Взаимодействие удаленных процессов как основа работы вычислительных сетей

Все перечисленные выше цели объединения компьютеров в вычислительные сети не могут быть достигнуты без организации взаимодействия процессов на различных вычислительных системах. Будь то доступ к разделяемым ресурсам или общение пользователей через сеть – в основе всего этого лежит взаимодействие удаленных процессов, т. е. процессов, которые находятся под управлением физически разных операционных систем. Поэтому мы в своей работе сосредоточимся именно на вопросах кооперации таких процессов, в первую очередь выделив ее отличия от кооперации процессов в одной автономной вычислительной системе (кооперации локальных процессов).

1. Изучая взаимодействие локальных процессов, мы разделили средства обмена информацией по объему передаваемых между ними данных и возможности влияния на поведение другого процесса на три категории: сигнальные, канальные и разделяемая память. На самом деле во всей этой систематизации присутствовала некоторая доля лукавства. Мы фактически классифицировали средства связи по виду интерфейса обращения к ним, в то время как реальной физической основой для всех средств связи в том или ином виде являлось разделение памяти. Семафоры представляют собой просто целочисленные переменные, лежащие в разделяемой памяти, к которым посредством системных вызовов, определяющих состав и содержание допустимых операций над ними, могут обращаться различные процессы. Очереди сообщений и pip базируются на буферах ядра операционной системы, которые опять-таки с помощью системных вызовов доступны различным процессам. Иного способа реально передать информацию от процесса к процессу в автономной вычислительной системе просто не существует. Взаимодействие удаленных процессов принципиально отличается от ранее рассмотренных случаев. Общей памяти у различных компьютеров физически нет. Удаленные процессы могут обмениваться информацией, только передавая друг другу пакеты данных определенного формата (в виде последовательностей электрических или электромагнитных сигналов, включая световые) через некоторый физический канал связи или несколько таких каналов, соединяющих компьютеры. Поэтому в основе всех средств взаимодействия удаленных процессов лежит передача структурированных пакетов информации или сообщений.
2. При взаимодействии локальных процессов и процесс–отправитель информации, и процесс-получатель функционируют под управлением одной и той же операционной системы. Эта же операционная система поддерживает и функционирование промежуточных накопителей данных при использовании непрямой адресации. Для организации взаимодействия процессы пользуются одними и теми же системными вызовами, присущими данной операционной системе, с одинаковыми интерфейсами. Более того, в автономной операционной системе передача информации от одного процесса к другому, независимо от используемого способа адресации, как правило (за исключением микроядерных операционных систем), происходит напрямую – без участия других процессов-посредников. Но даже и при наличии процессов-посредников все участники передачи информации находятся под управлением одной и той же операционной системы. При организации сети, конечно, можно обеспечить прямую связь между всеми вычислительными комплексами, соединив каждый из них со всеми остальными посредством прямых физических линий связи или подключив все комплексы к общей шине (по примеру шин данных и адреса в компьютере). Однако такая сетевая топология не всегда возможна по ряду физических и финансовых причин. Поэтому во многих случаях информация между удаленными процессами в сети передается не напрямую, а через ряд процессов-посредников, «обитающих» на вычислительных комплексах, не являющихся компьютерами отправителя и получателя и работающих под управлением собственных операционных систем. Однако и при отсутствии процессов-посредников удаленные процесс-отправитель и процесс-получатель функционируют под управлением различных операционных систем, часто имеющих принципиально разное строение.
3. Для локальных процессов надежность передачи информации определяется надежностью ее передачи по шине данных и хранения в памяти машины, а также корректностью работы операционной системы. Для хороших вычислительных комплексов и операционных систем мы могли забыть про возможную ненадежность средств связи. Для удаленных процессов вопросы, связанные с надежностью передачи данных, становятся куда более значимыми. Протяженные сетевые линии связи подвержены разнообразным физическим воздействиям, приводящим к искажению передаваемых по ним физических сигналов (помехи в эфире) или к полному отказу линий (мыши съели кабель). Даже при отсутствии внешних помех передаваемый сигнал затухает по мере удаления от точки отправления, приближаясь по интенсивности к внутренним шумам линий связи. Промежуточные вычислительные комплексы сети, участвующие в доставке информации, не застрахованы от повреждений или внезапной перезагрузки операционной системы. Поэтому вычислительные сети должны организовываться исходя из предпосылок ненадежности доставки физических пакетов информации.
4. При организации взаимодействия локальных процессов каждый процесс (в случае прямой адресации) и каждый промежуточный объект для накопления данных (в случае непрямой адресации) должны были иметь уникальные идентификаторы – адреса – в рамках одной операционной системы. При организации взаимодействия удаленных процессов участники этого взаимодействия должны иметь уникальные адреса уже в рамках всей сети.
5. Физическая линия связи, соединяющая несколько вычислительных комплексов, является разделяемым ресурсом для всех процессов комплексов, которые хотят ее использовать. Если два процесса попытаются одновременно передать пакеты информации по одной и той же линии, то в результате интерференции физических сигналов, представляющих эти пакеты, произойдет взаимное искажение передаваемых данных. Для того чтобы избежать возникновения такой ситуации (race condition!) и обеспечить эффективную совместную работу вычислительных систем, должны выполняться условия взаимоисключения, прогресса и ограниченного ожидания при использовании общей линии связи, но уже не на уровне отдельных процессов операционных систем, а на уровне различных вычислительных комплексов в целом.

