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PREFÁCIO Sistematiz Sistematização ação e síntese síntese dos problema problemass de base provocados provocados pela distribui distribuição, ção, os modelos modelos nece necess ssár ário ioss ao enqu enquad adra rame ment nto o do prob proble lema ma bem bem como como as solu soluçõ ções es da enge engenh nhar aria ia de computadores. Enquadramento geral do problema com exemplos de sistemas que se encontram em uso. Quais são os novos desafios aos sistemas operativos? Do livro anterior vêm 2: a distribuição e arqui arquitec tectur turas as multip multiproc rocess essad ador. or. Estas Estas mexem mexem apenas apenas com o núcle núcleo, o, técnic técnicas as porta portanto nto.. a distribuição introduz um conjunto de problemas de grande complexidade, derivada dos fenómenos de escala, da complexidade do modelo de faltas e da vulnerabilidade da segurança; o que tem implicações implicações directas na programação das aplicações, aplicações, pelo que o modelo tem de ser perceptível ao programador. Organização do Texto ... 1. INTRODUÇ I NTRODUÇÃO ÃO Os desafios continuam a ser essencialmente os mesmos que estiveram na sua génese dos sistemas multiprogramados: multiprogramados: . Simplificar a interface com o sistema . Extrair o máximo rendimento da infra-estrutura de hardware Depois dos 20 anos de consolidação, que terminaram nos anos 70, há um aperfeiçoamento e inclusão das ideias base dessa investigação. Por ex. o Windows NT usa muitas das ideias do VMS. O papel charneira do SO entre o hardware, as redes de dados e as aplicações, implicou que o sistema sistema passasse passasse progress progressivam ivamente ente a engloba englobarr um número número crescent crescente e de funcional funcionalidad idades es relacionadas relacionadas com a distribuição, a gestão da informação e a interface homem-máquina. homem-máquina. Daí o uso de Software de Sistema: núcleo + servidores, bibliotecas bibliotecas e protocolos. 1.1. Condicionantes da Evolução Há uma technology push” e tb. as imposições dos utilizadores. 1.1.1. A Tecnológi T ecnológica ca Evoluções tecnológicas mais marcantes: . As redes de computadores . Os computadores pessoais pessoais . Os sistemas abertos . As arquitecturas multiprocessador  multiprocessador  Redes de Computadores Os pioneiros foram os bancos e transportadoras aéreas com a sua necessidade de sistemas transaccionais transaccionais e interactivos. Os operadores públicos na Europa introduziram introduziram serviços de trx. de dados (ex. X-25) que permitem às empresas a utilização de redes públicas para transferência de informação. Redes abertas universitárias (Arpa, Cyclades). Internet, como exemplo paradigmático de sistema distribuído, com todos os seus problemas de escala e segurança. RDIS (2x64Kbits).  ATM que começa a ser ser usada nas redes redes públicas. LANs (Ethernet, Token-Ring), com dezenas de Mbps. Computadores Pessoais Tecnologia Circuitos Lógicos Memórias Discos

Evolução da Densidade (de 3 Evol Evoluç ução ão do Desem esempe penh nho o em 3 anos) (tempo de ciclo) Duplica 50% em 2 anos Quadruplica 33% em 10 anos Duplica 33% em 10 anos

 A evolução, em termos de hardware, hardware, com maior impacto em toda a estrutura da indústria foi a introdução no mercado dos computadores pessoais.  A existência dos PCs acelerou, de forma considerável, a percepção da necessidade necessidade dos sistemas distribuídos. Os gestores de empresas passaram a considerar a hipótese de descentralizarem o seu suporte informático, colocando máquinas máquinas de menor porte junto dos grupos que as utilizavam directamente. Os utilizadores fazendo aplicações necessitaram de utilizar bases de dados centrais.  Ao principio principio (com o DOS) era só partilha partilha de servidores servidores de ficheiros e de de impressoras. O desen desenvol volvim vimen ento to culmin culminou ou com um novo novo parad paradig igam am no desen desenvol volvim viment ento o das aplica aplicaçõe çõess informáticas, o modelo cliente-servidor. Sistemas Abertos Fabricantes de hardware desenvolviam o SO optimizado. Impossível mudar de fornecedor. A pressão dos grandes utilizadores levou a criação de sistemas abertos: separação clara entre o hardware e o SO e entre este e as aplicações. Apareceram as plataformas. plataformas. O Unix foi o que mais se aproximou de um sistema aberto e, hoje em dia, o Windows NT tem a tornar-se padrão de facto.  Arquitecturas Multiprocessad Multiprocessador  or  Na década de 70 e 80 eram especializados, especializados, hoje são correntes.  As limitações físicas e custos de desenvolvimento desenvolvimento que permitiram ir melhorando os acessos às volumosas bases de dados e interfaces complexos em computadores, estão a ser substituídos pelas arquitecturas multiprocessador que aumentam o desempenho mantendo os ambientes de desenvolvimento desenvolvimento de software. Existem múltiplos esquemas para classificar os multiprocessadores multiprocessadores com base na forma como organizam os fluxos de dados e de instruções. Neste livro usaremos só as arquitecturas MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data), que corresponde aos casos em que cada processador executa as suas instruções e trabalha sobre os seus dados. As MIMD podem ser de dosi tipos: Memória Central Partilhada (+ vulgares e mais interessantes se pensarmos que se pensa em incluir, na mesma pastilha, vários processadores) e as de Memória Distribuída. 1.1.2. Requisitos dos Utilizadores Finais Ser isolados isolados dos detalhes detalhes complexo complexoss introduzi introduzidos dos pelos pelos novos novos ambiente ambientess computaci computacionai onais: s: Procura de transparência: nomes, comandos e semânticas idênticas para todos os objectos sob controlo do SO (invocar aplicações, aceder a ficheiros, utilizar periféricos, etc.). Isso requer  sistemas de nomes homogéneos, interfaces simples, visão integrada dos vários sistemas de ficheiros, etc.  A vantagem mais visível ao utilizador com a distribuição distribuição é a partilha partilha de informaçã informação o. Uma aplicação local pode aceder a informação remota. Uma outra vertente é comunicação entre utilizadores humanos. Outra é a ergonomia das interfaces. segura ranç nça, a, a fiabi fiabilid lidad ade e e a Isto Isto quant quanto o à funcio funcional nalid idade ade.. Quanto Quanto à quali qualidad dade e temos temos a segu disponibilidade.

Requisitos do Programador  Programador  Um requi requisit sito, o, relaci relaciona onado do com os sistem sistemas as abert abertos, os, é a simpl simplifi ifica cação ção da porta portabi bilid lidade ade de aplicações através da definição de interfaces normalizadas ou API (Application Programming Interface) com o software de sistema. Estas interfaces têm a ver não só com as funções de núcleo do SO, como com os mecanismos de comunicação, partilha de ficheiros, segurança, etc. ambiente nte de progra programaç mação ão que lhe O prog progra rama mado dorr tamb também ém pret preten ende de um ambie lhe faci facillite ite o desenvolvimento das aplicações, tornado o código independente da arquitectura das máquinas, da rede, dos protocolos, dos SO locais e mesmo do número de máquinas e utilizadores. utilizadores. Requisitos do Gestor  capacida idade de de evoluç evolução ão modula modular  r  e a extensibilidade. O aumen  A capac umento to da fiabilidade e disponibilidade. Finalmente, é importante a capacidade de gestão global do sistema que permita a reutilização de equipamentos, a gestão integrada dos arquivos de informação, diminuição das tarifas.

1.2. Dificuldades e Vantagens Introduzidas Introduzidas pela Distribuição Distribuição 1.2.1. Os Problemas Comunicação Exclusivamente por Mensagem Nos sistemas multiprogramados, no núcleo toda a comunicação comunicação se efectua através de um espaço de endereçamento partilhado. Nos distribuídos não há memória comum, introduz características diferentes no modelo de comunicação. comunicação.  A taxa de erros, se bem bem que venha diminuindo, diminuindo, é sempre sempre maior que a interna interna a uma máquina. máquina.

Capítulo 2 ... Nível de Subrede  A camada inferior do modelo Internet é específica a cada tecnologia tecnologia física de transmissão, que define o encapsulamento do nível superior. Na Internet apenas se define o protocolo entre camadas correspondentes, ou sej, o formato das mensagens, o seu significado e as acções associadas, não existindo uma interface de serviço para cada camada. Logo, cada tecnologia de subrede tem de definir a interface disponibilizada para o nível de interligação de rede. Embora não garanta opacidade entre níveis, tem a vantagem de as normas de encapsulamento tirarem partido das características específicas da tecnologia de subrede para implementação eficie eficiente nte.. Exist Existem em especi especific ficaçõ ações es de encap encapsul sulame amento nto de pacot pacotes es do nível nível IP para para todas todas as tecnologias tecnologias (analógicas, ATM, etc.) Nível de Interligação de Redes Disponibiliza Disponibiliza Às camadas superiores um serviço de encaminhamento encaminhamento dos pacotes através da rede (conjunto de subredes independentes). independentes). O serviç serviço o oferec oferecid ido o pelo pelo nível nível IP não dá qualq qualquer uer garan garantia tia de fiabil fiabilid idade ade (“melh (“melhor or esforç esforço o possível). Não é necessário este nível na comunicação entre 2 nós da mesma subrede mas uniformiza se utilizado. Nível de Transporte Na família Internet definem-se 2 protocolos nesta camada (a mais parecida com OSI): O TCP (Transmission Control Protocol) – serviço semelhante ao de um canal de trx. fiável, f iável, com ligação que garante a retransmissão de pacotes corrompidos, a eliminação de pacotes duplicados duplicados e entrega dos pacotes pela mesma ordem; define o esquema de endereçamento utilizando utilizando o conceito de porto para identificar o utilizador utilizador final do serviço de transporte; e o UDP (Unit Datagram Protocol) – é não fiável, como o IP, em cujos serviços se baseia, adicionando adicionando checksum e endereçamento endereçamento dos portos de acesso ao serviço de transporte UDP.  A distinção entre as as mensagens do protocolo UDP UDP e do TCP é efectuada pelo pelo tipo de pacote pacote IP. Pertencem pois a espaços de endereçamento distintos. Nível de Aplicação Utilizam os serviços de transporte para fornecer funcionalidades adicionais. adicionais. São transparentes À rede. ex: SMTP, TELNET, FTP, DNS.  A cada um dos serviços/aplicaçõ serviços/aplicações es é atribuído um porto porto específico de transporte transporte (well known known ports). 2.5. Redes Locais de Computadores Foram um dos factores f actores decisivos na evolução das arquitecturas centralizadas centralizadas para distribuídas. Características da normalização: normalização: com partilha efectiva do meio físico; apenas os dois primeiros níveis do modelo OSI; de 1 a 20Km. Transmissão de difusão; em anel ou bus. 2.5.1. Controlo de Acesso ao Meio de Comunicação Um dos primeiros problemas que se colocou na definição da norma foi a inadequação inadequação da subdivisão considerada considerada no modelo OSI entre nível físico e de ligação de dados e a estrutura de controlo de trx. da maioria das redes locais. Para eficiência não podia haver independência entre nível físico e lógico. Então criou-se um subnível designado por Controlo de Acesso ao Meio – MAC. Multiplexagem Multiplexagem na Frequência É a solução tradicional para multiplexar vários canais de comunicação num meio físico – redes de banda larga. Desvantagens ao nível de gestão e complexidade do equipamento, onde o estabelecimento estabelecimento de canais varia continuamente. Multiplexagem Multiplexagem no Tempo

