Vs2.4 1 2.4 Kommunikationsdienste des Betriebssystems Interprozesskommunikation (inter-process communication, IPC) am Beispiel Unix HW BS Prozesse Kommunizierende.

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1 vs2.4 1 2.4 Kommunikationsdienste des Betriebssystems Interprozesskommunikation (inter-process communication, IPC) am Beispiel Unix HW BS Prozesse Kommunizierende Threads Kommunizierende Prozesse Netzkommunikat ion Threads

2 vs2.4 2 Interprozesskommunikation ist sprachunabhängig: - Nachrichten sind ungetypt, d.h. Bytes oder Byte-Folgen, - rohe Semantik ohne syntaktischen Zucker, - u.U. verschiedene Semantiken zur Auswahl. Pipes, Named Pipes, Message Queues,... für lokale IPC Sockets für netzweite IPC

3 vs2.4 3 2.4.1 Pipes Pipe = Simplex-Kanal (BSD: Duplex!) verbunden mit einem Eingabe- und einem Ausgabe-Port (typischerweise verschiedener Prozesse) Senden: int write(int port, char *buffer, int length) Empfangen: int read(int port, char *buffer, int length) Adressierung:portbezogen Konfigurierung:dynamisch durch Programm: Erzeugung von Prozessen und Pipes, Vererben von Ports bei Prozesserzeugung Semantik:zuverlässiger Byte-Strom mit begrenzter Pufferung; read erfolgreich, sobald mindestens 1 Byte vorliegt; write erfolgreich, sobald length Bytes frei; auch nichtblockierende Versionen.

4 vs2.4 4 int n; int piped[2]; char buf[11]; pipe( piped ); /* pipe erzeugen */ /* 0=Leseport, 1=Schreibport */ if ( fork() ) {/* Kindprozess erzeugen */ close( piped[0] ); /* Eltern lesen nicht */ printf("Eltern: Schreiben an Kind.\n"); write( piped[1], "hallo Kind", 11 ) ; } else { close( piped[1] ); /* Kind schreibt nichts */ printf("Kind: Lesen von Eltern.\n"); n = read( piped[0], buf, 11 ); printf("Kind: %d Zeichen gelesen: %s.\n", n, buf ); }

5 vs2.4 5 2.4.2 Sockets (socket = Steckdose) Socket = Duplex-Port (Senden und Empfangen) für lokale und netzweite IPC mit unterschiedlich wählbaren Semantiken Adressierung:portbezogen Konfigurierung:dynamisch durch Programm: Erzeugung lokaler Sockets, Binden an Sockets anderer Prozesse Semantik:zuverlässiger Byte-Strom oder Einzelnachrichten ohne Reihenfolge- garantie oder Schutz gegen Verlust

6 vs2.4 6 Erzeugen eines – ungebundenen – Socket: int socket(int family, int type, int protocol) prozeßlokaleProtokoll-Transport-Protokoll Port-NummerFamilieDienst(i.d.R. 0 [Null]).......  IP SOCK_RAW IDPUDP  SOCK_DGRAM SPPTCP  SOCK_STREAM....... PF_NS PF_INET PF_UNIX Familie Dienst Wählbare Varianten ≈ Semantik

7 vs2.4 7 Neu erzeugte Socket ist noch nicht anspechbar! Muss zunächst mit netzweit gültiger Adresse benannt (gebunden) werden: int bind(int socket, struct sockaddr *address, int addrlen) (Protokollfamilie, stationslokale Port-Nummer, Stationsadresse) z.B. PF_INET, a-16-bitPortNumber, a-32-bitHostAddress 192.168.23.42 Prozess 7 80 socket Kommunikationspartner Host

8 vs2.4 8 Dienst SOCK_DGRAM für Internet: verbindungslose, unzuverlässige Nachrichtenübertragung mit UDP Abstrakt: send MsgExpr to ProcExpr int sendto(int socket, char *buffer, int length, int flags, struct sockaddr *to, int addrlen) Absender socket sendet an Adressat to Abstrakt: recv MsgVar from ProcVar int recvfrom(int socket, char *buffer, int length, int flags, struct sockaddr *from, int *addrlen) socket empfängt an ihn gesendete Nachricht sowie Absender

9 vs2.4 9 Dienst SOCK_STREAM für Internet: verbindungsorientiert - zuverlässiger Byte-Strom mit TCP Konfigurierung ist an Szenario Auftraggeber/Auftragnehmer orientiert: Initiative geht von einem Klienten aus ! Nach erfolgreich hergestellter Verbindung Nachrichtenaustausch mittels (Klient)(Server) write(s1,request,length); read(s3,request,length);... write(s3,reply,length); read(s1,reply,length);

10 vs2.4 10 Herstellung der Verbindung: (Klient)(Server) s1 = socket(...);s2 = socket(...); [ bind(s1,..); ] bind(s2,&local,l); listen(s2, qlength); connect(s1,&dest,l);s3 = accept(s2,&source,&l); write(s1,...);read(s3,...);... close(s1);close(s3); Server-Socket s2 nimmt nur Verbindung entgegen! Kommunikation über neu erzeugte Socket s3. Konfiguration Kommunikation

11 vs2.4 11 Java unterstützt das Arbeiten mit Sockets durch Bibliotheksklassen Socket, ServerSocket, DatagramSocket, MulticastSocket,..... siehe java.net.*

12 vs2.4 12 Klient: byte[] buf =...; InetAddress oder String (Name) Socket s1 = new Socket(dstHost, dstPort); InputStream in = s1.getInputStream(); OutputStream out = s1.getOutputStream(); out.write(buf); int n = in.read(buf); Server: ServerSocket s2 = new ServerSocket(localPort); Socket s3 = s2.accept(); srcHost = s3.getInetAddress(); srcPort = s3.getPort(); InputStream in = s3.getInputStream(); OutputStream out = s3.getOutputStream(); int n = in.read(buf); out.write(buf);

