Лекция №14 Концепции распределенной обработки в сетевых ос по дисциплине«Операционные системы и оболочки» Тема №7 Сетевые операционные системы для студентов специальности 230400. 62-Информационные системы и технологии



Скачать 369.7 Kb.
Дата14.02.2017
Размер369.7 Kb.
Просмотров106
Скачиваний0
ТипЛекция

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Экономический факультет

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

______________________

«___»_____________2014 г.




ЛЕКЦИЯ №14 Концепции распределенной обработки в сетевых ОС

по дисциплине«Операционные системы и оболочки»


Тема №7

Сетевые операционные системы
для студентов специальности 230400.62–Информационные системы и технологии

ШИФР наименование



Рассмотрено УМК


" " ___________ 2014 года

протокол N ______________

Ставрополь - 2014 г.


Учебные и воспитательные цели:


  1. Дать систематизированные научные знания об алгоритмах планирования, диспетчеризации и синхронизации процессов

Время:__________________________________________________________ 90 мин.

Учебно-материальное обеспечение:


  1. Опорная лекция.

  2. ГОС ВПО по направлению 230400.62 – Информационные системы и технологии.

  3. Рабочая программа дисциплины «Операционные системы и оболочки».

  4. Основная и дополнительная литература.

  5. Методические указания по изучению дисциплины «Операционные системы и оболочки».

  6. Комплект слайдов по Теме №7

Распределение времени


I. Вступительная часть

II. Учебные вопросы:



  1. Модели сетевых служб и распределенных приложений

  2. Механизм передачи сообщений в распределенных системах

II. Заключительная часть
СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ

Первый учебный вопрос - Модели сетевых служб и распределенных приложений

Объединение компьютеров в сеть предоставляет возможность программам, работающим на отдельных компьютерах, оперативно взаимодействовать и сообща решать задачи пользователей. Связь между некоторыми программами может быть настолько тесной, что их удобно рассматривать в качестве частей одного приложения, которое называют в этом случае распределенным, или сетевым.

Распределенные приложения обладают рядом потенциальных преимуществ по сравнению с локальными. Среди этих преимуществ — более высокая производительность, отказоустойчивость, масштабируемость и приближение к пользователю.

Значительная часть приложений, работающих в компьютерах сети, являются сетевыми, но, конечно, не все. Действительно, ничто не мешает пользователю запустить на своем компьютере полностью локальное приложение, не использующее имеющиеся сетевые коммуникационные возможности. Достаточно типичным является сетевое приложение, состоящее из двух частей. Например, одна часть приложения работает на компьютере, хранящем базу данных большого объема, а вторая — на компьютере пользователя, который хочет видеть на экране некоторые статистические характеристики данных, хранящихся в базе. Первая часть приложения выполняет поиск в базе записей, отвечающих определенным критериям, а вторая занимается статистической обработкой этих данных, представлением их в графической форме на экране, а также поддерживает диалог с пользователем, принимая от него новые запросы на вычисление тех или иных статистических характеристик. Можно представить себе случаи, когда приложение распределено и между большим числом компьютеров.

Распределенным в сетях может быть не только прикладное, но и системное программное обеспечение — компоненты операционных систем. Как и в случае локальных служб, программы, которые выполняют некоторые общие и часто встречающиеся в распределенных системах функции, обычно становятся частями операционных систем и называются сетевыми службами.

Целесообразно выделить три основных параметра организации работы приложений в сети. К нимотносятся:


  • способ разделения приложения на части, выполняющиеся на разных компьютерах сети;

  • выделение специализированных серверов в сети, на которых выполняются некоторые общие для всех приложений функции;

  • способ взаимодействия между частями приложений, работающих на разных компьютерах.

Способ разделения приложений на части

Очевидно, что можно предложить различные схемы разделения приложений на части, причем для каждого конкретного приложения можно предложить свою схему. Существуют и типовые модели распределенных приложений. В следующей достаточно детальной модели предлагается разделить приложение на шесть функциональных частей:



  • средства представления данных на экране, например средства графического пользовательского интерфейса;

  • логика представления данных на экране описывает правила и возможные сценарии взаимодействия пользователя с приложением: выбор из системы меню, выбор элемента из списка и т. п.;

  • прикладная логика — набор правил для принятия решений, вычислительные процедуры и операции;

  • логика данных — операции с данными, хранящимися в некоторой базе, которые нужно выполнить для реализации прикладной логики;

  • внутренние операции базы данных — действия СУБД, вызываемые в ответ на выполнение запросов логики данных, такие как поиск записи по определенным признакам;

  • файловые операции — стандартные операции над файлами и файловой системой, которые обычно являются функциями операционной системы.

На основе этой модели можно построить несколько схем распределения частей приложения между компьютерами сети.

Двухзвенные схемы

Распределение приложения между большим числом компьютеров может повысить качество его выполнения (скорость, количество одновременно обслуживаемых пользователей и т. д.), но при этом существенно усложняется организация самого приложения, что может просто не позволить воспользоваться потенциальными преимуществами распределенной обработки. Поэтому на практике приложение обычно разделяют на две или три части и достаточно редко — на большее число частей. Наиболее распространенной является двухзвенная схема, распределяющая приложение между двумя компьютерами. Перечисленные выше типовые функциональные части приложения можно разделить между двумя компьютерами различными способами.

