Informatik 12 Kapitel 2 - Kommunikation und Synchronisation von Prozessen

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1 Fachschaft Informatik Informatik 12 Kapitel 2 - Kommunikation und Synchronisation von Prozessen Michael Steinhuber König-Karlmann-Gymnasium Altötting 9. Februar 2017 Folie 1/40

2 Inhaltsverzeichnis I 1 Kommunikation in Rechnernetzen Regeln der Kommunikation Vernetzung von Systemen Internet - ein Netz aus Netzen Das Schichtenmodell Adresse eines Rechners Router sind Postämter 2 Prozesskommunikation im Internet Client und Server 3 Parallele Prozesse Wartezeit nutzen - parallel arbeiten Leichte und schwere Prozesse Arbeiten mit Threads Folie 2/40

3 Inhaltsverzeichnis II 4 Synchronisation von Prozessen Folie 3/40

4 2.1 Kommunikation in Rechnernetzen Definition - Rechnerkommunikation Kommunikation bezeichnet die Übertragung von Informationen in Form von Nachrichten. Diese Nachrichten enthalten Daten. Diese Daten werden erst durch die Interpretation des Empfängers gedeutet. Folie 4/40

5 2.1.1 Regeln der Kommunikation Definition - Protokoll Für die Kommunikation zwischen Rechnern werden speziell definierte formale Sprachen benötigt. Diese nennt man (Kommunikations-)Protokolle. Beispiel HTTP: Anfrage: GET /index.html HTTP/1.1 Host: Antwort: HTTP/ OK Server: Apache/ (Unix) PHP/4.3.4 Content-Length: (Größe von index.html in Byte) Content-Language: de Connection: close Content-Type: text/html (Inhalt von index.html) Folie 5/40

6 2.1.2 Vernetzung von Systemen Arten der Vernetzung (Topologien): Es gibt verschiedene Konzepte der Vernetzung: Direkte Kommunikation (point to point) Sternkommunikation Bus-Systeme Token-Ring-Systeme Folie 6/40

7 Direkte Kommunikation Beschreibung Bei der direkten Kommunikation ist jeder Knoten (meist Rechner) mit jedem anderen Knoten direkt verbunden. Für die Anzahl der Kanten gilt daher: Anzahl Knoten Anzahl Kanten A 2 1 B 3 3 C 4 6 D 5 10 Folie 7/40 n n (n 1) 2

8 Stern-System Beschreibung Bei Netzen in Stern-Topologie sind an einen zentralen Rechner alle anderen Rechner mit einer Zweipunktverbindung angeschlossen. Folie 8/40

9 Bus-System Beschreibung Bei der Bus-Topologie sind alle Rechner direkt mit demselben Übertragungsmedium, dem Bus verbunden. Folie 9/40

10 Bus-Systeme 1 1 Quelle: Der neue Maybach, ATZ/MTZ Sonderheft September 2002, Seite 125 Folie 10/40

11 Vor- und Nachteile Topologie Vorteile Nachteile Direkt extrem ausfallsicher sehr kostspielig Stern relativ ausfallsicher komplexe Verkabelung / zentraler Knoten wird benötigt (dieser kann Schwachstelle sein) Bus günstige Verkabelung alle Teilnehmer teilen sich die verfügbare Bandbreite - extrem anfällig gegen Ausfälle, wenn z.b. ein Teilbereich abgetrennt ist Ring eine Leitung mehr als beim Bus - sehr günstig alle Teilnehmer teilen sich die verfügbare Bandbreite Folie 11/40

12 2.1.3 Internet - ein Netz aus Netzen Das Internet ist eine Mischform aus verschiedenen Netzwerktopologien. Man nennt es daher auch das Netz aus Netzen. Siehe: Folie 12/40

13 2.1.4 Das Schichtenmodell Folie 13/40

14 2.1.4 Das Schichtenmodell Folie 14/40

15 2.1.4 Das Schichtenmodell Folie 15/40

16 2.1.4 Das Schichtenmodell Definition Die Kommunikation in einem Netzwerk wird in Schichten organisiert. Ein vollständiges Modell ist das ISO/OSI-Referenzmodell. Die Gesamtheit aller Klassen zur Nutzung der Netzwerkschichten nennt man Protokollstack. Folie 16/40

17 2.1.4 Das Schichtenmodell Vor- und Nachteile Vorteile Einzelne Schichten lassen sind leicht verändern, wenn die Schnittstellen eingehalten werden. Es lassen sich einfach Schichten hinzufügen. Bei Veränderung der Schnittstellen sind nur die beiden angrenzenden Schichten betroffen. Schichtenarchitekturen kapseln Maschinendetails und fördert damit die Wiederverwendbarkeit. Nur die unterste Schicht muss für jede Plattform neu implementiert werden. Folie 17/40

18 2.1.4 Das Schichtenmodell Vor- und Nachteile Nachteile Es ist teilweise schwierig die Struktur eines Systems sauber in Schichten einzuteilen. Wenn eine höhere Schicht Funktionen einer inneren Schicht benötigt, muss die direkte Abhängigkeit von der nächstunteren Schicht umgangen werden. Die Performanz kann im Schichtenmodell etwas schlechter sein, weil mit dem Zugriff auf die Dienste einer Schicht immer ein gewisser Overhead verbunden ist. Folie 18/40

