2.4 Kommunikationsdienste des Betriebssystems

Interprozeßkommunikation (inter-process communication, IPC)am Beispiel Unix

HW HW

BS BS

Prozesse

KommunizierendeThreads

Interprozeßkommunikation ist sprachunabhängig:

- Nachrichten sind ungetypt, d.h. Bytes oder Byte-Folgen,

- nackte Semantik ohne syntaktischen Zucker,

- u.U. verschiedene Semantiken zur Auswahl.

Pipes, Named Pipes, Message Queues, ... für lokale IPC

Sockets für netzweite IPC

2.4.1 Pipes

Pipe = Simplex-Kanal (Solaris: Duplex!)verbunden mit einem Eingabe- und einem Ausgabe-Port(typischerweise verschiedener Prozesse)

Senden: int write(int port, char *buffer, int length)

Empfangen: int read(int port, char *buffer, int length)

Adressierung: kanalbezogen

Konfigurierung: dynamisch durch Programm:Erzeugung von Prozessen und Pipes,Vererben von Ports bei Prozeßerzeugung

Semantik: zuverlässiger Byte-Strom mit begrenzter Pufferung;read erfolgreich, sobald mindestens 1 Byte vorliegt;write erfolgreich, sobald length Bytes frei;auch nichtblockierende Versionen (mittels fcntl).

2.4.2 Sockets

(socket = Steckdose)

Socket = Duplex-Port (Senden und Empfangen)

für lokale und netzweite IPC

mit unterschiedlich wählbaren Semantiken

Adressierung: portbezogen

Konfigurierung: dynamisch durch Programm:

Erzeugung lokaler Sockets,

Binden an Sockets anderer Prozesse

Semantik: zuverlässiger Byte-Strom

oder Einzelnachrichten ohne Reihenfolge-garantie und Schutz gegen Verlust

Erzeugung eines – ungebundenen – Socket:

int socket(int family, int type, int protocol)

prozeßlokale Protokoll- Dienst ProtokollPort-Nummer Familie (i.d.R. 0 [Null])

Familie

Dienst PF_UNIX PF_INET PF_NS .......

SOCK_STREAM TCP SPP

SOCK_DGRAM UDP IDP

SOCK_RAW IP .......

Benennung eines Socket mit netzweit gültiger Adresse:

int bind(int socket, struct sockaddr *address, int addrlen)

(Protokollfamilie, stationslokale Socket-Nummer , Stationsadresse)

z.B. PF_INET, a-16-bitPortNumber, a-32-bitHostId

SOCK_DGRAM für Internet:

verbindungslose, unzuverlässige Nachrichtenübertragung mit UDP

int sendto(int socket, char *buffer, int length, int flags, struct sockaddr *to, int addrlen)

Absender socket sendet an Adressat to

int recvfrom(int socket, char *buffer, int length, int flags, struct sockaddr *from, int *addrlen)

socket empfängt an ihn gesendete Nachricht sowie deren Absender

SOCK_STREAM für Internet:

verbindungsorientiert - zuverlässiger Byte-Strom mit TCP

Konfigurierung ist an Szenario Auftraggeber/Auftragnehmer orientiert:

Initiative geht von einem Klienten aus

Nach erfolgreich hergestellter Verbindung Nachrichtenaustausch mittels

(Klient) (Server)

write(s1,request,length);read(s3,request,length);...write(s3,reply,length);

read(s1,reply,length);

Herstellung der Verbindung:

(Klient) (Server)

s1 = socket(...); s2 = socket(...);

[ bind(s1,..); ] bind(s2,&local,l);

listen(s2, qlength);

connect(s1,&dest,l); s3 = accept(s2,&source,&l);

write(...); read(...);

... ...

close(s1); close(s3);

Statt write/read auch send/recv(.,.,.,flags) !

Java unterstützt das Arbeiten mit Sockets durch Bibliotheksklassen

Socket,

ServerSocket,

DatagramSocket, MulticastSocket,

.....

siehe java.net.*

2.4.3 Nichtsequentielle Server

Beachte: Server operiert in nichtsequentieller Umgebung

Verbindungsbearbeitung/Auftragsbearbeitung

sequentiell,exklusiv

(Prozeß Monitor!)

nichtsequentiell,überlappend

je Verbindung je Verbindungein Prozeß ein Thread

Ein Server, der mehrere Dienste anbietet:

für jeden Dienst ein eigener Port !

a) sequentiell: disjunktives Warten auf Verbindungswünsche

b) nichtsequentiell: je Port ein (statischer) Thread

c) nichtsequentiell: disjunktives Warten + (dynamische) Threads

d) nichtsequentiell: disjunktives Warten + Prozesse

2.4.4 Disjunktives Warten

auf Verbindungsanforderungen über mehrere Sockets

- allgemein: auf Empfangs/Sende-Möglichkeit über Kanäle !

