Curso Sistemas Operacionais Distribuídos

Transcrição

1 Autor 1ª versão Cristiano A. Costa Local II - UFRGS Revisões V C. Geyer Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 1 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 2 Roteiro Comparação entre o Modelo OSI e o Cliente-Servidor Clientes e Servidores Exemplo de Cliente e Servidor Endereçamento Outros modelos e questões de sw Primitivas bloqueantes e não-bloqueantes Bufferização Confiabilidade Questões de Implementação Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 3 Modelos de SDs Ou modelos de arquitetura de SDs Define as partes (módulos, componentes,...) Caracteriza cada parte de forma abstrata Posicionamento das partes Interação entre elas Exemplos de modelos Cliente / servidor P2P Variações Uso de replicação Uso de mobilidade de código e/ou dados Uso de cache Dinamicidade: inclusão e exclusão de partes Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 4 1

2 O Modelo OSI não é perfeito para Sistemas Distribuídos Overhead causado por vários protocolos Não diz como um S.O. Distribuído deve ser estruturado Observação Modelo OSI: Modelo padrão para redes de computadores Define as camadas dos protocolos de redes [TAN 1992]: 2o cap. de SD Tópico de disciplinas do setor de redes Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 5 O Modelo OSI não é perfeito para Sistemas Distribuídos Overhead causado por vários protocolos Normalmente S.O.D. usam parte das camadas Não diz como um S.O. Distribuído deve ser estruturado Modelo Cliente-Servidor Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 6 Modelo Cliente/Servidor Um dos modelos mais citados e usados Prós Simplicidade Eficiência (em muitos casos) Contras Perde escalabilidade Modelo Cliente/Servidor Partes Clientes Ciclo de vida próprio individual Usualmente não permanente Disparado por usuários quando necessário Eventualmente necessitam um serviço de um servidor Usualmente um programa sequencial Conhece o servidor Conhece o serviço oferecido (operações) Frequentemente em grande número Indeterminado, variável Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 7 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 8 2

3 Modelo Cliente/Servidor Partes Servidor Ciclo de vida permanente Frequentemente um programa concorrente Multithreaded Oferece várias operações aos clientes Uma interface pública Nome ou código da operação Argumentos Resultados Usualmente não conhece clientes Modelo Cliente/Servidor Interação Cliente faz uma requisição ao servidor passando Operação Argumentos de entrada Pode ser void Por exemplo, via um send Cliente fica esperando resposta Por exemplo, via um receive Pode ser void Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 9 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 10 Modelo Cliente/Servidor Interação (cont.) Servidor está esperando uma requisição de algum cliente Por exemplo, via um receive Servidor Verifica a operação Trata (executa) a operação com os argumentos Prepara uma resposta (resultado)0 Servidor Envia a resposta Por exemplo, via um send Modelo Cliente/Servidor Variações Um servidor pode ser cliente de outros servidores Um cliente pode acessar vários servidores Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 11 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 12 3

4 Modelo Cliente/Servidor Grupo de processos que cooperam entre si: (Servidores) oferecem serviços para usuários (Clientes) Protocolo normalmente utilizado: Request/Reply Sem Conexão Exemplo: UDP Simples Clientes e Servidores rodam o mesmo microkernel A mensagem de resposta (nível da aplicação) pode servir como ack (do protocolo de rede) Por ser um protocolo simples, é também eficiente Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 13 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 14 A pilha de protocolos é menor A pilha de protocolos é menor São necessários três níveis de protocolo (em máquinas idênticas) São necessários três níveis de protocolo (em máquinas idênticas) implementada em software implementadas em hardware Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 15 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 16 4