É a alternativa mais usada. O problema fundamental a resolver é a forma como é controlada a partilha entre os vários emissores. Multiplexagem Multiplexagem no Tempo Síncrona O tempo é dividido em intervalos de duração fixa, síncronos com relógio central. Cada emissor  dispõe de um intervalo de tempo fixo para colocar a informação no meio (ex. trx. de voz digital: PCM – trama básica de 32 blocos de 8 bits) – adapta-se bem a fluxos contínuos de informação como voz ou vídeo. Nos ambientes computacionais computacionais habituais, as trx. não têm padrão assim regular. Multiplexagem Multiplexagem no Tempo: Assíncrona É preciso algoritmo de atribuição de tempos: t empos: - Aleatório; - Passagem de testemunho; - Controlo centralizado O aleatório baseia-se na reduzida probabilidade de dois emissores começarem, no memso instante, a trx. A estação que pretende emitir fá-lo-à assim que detectar que o meio está livre. As outras aguardam. O problema surge com as colisões. É a base da Ethernet. Na segunda há um testemunho lógico (token) que circula entre as várias estações de um anel lógico. Apenas a estação na posse do testemunho pode emitir. As vantagens é que a rede pode ser mais facilmente modelizável e, portanto, os débitos podem ser assegurados através de gestão de prioridades adequada adequada.. As desvantagens desvantagens é alguma complexidade complexidade para garantir o bom funcionamento funcionamento do testemunho na inicialização inicialização e em caso de falhas. Introduz atrasos no acesso quando a estação tem de esperar pelo testemunho. Suporta melhor o funcionamento em carga elevada que a Ethernet. O controle centralizado numa estação que se encarrega de inquirir (polling) (polling) às restantes se pretendem emitir. É mais simples mas depende muito da estação que controla quanto À fiabilidade e desempenho. Desenvolvimento Desenvolvimento levou a distribuição vertical ou dorsal (backbone – fibra óptica) através de pontes ou encaminhadores. FDDI é representativa das redes de alto débito. 2.5.2. Rede Ethernet Remonta a 1974. É a mais usada. IEEE 802.3. Nível Físico  A topologia de base base é bus e velocidade velocidade de trx. original original de 10Mbps. 10Mbps. O suporte físico inicial inicial era o cabo coaxial e máximo segmento de 500 m extensível a 1,5 km com repetidores.  A evolução alargou alargou para par entrançado entrançado e fibra óptica. óptica. Estruturou-se a cablagem, com a utilização utilização de cabos mais baratos UTP (Unshielded (Unshielded Twisted Pair) e STP (Shielded Twisted Pair). Existem especificações normalizadas para a qualidade dos cabos, suportando a amsi elevada (classe 5) até 100Mbps. É usual distinguir os diversos tipos de tecnologia Ethernet com recurso a mnemónica B/Modo/D, com B- largura de banda; Modo – distingue a utilização em banda de base ou em modulação de frequência (Base ou Broad); D – indica distância máxima. Ex: 10BaseT – 10Mbps, banda de base, 100 metros de comprimento máximo da ligação, par  entrançado.  A topologia em bus bus tem sido mantida mantida do ponto de vista conceptual, conceptual, mas a definição definição de siatemas siatemas de cablagem estruturada conduziu a soluções baseadas em concentradores (hub) que agregam várias ligações Ethernet às máquinas (bus funciona conceptualmente dentro do concentrador). Método de Controlo de Acesso ao Meio É por divisão no tempo assíncrono com controlo aleatório, CSMA/CD (Carrier Sense Multiple  Acess/Collision  Acess/Collision Detection). Normalmente as funções de comunicação são implementadas por hardware no comunicador  ethernet. O funcionamento funcionamento deste controlador pode resumir-se:

 Após activação da recepção, o comunicador comunicador analisa analisa o endereço de destino das tramas tramas que passam no canal e recebe as que lhe são dirigidas ou as que têm o endereço de difusão. Para trx., o comunicador constrói a trama no tampão de trx., encapsulando encapsulando os dados que lhe são fornecidos pelos níveis superiores. A partir deste momento, o comunicador comunicador escuta o tráfego no bus (carier sense) e lança automaticamente automaticamente a tx. quando detecta o canal livre. Pode haver colisão. Para a detectar, a estação emissora escuta simultaneamente o bus para verificar se o sinal emitido não foi adulterado (collision detection). Se detecta colisão, pára de emitir e reforça a colisão. Depois retira-se do canal e volta a tentar mais tarde. Para evitar  situações ambíguas, os pacotes têm um tamanho mínimo tal que o seu tempo de trx. é o dobro do tempo de propagação.  Antes de retransmitir retransmitir aguarda um número número inteiro de slot-time, slot-time, num algoritmo algoritmo Truncated Binary Binary Exponential Exponential Backoff. Formato das Tramas - Preâmbulo de 64 bits (101010101...1011) (101010101...1011) para sincronização dos relógios e delimitação física da trama; - Endereços de 6 octetos para destino e origem; - Campo tipo, na norma Ethernet, identifica o campo de dados face aos protocolos de nível superior, tendo na norma 802.3, o significado do tamanho de campo de dados; - O comprimento máximo dos dados é de 1500 bytes; - O CRC tem 32 bits e abrange todo o pacote, excepto o preâmbulo. 2.5.3. FDDI – Fiber Distributed Data Interface Concebida para ser usada como espinha dorsal (backbone) de grandes centros computacionais ou para interligação de redes locais.  A vel. de trx. é 100Mbps. 100Mbps. A versão inicial inicial foi revista para suportar suportar tráfego isócrono, isócrono, MANs, e fibras monomodo. Universidades Universidades usam muito. Nível Físico O meio de trx. é a fibra óptica.  A norma prevê anel anel duplo (A e B), permitindo permitindo a continuação continuação da operação operação em caso de quebra quebra de interligação interligação entre dois nós.  A distância entre estações estações pode ir até até 2km e a rede pode pode ir até um perímetro de 200Km 200Km e até 1000 estações. Método de Controlo de Acesso ao Meio O controlo de acesso ao meio é feito através de um protocolo de testemunho t estemunho temporizado, temporizado, semelhante ao token ring da IBM e que também considera 4 níveis de prioridade. Para emitir, uma estação tem de estar na posse do testemunho. A mensagem circula no anel e é retirada quando retorna à estação emissora. Ao contrário do token ring, o testemunho é libertado assim que a estação acaba de trx. e não quando a mensagem volta. Os endereços são de 48 bits. Oferece extensão para tráfego isócrono para trx, de voz e vídeo. 2.6. Interligação de Redes Nas redes de grande escala, o nível rede caracteriza o serviço oferecido. Existem 2 filosofias para a realização deste nível: Circuito virtual (preferida dos Operadores de Telecomunicações) ou sem ligação. Na primeira o protocolo de transporte t ransporte negoceia negoceia a qualidade qualidade de serviço pretendida. pretendida. A rede é responsável por criação de mecanismos que assegurem a entrega fiável dos pacotes, ordem de entrega e controlo de f luxo. Na segunda, defendida pela comunidade “Internet”, todo o controle deve ser feito pelas entidades dialogantes, dialogantes, face f ace À diversidade diversidade de subredes.  A expressão prática prática desta diferença diferença é o X.25 e o IP. 2.6.1. Equipamento de I nterligação nterligação

Se a ligação for meramente ao nível físico – repetidores (utilizados por ex. para ligar 2 segmentos duma rede Ethernet, idênticas portanto).  A ponte (bridge) (bridge) opera ao nível lógico lógico o que pressupõe pressupõe redes com nível nível lógico idêntico. idêntico. A ponte copia tramas duma rede para outra. Como as tramas têm endereço, pode fazer-se filtragem. São usadas na hierarquização (razões: tráfego excessivo, grandes distâncias, distâncias, gestão em depts., etc.) de redes locais (interligação de LANs) – complexo se redes diferentes. 2 tipos: ponte transparente t ransparente (com memória interna, onde irá progressivamente guardar os enderços das redes que liga); pontes com encaminhamento encaminhamento na origem Finalmente, a interligação no sentido mais abrangente efectua-se no nível rede. É o encaminhador  (router) (gateway, ou porta, é genérico, sendo tb. software que compatibiliza protocolos de qualquer nível) 2.6.2. Rede X.25 Implementação de um serviço público para comunicação entre máquinas geograficamente distantes.  As máquinas dos dos utilizadores interligam-se interligam-se à rede rede através de uma ligação ligação ponto-a-ponto ponto-a-ponto ao comutador da rede. Nível Físico Consiste na ligação ponto-a-ponto utilizando linhas analógicas ou digitais. Nível Lógico Usa o protocolo LAPB (Link Acess Procedure), que implementa controlo de fluxo, recuperação de erros e garante que o comutador recebeu correctamente o pacote.  As tramas são de 3 tipos: tipos: informação, supervisão supervisão e não numeradas. numeradas. Nível Rede Podemos esquematizar o funcionamento funcionamento da rede X.25 do seguinte modo: quando um DTE pretende comunicar com outro, tem de estabelecer estabelecer um circuito virtual. Corresponde ao envio de um pacote de call request. O destinatário, se quiser, responde com call accepted. Para ter minar a ligação qualquer qualquer um pode enviar um clear request que deve ser confirmado. Para satisfazer a necessidade de um serviço datagrama foi introduzido um mecanismo de fast select em que o pacote de call request pode incluir 128 octetos de dados. O receptor pode recusar  a ligação com um clear request que também foi expandido para ter 128 octetos de dados, o que evita pois a ligação. O endereçamento é semelhante ao do serviço telefónico com código por país, rede e nó e o endereço pode ter até 14 dígitos decimais. O X.25 ilustra o problema da redundância funcional já referido no OSI. O nível de rede e o de ligação de dados implementam ambos o controlo de f luxo.  As limitações de desempenho desempenho permitem permitem prever a sua sua substituição pelo pelo Frame Relay, Relay, que dá um serviço mínimo que não oferece mecanismos de recuperação de dados e de controlo de fluxo. Posiciona-se melhor para uma tecnologia de interligação de LANs (pacotes até 1600 octetos), sobre linhas com altas velocidades e sobrecarga de protocolo muito menor. 2.6.3. Rede IP  A filosofia é completamente completamente diferente diferente da X.25, pressunpondo-se pressunpondo-se que os utilizadores utilizadores possuem possuem redes que pretendem interligar à rede global e que, para tal, dispôem de máquinas com capacidade de execução de protocolos. Os princípios b´sicos do IP são: - O serviço oferecido é sem ligação; - O serviço é na base do “melhor esforço” ; - O endereço de um nó subdivide-se em duas componentes: a identificação da subrede a que o nó se encontra ligado e a identificação do nó nessa subrede; - O encaminhamento encaminhamento é efectuado independentemente independentemente para cada pacote; - A decisão de encaminhamento encaminhamento é feita com base no identificador identificador da subrede de destino, com excepção dos nós da mesma rede em que é pelo endereço do nó.

Endereços IP É cosntituído de forma hierárquica por um par: O número de bits associado a cada elemento não é fixo, existindo 3 classes: A, B e C. Qualquer organização organização com um endereço IP pode subdividi-la (pelos bits menos significativos) para formar subredes internas. Um enderço IP pode identificar uma máquina (netid=0) ou uma rede (hostid=0). Os endereços de difusão têm todos os bits de hostid=1. Um endereço não representa uma máquina, mas um ponto de ligação de uma máquina a uma rede. Classe A: 0 7-rede 24-host Classe B: 10 14-rede 16 host Classe C: 110 21-rede 8-host Os problemas deste tipo de endereços são os comuns a hierarquização: hierarquização: - Se a máquina muda de rede, torna-se t orna-se necessário mudar o seu endereço bem como t abelas onde ele se encontra - No caaso da máquina ter vários endereços, os protocolos protocolos utilizam a especificação especificação de rede contida no endereço, mesmo que outros caminhos fossem mais eficientes. Endereços IP actuais têm 32 bits. Não é possível tipo telefónico, devido à grande diversidade de redes tamanhos dos endereços locais dificuldade no sistema de atribuição vs. desempenho. Para simplificar legibilidade legibilidade são representados por 4 dígitos separados por pontos, cada dígito representando representando um octeto. ex: 10.0.1.201 (classe A) 146.193.4.2 (classe B) 193.136.1.6. (Classe C) 192.1.1.255 (Classe C – endereço de difusão) IPv6 vai ter 128 bits. Protocolo IP O protocolo de nível rede é simples. Implementa o encaminhamento através de tabelas fixas e um controlo de congestão com libertação de pacotes. A unidade de transferência é o pacote ou datagrama, formado por cabeçalho, bloco de dados, cuja dimensão total está limitada a 64Kbytes. Se redes impuserem pacotes mais pequenos o protocolo fragmenta. Cabeçalho: Cabeçalho: ta,anho t a,anho total do datagrama (16 bits-->64Kbytes), identificação do pacote, deslocamento deslocamento do fragmento. Os fragmentos são desdobrados em múltiplos de 8 octetos --> 13 bits --> 8192 fragmentos; TTL (time to live); header checksum. Ver pacote IP na página 85. Na mesma subrede o encaminhamento é directo (traduz o endereço IP para o endereço da subrede física). Se for indirecto é preciso enviá-lo ao nó que actua como encaminhador. A máquina emissora tem de conhecer os endereços das portas de encaminhamento, que têm tabelas.

