Programação de Sistemas

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Malu Gorjão Bastos
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1 Programação de Sistemas Introdução aos modelos de comunicação Programação de Sistemas Modelos de comunicação :1/19

2 Introdução (1) Os sistemas operativos implementam mecanismos que asseguram independência entre processos (i.e., a execução de um processo não afecta os outros, para além da variação do tempo de duração). No entanto, em muitos casos os processos necessitam trocar informação de forma controlada para dividir tarefas, aumentar a capacidade de processamento por distribuição do esforço em computadores distintos ligados em rede, sincronizar a execução de cada um. Programação de Sistemas Modelos de comunicação :2/19

capacidade de processamento por distribuição do esforço em computadores distintos ligados em rede, sincronizar a execução de

3 Introdução (2) Os mecanismos de comunicação são classificados em A. Comunicação por memória partilhada Semáforos, mutexes (estudados no capítulo de sincronização de processos) Segmentos partilhados (Nota: não são abordados nesta disciplina) B. Comunicação via núcleo, que exige cópia de dados. Os mecanismos disponíveis dependem da arquitectura do sistema: Ambiente centralizado Fluxo de Bytes (Pipes) Sinais Ambiente distribuído (ex: redes de computadores) Mensagens (Sockets) Chamada remota, com dados passados por parâmetro. O mecanismo mais divulgado é o RPC Remote Procedure Call (Nota: não é abordado nesta disciplina). Programação de Sistemas Modelos de comunicação :3/19

disciplina) B. Comunicação via núcleo, que exige cópia de dados.

4 Introdução (3) A. Comunicação via memória partilhada Espaço endereçamento P 1 leitura Memória acessível a P 1 e P 2 escrita Espaço endereçamento P 2 Vantagens da comunicação via memória partilhada: mais eficiente (cópia de dados consome recursos) Inconvenientes: problemas de sincronização Programação de Sistemas Modelos de comunicação :4/19

a P 1 e P 2 escrita Espaço endereçamento P 2 Vantagens da comunicação via memória

5 Introdução (4) B. Comunicação via núcleo Espaço endereçamento P 1 escrita leitura Espaço endereçamento P 2 Espaço núcleo tampão Vantagens da comunicação via núcleo Pode ser realizada em sistemas com vários CPU. Sincronização implícita. Programação de Sistemas Modelos de comunicação :5/19

endereçamento P 2 Espaço núcleo tampão Vantagens da comunicação via

6 Introdução (5) Comunicação via núcleo é executada na seguinte sequência de passos: 1. Criação de um canal do processo produtor para o processo consumidor, via núcleo. Nota: o canal pode ser interno ao computador, ou ligando dois computadores. 2. Processo produtor escreve mensagem no canal. Nota: a escrita é não bloqueante (admitindo que o núcleo tem uma memória tampão com capacidade de armazenar todas as mensagens) 3. Processo consumidor lê mensagem vinda do canal. Nota: a leitura é bloqueante, o consumidor fica suspenso até à chegada da mensagem. Programação de Sistemas Modelos de comunicação :6/19

Nota: o canal pode ser interno ao computador, ou ligando dois computadores. 2. Processo produtor escreve mensagem no canal.

7 Introdução (6) [Definição] IPC- InterProcess Communication é o conjunto de mecanismos de troca de informação entre múltiplas threads de um ou mais processos. O Linux disponibiliza vários tipos de mecanismos IPC, de acordo com os objectivos de cooperação: E/S de uso geral: tubos ( pipes ) / filas ( fifos ), STREAMS. E/S entre computadores distintos: Sockets e RPC- Remote Procedure Call. Controlo de processos: signal. Protecção de acesso a recursos (sincronização de processos): semáforos e mutexes. Programação de Sistemas Modelos de comunicação :7/19

O Linux disponibiliza vários tipos de mecanismos IPC, de acordo com os objectivos de cooperação: E/S de uso geral: tubos ( pipes ) / filas

8 Introdução (7) [Def] Canal de comunicação : meio pelo qual a informação é transmitida do emissor ao receptor. Exemplos: Memória partilhada pelos processos emissor e receptor. Memória tampão no núcleo. Nível de transporte na Internet, responsável pela transferência do nó fonte ao nó destino independentemente da forma como a rede de computadores subjacente se encontra organizada. [Def] Protocolo : regras de troca de mensagens entre os intervenientes. Programação de Sistemas Modelos de comunicação :8/19

Nível de transporte na Internet, responsável pela transferência do nó fonte ao nó destino independentemente da forma como a

9 Modelos de comunicação (1) A arquitectura de comunicação entre diversos intervenientes (programas ou processos) segue um modelo determinado. Modelos de comunicação entre aplicações Difusão ( broadcast ) : o emissor envia a mesma informação a todos os restantes processos receptores. Produtor-consumidor: comunicação uni-direccional, com o produtor a entregar mensagens ao consumidor. Cliente-servidor : cliente controla totalmente o servidor. Caixa de correio : as mensagens podem ser lidas por um processo receptor sem o emissor (um entre vários) poder controlar o processo que recolhe a mensagem. Diálogo : dois processos acordam canal temporário para troca de mensagens durante uma sessão. Nota: matéria central na disciplina Redes de Computadores Programação de Sistemas Modelos de comunicação :9/19

Produtor-consumidor: comunicação uni-direccional, com o produtor a entregar mensagens ao consumidor. Cliente-servidor : cliente controla totalmente o servidor.