Давайте теперь, абстрагировавшись от физического уровня организации связи и не обращая внимания на то, какие именно физические средства – оптическое волокно, коаксиальный кабель, спутниковая связь и т. д. – лежат в основе объединения компьютеров в сеть, обсудим влияние перечисленных отличий на логические принципы организации взаимодействия удаленных процессов.

Основные вопросы логической организации передачи информации между удаленными процессами

К числу наиболее фундаментальных вопросов, связанных с логической организацией взаимодействия удаленных процессов, можно отнести следующие:

1. Как нужно соединять между собой различные вычислительные системы физическими линиями связи для организации взаимодействия удаленных процессов? Какими критериями при этом следует пользоваться?
2. Как избежать возникновения race condition при передаче информации различными вычислительными системами после их подключения к общей линии связи? Какие алгоритмы могут при этом применяться?
3. Какие виды интерфейсов могут быть предоставлены пользователю операционными системами для передачи информации по сети? Какие существуют модели взаимодействия удаленных процессов? Как процессы, работающие под управлением различных по своему строению операционных систем, могут общаться друг с другом?
4. Какие существуют подходы к организации адресации удаленных процессов? Насколько они эффективны?
5. Как организуется доставка информации от компьютера-отправителя к компьютеру-получателю через компьютеры-посредники? Как выбирается маршрут для передачи данных в случае разветвленной сетевой структуры, когда существует не один вариант следования пакетов данных через компьютеры-посредники?

Разумеется, степень важности этих вопросов во многом зависит от того, с какой точки зрения мы рассматриваем взаимодействие удаленных процессов. Системного программиста, в первую очередь, интересуют интерфейсы, предоставляемые операционными системами. Сетевого администратора больше будут занимать вопросы адресации процессов и выбора маршрута доставки данных. Проектировщика сетей в организации – способы соединения компьютеров и обеспечения корректного использования разделяемых сетевых ресурсов. Мы изучаем особенности строения и функционирования частей операционных систем, ответственных за взаимодействие удаленных процессов, а поэтому рассматриваемый перечень вопросов существенно сокращается.

Выбор способа соединения участников сетевого взаимодействия физическими линиями связи (количество и тип прокладываемых коммуникаций, какие именно устройства и как они будут соединять, т. е. топология сети) определяется проектировщиками сетей исходя из имеющихся средств, требуемой производительности и надежности взаимодействия. Все это не имеет отношения к функционированию операционных систем, является внешним по отношению к ним и в нашем курсе рассматриваться не будет.

В современных сетевых вычислительных комплексах решение вопросов организации взаимоисключений при использовании общей линии связи, как правило, также находится вне компетенции операционных систем и вынесено на физический уровень организации взаимодействия. Ответственность за корректное использование коммуникаций возлагается на сетевые адаптеры, поэтому подобные проблемы мы тоже рассматривать не будем.

Из приведенного перечня мы с вами подробнее остановимся на решении вопросов, приведенных в пунктах 3–5.

Понятие протокола

Для описания происходящего в автономной операционной системе в лекции 2 было введено основополагающее понятие «процесс», на котором, по сути дела, базируется весь наш курс. Для того чтобы описать взаимодействие удаленных процессов и понять, какие функции и как должны выполнять дополнительные части сетевых операционных систем, отвечающих за такое взаимодействие, нам понадобится не менее фундаментальное понятие – протокол.

