Desenvolvimento de um Middleware Distribuído para Ordenação de Mensagens Segundo os Algoritmos FIFO, Causal e Total

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1 Desenvolvimento de um Middleware Distribuído para Ordenação de Mensagens Segundo os Algoritmos FIFO, Causal e Total Rafael da Rosa Righi 1, Rodrigo da Rosa Righi 2 1 Laboratório de Redes e Gerência (LRG) Universidade Federal de Santa Catarina UFSC 2 Laboratório de Sistemas de Computação (LSC) Universidade Federal de Santa Maria UFSM righi@inf.ufsc.br, rodrigor@inf.ufsm.br Abstract. The notion of communication time is much important in distributed system computing, because the message delays is variable and the processes sometimes do not have access a global clock. This questions produce some techniques for ordering send message events in a communication group. In this context, it was implemented a middleware that provides a message ordering through three algorithms, FIFO, causal and total. The present article defines the ordering algorithms concepts that were implemented and describe a middleware system developed. Resumo. A noção de tempo de comunicação deve ser vista de uma forma especial na área de sistemas distribuídos, onde o atraso das mensagens é variável e onde os processos muitas vezes não possuem acesso a um relógio global. Estas questões fizeram com que fossem desenvolvidas técnicas para garantir a ordenação de eventos de envio de mensagens em um grupo de comunicação. Nesse contexto, foi implementado um middleware que proporciona a ordenação de mensagens segundo os algoritmos FIFO, causal e total. O presente artigo define os conceitos sobre os algoritmos de ordenação implementados e descreve o sistema de middleware construído. 1. Introdução Os computadores em sistemas distribuídos que executam aplicações em um ambiente multicast [Wilkinson, 1999] se comunicam através de troca de mensagens. Nesse ambiente é admitido que cada envio de mensagem por uma entidade comunicante deve ser transmitido para todas as demais pertencentes ao grupo. Em uma comunicação multicast, existe a possibilidade de ocorrer o cenário onde um processo em um computador A realiza o evento de envio de uma mensagem e, logo após, um outro processo membro do grupo, localizado no computador B por exemplo, realiza o mesmo procedimento. Assim, pode acontecer que um outro processo localizado em uma máquina C também pertencente ao grupo multicast, receba os dados provenientes de B antes que os dados de A, pois não é possível garantir a entrega ordenada das mensagens em um sistema distribuído, onde a velocidade da comunicação entre os integrantes do grupo pode variar.

2 Baseado nesse contexto, foi construído um middleware (camada de software capaz de prover acesso transparente a um determinado serviço) cuja funcionalidade é proporcionar um serviço de ordenação de mensagens segundo os algoritmos FIFO (First In, First Out), causal e total [Tanenbaum e Steen, 2002]. Este middleware foi desenvolvido com o sistema operacional GNU/Linux e escrito com a linguagem de programação Java [Barcelos, 2002]. Também foram utilizadas as tecnologias de sockets [Coulouris et Al, 2001], para realizar a comunicação entre os processos, e de RMI [Coulouris et Al, 2001], para possibilitar a chamada remota de métodos. Estas questões de projeto foram adotadas tendo em vista que a linguagem de programação Java tem emergido nas áreas de programação distribuída e pelo fato que o sistema operacional GNU/Linux é bastante prestativo para a construção de trabalhos científicos e acadêmicos. O presente artigo tem por objetivo apresentar as definições sobre os algoritmos de ordenação FIFO, causal e total e descrever a estrutura do middleware desenvolvido. O artigo está organizado da seguinte maneira. A segunda seção explica o funcionamento dos algoritmos de ordenação de mensagens implementados. A próxima seção descreve a implementação do middleware e os fluxos de dados para o envio e recebimento de mensagens. A quarta seção define a interface de utilização do middleware para o usuário. Para finalizar, é apresentada a seção de conclusão, que reúne os resultados obtidos e apresenta sugestões a cargo de trabalhos futuros. 2. Algoritmos de Ordenação de Mensagens Para explicar o funcionamento dos algoritmos implementados, faz-se necessário definir o conceito de relógio lógico defendido por Lamport (1978). Para definir a sincronização de relógios lógicos, Lamport estabeleceu a relação chamada de aconteceu antes. A expressão a b é lida a acontece antes que b e significa que todos os processos concordam que o evento a acontece e depois o evento b. A relação aconteceu antes pode ser observada diretamente na seguinte situação: se a é um evento de envio de uma mensagem por um processo, e b é um evento de recepção de uma mensagem por um outro processo, então a b é verdadeiro. A mensagem não pode ser recebida antes da mesma ser enviada. Com o conceito proposto por Lamport, foram possíveis as implementações de vários protocolos de ordenação de eventos. A tabela 1, apresentada em [Tanenbaum e Steen, 2002], descreve o funcionamento dos algoritmos de ordenação de eventos de envio de mensagens FIFO, causal e total disponibilizados no middleware desenvolvido. Tabela 1: Algoritmos de Ordenação de Mensagens Algoritmo FIFO Causal Total Funcionamento Para todo par de mensagens m1 e m2 e todo par de processos pi e pj, e pi envia m1 antes de m2, então pj não entrega m2 antes de m1 Para todo par de mensagens m1 e m2 e todo processo pi, se m1 aconteceu antes de m2, então m2 não é entregue por pi antes de m1. Para todo par de mensagens m1 e m2 e todo par de processos pi e pj, se m1 é entregue por pi antes de m2, então m2 não é entregue por pj antes de m1.

