Текст книги "Операционная система UNIX"
Автор книги: Андрей Робачевский
Жанр:
ОС и Сети
сообщить о нарушении
Текущая страница: 35 (всего у книги 39 страниц)
В предыдущих разделах рассматривался программный интерфейс достаточно низкого уровня – по существу программа взаимодействовала непосредственно с транспортным протоколом, самостоятельно реализуя некоторый протокол верхнего уровня при обмене данными. В приведенных примерах легко заметить, что значительная часть кода этих программ посвящена созданию коммуникационных узлов, установлению и завершению связи.
С точки зрения разработчика программного обеспечения, более перспективным является подход, когда используется прикладной программный интерфейс более высокого уровня, изолирующий программу от специфики сетевого взаимодействия. В данном разделе мы рассмотрим один из таких подходов, на базе которого, в частности, разработана файловая система NFS, получивший название удаленный вызов процедур (Remote Procedure Call, RPC).
Использование подпрограмм в программе – традиционный способ структурировать задачу, сделать ее более ясной. Наиболее часто используемые подпрограммы собираются в библиотеки, где могут использоваться различными программами. В данном случае речь идет о локальном (местном) вызове, т.е. и вызывающий, и вызываемый объекты работают в рамках одной программы на одном компьютере.
В случае удаленного вызова процесс, выполняющийся на одном компьютере, запускает процесс на удаленном компьютере (т. е. фактически запускает код процедуры на удаленном компьютере). Очевидно, что удаленный вызов процедуры существенным образом отличается от традиционного локального, однако с точки зрения программиста такие отличия практически отсутствуют, т.е. архитектура удаленного вызова процедуры позволяет сымитировать вызов локальной.
Однако если в случае локального вызова программа передает параметры в вызываемую процедуру и получает результат работы через стек или общие области памяти, то в случае удаленного вызова передача параметров превращается в передачу запроса по сети, а результат работы находится в пришедшем отклике.
Данный подход является возможной основой создания распределенных приложений, и хотя многие современные системы не используют этот механизм, основные концепции и термины во многих случаях сохраняются. При описании механизма RPC мы будем традиционно называть вызывающий процесс – клиентом, а удаленный процесс, реализующий процедуру, – сервером.
Удаленный вызов процедуры включает следующие шаги:
1. Программа-клиент производит локальный вызов процедуры, называемой заглушкой (stub). При этом клиенту «кажется», что, вызывая заглушку, он производит собственно вызов процедуры-сервера. И действительно, клиент передает заглушке необходимые параметры, а она возвращает результат. Однако дело обстоит не совсем так, как это себе представляет клиент. Задача заглушки – принять аргументы, предназначаемые удаленной процедуре, возможно, преобразовать их в некий стандартный формат и сформировать сетевой запрос. Упаковка аргументов и создание сетевого запроса называется сборкой (marshalling).
2. Сетевой запрос пересылается по сети на удаленную систему. Для этого в заглушке используются соответствующие вызовы, например, рассмотренные в предыдущих разделах. Заметим, что при этом могут быть использованы различные транспортные протоколы, причем не только семейства TCP/IP.
3. На удаленном хосте все происходит в обратном порядке. Заглушка сервера ожидает запрос и при получении извлекает параметры – аргументы вызова процедуры. Извлечение (unmarshalling) может включать необходимые преобразования (например, изменения порядка расположения байтов).
4. Заглушка выполняет вызов настоящей процедуры-сервера, которой адресован запрос клиента, передавая ей полученные по сети аргументы.
5. После выполнения процедуры управление возвращается в заглушку сервера, передавая ей требуемые параметры. Как и заглушка клиента, заглушка сервера преобразует возвращенные процедурой формируя сетевое сообщение-отклик, который передается по сети системе, от которой пришел запрос.
6. Операционная система передает полученное сообщение заглушке клиента, которая, после необходимого преобразования, передает значения (являющиеся значениями, возвращенными удаленной процедурой) клиенту, воспринимающему это как нормальный возврат из процедуры.
Таким образом, с точки зрения клиента, он производит вызов удаленной процедуры, как он это сделал бы для локальной. То же самое можно сказать и о сервере: вызов процедуры происходит стандартным образом, некий объект (заглушка сервера) производит вызов локальной процедуры и получает возвращенные ею значения. Клиент воспринимает заглушку как вызываемую процедуру-сервер, а сервер принимает собственную заглушку за клиента.
Таким образом, заглушки составляют ядро системы RPC, отвечая за все аспекты формирования и передачи сообщений между клиентом и удаленным сервером (процедурой), хотя и клиент и сервер считают, что вызовы происходят локально. В этом-то и состоит основная концепция RPC – полностью спрятать распределенный (сетевой) характер взаимодействия в коде заглушек. Преимущества такого подхода очевидны: и клиент и сервер являются независимыми от сетевой реализации, оба они работают в рамках некой распределенной виртуальной машины, и вызовы процедур имеют стандартный интерфейс.[80]80
Кроме прочего, благодаря такому подходу, достигается независимость основных компонентов распределенного приложения (клиента и сервера) не только от сетевой реализации, но и от типа операционных систем, под управлением которых они выполняются, и от языка программирования, на котором написаны сами компоненты. Скажем, сервер может быть создан в виде программы на языке С, выполняющейся пол управлением UNIX, в то время как в качестве клиента может выступать программа, разработанная на языке Pascal, выполняющаяся в среде Windows NT.
[Закрыть]
Передача параметров-значений не вызывает особых трудностей. В этом случае заглушка клиента размещает значение параметра в сетевом запросе. возможно, выполняя преобразования к стандартному виду (например, изменяя порядок следования байтов). Гораздо сложнее обстоит дело с передачей указателей, когда параметр представляет собой адрес данных, а не их значение. Передача в запросе адреса лишена смысла, так как удаленная процедура выполняется в совершенно другом адресном пространстве. Самым простым решением, применяемым в RPC, является запрет клиентам передавать параметры иначе, как по значению, хотя это, безусловно накладывает серьезные ограничения.[81]81
Более сложные среди распределенного программирования (например CORBA) лишены подобных ограничении и обладают рядом дополнительных возможностей, что позволяет с их помощью создавать сложные распределенные системы.
[Закрыть]
Прежде чем клиент сможет вызвать удаленную процедуру, необходимо связать его с удаленной системой, располагающей требуемым сервером. Таким образом, задача связывания распадается на две:
□ Нахождение удаленного хоста с требуемым сервером
□ Нахождение требуемого серверного процесса на данном хосте
Для нахождения хоста могут использоваться различные подходы. Возможный вариант – создание некоего централизованного справочника, в котором хосты анонсируют свои серверы, и где клиент при желании может выбрать подходящие для него хост и адрес процедуры.
Каждая процедура RPC однозначно определяется номером программы и процедуры. Номер программы определяет группу удаленных процедур, каждая из которых имеет собственный номер. Каждой программе также присваивается номер версии, так что при внесении в программу незначительных изменений (например, при добавлении процедуры) отсутствует необходимость менять ее номер. Обычно несколько функционально сходных процедур реализуются в одном программном модуле, который при запуске становится сервером этих процедур, и который идентифицируется номером программы.
Таким образом, когда клиент хочет вызвать удаленную процедуру, ему необходимо знать номера программы, версии и процедуры, предоставляющей требуемый сервис.
Для передачи запроса клиенту также необходимо знать сетевой адрес хоста и номер порта, связанный с программой-сервером, обеспечивающей требуемые процедуры. Для этого используется демон portmap(1M) (в некоторых системах он называется rpcbind(1M)). Демон запускается на хосте, который предоставляет сервис удаленных процедур, и использует общеизвестный номер порта. При инициализации процесса-сервера он регистрирует в portmap(1M) свои процедуры и номера портов. Теперь, когда клиенту требуется знать номер порта для вызова конкретной процедуры, он посылает запрос на сервер portmap(1M), который, в свою очередь, либо возвращает номер порта, либо перенаправляет запрос непосредственно серверу удаленной процедуры и после ее выполнения возвращает клиенту отклик. В любом случае, если требуемая процедура существует, клиент получает от сервера portmap(1M) номер порта процедуры, и дальнейшие запросы может делать уже непосредственно на этот порт.
Обработка особых ситуаций при вызове локальных процедур не представляет особой проблемы. UNIX обеспечивает обработку ошибок процессов, таких как деление на ноль, обращение к недопустимой области памяти и т.д. В случае вызова удаленной процедуры вероятность возникновения ошибочных ситуаций увеличивается. К ошибкам сервера и заглушек добавляются ошибки, связанные, например, с получением ошибочного сетевого сообщения.
Например, при использовании UDP в качестве транспортного протокола производится повторная передача сообщений после определенного тайм– аута. Клиенту возвращается ошибка, если, спустя определенное число попыток. отклик от сервера так и не был получен. В случае, когда используется протокол TCP, клиенту возвращается ошибка, если сервер оборвал TCP-соединение.
Вызов локальной процедуры однозначно приводит к ее выполнению, после чего управление возвращается в головную программу. Иначе дело обстоит при вызове удаленной процедуры. Невозможно установить, когда конкретно будет выполняться процедура, будет ли она выполнена вообще, а если будет, то какое число раз? Например, если запрос будет получен удаленной системой после аварийного завершения программы сервера, процедура не будет выполнена вообще. Если клиент при неполучении отклика после определенного промежутка времени (тайм-аута) повторно посылает запрос, то может создаться ситуация, когда отклик уже передается по сети, повторный запрос вновь принимается на обработку удаленной процедурой. В этом случае процедура будет выполнена несколько раз.
Таким образом, выполнение удаленной процедуры можно характеризовать следующей семантикой:
□ Один и только один раз. Данного поведения (в некоторых случаях наиболее желательного) трудно требовать ввиду возможных аварий сервера.
□ Максимум раз. Это означает, что процедура либо вообще не была выполнена, либо была выполнена только один раз. Подобное утверждение можно сделать при получении ошибки вместо нормального отклика.
□ Хотя бы раз. Процедура наверняка была выполнена один раз, но возможно и больше. Для нормальной работы в такой ситуации удаленная процедура должна обладать свойством идемпонентности (от англ. idemponent). Этим свойством обладает процедура, многократное выполнение которой не вызывает кумулятивных изменений. Например, чтение файла идемпонентно, а добавление текста в файл – нет.
Когда клиент и сервер выполняются в одной системе на одном компьютере, проблем с несовместимостью данных не возникает. И для клиента и для сервера данные в двоичном виде представляются одинаково. В случае удаленного вызова дело осложняется тем, что клиент и сервер могут выполняться на системах с различной архитектурой, имеющих различное представление данных (например, представление значения с плавающей точкой, порядок следования байтов и т.д.)
Большинство реализаций системы RPC определяют некоторые стандартные виды представления данных, к которым должны быть преобразованы все значения, передаваемые в запросах и откликах.
Например, формат представления данных в RPC фирмы Sun Microsystems следующий:
| Порядок следования байтов | Старший – последний |
| Представление значений с плавающей точкой | IEEE |
| Представление символа | ASCII |
По своей функциональности система RPC занимает промежуточное место между уровнем приложения и транспортным уровнем. В соответствии с моделью этому положению соответствуют уровни представления и сеанса. Таким образом, RPC теоретически независим от реализации сети, в частности, от сетевых протоколов транспортного уровня.
Программные реализации системы, как правило, поддерживают один или два протокола. Например, система RPC разработки фирмы Sun Microsystems поддерживает передачу сообщений с использованием протоколов TCP и UDP. Выбор того или иного протокола зависит от требований приложения. Выбор протокола UDP оправдан для приложений, обладающих следующими характеристиками:
□ Вызываемые процедуры идемпонентны.
□ Размер передаваемых аргументов и возвращаемого результата меньше размера пакета UDP – 8 Кбайт.
□ Сервер обеспечивает работу с несколькими сотнями клиентов. Поскольку при работе с протоколами TCP сервер вынужден поддерживать соединение с каждым из активных клиентов, это занимает значительную часть его ресурсов. Протокол UDP в этом отношении является менее ресурсоемким.
С другой стороны, TCP обеспечивает эффективную работу приложений со следующими характеристиками:
□ Приложению требуется надежный протокол передачи
□ Вызываемые процедуры неидеипонентны
□ Размер аргументов или возвращаемого результата превышает 8 Кбайт
Выбор протокола обычно остается за клиентом, и система по-разному организует формирование и передачу сообщений. Так, при использовании протокола TCP, для которого передаваемые данные представляют собой поток байтов, необходимо отделить сообщения друг от друга. Для этого, например, применяется протокол маркировки записей, описанный в RFC1057 «RPC: Remote Procedure Call Protocol specification version 2», при котором в начале каждого сообщения помещается 32-разрядное целое число, определяющее размер сообщения в байтах.
По-разному обстоит дело и с семантикой вызова. Например, если выполняется с использованием ненадежного транспортного протокола (UDP), система выполняет повторную передачу сообщения через короткие промежутки времени (тайм-ауты). Если приложение-клиент не получает отклик, то с уверенностью можно сказать, что процедура была выполнена ноль или большее число раз. Если отклик был получен, приложение может сделать вывод, что процедура была выполнена хотя бы однажды. При использовании надежного транспортного протокола (TCP) в случае получения отклика можно сказать, что процедура была выполнена один раз. Если же отклик не получен, определенно сказать, что процедура выполнена не была, нельзя.[82]82
Даже при использовании надежных транспортных протоколов в случае аварийного завершения работы сервера требуются повторное установление связи (после продолжительного тайм-аута) и повторная передача. В этом случае семантика также меняется.
[Закрыть]
По существу, собственно система RPC является встроенной в программу– клиент и программу-сервер. Отрадно, что при разработке распределенных приложений, не придется вникать в подробности протокола RPC или программировать обработку сообщений. Система предполагает существование соответствующей среды разработки, которая значительно облегчает жизнь создателям прикладного программного обеспечения. Одним из ключевых моментов в RPC является то, что разработка распределенного приложения начинается с определения интерфейса объекта – формального описания функций сервера, сделанного на специальном языке. На основании этого интерфейса затем автоматически создаются заглушки клиента и сервера. Единственное, что необходимо сделать после этого, – написать фактический код процедуры.
В качестве примера рассмотрим RPC фирмы Sun Microsystems.
Система состоит из трех основных частей:
□ rpcgen(1) – RPC-компилятор, который на основании описания интерфейса удаленной процедуры генерирует заглушки клиента и сервера в виде программ на языке С.
□ Библиотека XDR (eXternal Data Representation), которая содержит функции для преобразования различных типов данных в машинно– независимый вид, позволяющий производить обмен информацией между разнородными системами.
□ Библиотека модулей, обеспечивающих работу системы в целом.
Рассмотрим пример простейшего распределенного приложения для ведения журнала событий. Клиент при запуске вызывает удаленную процедуру записи сообщения в файл журнала удаленного компьютера.
Для этого придется создать как минимум три файла: спецификацию интерфейсов удаленных процедур log.x (на языке описания интерфейса), собственно текст удаленных процедур log.c и текст головной программы клиента main() – client.c (на языке С) .
Компилятор rcpgen(1) на основании спецификации log.x создает три файла: текст заглушек клиента и сервера на языке С (log_clnt.c и log_svc.с) и файл описаний log.h, используемый обеими заглушками.
Итак, рассмотрим исходные тексты программ.
log.x
В этом файле указываются регистрационные параметры удаленной процедуры – номера программы, версии и процедуры, а также определяется интерфейс вызова – входные аргументы и возвращаемые значения. Таким образом, определена процедура RLOG, в качестве аргумента принимающая строку (которая будет записана в журнал), а возвращаемое значение стандартно указывает на успешное или неудачное выполнение заказанной операции.
program LOG_PROG {
version LOG_VER {
int RLOG(string) = 1;
} = 1;
} = 0x31234567;
Компилятор rpcgen(1) создает файл заголовков log.h, где, в частности, определены процедуры:
log.h
/*
* Please do not edit this file.
* It was generated using rpcgen.
*/
#ifndef _LOG_H_RPCGEN
#define _LOGH_H_RPCGEN
#include
/* Номер программы */
#define LOG_PROG ((unsigned long)(0x31234567))
#define LOG_VER ((unsigned long)(1)) /* Номер версии */
#define RLOG ((unsigned long)(1)) /* Номер процедуры */
extern int *rlog_1();
/* Внутренняя процедура – нам ее использовать не придется */
extern int log_prog_1_freeresult();
#endif /* !_LOG_H_RPCGEN */
Рассмотрим этот файл внимательно. Компилятор транслирует имя RLOG, определенное в файле описания интерфейса, в rlog_1, заменяя прописные символы на строчные и добавляя номер версии программы с подчеркиванием. Тип возвращаемого значения изменился с int на int*. Таково правило – RPC позволяет передавать и получать только адреса объявленных при описании интерфейса параметров. Это же правило касается и передаваемой в качестве аргумента строки. Хотя из файла print.h это не следует, на самом деле в качестве аргумента функции rlog_1() также передается адрес строки.
Помимо файла заголовков компилятор rpcgen(1) создает модули заглушки клиента и заглушки сервера. По существу, в тексте этих файлов заключен весь код удаленного вызова.
Заглушка сервера является головной программой, обрабатывающей все сетевое взаимодействие с клиентом (точнее, с его заглушкой). Для выполнения операции заглушка сервера производит локальный вызов функции, текст которой необходимо написать:
log.с
#include
#include
#include
#include «log.h»
int* rlog_1(char** arg) {
/* Возвращаемое значение должно определяться как static */
static int result;
int fd; /* Файловый дескриптор журнала */
int len;
result = 1;
/* Откроем файл журнала (создадим, если он не существует),
в случае неудачи вернем код ошибки result == 1. */
if ((fd = open(«./server.log»,
O_CREAT | O_RDWR | O_APPEND)) < 0)
return(&result);
len = strlen(*arg);
if (write(fd, arg, strlen(arg) != len)
result = 1;
else
result = 0;
close(fd);
return(&result); /* Возвращаем результат – адрес result */
}
Заглушка клиента принимает аргумент, передаваемый удаленной процедуре, делает необходимые преобразования, формирует запрос на сервер portmap(1M), обменивается данными с сервером удаленной процедуры и, наконец, передает возвращаемое значение клиенту. Для клиента вызов удаленной процедуры сводится к вызову заглушки и ничем не отличается от обычного локального вызова.
client.c
#include
#include «log.h»
main(int argc, char* argv[]) {
CLIENT *cl;
char *server, *mystring, *clnttime;
time_t bintime;
int* result;
if (argc != 2) {
fprintf(stderr, «Формат вызова: %s Адрес_хостаn», argv[0]);
exit(1);
}
server = argv[1];
/* Получим дескриптор клиента. В случае неудачи – сообщим
о невозможности установления связи с сервером */
if ((cl =
clnt_create(server, LOG_PROG, LOG_VER, «udp»)) == NULL) {
clnt_pcreateerror(server);
exit(2);
}
/* Выделим буфер для строки */
mystring = (char*)malloc(100);
/* Определим время события */
bintime = time((time_t*)NULL);
clnttime = ctime(&bintime);
sprintf(mystring, «%s – Клиент запущен», clntime);
/* Передадим сообщение для журнала – время начала
работы клиента. В случае неудачи – сообщим об ошибке */
if ((result = rlog_1(&mystring, cl)) == NULL) {
fprintf(stderr, «error2n»);
clnt_perror(cl, server);
exit(3);
}
/* В случае неудачи на удаленном компьютере сообщим об ошибке */
if (*result != 0)
fprintf(stderr, «Ошибка записи в журналn»);
/* Освободим дескриптор */
clnt_destroy(cl);
exit(0);
}
Заглушка клиента log_clnt.с компилируется с модулем client.с для получения исполняемой программы клиента.
cc -o rlog client.c log_clnt.c -lns1
Заглушка сервера log_svc.с и процедура log.c компилируются для получения исполняемой программы сервера.
cc -o logger log_svc.c log.c -lns1
Теперь на некотором хосте server.nowhere.ru необходимо запустить серверный процесс:
$ logger
После чего при запуске клиента rlog на другой машине сервер добавит соответствующую запись в файл журнала.
Схема работы RPC в этом случае приведена на рис. 6.20. Модули взаимодействуют следующим образом:
1. Когда запускается серверный процесс, он создает сокет UDP и связывает любой локальный порт с этим сокетом. Далее сервер вызывает библиотечную функцию svc_register(3N) для регистрации номеров программы и ее версии. Для этого функция обращается к процессу portmap(1M) и передает требуемые значения. Сервер portmap(1M) обычно запускается при инициализации системы и связывается с некоторым общеизвестным портом. Теперь portmap(3N) знает номер порта для нашей программы и версии. Сервер же ожидает получения запроса. Заметим, что все описанные действия производятся заглушкой сервера, созданной компилятором rpcgen(1M).
2. Когда запускается программа rlog, первое, что она делает, – вызывает библиотечную функцию clnt_create(3N), указывая ей адрес удаленной системы, номера программы и версии, а также транспортный протокол. Функция направляет запрос к серверу portmap(1M) удаленной системы server.nowhere.ru и получает номер удаленного порта для сервера журнала.
3. Клиент вызывает процедуру rlog_1(), определенную в заглушке клиента, и передает управление заглушке. Та, в свою очередь, формирует запрос (преобразуя аргументы в формат XDR) в виде пакета UDP и направляет его на удаленный порт, полученный от сервера portmap(1M). Затем она некоторое время ожидает отклика и в случае неполучения повторно отправляет запрос. При благоприятных обстоятельствах запрос принимается сервером logger (модулем заглушки сервера). Заглушка определяет, какая именно функция была вызвана (по номеру процедуры), и вызывает функцию rlog_1() модуля log.c. После возврата управления обратно в заглушку преобразует возвращенное функцией rlog_1() значение в формат XDR, и формирует отклик также в виде пакета UDP. После получения отклика заглушка клиента извлекает возвращенное значение, преобразует его и возвращает в головную программу клиента.
Рис. 6.20. Работа системы RPC
