7.4 Kommunikation. Nachrichten- oder Byte-Ströme,

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1 7.4 Kommunikation Kommunikation zwischen Benutzerprozessen (IPK) stellt andere Anforderungen als auftragsorientierte Kommunikation in mikrokernbasierten Betriebssystemen, vor allem großzügige Pufferung, sowohl Auftragsbeziehungen als auch Nachrichten- oder Byte-Ströme, sowohl lokal als auch übers Netz Ein/Ausgabe! bs-7.4 1

2 7.4.1 Pipes Zur Erinnerung (2.4 ): Pipe = Byte-Puffer fester Größe, erzeugt mit pipe(channel), benutzt mit read(channel[0]) für das Empfangen von Bytes (kann blockieren), benutzt mit write(channel[1]) für das Senden von Bytes (kann blockieren!), eingesetzt für Byteströme zwischen verwandten Prozessen. bs-7.4 2

3 read write Gepufferte Repräsentation: - typischerweise 0 4 KB, - entweder in anonymer Datei fester Größe (Hintergrundspeicher), die durch pipe eingerichtet wird, - oder desgl. auf RAM disk (da nicht notwendig persistent) - oder in speziellem Arbeitsspeicherbereich; - channel[0] und channel[1] verweisen auf zwei Iteratoren mit unabhängigen Lese- bzw. Schreibzeigern, die zyklisch durch den Puffer wandern. bs-7.4 3

4 7.4.2 Benannte Pipes (named pipes, fifo special files, FIFOs) sind über Dateinamen identifizierbare Pipes, erlauben IPK zwischen beliebigen Prozessen, typischerweise mit Pufferkapazität 0 (d.h. ohne Reservierung von Hintergrundspeicherplatz!). Erzeugung: mknod(path,(mode&0777) S_IFIFO,0) oder mkfifo(path,mode) oder Befehl mkfifo [ m mode] path bs-7.4 4

5 Benutzung z.b. so: >: mkfifo buffer >: ls -l prw lohr institut 0 Jul 10 11:08 buffer >: process input1 >buffer & >: process input2 >buffer & >: more buffer zeigt gemischte Ausgabe Kapazität 0: Sender wartet, bis Empfänger übernimmt Empfänger erhält EOF, wenn jeder Sender seinen Kanal geschlossen hat bs-7.4 5

6 Beachte: mit benannten Pipes lassen sich nicht nur Pipelines, sondern beliebige Datenflussgraphen aufsetzen! a 2 c 4 f 1 d 6 b 3 e 5 g >: mkfifo a b c d e f g >: 1 a b & 2 a c & 3 b d e & 4 c d f & 5 e g & 6 f g (Achtung - bei Pufferkapazität=0 drohen Verklemmungen!) bs-7.4 6

7 7.4.3 Message Queues (Unix) werden im Arbeitsspeicher gehalten, sind unabhängig von den Lebensdauern ihrer Benutzer, übertragen Einzelnachrichten, werden durch einen Schlüssel (Typ key_t) identifiziert. msqid = msgget(key,msgflag) erzeugt und/oder öffnet die M.Q. key mit Zugriffsrechten gemäß msgflag bs-7.4 7

8 Senden und Empfangen: msgsnd(msqid,&buffer,length,flag) buffer ist vom Typ struct msgbuf { long mtype; char mtext[1]; } msgrcv(msqid,&buffer,length,type,flag) bs-7.4 8

9 7.4.4 Sockets (Unix) ( socket = Steckdose) Zur Erinnerung (1.1.5 ): Port = virtueller Netzanschluss (network interface) Die von den Prozessen benutzten Ports werden auf einen oder mehrere reale Netzanschlüsse abgebildet. Socket = programmatischer Zugangspunkt für einen Port, erlaubt Senden und Empfangen von Daten (Duplex-Betrieb) mit unterschiedlich wählbaren Semantiken. bs-7.4 9

10 Typische Semantik: 2 Byte-Ströme über 2 unidirektionale Kanäle, die durch Verbindung von 2 Ports geschaffen werden. (Wenn lokal, dann gleiche Semantik wie doppelte Pipe!) Rechner 1 Rechner 2 Prozess P Prozess Q Socket a Socket b bs

11 Benutzung von Sockets 1. Erzeugung 2. Namensgebung 3. Binden an anderen Socket 4. Duplex-Kommunikation über den so entstandenen Kanal Alternative Semantiken: zuverlässiger Byte-Strom oder Einzelnachrichten ohne Reihenfolgegarantie, ohne Schutz gegen Verlust bs

