Dise

1
Diseño de Servidores

• Cc52n 2005

2
Que es un Servidor

• Básicamente se puede definir como un proceso que
  da un servicio
• El servicio en general se describe por un
  protocolo
• Si es un servicio conocido (lisatado en la RFC
  por la IETF, ver http//www.ietf.org) también
  estará caracterizado por un port entre 1 y 1024
• Para contactar un servicio específico se requiere
  saber (host, port, protocolo)

3
Decisiones al diseñar un servidor

• Son realmente muchas y a todo nivel, por ejemplo
• qué tipo de comunicación uso
• con estado o sin estado
• iterativo o concurrente
• Lo programo yo mismo o uso algún soporte, por
  ejemplo, servidor web, servidor de aplicaciones
• si lo programo yo, uso algún tipo de middleware
• Las listadas acá se deberían tomar en ese órden

4
Requerimientos

• Robusto
• Extrema tolerancia a fallas
• Tolerancia a clientes mal intencionados
• ver ejemplo de servidor de archivos robusto
• Redundancia?
• Cache de datos
• Eficiente con el uso de recursos
• Extendible

5
Comunicación

• Orientado a la conexión
• brinda seguridad para la transmisión de datos
• lento, provoca congestión
• el más usado
• Sin conexión
• no garantiza seguridad
• rápido
• se usa en servidores de material pesado cuando
  requiere de transmisión
• Mensajes (con soporte)

6
Servidores Con o sin Estado

• Qué es el Estado ?
• El estado es la información que los servidores
  mantienen acerca de la interacción que se lleva a
  cabo con los clientes.
• Para qué ?
• Generalmente se hace más eficiente el
  comporatamiento de los servidores con
  información. Información muy breve mantenida en
  el servidor puede hacer más chicos los mensajes o
  permite producir respuestas más rápido.
• Y entonces por qué se evita a veces ?
• Es fuente de errores mensajes del cliente pueden
  perderse, duplicarse llegar en desorden. El
  cliente puede caerse y rebootear, con lo cual la
  información que tiene el servidor de él es
  errónea y también sus respuestas

7
Un ejemplo del servidor de Archivos

• El servidor espera que un cliente se conecte
  por la red. El cleinte puede mandar 2 tipos de
  requerimientos leer o escribir datos en un
  archivo. El servidor realiza la operación y
  retorna el resultado al cliente.
• Situación sin guardar información acerca del
  estado
• Para leer, el cliente debe siempre especificar
  nombre de archivo, posición en el archivo desde
  dónde debe extraer los datos y el número de bytes
  a leer.
• Para escribir debe especificar el nombre completo
  del archivo, el lugar donde quiere escribir y los
  datos que quiere escribir

8
Un ejemplo del servidor de Archivos (II)

• Situación guardardando información del estado

• Cuando el cliente abre un archivo se crea un
  entrada en la tabla. A la entrada se le asigna un
  handle para identificar el archivo y se le asigna
  la posición actual (inicialmente 0). El cliente
  recibe el handler como respuesta.
• Cuando el cliente quiere extrer datos adicionales
  le envia el handle y la cantidad de bytes. Esto
  es usado por el servidor para saber gracias a la
  tabla de dónde exactamente debe extraer los datos
  (debe actualizar la posición para que para la
  próxima vez se pueda hacer lo mismo).
• Cuando el cliente termina la lectura/escritura
  envía un mensaje para sea eliminada la entrada de
  la tabla

9
Otro ejemplo consulta bases de datos

• El cliente hace consultas a bases de datos.
  En la primera consulta el resultado es muy
  grande. Quiere refinar la consulta basada e los
  resultados obtenidos hasta ahora
• Situación sin guardar información acerca del
  estado
• El servidor debe mandar todo el resultado de la
  consulta al cliente, el cliente debe mantenerla
• El cliente debería ser capaz de hacer consultas
  localmente o si no mandar la query con el
  conjunto de resultados obtenidos la vez anterior

10
Otro ejemplo carro de compras

• El servidor espera que un cliente se conecte
  por la red. Consulte los productos que hay y vaya
  seleccionando productos. El cliente se mueve
  entre la búsqueda y la selección
• Situación sin guardar información acerca del
  estado
• La lista completa de items seleccionada por el
  cliente debe ser constantemente transmitida entre
  cliente y servidor

11
Otro ejemplo transacciones bancarias

• El servidor necesita que el cliente se
  identifique con username y password para hacer
  una transacción o consulta
• Situación sin guardar información acerca del
  estado
• Por cada transacción que quiere hacer el cliente
  se va a necesitar la información de
  autentificación del cliente

12
Problemas al mantener un estado

• En el servidor de Archivo ?
• En las consultas a una base de datos ?
• En un carro de compras ?
• En transacciones ?