CAPÍTULO 3 – Interface I nterface de Comunicação 3.1. Modelo da Comunicação Distribuída O modelo computacional tem de oferecer ao programador de aplicações uma visão coerente dos objectos de comunicação e das funções que lhes estão associadas.  A comunicação num ambiente distribuído é uma evolução de comunicação entre processos numa única máquina. Corresponde também à troca de mensagens entre 2 processos. O modelo computacional é constituído por objectos de comunicação ou portos e por funções agru agrupa pada dass numa numa bibl biblio iote teca ca.. É a inte interf rfac ace e API API (App (Applilica catition on Prog Progra ramm mmin ing g Inte Interf rfac ace) e) da comunicação. Não há transparência entre a interface e os protocolos subjacentes (só idealmente).  As características da interface interface são quase quase as do serviço de transporte. Os protocolos de comunicação comunicação são geralmente integrados no núcleo.  A comunicação pode modelizar-se modelizar-se por um processo emissor, outro receptor e o canal (abstracção dos mecanismos de transporte que permitem a comunicação. comunicação.  As extremidades extremidades do canal são os portos. portos. Conceptualmente o canal pode ser considerado como a associação de dois portos. Para que exista comunicação, esta associação tem de se estabelecer, podendo ter uma forma duradoura, no canal com ligação, ou apenas para uma interacção, no canal sem ligação.  A informação transmitida é designada designada por mensagem, devendo ser interpretada por um protocolo de alto nível. Quando a qualidade de serviço oferecida pelo canal não pode ser mantida, o sistema deve avisar  o processo através do mecanismo de excepções, que no caso dos sistemas distribuídos assume um papel mais importante devido a haver mais falhas.  As interfaces utilizadas numa aplicação distribuída podem, portanto, ser diferentes consoante o SO. A garan garantia tia da capaci capacidad dade e de comuni comunicaç cação ão é dada dada pelo pelo protoc protocol olo o de transp transport orte e que que implementa o canal. 3.2. Caracterização da Interface 3.2.1. Canal com ou sem ligação No caso de uma única máquina, o canal é implementado por zonas de memória partilhada, logo elevada fiabilidade. Tal não se passa nos distribuídos, sendo essa uma diferença fundamental. O desempenho tb. é menor.  A fiabilidade fiabilidade e desempenho desempenho devem ser explícitos para o programador programador (qualidades (qualidades de serviço várias, cada qual melhor adaptável à aplicação).  A forma mais vulgar vulgar de traduzir o tipo de de serviço é: - Canal com ligação: fiável, f iável, bidireccional bidireccional e c/ garantia de sequencialidade; sequencialidade; - Sem ligação ou Datagrama: Não oferece garantias de fiabilidade. O primeiro é preferível quando existe fluxo contínuo de informação, mas consome recursos de forma permanente e ter tempo de latência significativo no estabelecimento do canal. O segundo adapta-se melhor à comunicação com muitos interlocutores, a mensagens de pequena dimensão (típicas dos sistemas client-servidor) client-servidor) 3.2.2. Portos de Comunicação Para transferir informação os processos interactuam com um porto que representa a extremidade do canal, que são uma abstracção para o SO, como os sockets, caixas de correio. Têm um sistema de designação e conjuntos de funções. São interface entre o SO e o protocolo de transporte. O identificador associado ao protocolode trnsporte pode ser explícito na interface (ex. sockets) ou encapsulado encapsulado (ex. Mach). Quando um porto é criado pode logo ser estabelecida a associação entre o identificador local e o endereço de comunicação ou num momento posterior (ex. sockets é por bind). No caso em que os programadores têm de conhecer os endereços de transporte, como os portos TCP/IP nos sockets, existem mecanismos para designar os portos por nome inteligíveis – serviço de nomes.

Do elenco de operações associadas aos portos temos as funções de envio e recepção das mens mensag agen ens, s, cria criarr e elim elimin inar ar um port porto, o, asso associ ciar ar um ende endere reço ço de tran transp spor orte te e defi defini nir  r  parametrização parametrização do canal. No caso do canal sem ligação, o porto receptor comporta-se como uma caixa de correio à qual são enviadas mensagens e que, normalmente, tem capacidade para armazenar um determinado nº de octetos. O canal é estabelecido para cada mensagem. Há direitos. Na mensagem deve ser  enviado o endereço do porto emissor para que o receptor possa estabelecer o canal de resposta. 3.2.3. Semântica da Função de Envio No tocante à sincronização, a operação de envio de mensagens, pode ter várias semânticas que se relacionam com a detecção de faltas na comunicação: - Assíncrona: A função copia a informação da mensagem para os tampões do protocolo de transporte e retorna depois de iniciar a operação de envio. O processo emissor é desbloqueado assim que a função retorna do núcleo, mas não tem qualquer garantia que a mensagem chegou ao seu destino. - Síncrona: O processo emissor fica bloqueado até que o porto destinatário confirme que recebeu a mensagem - Cliente/Servidor: o processo emissor fica bloqueado até receber a mensagem de resposta.  A assíncrona é de aparente maior desempenho, desempenho, mas a possibilidade possibilidade de muitas processos paral paralelo eloss levant levanta a grande grandess proble problemas mas a nível nível de sincro sincroniz nizaçã ação o (proto (protocol colos os própri próprios) os) e as aplicações têm de ser programadas com muito mais cuidado (por eventos, ao contrário do que se está está habi habitu tuad ado) o),, que que leva levam m à não não muit muita a util utiliz izaç ação ão.. Será Será efic eficie ient nte e no caso caso de tráf tráfeg ego o desequilibrado desequilibrado (FTP, Telnet). Na pergunta-resposta não tem vantagens. O síncrono oferece garantia que a informação foi correctamente trx. mas não permite detectar  qual qualqu quer er falh falha a na exec execuç ução ão do serv serviç iço. o. Tb. Tb. é de prog progra rama maçã ção o comp comple lexa xa,, para para evit evitar  ar  interblocagens. interblocagens. CSP.  A cliente-servidor cliente-servidor procura garantir a execução da operação, assegurando-se que o processo só continua a sua execução quando recebe resposta. Esta interface é semanticamente semanticamente bastante mais rica, pelo que tem sido usada como base de programação do modelo cliente/servidor. cliente/servidor. Mas implica conjunto de operações que não existem no protocolo de transporte. 3.2.4. Estrutura das Mensagens Mensagens Pode ser  individualizada ou serem apenas sequências de octetos de tamanho variável ( byte stream) que emula as interfaces dos ficheiros de texto ou das E/S para terminal. Se for byte stream o nível aplicação tem de traduzir significado. Quando individualizadas existe relação directa com as estruturas de dados dos programas. Norma Normalme lmente nte o sistem sistema a de suport suporte e à comuni comunicaç cação ão não impõe impõe format formataçã ação o especí específic fica a às mensagens. Uma possível razão para a impor seria a heterogeneidade. heterogeneidade. 3.2.5. Semântica de Recepção É retirar a primeira mensagem existente no porto ou, caso nenhuma esteja presente, bloquear o processo. Se houver várias ligações específicas coloca-se o clássico problema dos múltiplos pontos de sincronização. Relaciona-se com: se for sem ligação pode usar-se um porto para receber as mensagens de todos os processos interlocutores, mas assim não é possível estabelecer prioridades. Por esta razã razão o é freq freque uent nte e os serv servid idor ores es cria criare rem m vári vários os porto portoss para para mens mensag agen ens, s, de tipo tipo ou de interlocutores de classes diferentes. No canal com ligação, o porto fica associado ao canal.  A solução de ambos os problemas é criar um mecanismo de recepção recepção múltipla sobre um conjunto de portos. O processo bloqueia-se até que um dos portos receba uma mensagem que lhe é destinada. A função funciona como um comando com guardas lógicas que, quando uma delas se torna verdadeira, desbloqueia o processo. É frequente frequente associar associar à primitiva primitiva de recepção recepção uma temporiza temporização ção (cominica (cominicação ção bidirecci bidireccional onal remota).  A primitiva select dos sockets é um exemplo de uma função de recepção múltipla com temporização associada.  A função f unção de recepção também pode ser assíncrona (teste da existência de mensagens no porto. caso não existam retorna ao processo).

3.2.6. Paralelismo Paralelismo  A sincronização sincronização das primitivas de envio e recepção de dados está fortemente relacionado com o modelo de concorrência em termos de processos e tarefas. A necessidade de paralelismo colocase fort fortem emen ente te na prog progra rama maçã ção o de proc proces esso so que que actu actuam am como como serv servid idor ores es -> aten atende der  r  simultaneamente simultaneamente vários clientes. Uma forma de introduzir paralelismo no servidor é utilizar vários processos em paralelo. Esta solução obriga, porém, à partilha de estruturas de dados (memória e sincronização), que é sempre sempre de progra programaç mação ão deli delicad cada, a, porqu porque e reintr reintrodu oduzz o probl problema ema dos dos múltip múltiplo loss pontos pontos de sincronização. O modelo computacional mais adequado é um modelo multitarefa com vários fios de execução concorrentes que se sincronizam no acesso a variáveis partilhadas. Tem várias vantagens: o modelo de programação continua simples, pois o seu código é idêntico a um servidor sequencial, apenas com a introdução da sincronização no acesso a estruturas de dados partilhadas; permite explorar situações em que uma tarefa se bloqueia durante o serviço a um pedido, por exemplo para para aced aceder er ao disc disco; o; tira tira part partid ido o dos dos even eventu tuai aiss vári vários os proc proces essa sado dore ress exis existe tent ntes es.. Progressivamente Progressivamente os SO têm vindo a fornecer suporte para mecanismos multitarefa integrados na gestão dos processos. 3.2.7. Faltas na Comunicação Comunicação Podem ter numerosas origens, sendo as mais frequentes relacionadas com a quebra do canal de comunicação. tal pode acontecer porque a rede física falhou ou os protocolos esgotaam os tampões. O Mach usa tratamento de excepções. 3.2.8. Difusão de Mensagens Mensagens Nas locais há mecanismos eficientes e intrínsecos. Nas grandes não pois a indiscriminação pode originar muitas mensagens suplementares na rede. Devido ao interesse dos algoritmos baseados na difusão, foram propostos mecanismos de difusão mais restritos a grupos de portos. Os grupos têm nomes que os identificam e podem ser criados dinamicamente. dinamicamente. Existe opcionalmente opcionalmente no IPv4 e generaliza-se generaliza-se no IPv6. Há que distinguir também: Os protocolos com entrega fiável a todos são designados por  difusão atómica. Têm despertado grande interesse em políticas de tolerância a faltas dado que são o suporte indicado para políticas de replicação (mais complexos – ISIS). Os outros não garantem a entrega a todos (melhor esforço) – IP, Chorus. 3.2.9. Alternativas de Implementação Gene Generi rica came ment nte e temo temoss 3 form formas as de inte integr graç ação ão das das funç funçõe õess de comu comuni nica caçã ção o no mode modelo lo computacional computacional de um SO multiprogramado: multiprogramado: - Funções E/S genéricas - Funções específicas dedicadas apenas à interface com os protocolos de transporte - Inclusão no mecanismo de intercomunicação entre processos do SO.  A primeira tornou a comunicação num gestor de periféricos, com todos os problemas de normalização normalização que daí advinham. A normalização veio via Unix que adoptou a interface do sistema de fiche ficheiro iros. s. Mas Mas esta esta soluçã solução o tem severa severa limita limitaçã ção, o, devid devido o às operaç operações ões dispo disponív níveis eis nas nas interfaces de E/S serem insuficientes face Às necessidades dos protocolos de comunicação. enviar enviar e recebe receberr tudo tudo bem, bem, mas estab estabele elecim cimen ento to de ligaç ligação, ão, param parametr etriza ização ção ou recepç recepção ão múltipla... A solução é função de parametrização genérica, ex. ioctl do Unix para tudo, mas isso torna a programação pouco clara e introduz facilmente erros.  A alternativa é a utilização utilização de biblioteca dedicada, dedicada, que esconde detalhes detalhes das E/S e dos protocolos protocolos de transporte (ex. NetBios e DOS), mas obriga a distinguir entre comunicação remota e local, o que diminui portabilidade. portabilidade. Os sockets Unix são uma tentativa da compatibilização das funções de comunicação com as E/S, mas também acaba por ser híbrida. Uma evolução tenta estender o IPC local, de forma coerente. A desvantagem desta aproximação é que cada SO impõe uma estruturação própria das mensagens e se pretende ligar máquinas com SO diferentes. Verifica-se o habitual compromisso compromisso entre eficiência e coerência. Nos Nos sistem sistemas as resul resultan tantes tes da evolu evolução ção de SO centra centralilizad zados os mantev manteve-s e-se e a distin distinção ção entre entre mecanismos IP locais e as interfaces de comunicação distribuída. distribuída. Ex. Unix V.4 tem t em IPC e TLI.