10 Modelo de difusão Produtor canal Consumidor Consumidor Consumidor Consumidor O produtor envia mensagem a todos os consumidores, sem saber quem e quantos são. Broadcast em Inglês Programação de Sistemas Modelos de comunicação :10/19

os consumidores, sem saber quem e quantos são.

11 Modelo produtor-consumidor Produtor canal Consumidor Conexão uni-direccional fixa, do produtor para o consumidor. Exemplo de implementação analisado num exercício teorico-pratico no capítulo de sincronização de processos. Programação de Sistemas Modelos de comunicação :11/19

Exemplo de implementação analisado num exercício teorico-pratico no

12 Modelo cliente-servidor (1) Cliente canal Servidor pedido resposta Conexão bi-direccional fixa, entre o cliente (computador, programa ou processo que requere informação) e o servidor (computador, programa ou processo que disponibiliza determinado serviço ao cliente). A comunicação desenrola-se nos seguintes passos: 1. O cliente envia um pedido ao servidor. 2. O servidor executa o pedido. 3. O servidor assinala o resultado ao cliente. Nota: normalmente cliente e servidor residem em computadores distintos (ex: WWW), mas pode haver excepções (ex: sistema de janelas X). Programação de Sistemas Modelos de comunicação :12/19

A comunicação desenrola-se nos seguintes passos: 1. O cliente envia um pedido ao servidor. 2. O servidor executa o pedido. 3.

13 Modelo cliente-servidor (2) [Def] Programação modular : software de grande dimensão é dividido em módulos, facilitando o desenvolvimento e a manutenção. O modelo cliente-servidor estende o conceito de programação modular, na medida que os módulos podem ser executados em espaços distintos de memória. [Def] Cliente : módulo chamador, que requere serviço. [Def] Servidor : módulo chamado, que disponibiliza serviço. Programação de Sistemas Modelos de comunicação :13/19

O modelo cliente-servidor estende o conceito de programação modular, na medida que os módulos podem ser executados

14 Modelo cliente-servidor (3) Tipicamente, a interacção entre o cliente e o servidor segue as seguintes etapas Cliente pedido Espera pelo resultado resposta Servidor Processa serviço tempo Nota: transferência de um ficheiro designada por download (do servidor para o cliente) ou upload (do cliente para o servidor). Programação de Sistemas Modelos de comunicação :14/19

tempo Nota: transferência de um ficheiro designada por download (do servidor para o

15 Modelo cliente-servidor (4) O modelo cliente-servidor tem sido adoptado em muitos serviços da Internet. Exemplos de protocolos definidos no modelo de comunicação cliente-servidor: HTTP para WWW. SMTP para transferência de entre nós. POP3 para utilizador recolher mensagens guardadas num ISP-Internet Service Provider. Programação de Sistemas Modelos de comunicação :15/19

Exemplos de protocolos definidos no modelo de comunicação cliente-servidor: HTTP para WWW.

16 Modelo cliente-servidor (5) Fixadas as normas dos protocolos de comunicação entre cliente e servidor, cada um pode ser implementado de forma independente. Exemplos: Servidores WWW Apache (http://httpd.apache.org) lighttpd (http://www.lighttpd.net) Clientes WWW (navegadores- browsers ) Mosaic, primeiro navegador gráfico. Firefox (http://www.mozilla.com/), derivado do Mozilla, corre em várias plataformas (Linux, Mac OS, Windows). Internet Explorer, actualmente em actualização apenas para Windows. Lynx (http://lynx.browser.org/), para terminais textuais. Programação de Sistemas Modelos de comunicação :16/19

(http://www.lighttpd.net) Clientes WWW (navegadores- browsers ) Mosaic, primeiro navegador gráfico. Firefox (http://www.mozilla.

17 Modelo P2P No modelo cliente-servidor as tarefas são separadas por um dos dois nós intervenientes. Os dados são divididos numa partição. No modelo P2P- peer to peer, o nó é simultaneamente cliente e servidor. Os dados são divididos aleatoriamente pela rede: dados localizados por inundação da rede com pedidos. Exemplos: Rede de notícias Usenet (1980)-em 2007 circulavam diariamente 3TB, uma parte significativa SPAM. Kazaa (1999), que possui nós dedicados para fornecer localização de dados. Processado por empresas discográficas, faliu em Programação de Sistemas Modelos de comunicação :17/19

Os dados são divididos aleatoriamente pela rede: dados localizados por inundação da rede com pedidos.

18 Modelo caixa de correio Produtor Escrita mensagem Produtor Produtor Leitura mensagem Consumidor A ligação entre produtor e consumidor é indirecta. 1. Produtor escreve mensagem na caixa do correio. 2. O consumidor recolhe uma mensagem da caixa de correio, sem escolha do produtor que escreveu a mensagem. Nota: Tal como no modelo produtor-consumidor, a escrita não é bloqueante (admitindo que a capacidade da caixa de correio é ilimitada) e a leitura é bloqueante quando a caixa se encontra vazia. Programação de Sistemas Modelos de comunicação :18/19

O consumidor recolhe uma mensagem da caixa de correio, sem escolha do produtor que escreveu a mensagem.

19 Modelo diálogo Cliente Pedidos de atendimento Servidor Sessão Servidor dedicado Lança 1. O cliente envia um pedido ao servidor. 2. Criado um servidor dedicado, que liga ao cliente por um canal dedicado. 3. O canal é desligado quando a sessão termina. Programação de Sistemas Modelos de comunicação :19/19

Criado um servidor dedicado, que liga ao cliente por um canal dedicado. 3.

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