Рассмотрим сначала два крайних случая двухзвенной схемы, когда нагрузка в основном ложится на один узел — либо на центральный компьютер, либо на клиентскую машину.

В централизованной схеме (рис.1, а) компьютер пользователя работает как терминал, выполняющий лишь функции представления данных, тогда как все остальные функции передаются центральному компьютеру. Ресурсы компьютера пользователя используются в этой схеме в незначительной степени, загруженными оказываются только графические средства подсистемы ввода-вывода ОС, отображающие на экране окна и другие графические примитивы по командам центрального компьютера, а также сетевые средства ОС, принимающие из сети команды центрального компьютера и возвращающие данные о нажатии клавиш и координатах мыши. Программа, работающая на компьютере пользователя, часто называется эмулятором терминала — графическим или текстовым, в зависимости от поддерживаемого режима. Фактически эта схема повторяет организацию многотерминальной системы на базе мэйнфрейма с тем лишь отличием, что вместо терминалов используются компьютеры, подключенные не через локальный интерфейс, а через сеть, локальную или глобальную.

gl9-1

Рис.1. Варианты распределений частей приложения по двухзвенной схеме


Главным и очень серьезным недостатком централизованной схемы является ее недостаточная масштабируемость и отсутствие отказоустойчивости. Производительность центрального компьютера всегда будет ограничителем количества пользователей, работающих с данным приложением, а отказ центрального компьютера приводит к прекращению работы всех пользователей. Именно из-за этих недостатков централизованные вычислительные системы, представленные мэйнфреймами, уступили место сетям, состоящим из мини-компьютеров, RISC-серверов и персональных компьютеров. Тем не менее централизованная схема иногда применяется как из-за простоты организации программы, которая почти целиком работает на одном компьютере, так и из-за наличия большого парка не распределенных приложений.

В схеме «файловый сервер» (рис. 1, б) на клиентской машине выполняются все части приложения, кроме файловых операций. В сети имеется достаточно мощный компьютер, имеющий дисковую подсистему большого объема, который хранит файлы, доступ к которым необходим большому числу пользователей. Этот компьютер играет роль файлового сервера, представляя собой централизованное хранилище данных, находящихся в разделяемом доступе. Распределенное приложение в этой схеме мало отличается от полностью локального приложения. Единственным отличием является обращение к удаленным файлам вместо локальных. Для того чтобы в этой схеме можно было использовать локальные приложения, в сетевые операционные системы ввели такой компонент сетевой файловой службы, как редиректор, который перехватывает обращения к удаленным файлам (с помощью специальной нотации для сетевых имен, такой, например, как //server"!/doc/file1.txt) и направляет запросы в сеть, освобождая приложение от необходимости явно задействовать сетевые системные вызовы.

Файловый сервер представляет собой компонент наиболее популярной сетевой службы — сетевой файловой системы, которая лежит в основе многих распределенных приложений и некоторых других сетевых служб. Первые сетевые ОС (NetWare компании Novell, IBMPCLANProgram, MicrosoftMS-Net) обычно поддерживали две сетевые службы — файловую службу и службу печати, оставляя реализацию остальных функций разработчикам распределенных приложений.

Такая схема обладает хорошей масштабируемостью, так как дополнительные пользователи и приложения добавляют лишь незначительную нагрузку на центральный узел — файловый сервер. Однакоэтаархитектураимеет и своинедостатки:



  • во многих случаях резко возрастает сетевая нагрузка (например, многочисленные запросы к базе данных могут приводить к загрузке всей базы данных в клиентскую машину для последующего локального поиска нужных записей), что приводит к увеличению времени реакции приложения;

  • компьютер клиента должен обладать высокой вычислительной мощностью, чтобы справляться с представлением данных, логикой приложения, логикой данных и поддержкой операций базы данных.

Другие варианты двухзвенной модели более равномерно распределяют функции между клиентской и серверной частями системы. Наиболее часто используется схема, в которой на серверный компьютер возлагаются функции проведения внутренних операций базы данных и файловых операций (рис. 1, в). Клиентский компьютер при этом выполняет все функции, специфические для данного приложения, а сервер — функции, реализация которых не зависит от специфики приложения, из-за чего эти функции могут быть оформлены в виде сетевых служб. Поскольку функции управления базами данных нужны далеко не всем приложениям, то в отличие от файловой системы они чаще всего не реализуются в виде службы сетевой ОС, а являются независимой распределенной прикладной системой. Система управления базами данных (СУБД) является одним из наиболее часто применяемых в сетях распределенных приложений. Не все СУБД являются распределенными, но практически все мощные СУБД, позволяющие поддерживать большое число сетевых пользователей, построены в соответствии с описанной моделью клиент-сервер. Сам термин «клиент-сервер» справедлив для любой двухзвенной схемы распределения функций, но исторически он оказался наиболее тесно связанным со схемой, в которой сервер выполняет функции по управлению базами данных (и, конечно, файлами, в которых хранятся эти базы) и часто используется как синоним этой схемы.