Nos SO estruturados com base em micro-núcleos como, p.ex. o Mach e o Amoeba procurou-se evitar esta duplicidade, mas, hélas, são incompatíveis. Vamos ilustrar estes conceitos com 3 interfaces: os sockets são seguramente a inteface mais divulgada e tendem a ser norma de facto nos sistemas abertos. O NetBios é representativo de uma biblioteca de interface desenvolvida para o ambiente DOS e que não procurou reutilizar a interface das E/S ou dos ficheiros. Finalmente o Mach IPC corresponde a uma abordagem integrada, onde a comunicação local e remota foram consideradas consideradas como idênticas. 3.3. Interfaces de Sockets 3.3.1. Caracterização dos Sockets Unix, desde início teve mecanismos para suporte da distribuição. A de Berkely (1982) inovou com os sockets como interface de comunicação. No Unix V foi para a API TLI (Transport Layer  Interface). Os sockets propunham-se dar resposta a: - Independência do Protocolo (de transporte); - Transparência: a comunicação não deve depender da localização dos processos, devendo ser  idêntica para o caso local ou distribuído. - Compatibilidade: O novo mecanismo devia inserir-se na interface clássica de comunicação e E/S do Unix. Os sockets apresentam interface baseada nos descritores de ficheiros (evolução dos pipes).  A independência independência materializou-se materializou-se na noção de de domínio. Expls. de domínios: - Domínio Internet – TCP e UDP Domínio Unix – Permi - Domínio Permite te a comuni comunicaç cação ão entre entre proce processo ssoss numa numa única única máquin máquina, a, sendo sendo semelhante aos pipes sem nome. - Domínio Xerox NS Na criação do socket, para além da especificação do domínio é especificado o tipo de serviço pretendido: - stream  – canal com ligaçãp, bidireccional, fiável e com garantia de ordem. A interface é do tipo sequência de octetos tal como nos pipes ou ficheiros. - datagram – canal sem ligação, bidireccional, sem... - sequenced packet – canal sem ligação, mas com envio síncrono que garante entrega das mensagens. - raw – acesso directo aos mecanismos de comunicação. comunicação. Ex. ao IP. Nem todas as combinações de tipo e domínio têm sentido (ver tabela na pg. 108) Os identificadores de transporte associados aos sockets são diferentes para cada domínio (com esquema de endereçamento próprio).  A estrutura genérica genérica do identificador identificador do socket definido definido em É: struct sockaddr { u_short family; /* /*definição do domínio*/ char sa_data[14]; /* endereço definido no domínio*/ No domínio Unix, os nomes são caminhos de acesso com a estrutura habitual (ex. /tmp/servidor) struct sockaddr_un { u_short family; /* /*definição do domínio*/ char sun_path[108]; /*caminho de acesso*/ No domínio Internet o identificador corresponde ao endereço de transporte dos protocolos UDP e TCP, descrito no capítulo anterior. Endereço IP da máquina (32 bits) e o número de um porto de transporte codificado com 2 octetos.

1.5 Resumo Os SO sofreram uma evolução natural, resultante do grande desenvolvimento tecnológico das duas últimas décadas. Apesar de se poderem considerara múltiplos factores para esta evolução, salientamos quatro que nos parecem mais decisivos: 1 – As redes de computadores tiveram uma evolução significativa. Nas redes de grande escala (WAN), a evolução resultou da oferta pelos operadores de telecomunicações de redes de dados com elevada fiabilidade e custos mais reduzidos que as linhas dedicadas. Esta evolução irá a curto prazo materializar-se nas redes integradas de voz e dados, RDIS na banda estreita e, futuramente, ATM na banda larga. Nas redes públicas é particularmente importante o papel das redes com uma filosofia aberta de gestão como a Internet. Esta rede adquiriu recentemente uma notoriedade que a coloca como o meio mais adequado para a introdução de reais aplicações distribuídas. Uma outra vertente da evolução da tecnologia das comunicações foi a das redes locais – LAN. Esta forma de interconexão de computadores iniciou-se na década de 80 e evoluiu rapidamente, em particular na redução de custos das interfaces que permitem hoje em dia que seja margina o custo de interligação dos computadores em rede local. 2 – Os computadores pessoais foram os equipamentos com maior impacto nos sistemas informáticos. Estes equipamentos de reduzido custo revolucionaram a experiência do uso da informática pelos utilizadores. A capacidade de processamento e armazenamento local, aliada a uma inter interfac face e cada cada vez mais mais ergonó ergonómic mica, a, obrig obrigou ou a repens repensar ar os sistem sistemas as de inform informaçã ação o centralizados centralizados das décadas anteriores. Apesar de o SO MS-DOS ser muito rudimentar, dificultando a sua interligação coerente em rede, o enorme mercado motivou o desenvolvimento de diversas soluções de partilha de ficheiros e impressoras que progressivamente tem vindo a aproximar-se das arquitecturas existentes nas redes com equipamentos mais potentes com sistemas Unix. sistemas abertos abertos aparec 3 – O s sistemas aparecera eram m devido devido à pressã pressão o dos grand grandes es utili utilizad zadore oress que que pretenderam não ficar totalmente dependentes dos seus fornecedores de hardware que ofereciam SO proprietários, aos quais ficavam indissociavelmente ligadas as aplicações. O movimento no sentido dos sistemas abertos procurou criar o conceito de plataformas de hardware, plataformas de SO e plataformas de SGBD, com interfaces bem definidos que permitem o transporte fácil das aplicações e criaram um mercado competitivo. Uma das áreas mais influenciadas pela filosofia dos sistemas abertos foi a comunicação entre computadores, pois os problemas colocados pela interligação de sistemas heterogéneos obrigaram a soluções multivendedor. As redes actuais de maior sucesso, quer públicas quer locais, baseiam-se em normas adoptadas por t oda a indústria. 4 – As arquitecturas multiprocessador  são um meio natural para aumentar o desempenho dos proces processad sadore oress e justi justific ficamam-se se para para as máquin máquinas as que que actua actuam m como como grand grandes es servid servidore oress de informaçã informação. o. As arquitec arquitecturas turas dominant dominantes es são os multiproc multiprocessa essadore doress simétrico simétricoss de memória memória partilhada. Os multiprocessadores de memória distribuída interligam, sobre uma rede local ou um sistema de interconexão de alto débito, máquinas independentes. A sua influência na evolução dos sistemas operativos distribuídos tem sido grande. Os sistemas distribuídos resultam da confluência destes factores tecnológicos e procuram dar  resposta a um conjunto de requisitos colocados pelos utilizadores, pelos programadores e pelos gestores de sistemas informáticos. Os utilizadores pretendem: transparência que lhes evite terem de conhecer diferentes interfaces para os objectos dos sistemas; mecanismos eficientes para partilha de informação; suporte para a comunicação entre utilizadores humanos como o correio electrónico, as news, etc. Todas estas funcionalidades devem ser acompanhadas de uma maior qualidade do sistema, em particular de uma acrescida ergonomia, segurança, fiabilidade e disponibilidade.

Para os programadores, os requisitos são:

 A necessidade necessidade de interfaces normalizadas (API) que permitam o desenvolvimento e transporte das aplicações; ambientes de programação que escondam os detalhes da distribuição, dos mecanismos da tolerância a faltas e de segurança, simplificando simplificando o desenvolvimento desenvolvimento das aplicações. aplicações. Na óptica do gestor de recursos informáticos, os requisitos principais relacionam-se com a capacidade de evolução do sistema. Os sistemas distribuídos facilitam uma evolução modular  e garantem a extensibilidade do sistema. Um requisito importante é a capacidade de gestão global do sistema, não obrigando a numeroso pessoal de suporte. distribui buição ção introdu introduz z um conjunt conjunto o de proble problemas mas ou agudiz agudiza a outros: Com Com é natu natura ral,l, a distri comunicação por mensagem – a fiabilidade e o determinismo da comunicação comunicação por mensagem é totalmente diferente da habitual nos sistemas centralizados onde se efectua com base numa memória partilhada; modelo de faltas – o modelo de faltas é mais complexo, porque existem mais componentes e o padrão de faltas é mais complexo pela total independência dos sistemas; sistema operativo repartido – a distribuição implica a cooperação entre vários núcleos de SO, não existind existindo o uma memória central para comunica comunicação ção e sincroni sincronizaçã zação. o. Numa Numa rede é difícil difícil criar  criar  mecan mecanism ismos os de sincro sincroni nizaç zação ão atómic atómicos, os, devido devido às caract caracterí erísti sticas cas tempo temporai raiss dos meios meios de comunicação comunicação e pelas hipóteses de falha. A informação de gestão (nomes de utilizadores, ficheiros, periféricos) encontra-se dispersa por numerosas máquinas, sendo necessário ao sistema executar  protocolos entre múltiplos nós para efectuar determinadas operações; segurança – nos sistem sistemas as multip multiprog rogram ramad ados, os, o núcle núcleo o dos siste sistema ma era consid considera erado do como como seguro, numa rede as mensagens podem ser escutadas ou modificadas e, no limite, nada impede um utilizador de modificar um SO, pelo que se tem de partir do princípio de suspeição mútua em relação a todos os interlocutores nas redes; heterogeneidade – as diferenças entre processadores obrigam a tratar de forma transparente os diversos tipos de dados suportados pelos processadores; desempenho – para ultrapassar os problemas anteriores, utilizam-se protocolos e servidores de sistema, mas estes têm impacto sobre o desempenho. O desafio é construir sistemas distribuídos que ultrapassem os problemas sem sacrificar o desempenho. desempenho.