13 vs2.4 13 Gruppenkommunikations (Multicast): UDP-basiert (verbindungslos, unzuverlässig) Unterscheidung von "normalen" UDP-Sockets durch speziellen Multicast-Adressbereich (224.0.0.0 - 239.255.255.255) Verwendung z.B. mit java.net.MulticastSocket: public class MulticastSocket extends DatagramSocket {... public void joinGroup(InetAddress mcast) {... } public void leaveGroup(InetAddress mcast) {... }... }

14 vs2.4 14 InetAddress mcast = InetAddress.getByName("224.5.6.7"); DatagramSocket s = new MulticastSocket(8711); s.joinGroup(mcast); DatagramPacket msg = DatagramPacket(buf, len, group, 8711); s.send(msg); s.receive(new DatagramPacket(buf, len)); Gruppenteilname ist nur für Empfang (blau) erforderlich. Versand ist auch möglich, ohne der Gruppe anzugehören.

15 vs2.4 15 2.4.3 Nichtsequentielle Server Beachte: Server operiert in nichtsequentieller Umgebung Verbindungsbearbeitung/ Auftragsbearbeitung sequentiell, exklusiv (Server  Monitor!) nichtsequentiell, überlappend je Verbindung ein Prozessein Thread

16 vs2.4 16 Server kann auch mehrere Dienste anbieten, z.B. für jeden Dienst ein eigener Port ! Realisierung: a) sequentiell: disjunktives Warten auf Verbindungswünsche über alle angebotenen Ports b) nichtsequentiell: je Port ein (statischer) Thread, darin sequentielle Bearbeitung c) nichtsequentiell: disjunktives Warten + (dynamische) Threads, ein Thread (aus Pool) pro Verbindung d) nichtsequentiell: disjunktives Warten + Prozesse, neu erzeugter Prozess pro Verbindung

17 vs2.4 17 2.4.4 Realisierung disjunktiven Wartens Warten auf Verbindungsanforderungen über mehrere Sockets - allgemein: auf Empfangs/Sende-Möglichkeit über Kanäle - innerhalb eines sequentiellen Programms Alternativen:  wiederholtes nichtblockierendes Senden/Empfangen („polling“)  nichtblockierendes Senden/Empfangen mit Signalisierung durch Software-Unterbrechung (Unix: signal SIGIO ) - mühsam !  disjunktives Warten mit Systemaufruf (Unix:) select

18 vs2.4 18 int fd1 =..., fd2 =...; fd_set rfds; // Bit-Liste int maxfd = max(fd1,fd2)+1; // Länge der Bit-Liste struct timeval timeout; for (;;) { // registrieren FD_ZERO(&rfds); FD_SET(fd1, &rfds);// Bitlisten-Operationen FD_SET(fd2, &rfds); timeout.tv_sec = 5; timeout.tv_usec = 0; // Bit-Listen prüfen auf: read/ write/ except // accept connect int ready = select(maxfd, &rfds, NULL, NULL, &timeout); // auswerten if (ready == 0)... timeout behandeln... continue; if (FD_ISSET(fd1, &rfds))... fd1 auslesen if (FD_ISSET(fd2, &rfds))... fd2 auslesen }

19 vs2.4 19 In Java unterstützt durch java.nio.* (“new I/O”) Pakete SocketChannel sc1=..., sc2=...; // Selector erzeugen und Kanäle registieren Selector selector = Selector.open(); sc1.register(selector, SelectionKey.OP_READ); sc2.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // oder OP_ACCEPT, OP_CONNECT, OP_WRITE while (true) { int ready = selector.select(5000); if (ready == 0) continue; //...Timeout behandeln... Set selectedKeys = selector.selectedKeys(); Iterator it = selectedKeys.iterator(); while (it.hasNext()) { SelectionKey key = (SelectionKey) it.next(); if ((key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ) != 0) { SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel(); //...Daten von Kanal lesen... } it.remove(); }

20 vs2.4 20 2.4.5 Datenkonvertierung bei Hardware-Heterogenität  Byte-Reihenfolge, z.B. für 16-Bit-Ganzzahlen: „little-endian“ (Intel,..) „big-endian“(Motorola,..)  Zeichen: ASCII, EBCDIC, UTF-8/16,...  Gleitkommazahlen: IEEE-Standard,... a+1 a a a+1

21 vs2.4 21 2 Alternativen: 1) Ad-hoc-Umwandlung, „receiver makes it right” 2) Verwendung einer kanonischen Darstellung auf dem Netz (external data representation) Auch Felder, Verbunde, Objekte,... behandeln !  Bezug zu:- Typsystem der Programmiersprache - vom Übersetzer gewählte interne Darstellung - evtl. Sprachheterogenität ! (Wir kommen in einem späteren Kapitel darauf zurück.) [ Zuständig gemäß OSI-Referenzmodell: Presentation Layer (6) ]

22 vs2.4 22 Für Internet-Kommunikation: Unterstützung durch Bibliotheksroutinen in C für Ganzzahlen: "machine byte order"  "network byte order" u_long htonl(u_long number); „host to network long“ u_short htons(u_short number); u_long ntohl(u_long number); u_short ntohs(u_short number);

23 vs2.4 23 Java: automatische Umcodierung bei Benutzung von Socket- Objekten - siehe Dokumentation ! OutputStream os = mySocket.getOutputStream(); ObjectOutput out = new ObjectOutputStream(os); out.writeInt(i); out.writeFloat(f); out.writeBoolean(b);... out.writeObject(o); // o must be Serializable or... Entsprechend für Eingabe...