Departamento de Engenharia Informática. Sistemas Distribuídos Capítulo 2: Programação da Comunicação

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1 Sistemas Distribuídos Capítulo 2: Programação da Comunicação Sistemas Distribuídos

2 Índice Revisão das Redes Modelo da comunicação distribuída Caracterização da interface Exemplos de Interfaces de comunicação

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, e acções tomadas quando da transmissão ou recepção de mensagens

4 Programação da comunicação: modelo Departamento de Engenharia Informática Processo porto Canal de comunicação porto Processo API da comunicação rede transporte rede lógico físico modo utilizador modo sistema

5 Redes de Dados Fornecer uma base mínima de compreensão das redes de dados Arquitectura Organização Protocolos Revisão Identificar os aspectos relevantes das redes de dados na concepção de sistemas distribuídos

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

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

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 cada nível corresponde a um nível de abstração necessário no modelo cada nível possui funções próprias e bem definidas as funções de cada nível foram escolhidas segundo a definição dos protocolos normalizados internacionalmente as fronteiras entre níveis devem ser definidas de modo a minimizar o fluxo de informação nas interfaces o número de níveis deve ser suficientemente grande para que funções distintas não precisem ser colocadas na mesma nível e, ao mesmo tempo, suficientemente pequeno que não torne a arquitectura difícil de controlar.

9 OSI - Nível Físico Funções: conseguir transmitir 1 bit de informação sobre 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 Anel (ring) Malha (mesh) Bus

10 OSI - Nível Lógico ou Ligação de Dados Funções: transmissão de pacotes, ou tramas, entre máquinas ligadas à mesma rede física Nível Lógico define: Delimitadores de trama Endereço físico do destinatário Multiplexagem do meio de transmissão (emissor) Detecção do endereço do destinatário (receptor) Definição da unidade básica de informação (bit, octeto) Recuperação de erros de transmissão Controlo de fluxo Frame Relay GPRS UMTS ATM Ethernet

11 OSI - Nível Rede Rede IP 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

12 Nível Transporte Processo Utilizador Rede TCP 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 Processo Utilizador

13 A Internet como um Relógio de Areia Mail Web Audio VoIP Video IM Web Services Passível de alterações Maior inovação TCP / UDP IP Difícil de alterar Ethernet GPRS Satélite Bluetooth

14 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 Aplicação Apresentação Sessão HTTP, FTP, SMTP, Corba, IIOP, SOAP, RMI XML, XDR, XML Binding protocol, DCE- RPC Aplicação Apresentação Sessão transporte rede ligação física

15 Aspectos a Analisar Integração das Redes no Sistema Operativo Características do Canal de Comunicação

16 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

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

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

19 Caracterização do canal de Comunicação Tipos de canais Com ligação Normalmente serve 2 interlocutores Normalmente fiável, bidireccional e garante sequencialidade Sem ligação Normalmente serve mais de 2 interlocutores Normalmente não fiável: perdas, duplicação, reordenação Canal com capacidade de armazenamento em fila de Mensagens Normalmente com entrega fiável das mensagens

20 Canal com Fila de Mensagens Emissor Rede Receptor Emissor fila Receptor Emissor fila Receptor Emissor fila fila Receptor

21 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

22 JAM1 Programação da comunicação: semântica de envio Departamento de Engenharia Informática 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 mensagem ser entregue Pedido/resposta ou Remote Procedure Call Cliente só prossegue após resposta do servidor aplicação aplicação cliente servidor Núcleo SO

23 Slide 22 JAM1 Final aula 3 Jose Alves Marques;

24 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

25 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 Departamento de Engenharia Informática

26 Programação da comunicação: Detecção 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

27 Programação da comunicação: Difusão de mensagens Departamento de Engenharia Informática 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 (não é suportado genericamente) Comunicação em grupo (ex. ISIS) Brokers de mensagens com regras de distribuição das mensagens

28 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

29 Exemplos de Interfaces Sockets TLI

30 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 E/S do Unix Eficiente

31 Interface sockets Domínio do socket: define a família de protocolos associada a um socket INET: 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)

32 Interface sockets Relação entre domínio, tipo de socket e protocolo UNIX INET NS Stream Sim TCP SPP Datagram Sim UDP IDP Raw - IP Sim Seq Packet - - SPP

33 Sockets Cliente processo socket TCP com buffers, variáveis Ou UDP controlado pelo programador da aplicação Internet Controlado pelo SO Servidor processo socket TCP com buffers, variáveis socket Os processos enviam /recebem mensagens para /de outros processos através dos seus sockets Um socket corre no sistema terminal e é análogo a uma porta entre os processos da aplicação e o protocolo de transporte O processo que envia empurra a mensagem para fora da porta assume que a infraestrutura de transporte do outro lado da porta leva a mensagem até ao socket do processo que a recebe Protocolo de transporte: transferência de bytes de um processo para outro API (Interface de Programação da Aplicação) Permite escolher o protocolo de transporte E definir alguns parâmetros

34 Sockets sem Ligação Servidor Cliente socket socket bind bind recvfrom sendto sendto recvfrom

35 Sockets UDP em Java (Cliente) 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();} } } Constrói um socket datagram (associado a qualquer porto disponível) Conversão do nome DNS para endereço IP Cada mensagem enviada tem que levar junto identificador do processo destino: IP e porto

36 Sockets UDP em Java (Servidor) 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); Constrói um socket datagram (associado ao porto 6789) Recebe mensagem 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();} Extrai da mensagem o IP e porto do processo origem para responder

37 Sockets com Ligação Servidor Cliente socket Servidor Cliente bind Socket Escuta 3-way handshake listen accept socket connect Socket Ligação bytes bytes Socket Cliente read write write read

38 Sockets Stream em Java (Cliente) WriteUTF / readutf para Universal transfer format / para as cadeias de caracteres import java.net*; import java.io*; public class TCPClient{ public static void main(string args[]){ // args: message and destin. hostname 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){ classe Socket suporta o socket cliente. Argumentos: nome DNS do servidor e o porto. Construtor não só cria o socket como efectua a ligação TCP Métodos getinputstream / getoutputstream permitem aceder aos dois streams definidos pelo socket 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}

39 Sockets Stream em Java (Servidor) import java.net*; import java.io*; public class TCPServer{ public static void main(string args[]){ try{ int server Port = 7896; } } Cria socket servidor que fica à escuta no porto serverport Bloqueia até cliente estabelecer ligação. ServerSocket listensocket = new ServerSocket(serverPort); while(true){ Socket connectionsocket = listensocket.accept(); myconnection c = new myconnection(connectionsocket); } }catch (IOException e){system.out.println( Listen: +e.getmessage());} Cria novo socket servidor com quem é estabelecida ligação com o cliente e onde os dados são recebidos

40 Transport Layer Interface Introduzida no Sistema V versão 3 (1987) 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. Actualmente pouco utilizados (sockets são o standard de facto)

41 Transport Layer Interface Departamento de Engenharia Informática Servidor Cliente Servidor Cliente t_open t_bind t_alloc t_open t_listen Bloqueio à espera de ligação t_accept li gaç ão t_bind t_alloc t_connect t_rcv t_snd t_snd t_rcv

42 Sistemas Distribuídos Capítulo 2: Programação da Comunicação Seguem-se os slides não utilizados

43 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

44 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