3 O algoritmo causal define uma relação de causa (aconteceu antes) entre os eventos gerados por todos os processos. Já o algoritmo FIFO também define a relação de causalidade, mas esta ocorre sempre entre dois processos comunicantes. O algoritmo de ordenação total define que, ao final da transmissão de uma série de mensagens, todos os processos comunicantes devem necessariamente concordar com a mesma ordem de recepção das mensagens. 3. Implementação do Middleware O objetivo do middleware desenvolvido é controlar a ordenação de mensagens de acordo com a sua chegada no processo, para uma posterior entrega para a aplicação. Os algoritmos apresentados na tabela 1 são implementados no middleware através da utilização de vetores de timbres de tempo, ou timestamps. Cada mensagem enviada por um processo comunicante, além de conter o seu próprio conteúdo, também possui um vetor de timestamps. O tamanho desse vetor é igual ao número de integrantes de um grupo multicast (indicado por n) e, cada integrante do grupo representa uma entrada i nesse vetor, onde i varia de 1 a n (considerando-se que o processo emissor também recebe a mensagem). Com essa técnica de vetor de timestamps, pode-se realizar o controle das mensagens que chegam fora de ordem e posteriormente entregá-las para a aplicação a medida que chegam as demais mensagens que satisfaçam a ordenação. Figura1: Framework do sistema de Middleware em um processo do grupo multicast A arquitetura de funcionamento do sistema de ordenação de mensagens implementado está ilustrado na figura 1. Cada processo do grupo multicast, para fazer uso do sistema, deve instanciar uma classe do tipo aplicação. Esta classe lança um middleware

4 que controlará a ordenação das mensagens e enviará as mensagens provenientes da aplicação para os middlewares residentes nos outros processos do grupo multicast. Dessa maneira, cada processo possui uma aplicação e um middleware. Primeiramente, o construtor da classe aplicação instancia um objeto da classe middleware e cria dois fluxos de execução, os fluxos A e B, para realizar a comunicação com o middleware. O fluxo A é responsável pela criação das mensagens e pela escolha do sistema de ordenação. O outro fluxo de execução criado pela aplicação é responsável pelo recebimento de mensagens provenientes do middleware e por organizá-las em uma lista. Para interagir com a aplicação, a classe middleware cria os fluxos de execução C e D. O fluxo C recebe uma mensagem da aplicação através do fluxo de execução A, realiza a atualização do vetor de timbres de tempo da mensagem, cria n fluxos E (sendo n o número de processos no grupo multicast) e retorna para esperar por outra recepção de mensagem da aplicação. O fluxo E tem a função de enviar as mensagens para todos os middlewares do grupo. Neste fluxo de execução é realizado, antes da operação de envio da mensagem para os middlewares (fluxo D), a operação de dormir por um tempo aleatório. Esta operação de dormir serve para atrasar o envio de uma mensagem e é relevante, pois favorece a criação de um ambiente semelhante ao da Internet, onde existem vários equipamentos se comunicando e este tempo de comunicação é variável. Os fluxos E são terminados após o envio da mensagem. O outro fluxo de execução criado pelo middleware é o fluxo D. Ele é um servidor que fica esperando por uma conexão proveniente de um fluxo E para a recepção de uma mensagem. Logo após o recebimento de uma mensagem, o fluxo D realiza a verificação do serviço de ordenação e a mensagem é repassada para um dos três procedimentos que tratam as ordenações FIFO, causal ou total. Estes procedimentos verificam a ordem das mensagens, guardando em listas aquelas que chegam fora de ordem, e as entregam para a aplicação quando estão satisfeitas as relações de ordenação. Caso a mensagem recebida no fluxo D satisfaça diretamente o algoritmo de ordenação, ela é automaticamente repassada para a aplicação (fluxo B). Fazem parte do funcionamento do sistema, dois objetos distribuídos acessados através de invocação remota de métodos (RMI). O primeiro objeto distribuído utilizado, chamado de local_timestamps, foi implementado para possibilitar que dois fluxos de execução dentro de um mesmo processo tivessem acesso de leitura e gravação aos dados compartilhados. Este objeto serve para controlar o vetor de timbres de tempo local e é acessado pelos fluxos de execução C e D. Assim, o vetor de timbres de tempo local é atualizado quando uma mensagem é enviada para os demais middlewares e quando ela é recebida no fluxo D. O outro objeto distribuído, chamado de relógio_atômico, foi construído para fornecer um relógio lógico para ser usado no algoritmo de ordenação total. Ele é responsável pela geração de números seriais. Cada integrante do grupo multicast acessa esse objeto remoto e solicita um número para a sua mensagem. Ambos objetos distribuídos implementados possuem métodos com exclusão mútua, através da diretiva Java Synchronized, onde somente um processo por vez pode fazer a invocação de um método remoto, de modo a garantir a integridade dos dados e o funcionamento correto do sistema de ordenação. 4. Interface e Execução do Middleware