«Общение» локальных процессов напоминает общение людей, проживающих в одном городе. Если взаимодействующие процессы находятся под управлением различных операционных систем, то эта ситуация подобна общению людей, проживающих в разных городах и, возможно, в разных странах.

Каким образом два человека, находящиеся в разных городах, а тем более странах, могут обмениваться информацией? Для этого им обычно приходится прибегать к услугам соответствующих служб связи. При этом между службами связи различных городов (государств) должны быть заключены определенные соглашения, позволяющие корректно организовывать такой обмен. Если речь идет, например, о почтовых отправлениях, то в первую очередь необходимо договориться о том, что может представлять собой почтовое отправление, какой вид оно может иметь. Некоторые племена индейцев для передачи информации пользовались узелковыми письмами – поясами, к которым крепились веревочки с различным числом и формой узелков. Если бы такое письмо попало в современный почтовый ящик, то, пожалуй, ни одно отделение связи не догадалось бы, что это – письмо, и пояс был бы выброшен как ненужный хлам. Помимо формы представления информации необходима договоренность о том, какой служебной информацией должно снабжаться почтовое отправление (адрес получателя, срочность доставки, способ пересылки: поездом, авиацией, с помощью курьера и т. п.) и в каком формате она должна быть представлена. Адреса, например, в России и в США принято записывать по-разному. В России мы начинаем адрес со страны, далее указывается город, улица и квартира. В США все наоборот: сначала указывается квартира, затем улица и т. д. Конечно, даже при неправильной записи адреса письмо, скорее всего, дойдет до получателя, но можно себе представить растерянность почтальона, пытающегося разгадать, что это за страна или город – «кв.162»? Как видим, доставка почтового отправления из одного города (страны) в другой требует целого ряда соглашений между почтовыми ведомствами этих городов (стран).

Аналогичная ситуация возникает и при общении удаленных процессов, работающих под управлением разных операционных систем. Здесь процессы играют роль людей, проживающих в разных городах, а сетевые части операционных систем – роль соответствующих служб связи. Для того чтобы удаленные процессы могли обмениваться данными, необходимо, чтобы сетевые части операционных систем руководствовались определенными соглашениями, или, как принято говорить, поддерживали определенные протоколы.

Необходимо отметить, что и локальные процессы при общении также должны руководствоваться определенными соглашениями или поддерживать определенные протоколы. Только в автономных операционных системах они несколько завуалированы. В роли таких протоколов выступают специальная последовательность системных вызовов при организации взаимодействия процессов и соглашения о параметрах системных вызовов.

Различные способы решения проблем 3–5, поднятых в предыдущем разделе, по существу, представляют собой различные соглашения, которых должны придерживаться сетевые части операционных систем, т. е. различные сетевые протоколы. Именно наличие сетевых протоколов позволяет организовать взаимодействие удаленных процессов.

При рассмотрении перечисленных выше проблем необходимо учитывать, с какими сетями мы имеем дело.

В литературе принято говорить о локальных вычислительных сетях (LAN – Local Area Network) и глобальных вычислительных сетях (WAN – Wide Area Network). Строгого определения этим понятиям обычно не дается, а принадлежность сети к тому или иному типу часто определяется взаимным расположением вычислительных комплексов, объединенных в сеть. Так, например, в большинстве работ к локальным сетям относят сети, состоящие из компьютеров одной организации, размещенные в пределах одного или нескольких зданий, а к глобальным сетям – сети, охватывающие все компьютеры в нескольких городах и более. Зачастую вводится дополнительный термин для описания сетей промежуточного масштаба – муниципальных или городских вычислительных сетей (MAN – Metropolitan Area Network) – сетей, объединяющих компьютеры различных организаций в пределах одного города или одного городского района. Таким образом, упрощенно можно рассматривать глобальные сети как сети, состоящие из локальных и муниципальных сетей. А муниципальные сети, в свою очередь, могут состоять из нескольких локальных сетей. На самом деле деление сетей на локальные, глобальные и муниципальные обычно связано не столько с местоположением и принадлежностью вычислительных систем, соединенных сетью, сколько с различными подходами, применяемыми для решения поставленных вопросов в рамках той или иной сети, – с различными используемыми протоколами.