13
Servidores concurrentes e iterativos

• Un servidor iterativo atiende a los clientes de a
  uno en un ciclo como en el programa que atiende
  pedidos de archivos
• Se acepta una conexión
• Se lee la petición
• Se lee desde el archivo y se escribe en el socket
  hasta encontrar una marca de fin de archivo
• El problema es que todo cliente tiene que esperar
  su turno para ser atendido
• Si uno de ellos pide un archivo muy grande los
  demás tienen que esperar
• La mayor parte de la espera es debido a
  operaciones de IO, hay capacidad de CPU ociosa !

14
Un servidor secuencial (iterativo) atendiendo a
más de un cliente
15
Durante la conversación no puede oír por el
puerto 4444
16
Sólo después de efectuar la transmisión se pone a
escuchar de nuevo por el 4444
17
Si el servicio consiste en transferir un archivo,
el cliente debe digitar el nombre
18
Qué sucede si el servidor tiene que esperar
mucho para que un cliente escriba el nombre de un
archivo?
19
Un Servidor Concurrente

• Un servidor concurrente atiende a varios clientes
  al mismo tiempo.
• Más aún, mientras está atendiendo sigue
  escuchando
• El problema es que todo cliente tiene que esperar
  su turno para ser atendido.
• Si uno de ellos pide un archivo muy grande los
  demás tienen que esperar
• La mayor parte de la espera es debido a
  operaciones de IO, hay capacidad de CPU ociosa!
• Se trata de crear un nuevo proceso o línea de
  ejecución cada vez que un cliente llega a pedir
  un servicio.

20
Servidores Comcurrentes hay procesos separados
para atender el puerto y para transferir el
archivo
21
Después que el cliente contacta al servidor, éste
crea otro proceso para para atender al cliente y
se queda escuchando el puerto 4444 por otro
22
Mientras el nuevo proceso está atendiendo al
primer cliente, el segundo cliente puede
contactar al servidor en el puerto 4444
23
Y el servidor crea otro proceso
24
Ahora un tercer cliente contacta al servidor
25
Y un tercer proceso esclavo o thread es creado
26
Algoritmo de Servidor Concurrente

• Programa principal o master del servidor
• 1. Crear un Socket de servidor
• En un ciclo infinito
• 2. Aceptar requerimientos de clientes
• 3. Cuando llega una petición de un cliente
  crear un nuevo proceso esclavo que atienda
  paralelamente la petición (esto no debe
  bloquear la ejecución del programa master del
  servidor)
• 4. Volver a 2.
• Proceso esclavo
• 1. Recibir los parámetros de la comunicación
  (socket o flujos de entrada y/o salida)
• 2. Atender al cliente (ej leer el nombre del
  archivo, transmitir el archivo)
• 3. Retornar (desaparecer !)

27
Cómo (y por qué) crear procesos paralelos

• Si existe sólo una CPU, Por qué crear procesos
  paralelos?
• Porque algunos programas se escriben más
  fácilmente así. De hecho, la programación de un
  servidor es a veces más fácil si se hace de esta
  manera.
• Porque sí hay más de un procesador !!!!!
  (dónde?)
• El concepto de procesos paralelos implentados a
  nivel de S.O. aparecen con UNIX y C.
• La forma de crearlos es ejecutando una función
  llamada fork()
• int i fork() provoca que se cree un proceso
  exactamente igual al que se está ejecutando.
• La única diferencia es que en el proceso hijo (el
  nuevo creado) la variable i vale cero. Esto se
  usa para saber quién soy yo.
• En programación de servidores concurrentes, si
  soy el hijo ejecuto la parte que corresponde al
  proceso esclavo.
• Si soy el padre (i tiene un valor distinto de
  cero y es el id del proceso hijo creado) sigo
  recibiendo peticiones