5 O sistema de ordenação desenvolvido possibilita ao usuário enviar mensagens para todos os processos pertencentes a um grupo multicast segundo os algoritmos de ordenação de mensagens FIFO, causal e total. Também é disponibilizado o procedimento para esperar por uma mensagem que já esteja ordenada de acordo com um dos algoritmos propostos. A classe aplicação disponibiliza dois métodos que realizam as funções de enviar e receber mensagens para o middleware. A lista abaixo apresenta a sintaxe de chamada de cada um desses métodos. aplicação.mc_send( String M, Machines G, String QOS)}: é um método para passar uma mensagem M para o grupo G com uma qualidade de ordenação indicada por QOS; aplicação.mc_recv( String M, String QOS)}: Este método retorna a primeira mensagem que possua a qualidade de ordenação igual ao QOS. Caso não houver mensagens disponíveis, é retornado o valor nulo. Para utilizar o middleware de ordenação de mensagens, o usuário deve completar o arquivo da classe Machines, que contêm a quantidade de processos que formam o ambiente multicast e informações sobre a localização destes processos na rede local. A próxima tarefa é criar o stub e o skeleton [Coulouris et Al, 2001] necessários para referenciar o objeto distribuído local_timestamps (gerenciador do vetor de timbres de tempo em um processo). Deve ser realizado o mesmo procedimento para o objeto distribuído relógio_atomico. Realizadas estas tarefas, poder-se-á executar uma aplicação para ordenar mensagens em um grupo multicast fazendo uso do sistema de classes implementado. 5. Conclusão Foram realizados diversos testes no middleware desenvolvido, variando-se o tamanho do grupo multicast até 6 integrantes em diferentes computadores, onde cada integrante realiza iterações para o envio de mensagens. Todos os algoritmos de ordenação implementados desempenharam a sua função com êxito e as mensagens foram entregues para as aplicações corretamente ordenadas. Para a construção do sistema de classes, é importante ressaltar os recursos empregados. O sistema operacional GNU-Linux é uma boa ferramenta de suporte para o desenvolvimento de softwares, pois não possui custo financeiro e o seu código fonte é aberto, plausível a alterações e adaptações dependendo da aplicação. Também é digna de nota a importância da linguagem de programação Java. A linguagem Java tem emergido como uma solução bastante utilizada para escrever programas paralelos e distribuídos, visto que possui classes para invocação remota de métodos e implementa a interface de sockets. Além disso, a linguagem Java oferece, através do uso de byte-code (código executável de uma máquina virtual Java), um alto nível de portabilidade de código, pois uma aplicação pode ser executada em diferentes sistemas operacionais sem a necessidade de uma nova compilação. Como trabalho futuro, os desenvolvedores do middleware pretendem escrever um artigo detalhando a implementação dos algoritmos FIFO, causal e total. Esse artigo irá descrever as questões de projeto e os códigos fontes de cada um dos algoritmos implementados.

6 Referências Tanenbaum, A.; Steen, M. V. (2002). Distributed Systems - Principles and Paradigms. Prentice-Hall, 15th edition. Coulouris, G. ; Dollimore, J.; Kindkerg, T (2001). Interproccess Comunication, Distributed Systems Concepts and Design. Addison Wesley, 3rd edition. Lamport (1978). Time, clocks and the ordering of events in a distributed system. Communications of ACM, 21 (7): Barcelos, M. (2002). Programação paralela e distribuída em java. Escola Regional de Alto Desempenho - ERAD, pages Wilkinson, B. (1999). Message Passing Interface. Parallel Programming. Techniques and Aplications Using Networked Workstations and Parallel Computers, pages Prentice Hall.