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2.4 Kommunikationsdienste des Betriebssystems

Interprozesskommunikation (inter-process communication, IPC)

am Beispiel Unix

HW HW

BS BS

Prozesse

KommunizierendeThreads

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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

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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: portbezogen

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.

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2.4.2 Sockets

(socket = Steckdose)

Socket = Duplex-Port (Senden und Empfangen)

für lokale und netzweite IPCmit 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

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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 .......

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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

vs2.4 7

Dienst 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 Absender

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Dienst 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);

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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(s1,...); read(s3,...);

... ...

close(s1); close(s3);

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

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Java unterstützt das Arbeiten mit Sockets durch Bibliotheksklassen

Socket,

ServerSocket,

DatagramSocket, MulticastSocket,

.....

siehe java.net.*

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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

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Server kann auch mehrere Dienste anbieten,

z.B. 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

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2.4.4 Disjunktives Warten

auf Verbindungsanforderungen über mehrere Sockets

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

Alternativen:

wiederholtes nichtblockierendes Senden/Empfangen („polling“)

nichtblockierendes Senden/Empfangen mit Signalisierung durch

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

disjunktives Warten mit Systemaufruf (Unix:) select

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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

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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) ]

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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);

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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 ...

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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 . . . . . . .

. . . . . . .

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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

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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.

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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

srcProc kann auch MPI_ANY_SOURCE sein,

status enthält Prozessnummer des Senders

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Adressierung auch prozessgruppenbezogen möglich:

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

Falls ausführender Prozeß = root ,

Senden der Rundsendung (multicast) message

an die Mitglieder der Gruppe communicator

Sonst Empfangen einer Rundsendung

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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 !)

vs2.4 24

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.