Трехзвенные схемы

Трехзвенная архитектура позволяет еще лучше сбалансировать нагрузку на различные компьютеры в сети, а также способствует дальнейшей специализации серверов и средств разработки распределенных приложений. Примером трехзвенной архитектуры может служить такая организация приложения, при которой на клиентской машине выполняются средства представления и логика представления, а также поддерживается программный интерфейс для вызова частей приложения второго звена — промежуточного сервера (рис. 2).

Промежуточный сервер называют в этом варианте сервером приложений, так как на нем выполняются прикладная логика и логика обработки данных, представляющих собой наиболее специфические и важные части большинства приложений. Слой логики обработки данных вызывает внутренние операции базы данных, которые реализуются третьим звеном схемы — сервером баз данных.

Сервер баз данных, как и в двухзвенной модели, выполняет функции двух последних слоев — операции внутри базы данных и файловые операции. Примером такой схемы может служить неоднородная архитектура, включающая клиентские компьютеры под управлением Windows 95/98, сервер приложений с монитором транзакций TUXEDO в среде Solaris на компьютере компании SunMicrosystems и сервер баз данных Oracle в среде Windows 2000 на компьютере компании Compaq.

gl9-2

Рис. 2. Трехзвенная схема распределения частей приложения


Централизованная реализация логики приложения решает проблему недостаточной вычислительной мощности клиентских компьютеров для сложных приложений, а также упрощает администрирование и сопровождение. В том случае когда сервер приложений сам становится узким местом, в сети можно применить несколько серверов приложений, распределив каким-то образом запросы пользователей между ними. Упрощается и разработка крупных приложений, так как в этом случае четко разделяются платформы и инструменты для реализации интерфейса и прикладной логики, что позволяет с наибольшей эффективностью реализовывать их силами специалистов узкого профиля.

Монитор транзакций представляет собой популярный пример программного обеспечения, не входящего в состав сетевой ОС, но выполняющего функции, полезные для большого количества приложений. Такой монитор управляет транзакциями с базой данных и поддерживает целостность распределенной базы данных.

Трехзвенные схемы часто применяются для централизованной реализации в сети некоторых общих для распределенных приложений функций, отличных от файлового сервиса и управления базами данных. Программные модули, выполняющие такие функции, относят к классу middleware — то есть промежуточному слою, располагающемуся между индивидуальной для каждого приложения логикой и сервером баз данных.

В крупных сетях для связи клиентских и серверных частей приложений также используется и ряд других средств, относящихся к классу middleware, в том числе:



  • средства асинхронной обработки сообщений (message-orientedmiddleware, MOM);

  • средства удаленного вызова процедур (RemoteProcedureCall, RFC);

  • брокеры запроса объектов (ObjectRequestBroker, ORB), которые находят объекты, хранящиеся на различных компьютерах, и помогают их использовать в одном приложении или документе.

Эти средства помогают улучшить качество взаимодействия клиентов с серверами за счет промышленной реализации достаточно важных и сложных функций, а также упорядочить поток запросов от множества клиентов к множеству серверов, играя роль регулировщика, распределяющего нагрузку на серверы.

Сервер приложений должен базироваться на мощной аппаратной платформе (мультипроцессорные системы, специализированные кластерные архитектуры). ОС сервера приложений должна обеспечивать высокую производительность вычислений, а значит, поддерживать многопоточную обработку, вытесняющую многозадачность, мультипроцессирование, виртуальную память и наиболее популярные прикладные среды.

Второй учебный вопрос - Механизм передачи сообщений в распределенных системах

Единственным по-настоящему важным отличием распределенных систем от централизованных является способ взаимодействия между процессами.Принципиальномежпроцессноевзаимодействиеможетосуществлятьсяоднимиздвухспособов:



  • с помощью совместного использования одних и тех же данных (разделяемая память);

  • путем передачи друг другу данных в виде сообщений.

В централизованных системах связь между процессами, как правило, предполагает наличие разделяемой памяти. Типичный пример — задача «поставщик-потребитель». В этом случае один процесс пишет в разделяемый буфер, а другой читает из него. Даже наиболее простая форма синхронизации — семафор — требует, чтобы хотя бы одно слово (переменная самого семафора) было разделяемым. Аналогичным образом происходит взаимодействие не только между пользовательскими процессами, но и между приложением и операционной системой — процесс в пользовательском режиме запрашивает у ОС выполнения некоторой операции с помощью системного вызова, помещая в доступную ему часть оперативной памяти параметры этого системного вызова (например, имя файла, смещение от его начала и количество байт, которые необходимо прочитать). После этого модуль ядра ОС считывает эти параметры из пользовательской памяти (ядру в привилегированном режиме доступна вся память, как ее системная часть, так и пользовательская) и выполняет системный вызов. Взаимодействие и в этом случае происходит за счет непосредственно доступной обоим участникам области памяти.

