5.2 Gruppenkommunikation

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1 5.2 Gruppenkommunikation
(group communication) Bedeutet: Sendeoperation bezieht sich auf mehrere Adressaten - die Mitglieder einer Prozessgruppe (process group) Rundruf, Rundsendung, Rundmeldung (multicast; an alle Prozesse: broadcast) (Gegenteil: unicast) Motivation: - Replikation von Code und/oder Daten - Auffinden von Objekten im Netz - Informationsdienste - Konferenzsysteme, Kooperationssysteme (CSCW)

2 Klassifikation in verschiedenen Dimensionen:
Adressierung: - benannte Prozeßgruppen: send m to group (mit Operationen zum Betreten/Verlassen einer Gruppe) - ad-hoc-Prozeßgruppen: send m to procset Offenheit: - geschlossene Gruppe: nur Mitglieder können senden - offene Gruppe: jeder kann an die Gruppe senden Zuverlässigkeit: - keine Garantie, daß jeder die Nachricht erhält - atomar: Nachricht erreicht alle oder keinen - k-zuverlässig: Nachricht erreicht n ≥ k Teilnehmer Reihenfolge: â5.2.1

3 Implementierung: Gruppenverwaltung: - zentralisiert - verteilt Nachrichtenübertragung: - mit multicast-fähiger Netz-Hardware - mit speziellen Multicast-Protokollen - per Einzeladressierung

4 5.2.1 Ordnung der Nachrichten
In welcher Reihenfolge treffen Rundrufe bei den Empfängern ein? ungeordnet: keine Anforderung (d.h. nicht unbedingt FIFO)  FIFO: mehrere Nachrichten eines Senders kommen in der Reihenfolge ihres Absendens bei allen Empfängern an. (Wie bei Unicast leicht durch Folgenumerierung zu gewährleisten.)  Kausalordnung (causally ordered, virtually synchronous) : FIFO bei allen Nachrichten, die in einer Kausalitätskette gesendet werden.  Totale Ordnung (loosely synchronous) : Alle Nachrichten kommen überall in der gleichen Reihenfolge an.

5 FIFO ungeordnet total (a,b oder b,a) kausal a b a a b b b b a b a b a

6 Totale Ordnung impliziert Kausalordnung FIFO ungeordnet

7 5.2.2 Sicherung der Kausalordnung (CBCAST)
Vor.: Zuverlässige Nachrichtenübertragung (!)  Prozess p erhöht in seiner „Vektorzeit“ P vor dem Senden Pp um 1 und heftet dann P als Zeitstempel t an die Nachricht an.  Eine von p bei q eintreffende Nachricht mit Zeitstempel t wird vom Nachrichtensystem solange zurückgestellt (d.h. nicht abgeliefert), bis gilt: tp = Qp + 1 (garantiert FIFO-Ordnung) und ∀ i ≠ p: ti ≤ Qi (garantiert Kausalordnung: alle Nachrichten, die p gesehen hat, hat auch q gesehen) Bei Rundruf ist „zuverlässige Nachrichtenübertragung“ eine starke Forderung! „Vektorzeit“: nicht ganz identisch mit Vektorzeit nach ! hier weiter  Beim Abliefern einer Nachricht von p bei q wird Qp um 1 erhöht. (realisiert im System ISIS, Birman/Joseph 1987, Cornell Univ.)

8 1 > 0 !! zurückstellen 1 + 0 0 ≤ 0 000 110 100 1 ≤ 1 ok als Übung !