28
Ejemplo de procesos paralelos en C (muy
simplificado)

• main()
• int pid, msock, ssock
• sock passivesock(port, tcp, qlen)
• / ver capítulo 10.4 del libro Internetworking
  with tcp/ip de Douglas Commer para ver cómo se
  implementa /
• while(1)
• ssock accept(msock, fsin, alen)
• pid fork()
• if (pid 0)
• atender al cliente
• retornar

29
Problemas con el fork() en UNIX

• La creación del proceso paralelo es costosa en
  tiempo.
• En algunos textos se sugiere que se podrían crear
  los procesos paralelos al levantar el servidor.
  Cuando llegue un cliente simplemente se le pasan
  los datos por medio de un pipe que se crea entre
  el proceso padre y el proceso hijo
• El proceso paralelo duplica exactamente todo el
  ambiente en el cual estaba corriendo el proceso
  original, incluso aquellas variables que no
  necesita !!!
• No es fácil manejar procesos paralelos, ya que si
  no se terminan en forma normal pueden quedar
  consumiendo recursos indefinidamente.
• La única información que tiene el padre para
  controlarlos es su identificación al crearlos.
• Muchas veces se prefiere usar el método select,
  que lo que hace es preguntar de una serie de
  puntos de lectura de datos (en este caso sockets)
  cuál está listo para ser leído este puede ser
  uno de los sockets de comunicación con cliente
  (en un arreglo) o el socket por donde se escuchan
  las peticiones (recordar que el IO es lo más
  lento en todo esto)

30
En JAVA se prefiere usar Threads

• Un thread es una secuencia o flujo de de
  instrucciones que se ejecutan dentro de un
  programa. Tiene un comienzo y un fin. Entonces
  qué diferencia tiene con un proceso?
• El thread sólo puede ser creado dentro de un
  proceso. Y un proceso (programa) puede crear
  varios threads dentro de él que se ejecutan en
  paralelo.
• Entonces, qué diferencia tiene con el fork(). El
  programa principal está conciente de los
  threads que existen, hay variables que los
  identifican. Pueden ser creados, inicializados,
  suspendido, reactivados o parados por el el
  programa que los creó.
• El programa principal puede darles parámetros
  distintos a cada thread. Los thread se pueden
  programar con la canatidad de variables
  necesarias para su ejecución (no lo heredan TODO).

31
Usando threads para atender multiples clientes de
un Servidor de Sockets

• La forma de implementar servidores que atiendan a
  varios clientes paralelamente a la vez es
  combinando threads con sockets.
• El servidor abre un ServerSocket desde donde oye
  cualquier intento por conectarse con él de un
  cliente.
• Una vez establecida la conexión, abre un socket
  normal e inicia un thread que atiende a este
  cliente. El socket abierto se pasa como
  parámetro. De esa manera puede seguir oyendo por
  el ServerSocket sin estar bloqueado.
• El thread tiene un método run que atiende los
  pedidos del cliente.
• El cliente se conecta al servidor sin saber que
  finalmente será un socket el que está
  atendiéndolo.

32
Un ejemplo clásico de servidores un Servidor de
Archivos
Servicio de Directorio
Aplicación
Servicio plano de archivo (flat)
Módulo Cliente
33
Componentes

• Flat File Service Implementa las operaciones
  directamente sobre los archivos. Trabaja con
  Unique File Identifieres (UFID). Se genera uno
  nuevo por cada archivo
• Directory Services Cliente de el FFS, provee un
  mapeo entre los UFID y los nombre textuales de
  los archivos y las funciones necesarias para
  administrar directorios y obtener las UFID. Los
  directorios se guardan como archivos planos.
• Módulo Cliente Corre en cada computador, integra
  y extiende las operaciones del FFS y DS en una
  aplicación interfaz usada por los programadores.
  Posee información acerca de la localización de
  archivos en la red. Provee eficiencia a través de
  un cache

34
Modelo de Interfaz para FFS

• read(FileId, i, n) le hasta n bytes de un
  archivo a partir de la posición i los que retorna
  en un arreglo
• write(FileId, i, Datos) escribe la secuencia de
  datos en el archivo a partir de la posición i
  extendiéndolo en caso
• create() crea un archivo nuevo de largo 0 y
  devuelve el UFID para él
• delete(FileId) borra el archivo
• getAttributes(FileId) retorna una estructura
  con los atributos
• setAttributes(FileId, attr) pone los atributos
  según la estructura