В распределенных системах не существует памяти, непосредственно доступной процессам, работающим на разных компьютерах, поэтому взаимодействие процессов (как находящихся в пользовательской фазе, так и в системной, то есть выполняющих код операционной системы) может осуществляться только путем передачи сообщений через сеть.Как было показано в разделе «Сетевые службы и сетевые сервисы» главы 2 «Назначение и функции операционной системы», на основе механизма передачи сообщений работают все сетевые службы, предоставляющие пользователям сети разнообразные услуги — доступ к удаленным файлам, принтерам, почтовым ящикам и т. п. В сообщениях переносятся запросы от клиентов некоторой службы к соответствующим серверам — например, запрос на просмотр содержимого определенного каталога файловой системы, расположенной на сетевом сервере. Сервер возвращает ответ — набор имен файлов и подкаталогов, входящих в данный каталог, также помещая его в сообщение и отправляя его по сети клиенту.

Сообщение — это блок информации, отформатированный процессом-отправителем таким образом, чтобы он был понятен процессу-получателю. Сообщение состоит из заголовка, обычно фиксированной длины, и набора данных определенного типа переменной длины. В заголовке, какправило, содержатсяследующиеэлементы.


  • Адрес — набор символов, уникально определяющих отправляющий и получающий процессы. Адресное поле, таким образом, состоит из двух частей — адреса процесса-отправителя и адреса процесса-получателя. Адрес каждого процесса может, в свою очередь, иметь некоторую структуру, позволяющую найти нужный процесс в сети, состоящей из большого количества компьютеров.

  • Последовательный номер, являющийся идентификатором сообщения. Используется для идентификации потерянных сообщений и дубликатов сообщений в случае отказов в сети.

  • Структурированная информация, состоящая в общем случае из нескольких частей: поля типа данных, поля длины данных и поля значения данных (то есть собственно данных). Поле типа данных определяет, например, что данные являются целым числом или же представляют собой строку символов (это поле может также содержать признак нерезидентности данных, то есть указатель на данные, которые хранятся где-то вне данного сообщения). Второе поле определяет длину передаваемых в сообщении данных (обычно в байтах), то есть размер следующего поля сообщения. Сообщение может включать несколько элементов, состоящих из описанных трех полей. В тех случаях, когда сообщение всегда переносит данные одного и того же типа, поле типа может быть опущено. То же касается поля длины данных — для тех типов сообщений, которые переносят данные фиксированного формата, но такая ситуация характерна только для протоколов низкого уровня (например, ATM, имеющего фиксированный размер поля данных в 48 байт).

В любой сетевой ОС имеется подсистема передачи сообщений, называемая также транспортной подсистемой, которая обеспечивает набор средств для организации взаимодействия процессов по сети. Назначение этой системы — экранировать детали сложных сетевых протоколов от программиста. Подсистема позволяет процессам взаимодействовать посредством достаточно простых примитивов. В самом простом случае системные средства обеспечения связи могут быть сведены к двум основным коммуникационным примитивам, один send (отправить) — для посылки сообщения, другой receive (получить) — для получения сообщения. В дальнейшем на их базе могут быть построены более мощные средства сетевых коммуникаций, такие как распределенная файловая система или служба вызова удаленных процедур, которые, в свою очередь, также могут служить основой для работы других сетевых служб.

Транспортная подсистема сетевой ОС имеет обычно сложную структуру, отражающую структуру семиуровневой модели взаимодействия открытых систем (OpenSystemInterconnection, OSI)1. Представление сложной задачи сетевого взаимодействия компьютеров в виде иерархии нескольких частных задач позволяет организовать это взаимодействие максимально гибким образом. В то же время каждый уровень модели OSI экранирует особенности лежащих под ним уровней от вышележащих уровней, что делает средства взаимодействия компьютеров все более универсальными по мере продвижения вверх по уровням. Таким образом, в процесс выполнения примитивов send и receive вовлекаются средства всех нижележащих коммуникационных протоколов (рис. 3).

1 Более подробно с моделью OSI и функциями ее уровней можно ознакомится в приложении. Структура сетевых средств ОС обсуждалась также в разделе «Многослойная модель .-.подсистемы ввода-вывода» главы 7 «Ввод-вывод и файловая система».

gl9-3

Рис. 3. Примитивы обмена сообщениями и транспортные средства подсистемы ввода-вывода

Несмотря на концептуальную простоту примитивов send и receive, существуют различные варианты их реализации, от правильного выбора которых зависит эффективность работы сети. В частности, эффективность зависит от способа задания адреса получателя. Не менее важны при реализации примитивов передачи сообщений ответы и на другие вопросы. В сети всегда имеется один получатель или их может быть несколько? Требуется ли гарантированная доставка сообщений? Должен ли отправитель дождаться ответа на свое сообщение, прежде чем продолжать свою работу? Как отправитель, получатель и подсистема передачи сообщений должны реагировать на отказы узла или коммуникационного канала во время взаимодействия? Что нужно делать, если приемник не готов принять сообщение, нужно ли отбрасывать сообщение или сохранять его в буфере? А если сохранять, то как быть, если буфер уже заполнен? Разрешено ли приемнику изменять порядок обработки сообщений в соответствии с их важностью? Ответы на подобные вопросы составляют семантику конкретного протокола передачи сообщений.