9 5.2.3 Sicherung der Totalordnung
durch künstliche Serialisierung unabhängiger Rundrufe entweder mittels Sequencer, d.i. zusätzliche Station, über die alle Rundrufe vermittelt werden oder mittels Prozeßring mit kreisender Marke (vgl. Token Ring in Hardware,  5.2.4), die die Sendeberechtigung gibt Garantiert werden typischerweise zuverlässige totalgeordnete Rundrufe auch bei Nachrichtenverlust, evtl. sogar Stationsausfall 3. Alternative: mit Skalarzeit, ähnlich dem Protokoll für wechselseitigen Ausschluß – voll verteilt (aber nicht gut skalierend) (Tanenbaum/van Steen 4.5.2)

10 Struktur des Sequencer-Protokolls:
 p: send m to G veranlaßt Senden von (m,G) an Sequencer s (unzuverlässiger Unicast)  s schickt m an alle Mitglieder von G (unzuverlässiger Multicast)  Die send-Anweisung von p ist erst dann abgeschlossen, wenn p die Nachricht m von s zurückbekommt. Details: - Durchnumerierung der Unicasts und Multicasts - Timeout und erneute Anforderung durch die Prozesse - Geschichtspuffer beim Sequencer gegen Duplikate und für wiederholte Zustellung bei Bedarf (realisiert im verteilten Betriebssystem Amoeba, Kaashoek/Tanenbaum 1989) ! Semantik zwischen „synchron“ und „quittiert“; somit reicht auch EIN Sendepuffer.

11 Station A Sequencer Station B a1 a1 Timeout, erneut senden s1 in Historie a1 ACK a1 (beschäftigt) b1 Timeout, erneut senden s2 a2 s3 s3 s2 s2 ? falsche Sequenznummer, zurückstellen und nachfragen in Historie

12 Variante des Protokolls:
- p sendet n. Rundruf direkt, auch an s: (p,n,m) - s reagiert mit i. Rundruf (p,n,OK,i) - erst mit Erhalt dieser Nachricht ist die erste „offiziell“ - Prozesse fordern Nachrichten neu an, falls unerwartetes i Aufwand: Original: 2 lange Nachrichten, aber nur 1 Multicast Variante: 2 Multicasts, aber nur eine Nachricht ist lang Ferner: Maßnahmen gegen Ausfall des Sequencer erforderlich ! Achtung! Diese Verfahren skalieren nicht für große Systeme! Andere Verfahren z.B. für Internet-Multicast.

13 5.2.4 Hardware-unterstützte Rundrufe in Lokalnetzen
Ethernet:  Bus-Topologie, verbindet alle Teilnehmer  Kollisionsfreie Übertragung (durch Netzsteuerung nach eventuell wiederholten Versuchen sichergestellt) resultiert in Nachrichtenempfang in allen Stationen (einer Gruppe).  Pufferüberlauf wird durch Software verhindert.  Streng serielle Behandlung aller Rundrufe garantiert Totalordnung (sogar „perfect synchrony“ statt nur „virtual/loose synchrony“)

14 Token Ring:  Ring-Topologie, Kommunikation nur mit nächstem Nachbarn, spezielle Nachricht (Marke) wird im Kreis gesendet.  Nur wer im Besitz der Marke ist darf Nachrichten senden.  Erst wenn die Nachricht wieder beim Sender angekommen ist, wird die Marke weitergereicht, d.h.  Serialität der Rundrufe und damit ebenfalls Totalordnung.

15 5.2.5 Gruppenkomunikation in Java
Multicast Sockets: IP Multicast (ohne explizite Gruppen, 2.4.2) JGroups: + zuverlässige Gruppenkommunikation, Ordnung nach Wunsch FIFO, kausal oder total String props="UDP:PING:FD:STABLE:NAKACK:UNICAST:" + "FRAG:FLUSH:GMS:VIEW_ENFORCER:STATE_TRANSFER:QUEUE"; Message send_msg; Object recv_msg; Channel channel = new JChannel(props); channel.connect("MyGroup"); send_msg = new Message(null, null, "Hello world"); channel.send(send_msg); recv_msg = channel.receive(0); System.out.println("Received " + recv_msg); channel.disconnect(); channel.close(); statt Voreinstellung typischerweise "UDP(mcast_addr=...;mcast_port=...)" hier weiter