Alternativen:

wiederholtes nichtblockierendes Senden/Empfangen („polling“)

asynchrones Senden/Empfangen mit Signalisierung durch

Software-Unterbrechung (Unix: signal SIGIO) - mühsam !

disjunktives Warten mit Systemaufruf (Unix:) select

2.4.5 Datenkonvertierung

bei Hardware-Heterogenität

Byte-Reihenfolge, z.B. für 16-Bit-Ganzzahlen:

„little-endian“ (Intel,..)

„big-endian“ (Motorola,..)

Zeichen: ASCII, EBCDIC, ...

Gleitkommazahlen: IEEE-Standard, ...

a+1 a

a a+1

2 Alternativen:

1. Ad-hoc-Umwandlung, z.B. „receiver makes it right“

2. Verwendung einer kanonischen Darstellung auf dem Netz

(external data representation)

Auch Felder, Verbunde, Objekte, ... behandeln !

Bezug zu: - Typsystem der Programmiersprache

- vom Übersetzer gewählte interne Darstellung

- evtl. Sprachheterogenität !

(Wir kommen in einem späteren Kapitel darauf zurück.)

[ Zuständig gemäß OSI-Referenzmodell: Presentation Layer (6) ]

Für Internet Unterstützung durch Bibliotheksroutinen:

in C für Ganzzahlen:

u_long htonl(u_long number); „host to network long“

u_short htons(u_short number);

u_long ntohl(u_long number);

u_short ntohs(u_short number);

Java: automatische Umcodierung bei Benutzung von Socket-Objekten

OutputStream os = mySocket.getOutputStream();

ObjectOutput out = new ObjectOutputStream(os);

out.writeInt(i);

out.writeFloat(f);

out.writeBoolean(b);

...

out.writeObject(o); // o must be Serializable or ...

Entsprechend für Eingabe ...

2.5 Kommunikationsplattformen

- in C, Fortran, ... über Bibliotheken benutzbar

Ziele:

Nachrichtendienst unabhängig von Betriebssystem und Netz

automatische Typkonversion für übertragene Daten

komfortable Prozeßverwaltung

und damit Eignung für Parallelprogrammierung im Netz

Plattform

BS

HW . . . . . . .

. . . . . . .

2.5.1 PVM

„Parallel Virtual Machine“

gepufferte, blockierende, reihenfolgetreue Übertragung von Einzelnachrichten

prozeßbezogene Adressierung, auch Rundsendungen

Unterstützung von Packen/Entpacken von Nachrichten (marshaling)

Dynamische Erzeugung von Prozessen im Netz

interaktive Steuerung der Konfiguration

2.5.2 MPI

„Message Passing Interface“

Entwickelt für Parallelrechner mit verteiltem Speicher(Mehrrechnersystem, multicomputer)

Erweitert für Workstation Clusters und Rechnernetze

Unterstützung für SPMD – Single Program, Multiple Data:

Jeder Prozess(or) arbeitet mit gleichen Programm,

aber auf jeweils eigenem Fragment der Daten,

mit Interaktion über Nachrichten.

Adressierung ist prozeßbezogen:

int MPI_Send(void* message, int count, MPI_Datatype elemType, int destProc, int tag, MPI_Comm communicator)

entspricht send message to destProc(Feld-Typ)

int MPI_Recv(void* message, int count, MPI_Datatype elemType, int srcProc, int tag, MPI_Comm communicator, MPI_Status* status)

entspricht recv message [ from srcProc ]

falls srcProc nicht MPI_ANY_SOURCE

status enthält Prozeßnummer des Senders

Adressierung auch prozeßgruppenbezogen:

int MPI_Bcast(void* message, int count, MPI_Datatype elemType, int root, MPI_Comm communicator)

Falls ausführender Prozeß = root ,

Senden der Rundsendung (broadcast) message

an die Mitglieder der Gruppe communicator

Sonst Empfangen einer Rundsendung

Semantik:

Pufferung ist systemspezifisch/wählbar

Empfangsfolge: zuverlässig reihenfolgetreue Nachrichten

Synchronisation: blockierend, aber auch nichtblockierende Varianten:

int MPI_Isend(..., MPI_Request* request)

int MPI_Irecv(..., MPI_Request* request)

( I für immediate) und Synchronisation mittels

int MPI_Wait(MPI_Request* request, MPI_Status* status)

(statt über Software-Unterbrechungen !)

Konfigurierung

Alle n beteiligten Rechner erhalten und starten eine Kopie eines

MPI-basierten Programms;

die n gestarteten Prozesse verhalten sich ähnlich, aber nicht

identisch (abhängig von ihrer Identität!),

operieren auf jeweils auf einer Teilmenge der Daten

und interagieren dabei über Nachrichten.