Синхронизация

Центральным вопросом взаимодействия процессов в сети является способ их синхронизации, который полностью определяется используемыми в операционной системе коммуникационными примитивами. В этом отношении коммуникационные примитивы делятся на блокирующие (синхронные) и неблокирующие (асинхронные), причем смысл данных терминов в целом соответствует смыслу аналогичных терминов, применяемых при описании системных вызовов (см. подраздел «Системные вызовы» раздела «Мультипрограммирование на основе прерываний» в главе 4 «Процессы и потоки») и операций ввода-вывода (см. подраздел «Поддержка синхронных и асинхронных операций ввода-вывода» раздела «Задачи ОС по управлению файлами и устройствами» в главе 7 «Ввод-вывод и файловая система»). В отличие от локальных системных вызовов (а именно такие системные вызовы были рассмотрены в главах 4 и 7) при выполнении коммуникационных примитивов завершение запрошенной операции в общем случае зависит не только от некоторой работы локальной ОС, но и от работы удаленной ОС.

Коммуникационные примитивы могут быть оформлены в операционной системе двумя способами: как внутренние процедуры ядра ОС (в этом случае ими могут использоваться только модули ОС) или как системные вызовы (доступные в этом случае процессам в пользовательском режиме).

При использовании блокирующего примитива send процесс, выдавший запрос на его выполнение, приостанавливается до момента получения по сети сообщения-подтверждения о том, что приемник получил отправленное сообщение. А вызов блокирующего примитива receive приостанавливает вызывающий процесс до момента, когда он получит сообщение. При использовании неблокирующих примитивов send и receive управление возвращается вызывающему процессу немедленно, сразу после того, как ядру передается информация о том, где в памяти находится буфер, в который нужно поместить сообщение, отправляемое в сеть или ожидаемое из сети. Преимуществом этой схемы является параллельное выполнение вызывающего процесса и процедур передачи сообщения (не обязательно работающих в контексте вызвавшего соответствующий примитив процесса).

Важным вопросом при использовании неблокирующего примитива receive является выбор способа уведомления процесса-получателя о том, что сообщение пришло и помещено в буфер. Обычнодляэтойцелитребуетсяодиниздвухспособов.



  • Опрос (polling). Этот метод предусматривает наличие еще одного базового примитива test (проверить), с помощью которого процесс-получатель может анализировать состояние буфера.

  • Прерывание (interrupt). Этот метод использует программное прерывание для уведомления процесса-получателя о том, что сообщение помещено в буфер. Хотя такой метод и очень эффективен (он исключает многократные проверки состояния буфера), у него имеется существенный недостаток — усложненное программирование, связанное с прерываниями пользовательского уровня, то есть прерываниями, по которым вызываются процедуры пользовательского режима (например, вызов процедур АРС в ОС Windows NT по завершении операции ввода-вывода, рассмотренный в главе 8 «Дополнительные возможности файловых систем»).

При использовании блокирующего примитива send может возникнуть ситуация, когда процесс-отправитель блокируется навсегда. Например, если процесс получатель потерпел крах или же отправленное сообщение было утеряно из-за сетевой ошибки. Чтобы предотвратить такую ситуацию, блокирующий примитив send часто использует механизм тайм-аута. То есть определяется интервал времени, после которого операция send завершается со статусом «ошибка». Механизм тайм-аута может использоваться также блокирующим примитивом receive для предотвращения блокировки процесса-получателя на неопределенное время, когда процесс-отправитель потерпел крах или сообщение было потеряно вследствие сетевой ошибки.

Если при взаимодействии двух процессов оба примитива — send и receive — являются блокирующими, говорят^ что процессы взаимодействуют по сети синхронно (рис. 4), в противном случае взаимодействие считается асинхронным (рис. 5).



gl9-4

Рис. 4. Синхронное взаимодействие с помощью блокирующих примитивов send и receive



gl9-5

Рис. 5. Асинхронное взаимодействие с помощью неблокирующих примитивов send и receive

По сравнению с асинхронным взаимодействием синхронное является более простым, его легко реализовать. Оно также более надежно, так как гарантирует процессу-отправителю, возобновившему свое выполнение, что его сообщение было получено. Главный же недостаток — ограниченный параллелизм и возможность возникновения клинчей.

Обычно в ОС имеется один из двух видов примитивов, но ОС является более гибкой, если поддерживает как блокирующие, так и неблокирующие примитивы.

Буферизация в примитивах передачи сообщений

При передаче сообщений могут возникнуть ситуации, когда принимающий процесс оказывается не готовым обработать сообщение при его прибытии, но для процесса было бы желательным, чтобы операционная система на время сохранила поступившее сообщение в буфере для последующей обработки.

Способ буферизации тесно связан со способом синхронизации процессов при обмене сообщениями. При использовании синхронных, то есть блокирующих примитивов, можно вообще обойтись без буферизации сообщений операционной системой. При этом возможны два варианта организации работы примитивов. В первом случае процесс-отправитель подготавливает сообщение в своей памяти и обращается к примитиву send, после чего процесс блокируется. Операционная система отправителя ждет, когда процесс-получатель выполнит на своем компьютере примитив receive, в результате чего ОС получателя направит служебное сообщение-подтверждение готовности к приему основного сообщения. После получения такого подтверждения ОС на компьютере-отправителе разблокирует процесс-отправитель и тот немедленно после этого пошлет сообщение по сети. Процесс-получатель после обращения к примитиву receive также переводится своей ОС в состояние ожидания, из которого он выходит при поступлении сообщения по сети. Сообщение немедленно копируется ОС в память процесса-получателя, не требуя буферизации, так как процесс ожидает его прихода и готов к его обработке.

