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3/6/2005 José Alves Marques
Departamento de Engenharia Informática
Sistemas DistribuídosCapítulo 2: Programação da Comunicação
3/6/2005 José Alves Marques
Departamento de Engenharia Informática
Índice
• Revisão das Redes• Modelo da comunicação distribuída• Caracterização da interface• Exemplos de Interfaces de comunicação
3/6/2005 José Alves Marques
Departamento de Engenharia Informática
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
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Programação da comunicação: modelo
Processo Canal de comunicaçãoporto
Processo
API dacomunicação
modo utilizador modo sistema
rede
porto
trans
porte
rede
lógi
co
físic
o
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Redes de Dados
• Fornecer uma base mínima de compreensão das redes de dados– Arquitectura– Organização– Protocolos
• Identificar os aspectos relevantes das redes de dados na concepção de sistemas distribuídos
Revisão
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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
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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
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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
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OSI - Nível Físico
Funções: conseguir transmitir 1 bit de informação sobre o 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
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BusAnelMalhada
Nível Físico
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OSI: Nível Lógico ou Ligação de Dados
• Funções: transmissão de pacotes, ou tramas, entre duas máquinas ligadas à mesma rede física
• Nível Lógico define:– Delimitadores de trama– Endereço físico do destinatário (endereço único, broadcast,
multicast)– Multiplexagem do meio de transmissão (emissor)– Detecção do endereço do destinatário (receptor)– Detecção de erros de transmissão (códigos CRC)– Definição da unidade básica de informação (bit, octeto)– Recuperação de erros de transmissão– Controlo de fluxo
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EthernetATMFrame
Relay
Nível Lógico
GPRSUMTS
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OSI: Nível Rede
• 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 (ex: IP)
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Rede IP
Nível Rede
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OSI: Nível Transporte
• 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
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Nível Transporte
Rede TCP
Processo Utilizador
Processo Utilizador
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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 HTTP, FTP, SMTP, Corba, IIOP, SOAP, RMI
Apresentação XML, XDR, XML
Sessão Binding protocol, DCE-RPC
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Aspectos a Analisar
• Integração das Redes no Sistema Operativo• Características do Canal de Comunicação
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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
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System calls
Terminal handing
Sockets Filenaming
Map-ping
Pagefaults Signal
handlingProcess
Creation andTermination
Rawtty
Cooked tty
Interrups and traps
Linedisciplines
Network protocols
Filesystems
Virtualmemory
Routing Buffercache
Pagecache
Processscheduling
Characterdevices
Netwokdevice drivers
Diskdevice drivers
Processdispatching
Hardware
Unix – 4.4 BSD
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Winsock Implementation
Application Mswsock.dllSPI
Service Providers
NtReadFile, NtWriteFile,NtCreateFile,NTDeviceloControlFile
Kernel modeUser mode
\Device\AFDAFD FSD
TCP/IPIPX/SPX
TDI IRPs
NetBEUI
TDIProtocol drivers
Wshtcpip.dll
Ntdll.dll
Msafd.dll
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Caracterização do canal
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Tipos de canais (I)
• Com ligação– Normalmente serve 2 interlocutores
– Normalmente fiável, bidireccional e garante sequencialidade• Sem ligação
– Normalmente serve mais de 2 interlocutores
– Normalmente não fiável• Canal com capacidade de armazenamento em fila de Mensagens
– Normalmente com entrega fiável das mensagens
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Emissor
Emissor
Emissor
Emissor
Receptor
Receptor
Receptor
Receptor
fila
fila
fila
fila
Rede
Canal com Fila de Mensagens
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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
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Programação da comunicação: semântica de envio
• 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
emnsagem ser entregue
• Pedido/resposta ou Remote Procedure Call
– Cliente só prossegue após resposta do servidor
Núcleo SO
aplicação
aplicação
cliente
servidor
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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
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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
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Programação da comunicação:Deteção 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
3/6/2005 José Alves Marques
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Programação da comunicação:Difusão de mensagens
• 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– Comunicação em grupo (ex. ISIS)– Brokers de mensagens com regras de distribuição das mensagens
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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
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Exemplos de Interfaces
SocketsTLI
NetbiosMach MessageJava Message
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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 ES do Unix– Eficiente
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Departamento de Engenharia Informática
Interface sockets
• Domínio do socket: define a família de protocolos associada a um socket– Internet: 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)
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Interface sockets
Relação entre domínio, tipo de socket e protocolo
UNIX INET NS
Stream Sim TCP SPPDatagram Sim UDP IDP
Raw - IP SimSeq
Packet- - SPP
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Sockets sem Ligação
socket
bind
recvfrom
sendto
socket
bind
sendto
recvfrom
Servidor Cliente
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Sockets UDP em Java
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();} }}
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Sockets UDP em Java
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); 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();} }}
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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
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Departamento de Engenharia Informática
Sockets com Ligação
socket
bind
listen socket
connectaccept
read
write read
write
ClienteServidor
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Sockets em Javaimport java.net*;import java.io*;public class TCPClient{ public static void main(String args[]){ // arguments supply message and hostname of destination 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){
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} }
3/6/2005 José Alves Marques
Departamento de Engenharia Informática
Sockets em Java
import java.net*;import java.io*;public class TCPServer{ public static void main(String args[]){ try{
int server Port = 7896; ServerSocket listenSocket = new ServerSocket(serverPort);
while(true){ Socket clientSocket = listenSocket.accept(); Connection c = new Connection(clientSocket);}
}catch (IOException e){System.out.println(“Listen:”+e.getMessage());}
} }
3/6/2005 José Alves Marques
Departamento de Engenharia Informática
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
3/6/2005 José Alves Marques
Departamento de Engenharia Informática
Transport Layer Interface
• Introduzida no Sistema V versão 3• 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.
Transport Layer Interface
Servidor Cliente
t_open
t_bind
t_alloc
t_accept
t_open
t_bind
t_alloc
t_connect
t_listen
Bloqueio à espera de ligação
t_rcv
t_snd t_rcv
t_snd
li gaç ão