背景概述

通信问题

Design Issues for IPC

可靠性

Reliability

在消息传递过程中，可能会出现消息丢失或乱序 (lost and scrambled messages)。

因此需要具备相应的机制来确保消息的可靠传递 (ensure message sequences arrive correctly)，比如使用：

• 序列号 (sequence number)：发送方给每个数据包分配一个唯一的序列号，接收方可以通过序列号对数据包进行排序和重组。序列号还可以用于检测丢失的数据包和重复的数据包。

• 超时/应答/重传 (timeouts/acks/retrans mission)：发送方发送数据包后，会设置一个超时时间。如果在超时时间内没有收到接收方的确认 (ACK)，则认为该数据包可能丢失，发送方会重新发送该数据包。

安全性

Security

在公共网络上，通常希望对消息进行编码 (Encryption)，以便只有通信双方能够阅读其内容。

SSL (Secure Sockets Layer) 和 IPSec (Internet Protocol Security) 是常用的加密协议，它们提供了安全的通信通道。

同步性

Synchronisation

• 阻塞发送
Blocking Send，发送进程在执行发送操作时会被阻塞，直到将消息传递给接收进程。

• 阻塞接收
Blocking Receive，接收进程在执行接收操作时会被阻塞，直到接收到一条有效的消息。

• 非阻塞发送
Non-Blocking Send，发送进程发送一条消息后，继续执行其他任务，消息在后台传递。

• 非阻塞接收
Blocking Receive，接收进程执行接收操作时会立即返回，无论是否有可用的消息。
如果有可用消息，则接收进程获取消息；否则，接收操作返回一个特定的空值。

缓冲方式

Buffering，进程通信可能涉及大量的数据传输，需要考虑如何合理地进行数据缓冲和流量控制，以避免数据的积压或拥塞问题。

它是实现非阻塞的必要条件，允许发送方在消息传递过程中不受接收方的限制，而可以继续执行其他任务。它提供了一个临时存储区，用于存放发送的消息，直到接收方准备好接收。

• 零容量: 表示没有任何缓冲区，发送方必须等待接收方

• 无限容量：允许存储任意大小的消息，发送方不需要等待

• 有限容量：限制了可以存储的消息数量（通信链路缓冲队列满时，发送方需要等待）
• Link，指连接两个节点或设备的物理或逻辑通道。它可以是通过电缆、光纤、无线信号等媒介实现的物理连接，也可以是通过网络协议在逻辑上建立的连接。

消息包大小

Message packet，通信系统中传输数据的基本单位。它将数据按照一定的格式封装成一个完整的单元，以便在网络中传输和交换。

• 固定大小的消息包 (Fixed sized message)：每个消息都具有相同的固定字节大小。这种类型的消息包更容易进行缓冲和管理，也有助于有效地利用带。因为接收方可以预先分配固定大小的缓冲区来接收消息，进行带宽管理和调度。

• 有类型的消息包 (Typed message)：消息具有明确定义的数据类型，在强类型语言环境中很有用，确保在发送和接收消息时进行类型检查和一致性验证，以减少数据错误和不一致性。

共享内存

这种通信方式通常需要在同一台主机上，允许多个进程共享同一块内存区域，而无需进行复制或数据传输。

• Implicit communication through read/write operations. Highly efficient , no communication protocols.
• 直接读取和写入共享内存中的数据，无需显式地发送或接收消息。

• Need synchronization mechanisms.
• 由于多个进程同时访问共享内存，需要采取同步机制来确保数据的一致性和正确性。

消息传递

Message passing，一种进程直接通过发送 (send) 和接收 (recieve) 消息进行信息交换的机制。每个进程都有自己的独立地址空间，不共享内存，通过共享实体（进程，线程等），每个实体都有自己的数据和状态。