Буферизация не требуется и при другом варианте обмена сообщениями, когда процесс-отправитель посылает сообщение в сеть, не дожидаясь прихода от получателя подтверждения о готовности к приему. Затем процесс-отправитель блокируется либо до прихода такого подтверждения (в этом случае никакой дополнительной работы с данным сообщением не выполняется), либо до истечения тайм-аута, после которого сообщение посылается вновь, причем в случае многократных повторных неудачных попыток сообщение отбрасывается.

В обоих случаях сообщение непосредственно из памяти процесса-отправителя попадает в сеть, а после прихода из сети — в память процесса-получателя, минуя буфер, поддерживаемый системой. Однако такая организация на практике в сетевых операционных системах не применяется, так как в первом варианте процесс-получатель может достаточно долго ждать, пока сообщение будет передано по сети (в большой составной сети, например в Интернете, задержки могут достигать нескольких секунд), а во втором — из-за неготовности процесса-получателя сообщение может многократно бесполезно передаваться по сети, засоряя каналы связи.

Именно поэтому при использовании синхронных примитивов все же предусматривают буферизацию. При этом буфер, как правило, выбирается размером в одно сообщение, так как процесс-отправитель не может послать следующее сообщение, не получив подтверждения о приеме предыдущего. Сообщение помещается в буфер, поддерживаемый операционной системой компьютера-получателя, если в момент его прихода процесс-получатель не может обработать сообщение немедленно, например из-за того, что процесс либо не является текущим, либо не готов к приему сообщения, так как не обратился к примитиву receive. Буфер может располагаться как в системной области памяти, так и в области памяти пользовательского процесса, в любом случае буфером управляет операционная система, модули которой получают сообщения по сети.

Для всех вариантов обмена сообщениями с помощью асинхронных примитивов необходима буферизация. Поскольку при асинхронном обмене процесс-отправитель может посылать сообщение всегда, когда ему это требуется, не дожидаясь подтверждения от процесса-получателя, для исключения потерь сообщений требуется буфер неограниченной длины. Так как буфер в реальной системе всегда имеет ограниченный размер, то могут возникать ситуации с переполнением буфера и на них нужно каким-то образом реагировать. Для уменьшения вероятности потерь сообщений степень асинхронности процесса обмена сообщениями обычно ограничивается механизмом управления потоком сообщений. Управление потоком заключается в том, что при заполнении буфера на принимающей стороне до некоторого опасного порога процесс-передатчик блокируется до тех пор, пока процесс-приемник не обработает часть принятых сообщений и не разгрузит буфер до безопасной величины. Конечно, вероятность потерь сообщений из-за переполнения буфера все равно сохраняется, например из-за того, что служебное сообщение о необходимости приостановки передачи сообщений может быть потеряно сетью. Асинхронный обмен с управлением потоком — это наиболее сложный способ организации обмена сообщениями, так как для повышения эффективности, то есть максимизации скорости обмена и минимизации потерь, он требует применения сложных алгоритмов приостановки и возобновления процесс передачи, например таких, которые применяются в протоколе TCP.

Обычно операционная система предоставляет для прикладных процессов специальный примитив для создания буферов сообщений. Такого рода примитив, назовем его, например, create_buffer (создать буфер), процесс должен использовать перед тем, как отправлять или получать сообщения с помощью примитивов send и receive. При создании буфера его размер может либо устанавливаться по умолчанию, либо выбираться прикладным процессом. Часто такой буфер носит название порта (port), или почтового ящика {mailbox).

При реализации схем буферизации сообщений необходимо также решить вопрос о том, что должна делать операционная система с поступившими сообщениями, для которых буфер не создан. Такая ситуация может возникнуть в том случае, когда примитив send на одном компьютере выполнен раньше, чем примитив create_buffer на другом. Каким образом ядро на компьютере получателя сможет узнать, какому процессу адресовано вновь поступившее сообщение, если имеется несколько активных процессов? И как оно узнает, куда его скопировать?

Один из вариантов — просто отказаться от сообщения в расчете на то, что отправитель после тайм-аута передаст сообщение повторно и к этому времени получатель уже создаст буфер. Этот подход не сложен в реализации, но, к сожалению, отправитель (или скорее ядро его компьютера) может сделать несколько таких безуспешных попыток. Еще хуже то, что после достаточно большого числа безуспешных попыток ядро отправителя может сделать неправильный вывод об аварии на машине получателя или о неправильности его адреса.

Второй подход к этой проблеме заключается в том, чтобы хранить хотя бы некоторое время поступающие сообщения в ядре получателя в расчете на то, что вскоре будет выполнен соответствующий примитив create_buffer. Каждый раз, когда поступает такое «неожидаемое» сообщение, включается таймер. Если заданный временной интервал истекает раньше, чем происходит создание буфера, то сообщение теряется.

