Механизм передачи сообщений в распределенных системах
Единственным по-настоящему важным отличием распределенных систем от централизованных является способ взаимодействия между процессами. Принципиально взаимодействие между процессами может осуществляться одним из двух способов:
путем совместного использования одних и тех же данных (разделяемая память);
путем передачи друг другу данных в виде сообщений.
В централизованных системах связь между процессами, как правило, предполагает наличие разделяемой памяти. Типичный пример — задача «поставщик-потребитель». В этом случае один процесс пишет в разделяемый буфер, а другой читает из него. Даже наиболее простая форма синхронизации — семафор — требует, чтобы хотя бы одно слово (переменная самого семафора) было разделяемым. Аналогичным образом происходит взаимодействие не только между пользовательскими процессами, но и между приложением и операционной системой — процесс в пользовательском режиме запрашивает у ОС выполнения некоторой операции с помощью системного вызова, помещая в доступную ему часть оперативной памяти параметры этого системного вызова (например, имя файла, смещение от его начала и количество байтов, которые необходимо прочитать). После этого модуль ядра ОС считывает эти параметры из пользовательской памяти (ядру в привилегированном режиме доступна вся память, как ее системная часть, так и пользовательская) и выполняет системный вызов. Взаимодействие и в этом случае происходит за счет непосредственно доступной обоим участникам области памяти.
В распределенных системах не существует памяти, непосредственно доступной процессам, работающим на разных компьютерах, поэтому взаимодействие процессов (находящихся как в пользовательской фазе, так и в системной, то есть выполняющих код операционной системы) может осуществляться только путем передачи сообщений через сеть. Как было показано в разделе «Сетевые службы и сетевые сервисы» главы 2, на основе механизма передачи сообщений работают все сетевые службы, предоставляющие пользователям сети разнообразные услуги — доступ к удаленным файлам, принтерам, почтовым ящикам и т. п. В сообщениях переносятся запросы от клиентов некоторой службы к соответствующим серверам, например, запрос на просмотр содержимого определенного каталога файловой системы, расположенной на сетевом сервере. Сервер возвращает ответ — набор имен файлов и подкаталогов, входящих в данный каталог, также помещая его в сообщение и отправляя по сети клиенту.
Сообщение — это блок информации, отформатированный процессом-отправителем таким образом, чтобы он был понятен процессу-получателю. Сообщение состоит из заголовка, обычно фиксированной длины, и набора данных определенного типа переменной длины. В заголовке, как правило, содержатся следующие элементы.
Адрес — набор символов, уникально определяющих отправляющий и получающий процессы. Адресное поле таким образом состоит из двух частей — адреса процесса-отправителя и адреса процесса-получателя. Адрес каждого процесса может, в свою очередь, иметь некоторую структуру, позволяющую найти нужный процесс в сети, состоящей из большого количества компьютеров.
Порядковый номер сообщения, являющийся его идентификатором. Используется для идентификации потерянных сообщений и дубликатов сообщений в случае отказов в сети.
Структурированная информация, состоящая в общем случае из нескольких частей: полей типа данных, длины данных и значения данных (то есть собственно данных). Поле типа данных определяет, например, что данные являются целым числом или же представляют собой строку символов (это поле может также содержать признак нерезидентности данных, то есть указатель на данные, которые хранятся где-то вне данного сообщения). Второе поле определяет длину передаваемых в сообщении данных (обычно в байтах), то есть размер следующего поля сообщения. Сообщение может включать несколько элементов, состоящих из описанных трех полей. В тех случаях, когда сообщение всегда переносит данные одного и того же типа, поле типа может быть опущено. То же касается поля длины данных — для тех типов сообщений, которые переносят данные фиксированного формата, но такая ситуация характерна только для протоколов низкого уровня (например, протокола ATM, имеющего фиксированный размер поля данных в 48 байт).
В любой сетевой ОС поддерживается система передачи сообщений, которая использует стек коммуникационных протоколов, описанных в главе 9. Назначение этой системы — экранировать детали сложных сетевых Протоколов от программиста. Система передачи сообщений позволяет процессам взаимодействовать посредством достаточно простых примитивов. В самом простом случае системные средства обеспечения связи могут быть сведены к двум основным коммуникационным примитивам, один send (отправить) — для посылки сообщения, другой receive (получить) — для получения сообщения. В дальнейшем на их базе могут быть построены более мощные средства сетевых коммуникаций, такие как распределенная файловая система или служба вызова удаленных процедур, которые, в свою очередь, также могут служить основой для работы других сетевых служб.
Взаимодействие системы передачи сообщений с коммуникационными протоколами стека TCP/IP иллюстрирует рис. 10.3.
Несмотря на концептуальную простоту примитивов send и receive, существуют различные варианты их реализации, от правильного выбора которых зависит эффективность работы сети. В частности, эффективность зависит от способа задания адреса получателя. Не менее важны при реализации примитивов передачи сообщений ответы на другие вопросы: В сети всегда имеется один получатель или их может быть несколько?
Рис. 10.3. Примитивы обмена сообщениями и транспортные средства подсистемы ввода-вывода
Должна ли доставка сообщений гарантироваться? Должен ли отправитель дождаться ответа на свое сообщение, прежде чем продолжать работу? Как отправитель, получатель и подсистема передачи сообщений должны реагировать на отказы узла или коммуникационного канала во время взаимодействия? Что делать, если приемник не готов принять сообщение, отбросить его или сохранить в буфере? А если сохранить, то как быть, если буфер уже заполнен? Разрешено ли приемнику изменять порядок обработки сообщений в соответствии с их важностью? Ответы на подобные вопросы составляют семантику конкретного протокола передачи сообщений.