5 As camadas física e de enlace de dados são responsáveis por enviar e receber pacotes entre cliente e servidor (redes) A camada 5 define um conjunto de respostas e requisições permitidas Os serviços de comunicação são implementados através de chamadas do sistema (system calls) Em sistemas largamente distribuídos (SLD) Exemplos de SLD: Internet, P2P, Grade,... As falhas de rede são freqüentes É recomendável usar protocolos mais confiáveis Por exemplo, com conexão Ou usar procotolos menos confiáveis mas implementar em nível de aplicação certos controles mínimos Essa recomendação é dependente do tipo de aplicação (ou comunicação) Por exemplo, comunicações de informação, periódicas, podem fazer uso de protocolos não confiáveis Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 17 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 18 Sistemas C/S com acesso a bases de dados Muitos (maioria?) dos sistemas (aplicações) atuais acessam bases de dados no lado servidor Bases de dados: sistemas de arquivos, SGBD, LDAPs, bancos de dados de objetos (representações, imagens, áudio, vídeos,...) Sistemas C/S com acesso a bases de dados Modelo C/S é estendido para modelo de sistema multi-camadas Segundo [TAN SD 2002]: sistemas em 3 camadas Interface com usuário (user interface) Camada de processamento Camada de dados Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 19 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 20 5

6 Exemplo de Cliente e Servidor Será apresentado um esboço de um cliente e um servidor de arquivos em C. Composto de três programas header.h, arquivo utilizado pelo cliente e pelo servidor para compartilhar algumas definições sample.c, exemplo de servidor procedure.c, exemplo de procedimento (cliente) que utiliza o servidor para copiar um arquivo Exemplo de Cliente e Servidor Servidor: quatro operações definidas CREATE: cria um novo arquivo READ : lê pedaço de arquivo WRITE: escreve pedaço de arquivo DELETE: apaga arquivo existente Cliente: Copia arquivo 1 para arquivo 2 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 21 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 22 Exemplo de Cliente e Servidor Uso de Primitivas de send/receive bloqueantes e tamanho de mensagens constante Send Primeiro argumento: destino Segundo argumento: mensagem Receive 1º arg: próprio (recebedor ou destino) 2º arg: mensagem Mensagem Pode ser uma estrutura Diversos tipos de dados combinados Arquivos Header.c Define formatos (dados,...) e constantes comuns ao programa servidor e aos programas clientes Por exemplo: Endereço na rede do servidor Tamanho máximo de 1 mensagem... Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 23 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 24 6

7 Arquivos (cont.) Sample.c Código do servidor Loop infinito Recebe mensagem (pedido) do cliente Identifica tipo do pedido Processa pedido Responde ao cliente Procedure.c Código do cliente Loop até que leitura retorne nada Le pedaço do arquivo 1 Limitado pelo tamanho da mensagem Grava pedaço no arquivo 2 header.h /*Definições necessárias pelos clientes e servidores */ #define MAX_PATH 255 /*tamanho maximo de nome_arq*/ #define BUF_SIZE 1024 /*dados transferidos*/ #define FILE_SERVER 243 /* endereço do servidor*/ /*Definições de operações permitidas*/ #define CREATE 1 /*cria um novo arquivo*/ #define READ 2 /*lê pedaço de arquivo*/ #define WRITE 3 /*escreve pedaço de arquivo*/ #define DELETE 4 /*apaga arquivo existente*/ Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 25 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 26 header.h (continuação) header.h (continuação) /*Códigos de erro*/ #define OK 0 /*operação feita corretamente*/ #define E_BAD_OPCODE -1 /*operação inexistente*/ #define E_BAD_PARAM -2 /*erro em algum parâmentro*/ #define E_IO -3 /*erro de E/S*/ /*Definição do formato da mensagem*/ struct message { long source; /*identificador da origem*/ long dest; /*identificador do destino*/ }; long opcoe; /*qual operação*/ long count; /*quantidade de bytes*/ long offset; /*onde no arq. começa a oper.*/ long extra1; /*campo extra*/ long extra2; /*campo extra*/ long result; /*resultado da operação*/ /* valor depende da op. */ char name[max_path]; /*nome do arquivo*/ char data[buf_size]; /*dados lidos ou p/ escrever*/ Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 27 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 28 7