Хотя этот метод и уменьшает вероятность потери сообщений, он порождает проблему хранения и управления преждевременно поступившими сообщениями. Необходимы буферы, которые следует где-то размещать, освобождать, то есть которыми нужно как-то управлять, что создает дополнительную нагрузку на операционную систему.

Способы адресации

Для того чтобы послать сообщение, необходимо указать адрес получателя. В очень простой сети адрес может задаваться в виде константы, но в сложных сетях нужен более гибкий способ адресации.


Одним из вариантов адресации является использование аппаратных адресов сетевых адаптеров. Если в получающем компьютере выполняется только один процесс, то ядро ОС будет знать, что делать с поступившим сообщением — передать его этому процессу. Однако если на машине выполняется несколько процессов, то ядру не известно, какому из них предназначено сообщение, поэтому использование сетевого адреса адаптера в качестве адреса получателя приводит к очень серьезному ограничению — на каждой машине должен выполняться только один процесс. Кроме того, на основе аппаратного адреса сетевого адаптера сообщения можно передавать только в пределах одной локальной сети, в более сложных сетях, состоящих из нескольких подсетей, в том числе и глобальных, для передачи данных между узлами требуются числовые адреса, несущие информацию как о номере узла, так и о номере подсети, например IP-адреса.

Наибольшее распространение получила система адресации, в которой адрес состоит из двух частей, определяющих компьютер и процесс, которому предназначено сообщение, то есть адрес имеет вид пары числовых идентификаторов: mach1ne_id@local_id. В качестве идентификатора компьютера machine_id наиболее употребительным на сегодня является использование IP-адреса, который представляет собой 32-битовое число, условно записываемое в виде четырех десятичных чисел, разделенных точками, например 185.23.123.26. Идентификатором компьютера может служить любой другой тип адреса узла, который воспринимается транспортными средствами сети, например IPX-адрес, ATM-адрес или уже упоминавшийся аппаратный адрес сетевого адаптера, если система передачи сообщений ОС работает только в пределах одной локальной сети.

Для адресации процесса в этом способе применяется числовой идентификатор local_id, имеющий уникальное в пределах узла machine_1d значение. Этот идентификатор может однозначно указывать на конкретный процесс, работающий на данном компьютере, то есть являться идентификатором типа processed. Однако существует и другой подход, функциональный, при котором используется адрес службы, которой пересылается сообщение, при этом идентификатор принимает вид service_id. Последний вариант более удобен для отправителя, так как службы, поддерживаемые сетевыми операционными системами, представляют собой достаточно устойчивый набор (в него входят, как правило, наиболее популярные службы FTP, SMB, NFS, SMTP, HTTP, SNMP) и этим службам можно дать вполне определенные адреса, заранее известные всем отправителям. Такие адреса называют «хорошо известными» (well-known). Примером хорошо известных адресов служб являются номера портов в протоколах TCP и UDP. Отправитель всегда знает, что, посылая с помощью этих протоколов сообщение на порт 21 некоторого компьютера, он посылает его службе FTP, то есть службе передачи файлов. При этом отправителя не интересует, какой именно процесс (с каким локальным идентификатором) реализует в настоящий момент времени услуги FTP на данном компьютере.

Ввиду повсеместного применения стека протоколов TCP/IP номера портов являются на сегодня наиболее популярными адресами служб в системах обмена сообщениями сетевых ОС. Порт TCP/UDP является не только абстрактным адресом службы, но и представляет собой нечто более конкретное — для каждого порта операционная система поддерживает буфер в системной памяти, куда помещаются отправляемые и получаемые сообщения, адресуемые данному порту. Порт задается в протоколах TCP/UDP двухбайтным адресом, поэтому ОС может поддерживать до 65 535 портов. Кроме хорошо известных номеров портов, которым отводится диапазон от 1 до 1023, существуют и динамически используемые порты со старшими номерами. Значения этих портов не закрепляются за определенными службами, поэтому они часто дополняют хорошо известные порты для обмена в рамках обслуживания некоторой службы сообщениями специфического назначения. Например, клиент FTP всегда начинает взаимодействие с сервером FTP отправкой сообщения на порт 21, а после установления сеанса обмен данными между клиентом и сервером выполняется уже по порту, номер которого динамически выбирается в процессе установления сеанса.

Описанная схема адресации типа «машина-процесс» или «машина-служба» хорошо зарекомендовала себя, работая уже на протяжении многих лет в Интернете, а также в корпоративных сетях IP и IPX (в этих сетях также используется адресация службы, а не процесса). Однако эта схема имеет один существенный недостаток — она не гибка и не прозрачна, так как пользователь должен явно указывать адрес машины-получателя. В этом случае, если в один прекрасный день машина, на которой работает некоторая служба, отказывает, то программа, в которой все обращения к данной службе выполняются по жестко заданному адресу, не сможет использовать аналогичную службу, установленную на другой машине.

