O sistema operacional de rede heterogêneo HetNOS

Abstract

O advento dos computadores pessoais e posteriormente das estações de trabalho, somado ao desenvolvimento de hardware de comunicação eficiente e de baixo custo, levou a popularização das redes locais. Entretanto, o software não presenciou o mesmo desenvolvimento do hardware, especialmente devido a complexidade dos sistemas distribuídos. A heterogeneidade das máquinas, sistemas e redes, inerente aos ambientes computacionais modernos, restringe igualmente a integração e cooperação entre os nodos disponíveis. 0 objetivo do presente trabalho é, a partir da análise dos principais aspectos relacionados à distribuição e à heterogeneidade, desenvolver um sistema operacional de rede heterogêneo. Tal sistema, denominado HetNOS (de Heterogeneous Network Operating System), permite o desenvolvimento e validação de aplicações distribuídas homogêneas e heterogêneas de forma rápida e fácil. Os usuários podem concentrar-se nos aspectos de distribuição dos algoritmos, abstraindo detalhes dos mecanismos de comunicação, pois a programação de aplicações distribuídas é baseada em uma plataforma de interface homogênea, fácil de usar e com independência de localidade. Sendo um sistema operacional de rede, o HetNOS atua sobre o conjunto de sistemas operacionais nativos existentes; o ambiente de trabalho e estendido e não substituído. Não há entidades nem informações centralizadas, e os algoritmos são distribuídos, usualmente resultando maior confiabilidade e desempenho. A topologia do sistema é um anel lógico, esquema justificado pela generalidade de tal configuração e pela simplificação do projeto do núcleo distribuído do HetNOS. O paradigma de comunicação entre módulos e a troca de mensagens, mecanismo implementado sobre a interface de programação em rede sockets. Não há compartilhamento de memória em nenhuma instância, tornando o sistema mais legível, manutenível e portável. A interpelação entre módulos fica restrita à interface de mensagens definidas e aceitas por cada módulo. A arquitetura do HetNOS é estruturada e distribuída, pois o sistema é composto de camadas hierárquicas subdivididas em módulos, estes implementados com processos. O nível 1 corresponde ao conjunto de núcleos de sistemas operacionais nativos suportados, sobre o qual é implementado o núcleo distribuído heterogêneo do HetNOS, a DCL (Distributed Computing Layer). O principal serviço fornecido pela DCL (executada no nível 2), é um subsistema de troca de mensagens canônico e independente de localidade. Processos servidores e de usuários podem utilizar as mais variadas formas de comunicação por mensagens, tal como envio, recepção e propagação de mensagens síncronas, assíncronas, bloqueantes e não bloqueantes. No nível 3 estão os servidores do sistema, que estendem e implementam de forma distribuída a funcionalidade do sistema nativo. O Servidor de Nomes é o repositório global de dados, servindo a processos do sistema e de usuários. O Servidor de Autorização implementa o esquema de controle no acesso a recursos do sistema. O Servidor de Tipos permite que aplicações copiem dados estruturados de forma independente de localidade e de arquitetura. Por fim, o Servidor de Arquivos estende os serviços (de arquivos) locais de forma a integrá-los em um único domínio (espaço). No nível 4, arquiteturas e sistemas operacionais são emulados por módulos interpretadores (denominados Emulators). Aplicações de usuários estão espalhadas dos níveis 2 a 5; a camada varia com o tipo de aplicação. Para demonstrar a viabilidade do sistema, implementou-se a estrutura fundamental do HetNOS, incluindo a DCL (um núcleo distribuído heterogêneo), a versões básicas dos módulos servidores, as bibliotecas de procedimentos, além de diversos tipos de aplicações. O sistema conta hoje com mais de 25.000 linhas de código fonte C em mais de 100 arquivos. O desempenho do subsistema de comunicação implementado pela DCL (em avaliações com diferentes configurações de hardware) superou as expectativas iniciais, mas ainda está muito aquém do necessário a aplicações distribuídas. Segundo o que indicam as primeiras experiências realizadas, o HetNOS será bastante útil na prototipação e avaliação de modelos distribuídos, assim como na programação de software distribuído homogêneo e heterogêneo. Projetos de pesquisa do CPGCC envolvendo sistemas distribuídos (p.ex., tolerância a falhas e simulações) podem utilizar o HetNOS como ferramenta para implementação e validação de seus modelos. Futuramente, aplicações distribuídas e paralelas de maior porte poderão ser programadas, como sistemas de gerencia de bases de dados distribuídas, simuladores e sistemas de controle para automação industrial.

The advent of personal computers and, later, of workstations, along with the development of efficient and low-cost communication hardware has led to the popularization of local-area networks. However, distributed software did not experiment the same development of hardware, specially due to the complexity of distributed systems. The machine, system and communication network heterogeneity, inherent to the modern computing environments, is also responsible for the lack of integration and cooperation of available nodes. The purpose of this work is, from the analysis of the main aspects related to distribution and heterogeneity, to design a heterogeneous network operating system. Such system, named HetNOS (which stands for Heterogeneous Network Operating System), allows users to quickly write and validate distributed homogeneous and heterogeneous applications. Users can concentrate their work in the distributed aspects, abstracting communication mechanisms' details, because programming of distributed applications is based on a homogeneous interface platform, easy to use and location-independent. Being a network operating system, HetNOS acts over the set of native operating systems; the environment is extended instead of substituted. There are neither centralized information nor entities, and the algorithms are always distributed, usually yielding more reliability and performance. The HetNOS topology is a logical ring, scheme adopted partly due to the generality of such configuration and partly to simplify the HetNOS distributed kernel design. The communication paradigm between modules is the message exchange, a mechanism implemented over the sockets network application programming interface. There is no shared memory at all, making the system clearer, more manutible and portable. The interrelation between modules is restricted to the message interface defined and accepted by a module. The HetNOS architecture is structured and distributed, as the system is composed of hierarchical layers divided into modules, which in their turn are realized as processes. The layer 1 is the set of native operating system kernels, over which is implemented the distributed heterogeneous HetNOS kernel, namely DCL (states for Distributed Computing Layer). The main service provided by DCL (in layer 2) is a canonical, location-independent, message exchange mechanism. Server and user processes may use multiple forms of message primitives, such as synchronous, asynchronous, blocking and non-blocking send and receive. In the layer 3 are the system servers, which extend and implement in a distributed way the functionality of native systems. The name server is a global data repository, serving other system and user processes. The authorization server implements the security scheme to control the access to the system resources. The type server allows applications to transfer structured data independently of location and architecture. Finally, the file server extends the local (file) services to integrate them into a unique domain (space). In the layer 4, architectures and operating systems are emulated by interpreter modules (named Emulators). User applications are spread over the layers 2 to 5, depending on the application type. In order to prove the system viability, the fundamental HetNOS structure has been implemented, including its distributed heterogeneous kernel, the base of server modules, the procedure libraries, and several types of applications. The system source code has over 25,000 lines of C programming distributed over a hundred files. Although the optimization is an endless process, the performance of the DCL communication subsystem (evaluated using a few different hardware configurations) overestimated initial predictions, but is weak if considered the requirements to distributed processing. Accordingly to the first experiences made, HetNOS will be of great value to evaluate and prototype distributed models, as well as to the programming of homogeneous and heterogeneous distributed software. Local research projects involving distributed systems (e.g., fault tolerance and simulations) may use HetNOS as a tool to validate and implement their models. In the future, more complex distributed and parallel applications will be programmed, such as a distributed database management system, simulators and factory automation control systems.