8 sample.c (servidor) #include <header.h> void main(void) { struct message m1,m2; /* áreas p/mensagens */ int r; /* área p/respostas */ Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 29 sample.c (continuação) while (1){ receive(file_server,&m1); /* recebe requisição */ /* processa conforme tipo da requisição */ /* código dos procedimentos internos omitidos */ switch(m1.opcode) { case CREATE: r = do_create(&m1,&m2); break; case READ: r = do_read(&m1,&m2); break; case WRITE: r = do_write(&m1,&m2); break; case DELETE: r = do_delete(&m1,&m2); break; default: r = E_BAD_OPCODE; } m2.result = r; send(m1.source, &m2); } } Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 30 procedure.c (cliente) #include <header.h> int copy(char *src, char *dst) { struct message m1; /* mensagem ao/de servidor */ long position; /* posição de leitura */ long client = 110; /* quem envia */ initialize(); position = 0; /* inicia leitura no 1o byte */ procedure.c (continuação) do { /*Lê um bloco de dados do arquivo origem*/ m1.opcode = READ; /* prepara mensagem */ m1.offset = position; /* 1o byte: ajustado por read */ m1.count = BUf_SIZE; /* quantos bytes */ strcpy (&m1.name, src); /* nome arq. */ send(file_server, &m1); /* envia req. */ receive(client, &m1); /* recebe resp. */ Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 31 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 32 8

9 } procedure.c (continuação) /*grava um bloco de dados no arquivo destino*/ m1.opcode = WRITE; m1.offset = position; m1.count = m1.result; strcpy (&m1.name, dst); send(file_server, &m1); receive(client, &m1); position += m1.result; }while (m1.result > 0); /* zero: nada foi lido */ return(m1.result >= 0? OK : m1.result); Endereçamento Um cliente para mandar uma mensagem a um servidor precisa saber o endereço Existem várias formas de endereçamento Principais destacados: Endereçamento por número de máquina Endereçamento por processo Endereçamento por nomes ASCII obtidos de um name server Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 33 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 34 Endereçamento por número de máquina Utiliza o número da máquina para endereçamento um processo por máquina não é transparente simplicidade Viável em sistemas simples Pode-se utilizar uma combinação entre número da máquina e número do processo não é transparente simplicidade mais de um processo por máquina não precisa de coordenação global (não há ambigüidade entre processos) Exemplo: TCP/IP 1. Request para Reply para Request para Replay para Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 35 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 36 9

10 Endereçamento por processo Associar a cada processo um endereço único que não contém o número da máquina Duas alternativas para escolha do número do processo: Garantir números distintos A1: Processo centralizado responsável pela alocação de endereços (contador incrementado a cada requisição) Transparência Escalabilidade A2: Cada processo pega seu próprio endereço aleatóriamente de um grande espaço de dados Transparência Escalabilidade Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 37 Endereçamento por processo o cliente pode fazer broadcast de um pacote especial para localização (locate packet) o kernel que contém o processo devolve uma mensagem do tipo here I am Transparência Gera carga extra no sistema 1. Broadcast 2. Here I am 3. Request 4. Replay Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 38 Endereçamento por name server Utiliza uma máquina extra para mapear nomes de serviços em endereços de máquinas Servidores são referidos como strings e estas são embutidas nos programas Transparente Requer um componente centralizado 1. Lookup 2. NS Reply 3. Request 4. Replay Server Kernel 3 4 Client Kernel 1 2 Name Server Kernel Primitivas Bloqueantes (síncronas) no send, enquanto a mensagem está sendo enviada, o processo fica bloqueado o receive fica bloqueado até que alguma mensagem chegue ou até um timeout Rede Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 39 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 40 10

11 Primitivas Não-Bloqueantes (assíncronas) o send retorna o controle imediatamente, antes da mensagem ser realmente enviada o receive passa para o kernel o ponteiro para o buffer e retorna imediatamente, antes de receber a mensagem em algumas abordagens o receive não-bloqueante é aquele que só recebe quando já existem mensagens e fica bloqueado até completar a recepção, se não retorna O processo fica bloqueado durante a transferência de mensagem Melhor opção para envio de mensagens em condições normais Simples de entender Simples de implementar Performance para envio de mensagem CPU fica ociosa durante a transmissão Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 41 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 42 Primitivas não-bloqueantes com cópia o kernel copia a mensagem para um buffer interno e então libera o processo para continuar Performance Sobrepor processamento e transmissão de mensagens Primitivas não-bloqueantes com interrupção interrompe o processo que enviou a mensagem quando o buffer estiver livre para reutilização Programação Difícil Performance Tanenbaum A diferença essencial entre uma primitiva síncrona e uma assíncrona é se o processo que envia a mensagem pode reutilizar o buffer imediatamente após o comando send preferida por projetistas de sistemas operacionais Andrews Uma primitiva síncrona é aquela em que o processo que envia fica bloqueado até que o receptor aceite a mensagem e mande um ack. Qualquer outra alternativa é considerada assíncrona preferida por projetistas de linguagens de programação Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 43 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 44 11