Com Com é natur natural, al, os probl problema emass menci menciona onados dos anter anterior iormen mente te têm soluçã solução o e a distri distribu buiçã ição o tem interessantes vantagens potenciais. Algumas são evidentes como adequação à repartição geográfica, modularidade, extensibilidade. Outras são mais complexas de perceber como: maior disponibilidade – devido à existência de múltiplas máquinas independentes permitindo

replicar a informação ou as aplicações; aplicações; melhor melhor desempen desempenho ho devi devido do à util utiliz izaç ação ão das das máqu máquin inas as mais mais adeq adequa uada dass a cada cada tipo tipo de processamento; custo mais reduzido – decorrente da utilização de computadores pessoais como interface para os servidores. múltip ipla las s form formas as de conc conceb eber er os meca mecani nism smos os de supo suport rte e à cons constr truç ução ão de Existem múlt aplicações distribuídas.  A forma mais simples é apenas oferecer os mecanismos básicos de intercomunicação entre processos. O programador tem neste caso de desenvolver as aplicações cliente e servidor e os protocolos de aplicação. Apesar desta solução ser fácil de implementar nas máquinas existentes, tem divers diversas as desva desvanta ntagen gens: s: limit limitada ada reutil reutiliza ização ção de códig código o e proto protocol colos; os; dificu dificulda ldade de de normalização; desempenho limitado devido à implementação fora do núcleo. Exist Existem, em, contud contudo, o, algum algumas as vantag vantagen enss neste neste mecan mecanism ismo: o: simpl simplici icidad dade e – os progra programad madore oress apenas têm de conhecer interfaces de comunicação que não são muito diferentes das existentes nos sistem sistemas as centra centraliz lizado ados; s; facil facilida idade de de transp transport orte e para para outra outrass arqui arquitec tectur turas as - como como os mecanismos utilizados utilizados não recorrem praticamente ao SO, o transporte das aplicações é simples.

Um nível mais elaborado de suporte é oferecido pelas plataformas cliente/servidor . Não existe uma definição clara e consensual de qual é a funcionalidade funcionalidade destas plataformas, apesar de serem vulgarmente considerados os seguintes serviços: comunicação entre clientes e servidores por  cham chamad ada a de proc proced edim imen ento to remo remoto to;; gest gestão ão de nome nomes; s; meca mecani nism smos os de segu segura ranç nça a para para autenticação e cifra das comunicações; suporte a transacções distribuídas; sistema de ficheiros distribuído.  A componente de base destas plataformas é a comunicação comunicação utilizando o paradigma de chamada remota de procedimento. Este mecanismo procura simplificar a interacção remota, assemelhandoa sintáctica e semanticamente à chamada de procedimento. Os SO distribuídos baseiam-se na interligação de todas as componentes do sistema: gestão de memória, gestão de processos, etc. O sistema funciona de um modo homogéneo, permitindo explorar as várias componentes hardware da rede como se de uma só máquina se tratasse. Representa o objectivo mais ambicioso dos SO distribuídos. Para que todos os sistemas possam ser interligados desta forma, é necessário que ofereçam interfaces idênticas, o que obriga a que diversos fabricantes tornem os modelos dos seus sistemas compatíveis. Para além do suporte à distribuição, uma característica que tem marcado o desenvolvimento dos novos SO é a tentativa de modularização da sua estrutura interna. Uma tendência geral é a estruturação interna dos sistemas em micro-núcleo, assegurando as funções de gestão de processos e de comunicação, e em servidores que executam as restantes funções. A própria comunicação comunicação entre o SO e o núcleo efectua-se por mensagem, permitindo a sua fácil adaptação à distribuição ou às arquitecturas multiprocessador. multiprocessador.  As arquitecturas multiprocessador  tiveram uma influência grande na evolução técnica dos SO. Podemos dividir esta arquitectura em 2 grandes grupos: os de memória partilhada e os de memória distribuída. distribuída. Na arquitectura de memória partilhada, os processadores estão ligados à mesma memória através de um bus partilhado. Os processadores têm uma cache local onde guardam as palavras de memória recentemente acedidas. A coerência das caches é mantida pelo hardware de gestão de bus partilhado. Estas máquinas obrigaram à paralelização do SO, ou seja, a reduzir a um grão muito fino as secções críticas existentes no código do sistema. Como é evidente, esta operação é complexa, sobretudo quando efectuada em sistemas existentes como o Unix, onde, devido ao pseudoparalelismo, o núcleo tinha extensas secções críticas. Uma outra linha de evolução é criar mecanismos a nível de utilizador para explorar o paralelismo real dos multiprocessadores. Certos algoritmos podem ser optimizados se executados em paralelo por várias tarefas dentro do mesmo processo, em que todas as tarefas partilham o mesmo espaço de endereçamento. as tarefas (threads) passam a ser entidades geridas pelo SO que efectua o respectivo escalonamento, escalonamento, tirando partido dos diversos processadores. multiprocessa essadores dores de memória memória distribuída distribuída são compos Os multiproc compostos tos por por proce processa ssado dores res com memória privada e interligados interligados por uma rede de alto débito. Nestas máquinas, máquinas, o SO é um sistema distribuído, onde todas as componentes habituais (processos, ficheiros) podem ser geridos de forma distribuída. A comunicação por mensagem é semelhante à existente nas redes de dados, mas é claramente optimizada para tirar partido da rede de interligação de alto débito subjacente à arquitect arquitectura. ura. Normalme Normalmente, nte, os fabricante fabricantess destes destes sistemas sistemas procuram procuram oferecer oferecer uma interface interface semelhan semelhante te a sistemas sistemas multiprog multiprogramd ramdos os clássico clássicos, s, com o Unix, Unix, esconden escondendo do os detalhes detalhes da arquitectura.

CAP. 2  As redes de dados têm características estruturais que as tornam muito mais complexas do que as E/S, nomeadamente: escala – o número de unidades interligadas é muito superior a qualquer  sistema de periféricos; heterogeneidade heterogeneidade – as redes interligam máquinas com processadores e Sos difer diferent entes es e são elas elas própri próprias as heter heterogé ogéne neas as devido devido a difer diferent entes es meios meios físico físicos, s, técni técnicas cas de transmissão e multiplexagem, técnicas de gestão, etc. Múltiplas razões justificam a enorme diversidade de arquitecturas das redes: o interesse dos fabricantes de desenvolverem redes que prolongassem as suas arquitecturas proprietárias; as limitações tecnológicas associadas à banda de transmissão e atenuação em função da distância; o custo das diferentes tecnologias; os requisitos das aplicações que diferem quando se considera dados impulsionais, impulsionais, voz, imagens ou vídeo. Devido aos elevados investimentos efectuados nas linhas telefónicas em cobre, os operadores procuram reutilizá-las para redes de dados. A elevada atenuação e limitações da banda passante dos cabos em cobre introduziram limitações à arquitectura das redes. Para pequenas redes, a utilização de meios físicos mais eficazes e a possibilidade técnica de efectuar a gestão de modo mais mais eficie eficiente nte condu conduzir ziram am ao desen desenvol volvim viment ento o de redes redes de eleva elevado do desemp desempen enho ho e custo custo reduzido. estas diferenças tecnológicas e as diferenças de exploração das redes públicas e redes privadas conduziram a uma segmentação das redes em : redes de grande escala (WAN), redes para áreas metropolitanas (MAN) e redes locais (LAN). Dada a enorme complexidade das redes, houve, desde o início, interesse em encontrar modelos que subdividissem a complexidade considerando diversos níveis. Uma subdivisão natural é entre arquitectura ra lógica. A primei a arquitectura física e a arquitectu primeira ra prend prende-s e-se e com as topol topologi ogias as de interligação e com as características físicas dos meios de transmissão. A segunda procura criar  uma rede rede com um conju conjunto nto de caract caracterí erísti sticas cas suscep susceptív tível el de supor suportar tar eficie eficiente ntemen mente te as aplicações.  A arquitectura física relaciona-se com a topologia e as tecnologias tecnologias de transmissão. As topologias habituais são: bus, anel, estrela, árvore e malhada. As primeiras usam-se nas redes locais, enquanto nas redes de grande escala a topologia é malhada, garantindo na maioria dos casos redundância redundância na ligação entre nós. Historicamente, o cobre foi o meio físico mais usado, mas progressivamente tem vindo a ser  substituído nas WAN por fibras ópticas que proporcionam maior velocidade de transmissão, menor atenuação e maior fiabilidade. Nas LAN utilizam-se par entrançado, cabos coaxiais e fibras ópticas modelos de referênc referência ia. O mais Para enquadrar a arquitectura lógica, foram criados vários modelos divulgado é o modelo OSI, da organização internacional de normalização, normalização, a ISO. Este modelo, do início da década de 80, reflecte a tecnologia da época e tem diversas limitações amplamente divulgadas, contudo, continua a ser a referência utilizada quer na área da Informática, quer em Telecomunicações. Um outro modelo importante é o que adoptou a Internet, designado por  este mode modelo lo cons consid ider eraa-se se a rede rede como como uma uma inte interl rlig igaç ação ão de rede redess modelo modelo catnet catnet.. Neste independentes. Diversos fabricantes também propuseram os seus modelos, a maioria dos quais sem sem inte nteres resse actu ctual, al, com com excep cepção ção da arq arquitect tectur ura a SNA SNA da IBM IBM que que infl influ uencio ciou significativamente o modelo OSI e tem ainda considerável impacto em alguns domínios como nos sistemas transaccionais. transaccionais. interface de serviço serviço, O modelo OSI estrutura-se em níveis aos quais está associada uma interface correspondente à funcionalidade que disponibiliza aos níveis superiores e um protocolo que defi define ne o form format ato o e o sign signifific icad ado o das das mens mensag agen ens. s. Em cada cada sist sistem ema a exis existe te um flux fluxo o de comunicação na vertical através das interfaces de serviço dos vários níveis de comunicação. Entre sistemas, a comunicação é efectuada através dos protocolos dos níveis correspondentes nos sistemas.

Os protocolos podem ser com ligação ou sem ligação. Nos protocolos com ligação pretende-se emular um canal virtual ponto-a-ponto entre os interlocutores. A comunicação decorre em 3 fases: estabelecimento da ligação, conversação, corte da ligação. Nos protocolos sem ligação apenas existe a fase de conversação. Ambas as soluções apresentam vantagens e inconvenientes. os protocolos com ligação podem aproveitar os estabelecimento da ligação para negociar parâmetros