19 2.1.5 Adresse eines Rechners Definition Jeder Rechner besitzt (in seinem Netzwerk) eine eindeutige IP-Adresse. Diese Adresse wird dazu verwendet, um Datenpakete von einem Rechner zu einem bestimmten anderen Rechner zu schicken. Mit dem Windows-Programm ipconfig (Linux: ifconfig ) lassen sich die IP-Adressen eines Rechners anzeigen. Folie 19/40

20 2.1.6 Router sind Postämter Film: Warriors of the net (Youtube) Definition Die Router haben die Aufgabe Datenpakete zu vermitteln und weiterzuleiten. Man kann einen Router mit einem Postamt vergleichen, das für einen bestimmten Zustellungsbezirk (Subnetz) zuständig ist. Wird ein Datenpaket aus einem bestimmten Subnetz abgeschickt, so prüft der Router zunächst, ob es für einen Rechner des selben Subnetzes bestimmt ist und leitet in diesem Fall das Paket direkt weiter. Soll es an ein anderes Subnetz geschickt werden, leitet der Router das Paket an einen passenden anderen Router weiter. Folie 20/40

21 2.2 Prozesskommunikation im Internet Mit dem Programm lässt sich die Netzwerkkommunikation mitschneiden. Folie 21/40

22 2.2.3 Client und Server Siehe dazu: Schule/2013/Info12/Netzwerkkommunikation.zip Folie 22/40

23 2.2.3 Client und Server Folie 23/40

24 2.2.3 Client und Server Folie 24/40

25 2.3 Parallele Prozesse Beim gleichzeitigen Zugriff vieler Clients auf einen Server müssen viele Anfragen gleichzeitig beantwortet werden. Die Benutzer der Clients wollen möglichst kurz auf die Antworten warten. Folie 25/40

26 2.3.1 Wartezeit nutzen - parallel arbeiten Definition Nebenläufigkeit Um dieses Problem zu lösen, müssen mehrere Prozesse gleichzeitig ablaufen. In diesem Fall spricht man von parallelen Prozessen. Greifen die Prozesse dabei auf gemeinsame Resourcen zu, können sie sich auch gegenseitig beeinflussen. In diesem Fall spricht man von nebenläufigen Prozessen. Prozesse laufen in den meisten Fällen nur quasiparallel ab. Der Prozessor arbeitet die laufenden Prozesse abwechselnd sequentiell ab, so dass der Eindruck einer parallelen Abarbeitung entsteht. Folie 26/40

27 2.3.2 Leichte und schwere Prozesse Definition Thread Man unterscheidet zwischen schwergewichtigen Prozessen (ganze Programme laufen parallel) und leichtgewichtigen Prozessen (Programmteile laufen parallel). Leichtgewichtige Prozesse können in Java mit der Klasse Thread realisiert werden. Folie 27/40

28 2.3.3 Arbeiten mit Threads (Beispiel) public class THREADBEISPIEL extends Thread { public void run() // Methode, die ausgefuehrt wird, wenn der Thread gestartet wird. {... } } Folie 28/40

29 2.3.3 Arbeiten mit Threads (Beispiel) public class THREADTEST { public THREADTEST() // Konstruktor { THREADBEISPIEL beispiel = new THREADBEISPIEL(); // Neues Threadobjekt erzeugen beispiel.start(); // Thread starten } } Folie 29/40

30 2.4 Synchronisation von Prozessen Problematik Im Projekt Gemeinsamer Zugriff werden zwei Threads gestartet, die bei einem gemeinsamen Anbieter (mit Anfangswert 0) jeweils mal den Wert um 1 erhöhen / reduzieren. Loglisch müsste das Ergebnis zum Schluß ergeben = 0 Folie 30/40

31 2.4 Synchronisation von Prozessen Problematik Das Ergebnis wird aber nicht immer erreicht (3114 bei Abbildung). Manchmal überschreibt ein Thread die Veränderung des anderen Threads. Folie 31/40

32 2.4 Synchronisation von Prozessen Folie 32/40

33 2.4 Synchronisation von Prozessen Lösung: Semaphoren Mit Hilfe von Signalen (Semaphoren) wird dafür gesorgt, dass das Schreiben des einen Threads abgeschlossen ist, bevor der andere Thread den neuen Wert lesen kann. Siehe dazu Projekt: Gemeinsamer Zugriff Semaphore Folie 33/40

34 2.4 Synchronisation von Prozessen Folie 34/40

35 Sequenzdiagramm 1 Folie 35/40

36 Sequenzdiagramm 2 Folie 36/40

37 Sequenzdiagramm 3 Folie 37/40

38 Betriebsmittel-Graph Bildet der Betriebsmittel-Graph einen Zyklus 2, dann liegt eine Verklemmung (Deadlock) vor. 2 Siehe Informatik Folie 38/40

39 Auflösen der Verklemmung Wie lassen sich Verklemmungen vermeiden? Jeder Prozess, der nicht alle von ihm benötigten Ressourcen anfordern kann, gibt alle bisher gehaltenen Ressourcen wieder ab. Ein externer Monitor überwacht den Betriebsmittel-Graphen und entzieht einzelnen Prozessen die gehaltenen Ressourcen a. Folie a 39/40 Siehe auch

40 2.4 Synchronisation von Prozessen Weiteres Beispiel: Siehe Dining philosophers problem : http: //de.wikipedia.org/wiki/philosophenproblem classes/diners/diners.html Folie 40/40