiável orientada a bytes: Todos bytes são enviados de uma vez e há garantia de recebimento da mensagem. Ex: TCP. Conexão confiável orientada a pacotes: Os dados são enviados toda vez que uma chamada a write é feita, são feitas tantas conexões quanto 4

6 chamas a write. O sistema garante que os pacotes serão recebidos sem perda e ordenados. Transmissão não confiável de pacotes: Esse sistema é usado para aplicações que necessitam de agilidade de comunicação. Não há garantida de transmissão e nem da ordem dos dados. Ex: UDP 4.2 Socket seguro Quando existe a necessidade da troca de informações confidenciais ou que não podem sofrer nenhum tipo de alteração usamos sockets seguros que fazem uso da criptografia e de métodos de validação. 5 Comunicação grupal 5.1 Introdução Comunicação de um transmissor para vários receptores. Diferente da RPC (Chamada Remota a Procedimentos): permite apenas a comunicação de um transmissor para um receptor. Conveniente para sistemas redundantes. 5.2 Grupo Um grupo é um conjunto de processos que agem juntos de maneira especificada pelo sistema ou por um usuário. Comunicação um-para-muitos: a mensagem enviada pelo transmissor deve chegar a todos do grupo. São dinâmicos: novos grupos podem ser criados e antigos podem ser excluídos. Os processos podem juntar-se a grupos existentes, sair deles e podem também pertencer a vários grupos simultaneamente. Propósito: permite que um processo envie uma mensagem a um grupo de servidores sem saber quantos são esses servidores, nem onde estão localizados. Analogia: fórum. Indivíduos do fórum Processos. 5

7 O programa de controle do fórum Sistema operacional Mensagens trocadas no fórum Mensagens entre processos. 5.3 Técnicas de gerenciamento de trocas de mensagens Multicast: cada grupo tem um endereço. O transmissor se comunica com os receptores do grupo apenas enviando mensagens para esse endereço. Broadcast: o transmissor envia uma mensagem igual para todos os receptores do grupo. O software de cada receptor (sistema operacional) se encarrega de verificar se as mensagens recebidas realmente são destinadas a ele ou não. Se não forem, as mensagens são descartadas. Isso causa uma perda considerável de tempo de processamento. Menos eficiente que o multicast. Unicast: o transmissor envia uma mensagem igual para cada um dos receptores do grupo ao qual se quer comunicar. Grande tráfego de mensagens. Funciona razoavelmente bem em grupos pequenos. 5.4 Características dos grupos Grupos fechados: somente os processos pertencentes ao grupo podem enviar mensagens a ele. Os processos que não pertencem ao grupo podem enviar mensagens somente a membros individuais. Grupo aberto: qualquer processo do sistema pode enviar mensagens a ele. Grupo igualitário: todos os processos desse grupo são iguais e todas as decisões são tomadas coletivamente. Se um processo do grupo falhar, o grupo se tornará menor, mas continuará exercendo seu papel. A desvantagem desse tipo de grupo é que existem uma perda de tempo de processamento, devido ao processo de decisão coletivo. Grupos hierárquicos: um único processo do grupo, chamado de coordenador, dirige o trabalho do resto do grupo. Ele é quem decide, entre os outros processos do grupo, quais são os mais capacitados para exercer uma determinada tarefa. Portanto, cada processo do grupo não é igual ao outro. Exemplos: 6

8 Jogo de Xadrez: Os processos do grupo somente interagem com eles mesmos: característica de grupo fechado. Uma jogada é enviada para um único processo que distribuí a tarefa entre os outros do grupo: característica de grupo hierárquico. Servidores de arquivos redundantes: O cliente (processo não pertencente ao grupo) deve ter a permissão de enviar um pedido de arquivo para todos os servidores (grupos): característica de grupo aberto. Todos os servidores são iguais e exercem a mesma função. Se um falhar, qualquer outro pode atender o pedido: característica de grupo igualitário. 5.5 Controle de membros do grupo Servidor de grupo: Mantém uma base de dados completa de todos os grupos e seus membros. Controla a criação e destruição de grupos. Controla a inclusão e exclusão de processos em grupos. Ruim por ser centralizado. Atomicidade: Garante que: Todos do grupo receberão a mensagem. Ninguém do grupo receberá a mensagem se por um motivo algum processo do grupo não puder receber a mensagem. Facilita a implementação de sistemas distribuídos. Referências [1] Tanenbaum, Andrew S.: Sistemas operacionais modernos, LTC, 1992 [2] Tanenbaum, Andrew S.: Redes de computadores, Campus, 1997 [3] Coulouris, G.; Dollimore, J.; Kindberg, T. : Distributed Systems: Concepts and Design, Addison-Wesley Publishers, Edition 2 Draft,

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