de serviço, podem controlar erros e sincronização, dando maiores garantias aos níveis superiores. Os protocolos sem ligação são mais simples e podem resultar em mecanismos mais eficientes de comunicação, comunicação, por não terem necessidade de passar por uma fase prévia de estabelecimento.  A interface de serviço é definida com base num conjunto de primitivas abstractas: Pedido, Indi Indica caçã ção, o, Resp Respos osta ta,, Conf Confir irma maçã ção. o. A dist distin ingu guir ir entre entre o serv serviç iço o pres presta tado do e o prot protoc ocol olo o implementado implementado em cada nível, pretendeu-se tornar a arquitectura flexível e modular. No entanto, as implementações reais raramente conseguem garantir um completo isolamento entre protocolo e interface de serviço, em especial no que se refere aos aspectos de configuração local e de endereçamento. O modelo OSI estrutura-se em 7 níveis . Os níveis inferiores estão mais próximos do meio físico de comunicação e os superiores das aplicações e utilizadores finais dos serviços de comunicação. comunicação. O nível físico tem por função transmitir correctamente um bit sobe o meio físico de interligação; o nível de ligação de dados utiliza os serviços do nível físico para o envio de tramas (frames) entre duas máquinas na mesma rede física; o nível rede é responsável por suportar os mecanismos necessários ao encaminhamento (routing) dos pacotes de dados entre quaisquer sistemas ligados nível de trans transpor porte te oferec à rede, rede, indepe independe ndente ntemen mente te da rede rede física física;; o nível oferece e um servi serviço ço de transmissão de mensagens entre dois sistemas extremo a extremo, normalmente com várias classes de qualidade de serviço. O serviço de transporte caracteriza-se por um conjunto de facilidades: com ligação/sem ligação; garantia de entrega fiável da mensagem; fragmentação; controlo de fluxo; mecanismo de janela; garantia de ordem.  A rede Internet tem por base um modelo modelo de concatenação de redes redes denominado denominado (con)cate(nation) net ou catenet. Esse modelo assume que existe um grande número de redes independentes, possivelmente utilizando tecnologias diferentes, interligadas entre si por  portas (gateways). Um utilizador deverá poder aceder de forma transparente a recursos em qualquer dessas redes. Para tal, os pacotes do utilizador passarão por uma série de redes, em trânsito, até ao destino. O processo de encaminhamento é transparente para o utilizador, bastando-lhe conhecer o endereço Internet do destino. A Internet parte de uma camada nuclear para toda a arquitectura: o nível de interligação de redes (Internetworking Layer) que se encarrega de suportar grande parte da funcionalidade funcionalidade requerida pelo pelo modelo. Esta camada camada baseia-se num num único protocolo, protocolo, o Internet Protocol (IP) que define os aspectos mais relevantes para toda a arquitectura da Internet.  As redes locais são a tecnologia mais importante na interligação de sistemas computacionais. Esta Estass rede redess de cust custo o muit muito o redu reduzi zido do são são as prin princi cipa pais is resp respon onsá sáve veis is pela pela evol evoluç ução ão das das arquitecturas centralizadas para as distribuídas. Devido à enorme diversidade de tecnologias disponíveis, disponíveis, era fundamental definirem-se normas que permitissem o desenvolvimento de circuitos integrados indispensáveis para reduzir o custo das interfaces. O IEEE encarregou-se de efectuar  a normalização numa comissão designada 802, nome por que ficaram conhecidas as normas aí especificadas. Na análise dos mecanismos mais eficientes para implementação de redes locais, foi patente que a independência entre o nível físico e a ligação de dados do modelo OSI não era possível. Foi definido um subnível designado por  Mecanismo de Acesso ao Meio – MAC (Medium Acess Control) que controla a partilha do meio e que, apesar de logicamente pertencer ao nível de ligação de dados, não pode ser separado do nível físico para que foi definido. Existem várias alternativas para efectuar a partilha do meio: Multiplexagem na Frequência (FDM), define-se um espectro de frequências e atribui-se a cada canal de comunicação uma frequência própria; Multiplexa Multiplexagem gem no Tempo Tempo (TDM), o meio físico é partilhado com base numa atribuição de inter interval valos os de tempo tempo a cada cada emisso emissorr de infor informaç mação ão.. Existe Existem m vária váriass formas formas de contro controlo lo da atribuição dos intervalos aos vários emissores: Divisão no Tempo Síncrona – intervalos de duração fixa, síncronos com um relógio central são atribuídos aos emissores; Divisão Temporal Assíncrona – neste caso, podem-se considerar 3 políticas de gestão: Aleatória; Controlada de forma distribuída; Controlada de forma centralizada.

 As redes locais mais conhecidas são as Ethernet  – características: bus, cabo coaxial, TDM com controlo aleatório, velocidade de transmissão de 10 Mbits/s; o Token Ring – características: anel, TDM, com controlo distribuído, 16 Mbits/s. Nas redes de alta velocidade, FDDI é uma das redes mais utilizadas para espinha dorsal de hiera hierarqu rquia iass de redes redes locai locaiss – caract caracterí erísti sticas cas:: duplo duplo anel, anel, fibra fibra óptic óptica, a, TDM com contro controlo lo distribuído, 100Mbits/s. O nível rede caracteriza o serviço oferecido nas redes de grande escala. Existem 2 filosofias de canal virtual virtual entre os dois nós que base na definiçã definição o deste nível: nível: estabele estabelecimen cimento to de um canal pretendem comunicar antes de se iniciar a fase de transferência de informação. O circuito virtual garante controlo de erros, fluxo e sequencialidade; comutação de pacotes que são encaminhados dina dinami mica came ment nte e na rede rede até até ao seu seu dest destin ino o fina final,l, não não proc procur uran ando do o níve nívell rede rede asse assegu gura rar  r  funcionalidade suplementar que, caso seja necessária, deverá sempre ser efectuada a nível do transporte. A expressão prática desta diferença é ilustrada pelos dois tipos de protocolos mais utilizados nas redes de grande escala: X.25 e a rede IP. A redundância funcional da pilha de protocolos X.25 e a óptica da interligação de redes, em vez da interligação de máquinas, dão uma maior versatilidade e eficiência ao modelo Internet, consubstanciado no protocolo IP que se apresenta hoje como proposta com maior potencial no domínio da interligação interligação de redes.

CAP 3. Os protocolos são fundamentais para que a comunicação se possa efectuar de forma normalizada e eficiente entre máquinas heterogéneas. Contudo, para que esta infra-estrutura de comunicação seja seja útil, útil, é necess necessári ário o incorp incorporá orá-la -la no model modelo o de progra programaç mação ão,, integ integran rando do as funçõe funçõess de comunicação no ambiente de desenvolvimento das aplicações. A interface é uma biblioteca de funções ou API (Application Programming Interface) que permite interactuar com um determinado nível do modelo de comunicação, normalmente o transporte. As interfaces tratadas neste capítulo perm permititem em um grau grau de abst abstra racç cção ão em rela relaçã ção o aos aos prot protoc ocol olos os de comu comuni nica caçã ção, o, mas mas são são normalmente o equivalente funcional dos mecanismos existentes nos protocolos de transporte.  A comunicação comunicação pode modelizar-se modelizar-se como interacção entre um processo produtor  que gera a info inform rmaç ação ão e um proc proces esso so consumidor  que que irá irá trat tratáá-la la.. A info inform rmaç ação ão tran transm smititid ida a é genericamente designada por  mensagem , devendo ser interpretada segundo um protocolo de alto nível, acordado entre o produtor e o consumidor. A transferência de informação é suportada por um canal, uma abstracção dos mecanismos de transporte que suportam a comunicação física. O canal de comunicação tem duas extremidades designadas portos que são objectos do SO e constituem a interface do sistema com os programas aplicacionais. aplicacionais. Na intercomunicação entre processos numa única máquina, o canal é implementado implementado por zonas de memória partilhada, gerida pelo núcleo, oferecendo uma elevada fiabilidade, o que não se passa num num ambi ambien ente te dist distri ribu buíd ído. o. O dese desemp mpen enho ho é tamb também ém sens sensiv ivel elme ment nte e meno menor, r, send sendo o mais mais penalizado penalizado quanto menor for o débito das redes subjacentes. O modelo de canal projecta-se directamente nos conceitos discutidos no capítulo anterior para o nível de transporte: com ligação – estabelecimento prévio do canal entre os dois processos sem ligaçã ligação o – o cana inter interloc locuto utores res antes antes da troca troca de infor informaç mação ão;; sem canall é conc concep eptu tual alme ment nte e estabelecido estabelecido apenas para o envio de uma mensagem. Os portos são objectos do sistema a que está associado um espaço de nomes e um conjunto de funções. Os portos são normalmente referenciados por dois identificadores, um local ao sistema ou mesmo local ao processo e outro correspondente ao endereço de transporte que permite endereçar o porto na rede de comunicação. Para além das funções de envio e recepção, existem funções específicas para criar, eliminar e parame parametri trizar zar os porto portos. s. A funcio funcional nalida idade de destas destas rotina rotinass é difer diferen ente, te, consoa consoante nte o canal canal se estab estabele elece ce de forma forma perma permanen nente te ou tempor temporár ária. ia. Se exist existe e ligaçã ligação, o, os porto portoss do emisso emissorr e recept receptor or ficam ficam impli implicit citame amente nte associ associad ados, os, assumi assumindo ndo-se -se como como as extre extremid midad ades es do canal canal bidireccional bidireccional através do qual se enviam e recebem dados.  As mensagens podem ser individualizadas ou sequências de octetos (byte stream). O formato das mensagens pode ser imposto pelo sistema ou pelo protocolo de alto nível entre aplicações. A imposição de formatos prédefinidos na interface de comunicação é uma restrição suplementar ao programador, sendo de uma forma geral evitada. No envio de mensagens, é preciso definir qual o tipo de serviço oferecido pelo canal quando a mensagem lhe é entregue. As semânticas habituais são: assíncrona – a função função copia infor informaç mação ão da mensag mensagem em para para os tampõ tampões es do protoc protocol olo o de transporte e retorna depois de iniciar a operação de envio. O processo emissor é desbloqueado assim que a função retorna do núcleo, mas não tem qualquer garantia que a mensagem chegou ao seu destino; síncrona – o processo emissor fica bloqueado até que o porto destinatário confirme que recebeu a mensagem; cliente/servidor – o processo fica bloqueado até receber a mensagem de resposta.  A semântica da função receber  é retirar a primeira mensagem existente no porto ou, caso nenhuma nenhuma esteja esteja presente presente,, bloquear bloquear o processo processo.. Se o servidor servidor estabel estabelecer ecer simultan simultaneame eamente nte canais com vários clientes, coloca-se o problema típico de múltiplos pontos de sicronização. A existência de múltiplos canais relaciona-se relaciona-se com o modelo com ou sem ligação. Se o canal for sem

ligação, pode usar-se um porto para receber as mensagens de todos os processos interlocutores. Num canal com ligação o porto fica associado ao canal, pelo que múltiplas ligações obrigam a utilizar múltiplos portos. A solução para este problema é criar um mecanismo de recepção múltipla sobre um conjunto de portos. Na recepção múltipla, um processo bloqueia-se até que um dos portos receba uma mensagem que lhe é destinada. É frequente a possibilidade de associar à primitiva de recepção uma temporização. temporização. A sincronização das primitivas de envio e recepção de dados está relacionada com o modelo de paralelismo em termos de processos e tarefas. A necessidade de paralelismo coloca-se com

particular relevo na programação de processos que actua, como servidores. A recepção múltipla resolve o problema dos múltiplos pontos de sincronização, sincronização, mas se apenas existir um processo, ele só poderá servir um pedido de cada vez, tendo os restantes clientes de esperar que os pedidos anteriores sejam executados. Uma forma de introduzir o paralelismo no servidor é utilizar vários processos em paralelo; esta solução obriga, porém, à partilha de estruturas de dados entre os processos (memória partilhada e sincronização). A solução mais interessante é dispor de um modelo multitarefa no servidor que permita a execução concorrentemente de múltiplos fios de execução que se sincronizam no acesso a variáveis partilhadas.  As faltas de comunicação podem ter numerosas origens. As mais frequentes relacionam-se com a impossibilidade de entrega da mensagem, devido a quebra do canal de comunicação. A detecção da falta é diferente, consoante se utiliza um canal com ou sem ligação. No primeiro caso, o protocolo de transporte é responsável por detectar se o canal de comunicação está activo, podendo, por exemplo, assinalar imediatamente a quebra do canal. No caso do canal sem ligação, os protocolos datagrama não implementam normalmente um mecanismo de recuperação das faltas de comunicação. comunicação. Quando é detectada uma falha, esta situação tem de ser transmitida ao processo. A forma mais simples é através de um valor de retorno da execução da função que indique o estado da execução. Esta forma de assinalar erros existe genericamente para indicar os erros de utilização (ex: tentar ligar um porto já em ligação). Contudo, como as operações de transmissão são, na maioria dos caso, assíncronas, para assinalar uma falha é necessário recorrer a um mecanismo de excepções assíncronas . Uma propriedade interessante de alguns sistemas de comunicação é a possibilidade de enviar  uma mensagem em difusão a múltiplos receptores. Do ponto de vista do programador a difusão pode conduzir à simplificação de diversos algoritmos, por exemplo: localização, sincronização, repli replicaç cação ão de dados, dados, alerta alertarr simult simultane aneame amente nte vários vários proces processos sos para para um aconte acontecim ciment ento o do sistem sistema, a, etc. etc. Devid Devido o ao inter interess esse e dos algor algoritm itmos os basea baseados dos na difus difusão, ão, foram foram propos propostos tos mecanismos de difusão mais restritos a grupos de portos. No mecanismo de difusão em grupo existe uma distinção importante entre os que garantem entrega fiável (difusão atómica) a t odos ou a nenhum dos participantes no grupo e aqueles que apenas enviam a mensagem numa base do melhor esforço, mas que não asseguram que todo o grupo a recebeu. três form formas as de inte integr graç ação ão das das funç funçõe ões s de comu comuni nica caçã ção o no mode modelo lo Considerámos três computacional de um SO multiprogramado: funções de E/S genéricas; funções específicas dedicadas apenas à interface com os protocolos de transporte; extensão do mecanismo de intercomunicação entre processo (IPC) do SO.  A limitação das operações operações disponíveis disponíveis nas interfaces de E/S, face às às necessidades necessidades dos protocolos de comunicação, é a maior dificuldade na sua utilização directa. As funções de E/S só se adaptam bem às operações simples de enviar e receber. A alternativa é a utilização de uma biblioteca dedicada, uma solução de implementação simples que permite oferecer uma interface coerente que esconde os detalhes das E/S e dos protocolos de transporte (ex: NetBios). Contudo, não é genérica, obrigando a distinguir à partida as interacções remotas e locais. A integração das funções de comunicação no IPC permite eliminar as bibliotecas de interface específicas, tornando o modelo de programação totalmente coerente. Uma das desvantagens desta aproximação é a estruturação imposta pela organização organização interna de um dado SO que torna t orna o