12 Erzeugung eines ungebundenen Socket: int socket(int family, int type, int protocol) prozesslokale Protokoll- Dienst Potokoll Socket-Nummer Familie (i.d.r. 0 [Null]) (file descriptor!) Dienst Familie PF_UNIX PF_INET PF_NS... SOCK_STREAM TCP SPP SOCK_DGRAM UDP IDP SOCK_RAW IP... bs

13 Benennung eines Socket mit netzweit eindeutigem Namen, bestehend aus Internet-Adresse des Rechners (IP address) Port-Nummer (lokal) int bind(int socket, struct sockaddr *address, int addrlen) (Protokollfamilie, Port-Nummer, Internet-Adresse) bs

14 SOCK_DGRAM für Internet: unzuverlässige Nachrichtenübertragung mit UDP int sendto(int socket, char *buffer, int length, int flags, struct sockaddr *to, int addrlen) Absender socket sendet an Adressat to int recvfrom(int socket, char *buffer, int length, int flags, struct sockaddr *from, int *addrlen) socket empfängt an ihn gesendete Nachricht sowie Absender Pufferung der Nachrichten teils beim Sender, hauptsächlich aber beim Empfänger bs

15 SOCK_STREAM für Internet: zuverlässiger Byte-Strom mit TCP Orientierung am Szenario Auftraggeber/Auftragnehmer : 1. Klient stellt Verbindung mit Server her; 2. sodann Nachrichtenaustausch mittels (Klient) write(s1,&request,length); read(s1,&reply,length); (Server) read(s3,&request,length);... write(s3,&reply,length); bs

16 Herstellung der Verbindung: (Klient) (Server) s1 = socket(...); s2 = socket(...); [ bind(s1,..); ] bind(s2,&local,l); listen(s2, qlength); connect(s1,&dst,l); s3 = accept(s2,&src,&l); write(s1,..); read(s3,..); close(s1); close(s3); ( Statt write/read auch send/recv(.,.,.,flags)! ) bs

17 Java unterstützt das Arbeiten mit Sockets durch Bibliotheksklassen Socket, ServerSocket, DatagramSocket, MulticastSocket,... siehe java.net.* bs

18 Implementierung von Sockets Protokollfamilie PF_UNIX: ähnlich wie (bidirektionale) Pipes Protokollfamilie PF_INET: Transportsystem des Internet, bestehend aus Treiber des Netzanschlusses + Internet-Kommunikationsprotokolle : bs

19 Protokollhierarchie: Software ist in Schichten strukturiert 7 Anwendung (application) 6 Darstellung (presentation) Anwendungsprotokolle: TELNET, FTP, HTTP,... 5 Sitzung (session) 4 Transport (transport) 3 Vermittlung (network) Anwendungssystem Transportsystem TCP, UDP IP (Systemschnittstelle - Sockets) 2 Sicherung (data link) 1 Bitübertragung (physical!) (Netztreiber) ISO OSI Internet bs

20 Protokollstapel (protocol stack) ist entweder fest eingebaut socket,.. sind Systemaufrufe (so z.b. bei Mac OS, Linux) oder dynamisch modifizierbar durch Einziehen/Löschen von Schichten: socket,.. sind Bibliotheksroutinen; sie benutzen Systemaufrufe open,ioctl,.. für die Netzanschlüsse; der Protokoll-Code liegt a) entweder in der Bibliothek b) oder dynamisch konfigurierbar im Systemadressraum (so z.b. mit "Streams" bei Unix System V, Solaris) bs

21 Stream ist eine Folge von Code-Bausteinen, durch die eine Nachricht zwischen Benutzerprozess und Gerät (Netzanschluss) hindurchläuft (und dabei verändert wird!), besteht mindestens aus Gerätetreiber und stream head, kann zwischen diesen mehrere Module enthalten*, die dynamisch eingefügt oder weggenommen werden können (stets direkt hinter dem stream head - d.h. kellerartig) * Es besteht eine entfernte Ähnlichkeit mit dem Modul-Konzept von Linux für das dynamische Hinzufügen von Treibern. bs

22 (Abbildungen aus STREAMS Programming Guide, ) bs

23 Systemaufruf ioctl(channel,command,arg) mit typischen command-werten I_PUSH Einfügen eines Moduls hinter dem stream head I_POP Entfernen Beachte: Streams sind auch bei Pipes einsetzbar bs