35
Controles de acceso

• En un sistema local el chequeo se hace sólo al
  abrir el archivo y los derechos se conservan
• en un sistema distribuido los chequeos se deben
  hacer a nivel de servidor. Para que el servidor
  siga siendo stateless se pueden usar 2
  estrategias
• El chequeo se hace cuando el nombre es convertido
  en UFID y el resultado es codificado en forma de
  capacidad que se retorna al cliente, el cual lo
  usa para futuros accesos
• La identificación del usuario se hace cada vez
  que se manda un request y el chequeo se hace para
  cada operación
• El segundo es más usado (en NFS y AFS) por su
  simplicidad, pero ninguno garantiza seguridad en
  el caso de identidad suplantada

36
Modelo de interfaz para Directory Service

• Lookup(Dir, File) localiza el nombre de texto en
  el directorio y retorna el UFID
• AddName(Dir, Name, File) Si Name no estaba en el
  directorio dado añade el par (Name,File) en el
  directorio modificando el archivo pertinente
• UnName(Dir, Name) el par (Name, file)
  correspondiente es borrado del directorio
• getNames(Dir) retirna la lista de nombres que
  contiene un directorio

37
Ejemplo 1 el NFS
Aplicación
Sistema Virtual
Sistema Virtual
Server NFS
Sist Local
Sist Local
Client NFS
38
Características de NFS

• La comunicación es por medio de RPC y es abierta
  en el servidor, que reside en el kernel
• La identificación de archivos es por medio de los
  llamados file handters consistentes en
• Filesystem identifier
• i-node number or file
• i-node gerneration number
• El estado se guarda en el cliente en un v-node
• Autentificación del cliente en cada llamada
  mandando user ID y group ID
• Los servicios de flat file y directory están
  integrados
• El servicio de mount provee un link a un sistema
  remoto

39
Cache en NFS

• Cache en Unix buffer cache, read ahead, delayed
  write
• Cache en Server datos de escritura se guardan en
  memoria cache y son escritas antes del reply al
  cleinte. En la versión 3 se guarda todo en cache
  hasta que se recibe la operación commit para ese
  archivo (buffer lleno o close)
• Cache en el servidor resultados de read, write,
  getattr, lookup y readdir se almacenan
  localmente, lo cual puede introducir
  inconsistencias en versiones en los distintos
  clientes ya que escrituras de un cliente no se
  actualizan en seguida en los otros. Los clientes
  son entonces responsables de mantener
  actualizados sus caches por medio de timestamps
  Tc tiempo de la última actualización, Tm tiempo
  de modificación. A un tiempo T el cache será
  válido si (T - Tc lt t) o (Tmcliente Tmserver).
  Normalmente 3-30 seg para archivos y 30-60 para
  directorios

40
Ejemplo 2 El AFS

• Apunta a lograr mejor performance en situaciones
  de escalabilidad
• Whole-file serving El contenido de todo los
  directorios archivos son traspasados al cleinte
• Whole-file caching Los archivos transmitidos son
  guardados en cache local. Normalmente varios
  cientos de archivos ! El cache es casi
  permanente.
• Cuando se hace un open del archivo se transmite
  el archivo entero si no estaba
• las operaciones de escritura/lectura se hacen
  localmente
• Con el close, se transmite una copia modificada
  al servidor
• Debe

41
Consistencia del Cache

• Cada vez que se traspasa un archivo del servidor
  a un cliente se provee de una promesa de
  callback, que garantiza que cuando otro cliente
  modifique el archivo este será notificado
• El callback puede estar en dos estados valido o
  cancelado
• Cuando el archivo es traspasado al cliente el
  callback se pone en válido. Cuando se recibe un
  callback del servidor (porque el archivo fue
  modificado) se pone en cancelado
• Cada vez que el cliente abre un archivo busca si
  está en su cache. Si está se revisa el callback.
  Si está cancelado se trae una copia nueva del
  archivo, si está válido, se usa el archivo del
  cache
• Si la estación de trabajo se reinicia (por que se
  apagó o se cayó) pide para cada archivo de su
  cache el timestamp de la última modificación
• si la última modificación es consistente con la
  copia se pone el callback en válido, si no en
  cancelado