protoc protocolo olo do IPC propri proprietá etário rio.. Actual Actualmen mente, te, apena apenass é utiliz utilizado ado em sistem sistemas as distr distribu ibuído ídoss experimentais. Os sockets podem ser considerados como uma evolução dos pipes, a que foram adicionados os mecanismos de gestão dos canais e de gestão de nomes que permitem a comunicação entre processos num ambiente distribuído.  A noção de domínio permite garantir alguma independência entre o modelo de comunicação das aplicações e o nível de transporte. Exemplos de domínios são: Internet; Unix; NS/Xerox. Na criação do socket, para além da definição do domínio, é especificado o seu tipo que tem a ver  com a qualidade de serviço pretendida. Essencialmente, define se o canal é estabelecido de forma permanente ou t emporária: emporária: stream; datagram; sequenced packet; raw. Os sockets são criados com a chamada socket que devolve um índice para um descritor de ficheiro aberto. para o socket ser endereçável pelos restantes processos, é necessário associarlhe um nome global, utilizando a função bind. Na utilização típica dos sockets com ligação, o servidor cria um socket e atribui-lhe um nome para que os clientes possam pedir o estabelecimento se uma ligação. Antes de aceitar ligações, indica a sua disponibilidade para receber chamadas através da primitiva listen. A função accept bloqueia o servidor até à recepção de pedidos de ligação. esta primitiva tem uma semântica complexa: quando a ligação é estabelecida, o sistema cria um novo socket que ficará associado ao novo canal de comunicação, deixando livre o socket inicial para continuar a receber pedidos de ligação. Do lado do cliente, a criação do socket é semelhante. O pedido de estabelecimento de uma ligação é efectuado pela função connect. Na utilização dos sockets sem ligação, a interface é semelhante à das caixas de correio habituais nos sistemas de intercomunicação entre processos. As funções sendto e recvfrom permitem enviar e receber mensagens.  A função select indica ao sistema que o processo pretende ficar bloqueado até que uma operação ou várias operações de recepção ou envio se tenham realizado. As operações são identificadas pelo descritor de ficheiro a que estão associadas. Apesar de ter sido desenvolvida para os sockets, é de utilização geral para todas as funções de E/S. No texto efectua-se ainda uma comparação da interface de sockets, com a evolução proposta na versão V do Unix, a interface TLI. Existem diversos mecanismos de comunicação para redes de PC , por exemplo: NetBios; Lan manager ; Netware; PC/NFS; Winsocket. Apesar de terem entre eles diferenças significativas, todos procuram oferecer uma interface de programação para aplicações distribuídas, onde é possível reconhecer os elementos do modelo de comunicação que descrevemos. O NetBios é interessante porque corresponde a uma interface de comunicação amplamente divulgada, também oferecida pelo Lan Manager e pelo Netware. O NetBios é realmente uma inte interf rfac ace e de comu comuni nica caçã ção, o, ou seja seja,, não não há um proto rotoco colo lo únic único, o, exis existitind ndo o dife difere rent ntes es implementações implementações para redes diferentes. Contudo, a interface é idêntica permitindo o transporte das apli aplica caçõ ções es.. Apes Apesar ar de muit muito o simp simple les, s, exis existe te no NetB NetBio ioss a maio maiori ria a dos dos meca mecani nism smos os que que descrevemos neste capítulo (canal com e sem ligação, difusão, recepção múltipla). O Mach insere-se na tendência de estruturação dos SO em que se procura isolar o núcleo, com uma funcionalidade básica, dos serviços oferecidos pelo SO. O núcleo ou micro-núcleo apenas executa os aspectos básicos: gestão de tarefas (despacho e escalonamento); intercomunicação entre tarefas (IPC); interface ao hardware da máquina. Os conceitos relevantes no sistema IPC são os portos e as mensagens. Um porto é um objecto do núcl núcleo eo que que repr repres esen enta ta uma uma extr extrem emid idad ade e de um cana canall de comu comuni nica caçã ção. o. Os port portos os são são equivalentes a uma caixa de correio residente no núcleo e que possui um tampão para o armazenamento armazenamento de mensagens. os portos são protegidos por capacidades que definem quem tem o direito de receber e o direito de envio para o porto. Apenas uma tarefa pode ter num dado

instante o direito de receber mensagens num determinado porto. O envio de um porto numa mensagem confere ao receptor da mensagem o direito de envio. Cada objecto conhecido no sistema tem associado um porto, ao qual podem ser enviadas as mensagens respeitantes à sua utilização. Os portos são assim simultaneamente os objectos de comunicação, comunicação, mas também o sistema de designação designação das entidades do núcleo.  As mensagens são estruturas tipificada t ipificadass que descrevem para cada campo qual o tipo de dados que é transmitido. A passagem de apontadores na mensagem permite a transferência de blocos de memó memóri ria a por por refe referê rênc ncia ia.. O SO enca encarr rreg egaa-se se de actu actual aliz izar ar as tabe tabela lass de pági página nass dos dos processos, permitindo que a informação possa ser transferida sem ter de efectuar cópias do espaço de endereçamento da tarefa emissora para o núcleo e deste para a tarefa receptora. O envio e recepção de mensagens é efectuado por uma função única, o mach_msg , que tem uma estrutura relativamente complexa tendo sete parâmetros. A semântica de envio pode ser  assíncrona ou cliente-servidor. Para permitir a recepção múltipla, existe o conceito de conjunto de portos (port set) que agrupa diversos portos. Em conjuntos de máquinas que tenham como sistema o Mach, o IPC permite a intercomunicação entre processos que se executam em máquinas distintas. esta funcionalidade é proporcionada proporcionada por  um processo servidor, o NetMsgServer . Uma das facil facilida idade dess provid providenc enciad iadas as pelo pelo sistem sistema a de comun comunica icação ção é a indep independ endên ência cia de localização das entidades. O NetMsgServer é responsável por efectuar a correspondência entre os identificadores locais na máquina e os identificadores remotos. O NetMsgServer esconde do utili utilizad zador or os detalh detalhes es associ associado adoss aos aos protoc protocol olos os de comun comunica icação ção.. Concep Conceptua tualme lmente nte,, os protocolos utilizados pelo NetMsgServer são transparentes para aplicações.

CAP. 4 – PROCEDIMENTOS PROCEDIMENTOS REMOTOS  A designação designação de arquitectura Cliente/Servidor  estabe estabele lece ce a distin distinção ção entre entre dois dois tipos tipos de processos com comportamentos diferentes: os servidores implementam um conjunto de funções de interesse geral para outros processos que remotamente lhes poderão aceder; os clientes efectuam a interface com os utilizadores, podendo executar parte das aplicações localmente e acedem remotamente a processos servidores para executarem as funções mais complexas de manipulação manipulação de dados, cálculo, entrada/saída, impressão, etc. Os servidores devem publicitar os seus serviços e quais os protocolos que podem ser utilizados. A identificação do serviço é lógica e não pressupõe uma localização física, possibilitando a mudança de máquina do servidor sem necessidade de modificar o código dos seus clientes. O cliente deve estabelecer uma ligação com o servidor (bind) antes de invocar um procedimento. O estabelecimento da ligação inclui normalmente várias operações: localização do servidor ; estabelecimento de um canal de transporte; autenticação do cliente e/ou do servidor . O cliente invoca uma operação remota no servidor, enviando-lhe os dados necessários sobre o mecanismo de transporte de informação. A mensagem contém a identificação do procedimento remoto e os respectivos parâmetros. Do lado do servidor efectuam-se as operações inversas. O ciclo principal do servidor espera por uma mensagem, valida os dados recebidos, converte os parâmetros para o formato interno e chama o procedimento apropriado. Quando este retornar, os resultados são empacotados, de acordo com a estrutura prédefinida e transmitidos de volta ao cliente. Para Para simp simplilififica carr a prog progra rama maçã ção o de apli aplica caçõ ções es base basead adas as no mode modelo lo clie client nte/ e/se serv rvid idor or,, foi foi Chamad ada a de dese desenv nvol olvi vida da uma uma meto metodo dolo logi gia a de prog progra rama maçã ção o distr distrib ibuí uída da base basead ada a na Cham Procedimentos Remotos que abreviaremos por  RPC (Remote Procedure Call ). O RPC permite uma transferência de controlo e dados entre espaços de endereçamento disjuntos quer residentes na mesma máquina quer em máquinas distintas. A ambi ambiçã ção o dest deste e meca mecani nism smo o é ser ser tota totalm lmen ente te tran transp spar aren ente te em rela relaçã ção o ao mode modelo lo de programação habitual, podendo idealmente desenvolver-se uma aplicação de f orma independente da rede ou das máquinas que a irão suportar. Para que o modelo seja coerente, o RPC deverá estar integrado transparentemente num ambiente de programação. A transparência total é, sintaxe da contud contudo, o, difíc difícilil de atingi atingirr e para para a anali analisar sar podemo podemoss subdi subdivid vidi-l i-la a nos nos aspect aspectos: os: sintaxe linguag linguagem em de progra programaç mação ão; passa passagem gem de parâme parâmetro tros s; semânt semântica ica de execuç execução ão do procedimento; desempenho.  A forma de especificação especificação dos procedimentos procedimentos remotos baseia-se numa linguagem de descrição de interfaces ou IDL (Interface Description Language) que segue uma sintaxe inspirada nas linguagens linguagens tradicionais tradicionais (C, Pascal, C++), convenientemente estendidas para evitar ambiguidades.  As linguagens linguagens de especificação de interfaces são uma versão simplificada simplificada de uma linguagem de programação dado que apenas necessitam da parte declarativa das linguagens. A sua gramática define a forma de especificar os procedimentos, os tipos de dados e a sua origem (entrada, saída, bidireccionais). Para gerar as rotinas de adaptação existe um compilador. Tem como entrada a especificação da interface e gera as rotinas de adaptação para o cliente e para o servidor. A saída deste compilador  são ficheiros com o código fonte das rotinas, normalmente em C, que deverão ser em seguida compilados e interligados com o código das aplicações.  A transparência transparência sintáctica é fácil, as linguagens linguagens de especificação especificação apresentam sintaxes próximas do C ou Pascal; a transparência semântica é mais complexa, porque as diferenças introduzidas pela pela separa separação ção dos espaço espaçoss de ender endereça eçamen mento to não não podem podem ser totalm totalmen ente te escond escondid idas, as, a transparência em termos de desempenho é naturalmente impossível, sendo muito diferente o tempo de execução no espaço de endereçamento de um processo, numa única máquina ou distribuída. Na declaração dos parâmetros, é necessário eliminar as ambiguidades na definição dos tipos de dados: apontadores genéricos, cadeias de caracteres ou vectores de tamanho variável. Devido à maioria das IDL ser inspirada na linguagem C, a definição dos tipos tem de ser enriquecida para perm permititir ir desa desamb mbig igua uarr as situ situaç açõe õess bast bastan ante te perm permis issi siva vass exis existe tent ntes es nest nesta a ling lingua uage gem. m. A transferência de parâmetros por referência não pode ser implementada de forma directa, devido ao RPC ser utilizado entre espaços de endereçamento disjuntos. A passagem por referência