Основным способом повышения степени прозрачности адресации является использование символьных имен вместо числовых. Примером такого подхода является характерная для сегодняшнего Интернета нотация URL (UniversalResourceLocator, универсальный указатель ресурса), в соответствии с которой адрес состоит из символьного имени узла и символьного имени службы. Например, если в сообщении указан адрес ftp://arc.bestcompany.ru/, то это означает, что оно отправлено службе ftp, работающей на компьютере arc.bestcompany.ru. Использование символьных имен требует создания в сети службы оперативного отображения символьных имен на числовые идентификаторы, поскольку именно в таком виде адреса распознаются сетевым оборудованием. Применение символьного имени позволяет разорвать жесткую связь адреса с одним-единственным компьютером, так как символьное имя перед отправкой сообщения в сеть заменяется на числовое, например на IP-адрес. Этап замены позволяет сопоставить с символьным именем различные числовые адреса и выбрать тот компьютер, который в данный момент в наибольшей степени подходит для выполнения запроса, содержащегося в сообщении. Например, отправляя запрос на получение услуг службы Web от компании Microsoft по адресу http://www.microsoft.com/, вы точно не знаете, какой из нескольких серверов этой компании, предоставляющих данный вид услуг и обслуживающих один и тот же символьный адрес, ответит вам.

Для замены символьных адресов на числовые применяются две схемы: широковещание и централизованная служба имен. Широковещание удобно в локальных сетях, в которых все сетевые технологии нижнего уровня, такие как Ethernet, TokenRing, FDDI, поддерживают широковещательные адреса в пределах всей сети, а пропускной способности каналов связи достаточно для обслуживания таких запросов для сравнительного небольшого количества клиентов и серверов. На широковещании были построены все службы ОС NetWare (до версии 4), ставшие в свое время эталоном прозрачности для пользователей. В этой схеме сервер периодически широковещательно рассылает по сети сообщения о соответствии числовым адресам его имени и имен служб, которые он поддерживает. Клиент также может сделать широковещательный запрос о наличии в сети сервера, поддерживающего определенную службу, и если такой сервер в сети есть, то он ответит на запрос своим числовым адресом. После обмена подобными сообщениями пользователь должен явно указать в своем запросе имя сервера, к ресурсам которого он обращается, а клиентская ОС заменит это имя на числовой адрес в соответствии с информацией, широковещательно распространенной сервером. Однако широковещательный механизм разрешения адресов плохо работает в территориальных сетях, так как наличие большого числа клиентов и серверов, а также использование менее скоростных по сравнению с локальными сетями каналов делают широковещательный трафик слишком интенсивным, практически не оставляющим пропускной способности для передачи пользовательских данных. В территориальных сетях для разрешения символьных имен компьютеров применяется другой подход, основанный на специализированных серверах, хранящих базу данных соответствия между символьными именами и числовыми адресами. Эти серверы образуют распределенную службу имен, обрабатывающую запросы многочисленных клиентов. Хорошо известным примером такой службы является служба доменных имен Интернета (DomainNameService, DNS). Эта служба позволяет обрабатывать в реальном масштабе времени многочисленные запросы пользователей Интернета, обращающихся к ресурсам серверов по составным именам, таким как http://www.microsoft.com/ или http://www.gazeta.ru/. Другим примером может служить служба каталогов (NetWareDirectorySevices, NDS) компании Novell, которая выполняет в крупной корпоративной сети более общие функции, предоставляя справочную информацию по любым сетевым ресурсам, в томчисле и по соответствию символьных имен компьютеров их числовым адресам.

Централизованная служба имен на сегодня считается наиболее перспективным средством повышения прозрачности услуг для пользователей сетей. С такой службой связывают и перспективы дальнейшего повышения прозрачности адресации сетевых ресурсов, когда имя ресурса будет полностью независимо от компьютера, предоставляющего этот ресурс в общее пользование. Например, в службе NDS уже сегодня можно использовать такие имена, как имена томов, не указывая их точного расположения на том или ином компьютере. При перемещении тома с одного компьютера на другой изменение связи тома с компьютером регистрируется в базе службы NDS, так что все обращения к тому после его перемещения разрешаются корректно путем замены имени адресом нового компьютера. По пути применения централизованной службы-посредника между клиентами и ресурсами идут и разработчики распределенных приложений, например разработчики технологии CORBA, в которой запросы к программным модулям приложений обрабатывает специальный элемент — брокер запросов.

Использование символьных имен вместо числовых адресов несколько повышает прозрачность, но не до той степени, которой хотелось бы достичь приверженцам идеи распределенных операционных систем, главным отличием которых от сетевых ОС является именно полная прозрачность адресации разделяемых ресурсов. Тем не менее символьные имена — это значительный шаг вперед по сравнению с числовыми.


Вопросы для самопроверки:

  1. Способы разделения приложений на части?

  2. Твухзвенная схема

  3. Трехзвенная схема

Список литературы:



  1. Сетевые операционные системы/ В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. – СПб.: Питер, 2009. - 672 с.: ил.

  2. Операционные системы: Учебник для вузов. 2-е изд. /А.В. Гордеев. – СПб.: Питер, 2006. - 416 с.: ил.

Лекцию разработал

Доцент кафедры «Информационных систем»

к.т.н., Д. Резеньков


«___»__________________2014 г.



Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал