Основные механизмы QNX для организации распредёленных вычислений

QNX является сетевой операционной системой и позволяет организовать эффек­тивные распределённые вычисления. Для организации сети на каждой машине, называемой узлом, помимо ядра и менеджера процессов должен быть запущен уже упомянутый нами выше менеджер Net. Менеджер Net не зависит от аппа­ратной реализации сети. Данная аппаратная независимость обеспечивается за счёт использования сетевых драйверов. В QNX имеются драйверы для различ­ных сетей, например Ethernet, Arcnet, Token Ring. Кроме этого, имеется возмож­ность организации сети через последовательный канал или модем.

В QNX последней, четвертой, версии полностью реализовано встроенное сетевое взаимодействие «точка-точка». Например, находясь на машине А, вы можете скопировать файл с гибкого диска, подключенного к машине В, на жёсткий диск, подключенный к машине С. По существу, сеть из машин QNX действует как один мощный компьютер. Любые ресурсы (модемы, диски, принтеры) могут быть добавлены к системе простым их подключением к любой машине в сети. QNX поддерживает одновременную работу в сетях Ethernet, Arcnet, Serial и Token Ring и обеспечивает более чем один-единственный путь для коммуникации, а также балансировку нагрузки в сетях. Если кабель или сетевая плата выходит из строя таким образом, что связь через эту сеть прекращается, то система будет автоматически перенаправлять данные через другую сеть. Это происходит в режиме «on-line», предоставляя пользователю автоматическую сетевую избыточность и увеличивая скорость коммуникаций во всей системе.

Каждому узлу в сети соответствует уникальный целочисленный идентификатор – логический номер узла. Любой поток в сети QNX имеет прозрачный доступ (при наличии достаточных привилегий) ко всем ресурсам сети, то же самое относится и к взаимодействию потоков. Для взаимодействия потоков, находящихся на раз­ных узлах сети, используются те же самые вызовы ядра, что и для потоков, выполняемых на одном узле. В том случае, если потоки находятся на разных узлах сети, ядро переадресует запрос менеджеру сети. Для организации обмена в сети используется надёжный и эффективный протокол транспортного уровня FLEET. Каждый из узлов может принадлежать одновременно нескольким QNX-сетям. В том случае если сетевое взаимодействие может быть реализовано несколькими путями, для передачи выбирается незагруженная и более скоростная сеть.

Сетевое взаимодействие является узким местом в большинстве операционных систем и обычно создаёт значительные проблемы для систем реального времени. Для того чтобы обойти это препятствие, разработчики QNX создали собственную специальную сетевую технологию FLEET и соответствующий протокол транспортного уровня FTL (FLEET transport layer). Этот протокол не базирует­ся ни на одном из распространенных сетевых протоколов типа IPX или NetBios и обладает рядом качеств, которые делают его уникальным. Основные его каче­ства зашифрованы в аббревиатуре FLEET, которая расшифровывается следую­щим образом.

Благодаря этой технологии сеть компьютеров с QNX фактически можно представлять как один виртуальный суперкомпьютер. Все ресурсы любого из узлов сети автоматически доступны другим, и для этого не нужны специальные «фоку­сы» с использованием технологии RPC. Это значит, что любая программа может быть запущена на любом узле, при этом её входные и выходные потоки могут быть направлены на любое устройство на любых других узлах [41].

Например, утилита make в QNX автоматически распараллеливает компиляцию пакетов из нескольких модулей на все доступные узлы сети, а затем собирает исполняемый модуль по мере завершения компиляции на узлах. Специальный драйвер, входящий в комплект поставки, позволяет использовать для сетевого взаимодействия любое устройство, с которым может быть ассоциирован файло­вый дескриптор, например последовательный порт, что открывает возможности для создания глобальных сетей.

Достигаются все эти удобства за счёт того, что поддержка сети частично обеспечивается и микроядром (специальный код в его составе позволяет QNX фактически объединять все микроядра в сети в одно ядро). Разумеется, за такие воз­можности приходится платить тем, что мы не можем получить драйвер для какой–либо сетевой платы от кого-либо ещё, кроме фирмы QSSL, то есть исполь­зоваться может только то оборудование, которое уже поддерживается. Однако ассортимент такого оборудования достаточно широк и периодически пополняет­ся новейшими устройствами.

Когда ядро получает запрос на передачу данных процессу, находящемуся на уда­лённом узле, он переадресовывает этот запрос менеджеру Net, в подчинении которого находятся драйверы всех сетевых карт. Имея перед собой полную картину состояния всего сетевого оборудования, менеджер Net может отслеживать состояние каждой сети и динамически перераспределять нагрузку между ними. В случае когда одна из сетей выходит из строя, информационный поток автоматически перенаправляется в другую доступную сеть, что очень важно при построе­нии высоконадёжных систем. Кроме поддержки своего собственного протокола, Net обеспечивает передачу пакетов TCP/IP, SMB и многих других, используя то же сетевое оборудование. Производительность QNX в сети приближается к производительности аппаратного обеспечения.

При проектировании системы реального времени, как правило, необходимо обес­печить одновременное выполнение нескольких приложений. В QNX/Neutrmo1 параллельность выполнения достигается за счёт использования потоковой моде­ли POSIX, в которой процессы в системе представляются в виде совокупности потоков. Поток является минимальной единицей выполнения и диспетчериза­ции для ядра Neutrino, процесс определяет адресное пространство для потоков. Каждый процесс состоит минимум из одного потока. QNX представляет богатый набор функций для синхронизации потоков. В отличие от потоков само ядро не подлежит диспетчеризации. Код ядра исполняется только в том случае, когда ка­кой-нибудь поток вызывает функцию ядра или при обработке аппаратного пре­рывания.

Напомним, что QNX базируется на концепции передачи сообщений. Переда­чу сообщений, а также их диспетчеризацию осуществляет ядро системы. Кроме того, ядро управляет временными прерываниями. Выполнение остальных функ­ций обеспечивается задачами-администраторами. Программа, желающая создать задачу, посылает сообщение администратору задач (модуль task) и блокируется для ожидания ответа. Если новая задача должна выполняться одновременно с порождающей её задачей, администратор задач task создает её и, отвечая, выдает порождающей задаче идентификатор (id) созданной задачи. В противном случае никакого сообщения не посылается до тех пор, пока новая задача не закончится сама по себе. В этом случае в ответе администратора задач будут содержаться ко­нечные характеристики закончившейся задачи.

Сообщения отличаются количеством данных, которые передаются от одной задачи точно к другой задаче. Данные копируются из адресного пространства первой задачи в адресное пространство второй, и выполнение первой задачи приостанавливается до тех пор, пока вторая задача не вернёт ответное сообщение. В действительности обе задачи кратковременно взаимодействуют во время выполнения передачи. Ничто, кроме длины сообщения (максимальная длина 65 535 байт), не заботит QNX при передаче сообщения. Существует несколько протоколов, которые могут быть использованы для сообщений.

Основные операции над сообщениями – это послать, получить и ответить, а также несколько их вариантов для обработки специальных ситуаций. Получа­тель всегда идентифицируется своим идентификатором задачи, хотя существуют способы ассоциировать имена с идентификатором задачи. Наиболее интересные варианты операций включают в себя возможность получать (копировать) только первую часть сообщения, а затем получать оставшуюся часть такими кусками, какие потребуются. Это может быть использовано для того, чтобы сначала уз­нать длину сообщения, а затем динамически распределить принимающий буфер. Если необходимо задержать ответное сообщение до тех пор, пока не будет полу­чено и обработано другое сообщение, то чтение первых нескольких байт даёт вам компактный «обработчик», через который позже можно получить доступ ко все­му сообщению. Таким образом, ваша задача предохраняется от того, чтобы хра­нить в себе большое количество буферов.

Другие функции позволяют программе получать сообщения только тогда, когда она уже ожидает их приема, а не блокироваться до тех пор, пока не прибудет со­общение, и транслировать сообщение к другой задаче без изменения идентификатора передатчика. Задача, которая транслировала сообщение, в транзакции невидима.

Кроме этого, QNX обеспечивает объединение сообщений в структуру данных, называемую очередью. Очередь – это просто область данных в третьей, отдель­ной задаче, которая временно принимает передаваемое сообщение и немедленно отвечает передатчику. В отличие от стандартной передачи сообщений, передат­чик немедленно освобождается для того, чтобы продолжить свою работу. Задача администратора очереди хранит в себе сообщение до тех пор, пока приемник не будет готов прочитать его; это он делает путем запроса сообщения у администра­тора очереди. Любое количество сообщений (ограничено только возможностью памяти) может храниться в очереди. Они хранятся и передаются в том порядке, в котором они были приняты. Может быть создано любое количество очередей. Каждая очередь идентифицируется своим именем.

Помимо сообщений и очередей в QNX для взаимодействия задач и организации распределённых вычислений имеются так называемые порты, которые позволяют формировать сигнал одного конкретного условия, и механизм исключений, о котором мы уже упоминали выше.

Порт подобен флагу, известному всем задачам на одном и том же узле (но не на различных узлах). Он имеет точно два состояния, которые могут трактоваться как «присоединить» и «освободить», хотя пользователь может использовать свою интерпретацию; например, «занят» и «доступен». Порты используются для быстрой простой синхронизации между задачей и обработчиком прерываний устройства. Они нумеруются от нуля до максимум 32 (на некоторых типах узлов возможно и больше). Первые 20 номеров зарезервированы для использования операционной системой.

С портом могут быть выполнены три операции:

¨ присоединить порт;

¨ отсоединить порт;

¨ послать сигнал в порт.

Одновременно к порту может быть присоединена только одна задача. Если дру­гая задача попытается «отсоединиться» от того же самого порта, то произойдёт отказ при вызове функции, и управление вернётся к задаче, которая в настоя­щий момент присоединена к этому порту. Это самый быстрый способ обнару­жить идентификатор другой задачи, подразумевая, что задачи могут договорить­ся использовать один номер порта. Напомним, что все рассматриваемые задачи должны находиться на одном и том же узле. При работе нескольких узлов спе­циальные функции обеспечивают большую гибкость и эффективность.

Любая задача может посылать сигнал в любой порт независимо от того, была ли она присоединена к нему или нет (предпочтительно, чтобы не была присоединена). Сигнал подобен не блокирующей передаче пустого сообщения. То есть пере­датчик не приостанавливается, а приёмник не получает какие-либо данные; он только отмечает, что конкретный порт изменил своё состояние.

Задача, присоединённая к порту, может ожидать прибытия сигнала или может периодически читать порт. QNX хранит информацию о сигналах, передаваемых в каждый порт, и уменьшает счётчик после каждой операции «приёма» сигнала («чтение» возвращает счётчик и устанавливает его в нуль). Сигналы всегда принимаются перед сообщениями, давая им тем самым больший приоритет над сообщениями. В этом смысле сигналы часто используются обработчиками преры­ваний для того, чтобы оповестить задачу о внешних (аппаратных) событиях (действительно, обработчики прерываний не имеют возможности посылать со­общения и должны использовать сигналы).

В отличие от описанных выше методов, которые строго синхронизируются, «ис­ключения» обеспечивают асинхронное взаимодействие. То есть исключение мо­жет прервать нормальное выполнение потока задачи. Они, таким образом, являются аварийными событиями. QNX резервирует для себя 16 исключений для того, чтобы оповещать задачи о прерывании с клавиатуры, нарушении памяти и подобных необычных ситуациях. Остальные 16 исключений могут быть опре­делены и использованы прикладными задачами.

Системная функция может быть вызвана для того, чтобы позволить задаче управ­лять своей собственной обработкой исключений, выполняя свою собственную внутреннюю функцию во время возникновения исключения.

Заметим, что функция исключения задачи вызывается асинхронно операционной системой, а не самой задачей. Вследствие этого исключения могут иметь сильно­действующее побочное влияние на операции (например, передачу сообщений), которые выполняются в это же время. Обработчики исключений должны быть написаны очень аккуратно.

Одна задача может установить одно или несколько исключений на другой зада­че. Они могут быть комбинацией системных исключений (определённых выше) и исключений, определяемых приложениями, что обеспечивает другие возможности для межзадачного взаимодействия.

Благодаря такому свойству QNX, как возможность обмена посланиями между задачами и узлами сети, программы не заботятся о конкретном размещении ресурсов в сети. Это свойство придает системе необычную гибкость. Так, узлы мо­гут произвольно добавляться и изыматься из системы, не затрагивая системные программы. QNX приобретает эту конфигурационную независимость благодаря применению концепции «виртуальных» задач. У виртуальных задач непосредственный код и данные, будучи на одном из удаленных узлов, возникают и ведут себя так, как если бы они были локальными задачами какого-то узла со всеми ат­рибутами и привилегиями. Программа, посылающая сообщение в сети, никогда не посылает его точно. Сначала она открывает «виртуальную цепочку». Вирту­альная цепочка включает все виртуальные задачи, связанные между собой. На обоих концах такой связи имеются буферы, которые позволяют хранить самое большое послание из тех, которые цепочка может нести в данном сеансе связи. Сетевой администратор помещает в эти буферы все сообщения для соединенных задач. Виртуальная задача, таким образом, занимает всего лишь пространство, необходимое для буфера и входа в таблице задач. Чтобы открыть связь, необхо­димо знать идентификатор узла и задачи, с которой устанавливается связь. Для этого необходимо знать идентификатор задачи администратора, ответственного за данную функцию, или глобальное имя сервера. Не раскрывая здесь подробно механизм обмена посланиями, добавим лишь, что наша задача может вообще вы­полняться на другом узле, где, допустим, имеется более совершенный процессор.

Контрольные вопросы и задачи

Вопросы для проверки

1 Изложите основные архитектурные особенности ОС UNIX.

2 Перечислите и поясните основные понятия системы UNIX.

3 Что делает системный вызов fork( )? Каким образом осуществляется в UNIX запуск новой задачи?

4 Изложите основные моменты, связанные с защитой файлов в UNIX.

5 Расскажите об особенностях семафоров в UNIX. Зачем в семафорных операциях действия осуществляются сразу над множеством семафоров?

6 Что представляет собой вызов удаленной процедуры (RPC)?

7 Какие механизмы использует OS/2, чтобы уменьшить потребности в опера­тивной памяти и увеличить производительность системы?

8 Почему про QNX часто говорят «сетевая» ОС?

9 Что такое сетевой протокол FLEET?

10 Какие функции реализует ядро QNX?

11 В чём вы видите принципиальные отличия между ядром Windows NT 4.0, ко­торое считают построенным по микроядерным принципам, от ядра QNX?

12 Расскажите об основных механизмах, которые имеются в QNX для организа­ции распределённых вычислений.

ПРИЛОЖЕНИЕ А