12 Primitivas não-bufferizadas O buffer para armazenar a mensagem deve ser especificado pelo programador Existem duas estratégias a serem empregadas no caso de um send do cliente, sem um receive do servidor: discartar mensagens inesperadas temporariamente manter mensagens inesperadas Primitivas bufferizadas Primitivas não-bufferizadas discartando mensagens Implementação O cliente pode ficar tentando enviar mensagens Podem ocorrer casos em que o cliente desista de enviar a mensagem Endereço refere-se a processo Existe um buffer para armazenar mensagens inesperadas A primitiva de bufferização mais empregada define estruturas de dados chamadas mailbox Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 45 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 46 Primitivas não-bufferizadas temporariamente mantendo mensagens reduz a chance da mensagem ser descartada introduz problema de gerenciamento e armazenamento de mensagens inesperadas Primitivas bufferizadas: Mailboxes Um processo que está interessado em receber mensagens avisa o kernel para criar uma mailbox informando o endereço de origem das mensagens Todas as mensagens são colocadas na mailbox e uma chamada a receive simplesmente remove mensagens dela reduz ainda mais a chance de mensagens serem descartadas mailboxes são finitas e podem necessitar de estratégias análogas as adotadas anteriormente Endereço refere-se a mailbox Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 47 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 48 12

13 Três diferentes alternativas podem ser utilizadas para questões de confiabilidade: assumir que as primitivas não são confiáveis, alterando a semântica do send o sistema não garante que as mensagens são enviadas o usuário fica responsável por implementar comunicação confiável primitivas confiáveis com mecanismos de acknowledgment do tipo: Request - Ack - Reply - Ack primitivas confiáveis com mecanismos de acknowledgment do tipo: Request - Reply - Ack combinações podem ser obtidas entre os mecanismos confiáveis Request - Ack - Reply - Ack somente quando o Ack é recebido, o processo é liberado o acknowledgement é feito entre kernels (transparente para o cliente ou servidor) um request/reply com este mecanismo necessita de quatro mensagens 1. Request 2. Ack 3. Reply 4. Ack Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 49 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 50 Request - Reply - Ack Alternativas de projeto: O Reply serve como um ack o cliente fica bloqueado até a mensagen de reply se a mensagem de reply demorar, o cliente reenvia a requisição em alguns kernels não é necessário o ack 1. Request 2. Reply 3. Ack Total de 81 combinações Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 51 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 52 13

14 Pacotes normalmente empregados no protocolo de comunicação: As redes têm um tamanho máximo de pacote, mensagens maiores devem ser quebradas O acknowledgment pode ser utilizado por pacote ou por mensagem, dependendo da taxa de erros da rede Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 53 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 54 Alguns exemplos de comunicação: REQ > REQ > < ACK Cliente Servidor Cliente < REP Servidor < REP ACK > (a) REQ > REQ > < ACK Cliente < REP AYA > Servidor Cliente Servidor ACK > < IAA < REP ACK > (c) (b) (d) O Modelo cliente-servidor utiliza um protocolo simples e de fácil implementação Por ser simples e sem conexão, o protocolo é também eficiente Várias alternativas de projeto para primitivas de comunicação podem ser utilizadas Todas as comunicações no modelo são construídas através de primitivas de E/S Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 55 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 56 14

15 Revisão defina modelo C/S quais são as vantagens? variações atuais do modelo C/S? formas de localização do servidor pelo cliente? conceito? vantagens e desvantagens? The End! Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 57 Curso de Sistemas Operacionais Distribuídos O Modelo Cliente Servidor 58 15