obriga a copiar a estrutura no cliente para a mensagem, detectando a sua dimensão, e no servidor  a reserva dinâmica da memória para onde irá ser copiada. Nos iniciais sistemas de RPC era restringida a utilização desta forma de transferência de parâmetros; contudo, esta limitação é demasiado restritiva na maioria dos sistemas onde a utilização de lista e estruturas de dados dinâmicas se adequa bem aos algoritmos. Existem vários problemas e soluções na passagem de parâmetros por referência que tem de ser convenientemente analisados em cada sistema de RPC. A heterogeneidade na representação de dados é um dos factores limitativos da transparência

na interacção distribuída. A tipificação dos parâmetros na especificação da interface permite ao compilador introduzir no código das rotinas de adaptação as chamadas às funções de conversão, de acordo com um protocolo de apresentação de dados definido para o sistema de RPC. O desempenho é naturalmente muito diferente quando se considera a execução no espaço de endereçamento de um processo, numa única máquina ou distribuída. Este é um dos aspectos em constante constante evolução, evolução, fruto dos avanços avanços tecnológ tecnológicos icos.. Contudo Contudo,, nunca nunca será possível esbater  tota totalm lmen ente te as dife difere renç nças as,, pelo pelo que que o prog progra rama mado dorr terá terá de ter ter sens sensib ibililid idad ade e a este estess condicionamentos, sabendo os limites da transparência em termos de desempenho.  A chamada de procedimento procedimento remoto remoto é uma abstracção lógica; lógica; na realidade, realidade, as chamadas chamadas remotas começam com uma chamada a um procedimento local que se encarrega de iniciar a invocação remota. Estas rotinas de adaptação (stub routines ) têm um papel preponderante na arquitectura converterr e do sistema. No lado cliente, o procedimento de adaptação é responsável por: converte empacotar os parâmetros numa forma apropriada para transmissão; enviar a mensagem para o servidor usando um serviço de transporte; esperar pela resposta do servidor. Quando esta for  recebida, desempacota os resultados, convertendo-os para a representação local dos dados na máquina do cliente. Do lado do servidor, a rotina de adaptação tem finalidade simétrica. Se existir  para parale lelilism smo o no serv servid idor or é nece necess ssár ário io intro introdu duzi zirr nas nas roti rotina nass de adap adapta taçã ção o do serv servid idor or a sincronização sincronização compatível com os mecanismos de multiplexagem multiplexagem de contexto.  As rotinas de adaptação adaptação recorrem a uma biblioteca biblioteca de funções funções para todas as operações operações genéricas do sistema de RPC. As funções de biblioteca efectuam controlo da semântica da chamada remota, a conversão dos dados e a ligação aos mecanismos de transporte. Como é natural, as funções de suporte incluem também mecanismos para registo do nome nos servidores de nomes e para o tratamento de erros e excepções. A biblioteca de funções com as respectivas estruturas de dados dados globa globais is consti constitui tui o ambien ambiente te de supor suporte te (run(run-tim time) e) à execu execução ção do RPC que será carregado em memória com a aplicação distribuída.  Antes da invocação de um procedimento procedimento remoto, o cliente tem de localizar localizar o servidor e estabelecer uma sessão através de um protocolo de ligação (binding). O estabelecimento da sessão permite, em seguida, executar as operações remotas com uma latência reduzida. A forma como esta ligação ligação se estabelec estabelece e depende depende de diversas diversas decisões decisões de arquitect arquitectura ura (transport (transporte e com/sem ligação, servidor com/sem estado). Genericamente, podemos considerar os seguintes passos no estabelecimento da ligação: localização do servidor – os clientes contactam o servidor de nomes para determinar o endereço

dos servidores que pretendem aceder;

autenticação, dependendo das características de segurança, o servidor pode exigir ao cliente

uma identificação segura, de forma a validar a sua identidade, o cliente pode também querer  assegurar-se que o servidor é realmente o processo correcto e não outro que lhe tenha usurpado a identidade; estabelecimento da sessão, do lado cliente é preenchida uma estrutura com o canal associado ao servidor. No servidor poderá ou não existir uma estrutura que fique a referenciar o cliente. Quando esta estrutura é mantida, o servidor conserva o estado das ligações, alternativamente, o servidor não mantém estado, devendo, neste caso, utilizar canais de transporte sem ligação. A vantag vantagem em desta desta soluçã solução o é que que torna torna o servid servidor or compl completa etamen mente te indep independ endent ente e dos dos clien clientes tes,, podendo ser reinicializado sem qualquer precaução especial.

A execução da chamada remota pode considerar-se como a conjugação de três protocolos: protocolo de apresentação para resolver a heterogeneidade; protocolo de controlo da semântica de execução; protocolo de transporte para a transmissão de dados.

O protocolo de controlo define a semântica de execução do procedimento. A semântica tem essencialmente a ver com a forma como são tratadas as faltas que podem surgir durante a execu execução ção de um proced procedime imento nto remoto remoto:: a perda perda da mensag mensagem em inici inicial al do clien cliente; te; perda perda da mensagem no interior do servidor; falha do servidor, tornando-se impossível determinar qual a situação da execução do procedimento invocado remotamente; perda da mensagem de resposta do servidor; o cliente aborta antes de ter processado a mensagem de resposta. As semânticas de execução da chamada remota habituais são: talvez (may-be) – não trata o erro e ao fim de um determinado intervalo de tempo sem resposta, liberta o processo cliente; pelo-menos-uma-vez (at-le (at-least ast-on -once) ce) – se a mensag mensagem em de respo resposta sta não não for receb recebida ida num intervalo de tempo prédeterminado, prédeterminado, é reenviada a mensagem mensagem de invocação invocação até obter resposta. Garante-se que o procedimento foi executado pelo menos uma vez porque houve uma resposta, mas pode ter sido mais que uma vez. Para garantir um funcionamento correcto com esta semântica, o servidor deve apenas oferecer funções idempotentes, em que múltiplas execuções da mesma chamada são idênticas a uma só execução com os mesmo parâmetros; na semântica no-máximo-uma-vez (at-most-once), (at-most-once), a operação remota é executada apenas uma vez ou poderá não ser executada se existirem faltas de paragem nas máquinas cliente ou servidor. O protocolo de suporte do RPC deve filtrar pedidos duplicados no servidor, confirmar todas as operações e manter as mensagens até ter a garantia da sua recepção correcta. O problema de garantir a semântica exactamente-uma-vez advém da impossibilidade de, no caso de um servidor falhar  durante a execução de uma operação remota, saber exactamente o momento em que tal sucedeu e qual o estado em que ficou a execução da invocação. Para implementar uma semântica exactamente-uma-vez, exactamente-uma-vez, são necessários necessários mecanismos de tipo transaccional no servidor. O protocolo de apresentação tem de permitir às rotinas de conversão do receptor conhecer o tipo de dados presentes na mensagem. Existem duas soluções gerais: explícita – para cada dado ou bloco de dados de um determinado tipo é colocado na mensagem um descritor que identifica o tipo; implícita – na mensagem são enviados apenas dados, existindo convenções que permitem determinar as conversões a efectuar para cada tipo de máquina. O tratamento implícito tem duas variantes: considerar que existe uma forma canónica de transmissão, a qual deverá ser utilizada em todas as mensagens; enviar os dados na forma como estão representados na máquina de origem, incluindo na mensagem uma identificação do tipo de máquina. O receptor efectuará, se necessário, a conversão para o seu formato interno (receiver makes it right). esta solução evita o problema da possível dupla conversão, mas obriga a uma componente de gestão mais complexa pelo que a primeira alternativa é a mais utilizada. Um dos aspectos importantes do sistema é a optimização do desempenho dos servidores. A lógica do RPC adapta-se bem à utilização de tarefas no servidor que ficam a actuar como prolongamento prolongamento do fio f io de execução do cliente. A existência de várias tarefas obriga a que o código da biblioteca de RPC contenha sincronização explícita para regiões críticas e dados partilhados. No servi servidor dor,, um conjun conjunto to de tarefa tarefass criad criadas as inici inicialm alment ente e fica fica bloqu bloquead eado o à espera espera de uma mensagem. Quando ela chega, uma tarefa é desbloqueada e serve o pedido de uma forma idêntica ao caso sequencial. Realizações mais sofisticadas criam dinamicamente novas tarefas quando se esgotam as criadas inicialmente e terminam-nas quando não são mais necessárias. Há situações em que um servidor, para processar um pedido, necessita de aceder a um segundo servidor. Um caso particular tem lugar quando este segundo servidor é o cliente inicial. Este caso, em que o servidor necessita de chamar o cliente denomina-se chamada em ricochete (callback). Do ponto de vista da biblioteca de RPC, esta situação requer que qualquer servidor se possa comportar também como cliente e que qualquer cliente possa ser também servidor. O primeiro caso não levanta grandes dificuldades, o servidor limita-se a chamar a rotina de adaptação do

serviço que pretende invocar. Permitir que um cliente se comporte também como servidor é mais complicado. O cliente tem de registar as chamadas em ricochete que quiser tratar, efectuando para isso um procedimento idêntico ao de um servidor quando regista um serviço no servidor de nomes. O desempenho de um sistema RPC é crucial para o desempenho global das aplicações que o utilizam. Apesar de ser um factor f actor de segunda ordem quando se utiliza continuamente um servidor, o tempo de estabelecimento da ligação pode ter uma importância determinante se o cliente apena apenass efectu efectua a uma interacç interacção ão com o servid servidor. or. Este Este é um dos argumen argumentos tos na defes defesa a da utili utilizaç zação ão de protoc protocol olos os de transp transpor orte te simple simpless sem ligaçã ligação o que evitem evitem o tempo tempo inici inicial al de estabelecimento estabelecimento do canal. O tempo de um RPC simples tem as seguintes componentes: componentes: tempo de conversão e empacotamento dos parâmetros de entrada e saída no cliente e no servidor; tempo de execução do SO: chamadas ao sistema, comutação de processos, etc.; tempo de transmissão das mensagens. Estas componentes são muito semelhantes às que foram consideradas na discussão sobre protocolos de comunicação. O que um sistema de RPC tem de particular é a sua utilização corrente como mecanismo de estruturação de aplicações distribuídas. Nestas, a esmagadora maioria das rotinas tem poucos parâmetros e envolve poucos dados, sendo a transferência maciça maciça de dados dados muitas muitas vezes vezes efectu efectuada ada por inter interméd médio io de protoc protocol olos os especi especial aliza izados dos de transferência de ficheiros. Por este motivo, o desempenho de um sistema RPC é geralmente optimizado no sentido de diminuir a latência das chamadas mais comuns, aquelas que enviam e recebem poucos dados. Para ilustrar os conceitos anteriores, descreve-se no texto um sistema de RPC desenvolvido pela Sun Microsystems para servir de suporte ao seu sistema de ficheiros distribuídos NFS. Como a a maioria dos sistemas de RPC em Unix, o Sun-RPC utiliza sockets ou TLI como interface para os mecanismos de transporte de informação. A Sun assumiu que o protocolo de controlo do RPC deveria ser independente do protocolo de comunicação, comunicação, podendo usar-se transportes com ou sem ligação. No texto descreve-se: a linguagem de especificação, o tratamento da heterogeneidade, a biblioteca de suporte do RPC e o protocolo de comunicação.

CAP. 5 – GESTÃO DE NOMES Os nomes são fundamentais nos sistemas informáticos para permitir  identificar , localizar  e partilhar os objectos. Nos SO, para além destas funções, os nomes