间接通信

通过系统调用和内核的中转，来相互传递消息

管道

代码参考 Lab 5

一种半双工的通信方式，数据只能在一个方向上进行传输。

它可表示为两个文件描述符（分别代表读写端）加一段内核空间中的内存。

无名管道

Unnamed Pipe，只支持父子进程和兄弟进程间的通信

• 它没有文件系统中的对应文件，只存在于内存中。

• 只能实现单向通信，只能一端选择写，另一端选择读（不能改变）
通常管道两端的进程会各自关闭管道的一个文件描述符，如
• 父进程关闭读描述符，只能向管道写数据；子进程关闭写描述符，只能从管道读数据
• 父进程关闭写描述符，只能向管道读数据；子进程关闭读描述符，只能从管道写数据``

命名管道

Named Pipe，也称 FIFO (First in, First out)，支持任意两个进程间的通信

• 它在磁盘上有对应的节点，但没有数据块，只是拥有一个名字和相应的访问权限。
即它在文件系统中虽然可见，可以视为一种特殊文件，但是仍只在内存当中。

• 可以实现双向通信，两端都可以选择读或写（交替操作），但本质在给定的时刻只能进行单向通信。即当前可以选择 端写 端读，过一会选择 端写 端写，但 端不能同时读写。

消息队列

代码参考 Lab 5

Message Queue，一种操作系统维护的以结构数据为基本单位的通信机制

• 每个消息 (Message) 是一个字节序列，有自己的类型标识
相同类型标识的消息组成按先进先出顺序组成一个队列

• 消息队列允许进程以整个消息的形式异步地 (asynchronously) 交换数据，无需等待对方的到达。消息具有关联的优先级，按优先级顺序排队。

主要 API

• mq_open() : creates a new message queue or opens an existing queue, returning a message queue descriptor for use in later calls.

• mq_send() : writes a message to a queue.

• mq_receive() : reads a message from a queue.

• mq_close()

• mq_unlink() : removes a message queue name and marks the queue for deletion when all processes have closed it.

内部结构

在C语言中，struct 是一种自定义的数据类型，用于组合多个不同类型的变量（成员）在一个逻辑实体中。

struct mq_attr {

• long mq_flags; : flags 0 or O_NONBLOCK semantics

• long mq_maxmsg; : max number of messages on queue

• long mq_msgsize; : max message size (in bytes)

• long mq_curmsgs; : num messages currently in queue

};

mq_getattr()

示例代码

套接字

代码参考 Lab 6

Network Socket，一种底层的网络编程接口

沿着消息传递路径的每个点上都必须运行一个“能够理解相同消息协议”的通信子系统，即客户端和服务器之间建立连接需要使用特定的协议，如 TCP/IP 或 UDP。

• bind() : Associate socket with named IP port

• listen() : Marks the socket as a passive socket that will be used to accept incoming connection requests using accept.

 

在套接字通信中，可以根据性能需求来权衡可靠性和传递速度，选择不同方式：

• 数据报 (Datagram)：无连接的方式，每个消息都是独立的实体，类似于发送邮件。传递速度较快，但可靠性较低，因为消息可能会丢失或乱序。

• 连接导向 (Connection-Oriented)：建立了一个稳定的连接通道，类似于打电话。可以通过这个连接传递多个消息，并确保它们按顺序到达目标。连接导向方式提供了更高的可靠性，但可能会牺牲一些传递速度。

远程过程调用

代码参考 Lab 6

Remote procedure call，RPC

一种在 Socket 的基础上构建的通信机制（底层通常使用 Socket 来进行数据传输），允许开发人员像调用本地函数一样调用远程函数，而无需关心底层的网络通信细节。

(Comms, Communications) Stub

存根，指一个用于简化真实通信组件的占位实现。比如提供与服务器相似的接口，模拟网络协议等，以便进行应用程序的开发和测试。

工作原理

（待补充，Lecture9 的 ）

• Find the server’s port address

• Data Format Translation

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🔴 远程方法调用：Remote Method Invocation, RMI，用于实现 RPC 的 Java API，其原理与 RPC 基本一致，只不过是针对面向对象的环境。

总结