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Tema 4
El paradigma cliente-servidorF. García-Carballeira, Mª. Soledad Escolar,
Luis Miguel Sánchez, Fco. Javier García
Sistemas Distribuidos
Grado en Ingeniería Informática
Universidad Carlos III de Madrid
Contenido
� Conceptos básicos
� Tipo de servidores
� Servidores secuenciales y concurrentes
� Servidores orientados a conexión y sin conexión
� Servidores con/sin información de estado
F. García-Carballeira, Mª. Soledad Escolar, Luis Miguel Sánchez, Fco. Javier García
Este obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-CompartirIgual 3.0 España.
� Sesión:
� interacción entre cliente y servidor
� Ejemplo:
� Cliente-servidor con paso de mensajes
� Guía de desarrollo de aplicaciones cliente-servidor
2
Una definición simple …
“El software del servidor acepta peticiones de
F. García-Carballeira, Mª. Soledad Escolar, Luis Miguel Sánchez, Fco. Javier García
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“El software del servidor acepta peticiones deservicio desde el software del cliente, calcula elresultado y lo devuelve al cliente”
3
Participantes
� Elementos de computación:
� Cliente
� Servidor
� Red de interconexión
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Red de interconexión
4
Máquina cliente
Máquina del servidor
2) Respuesta
1) Petición
Ejemplo: HTTP
Cliente Servidor
1) Petición:http://www.arcos.inf.uc3m.es
2) Respuesta
1) Petición: 2) Respuesta:
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1) Petición:GET /index.html HTTP/1.1 Host: www.example.com User-Agent: nombre-cliente [Línea en blanco]
2) Respuesta:HTTP/1.1 200 OK Date: Fri, 31 Dec 2003 23:59:59 GMT Content-Type: text/html Content-Length: 1221
<html> <body>
<h1>Página www.uc3m.es</h1> (Contenido) . . . </body> </html>
Acceso distribuido vs.
computación distribuida
La computación de tipo cliente-servidor
es acceso distribuido
no computación distribuida !!!
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no computación distribuida !!!
6
Cliente-Servidor
� Asigna roles diferentes a los procesos que comunican: cliente y servidor
� Servidor:
� Ofrece un servicio
� Elemento pasivo: espera la llegada de peticiones
� Cliente:
� Solicita el servicio
� Elemento activo: invoca peticiones
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� Elemento activo: invoca peticiones
...
Petición de servicio
Proceso servidorProceso cliente
Servicio
Servidor Cliente 1
Cliente 2
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Conceptos previos
� El modelo cliente-servidor es una abstracción eficiente para facilitar los servicios de red
� La asignación de roles asimétricos simplifica la sincronización
� Implementación mediante:
� Sockets
Llamada a procedimientos remotos (RPC)
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� Llamada a procedimientos remotos (RPC)
� Invocación de métodos remotos (RMI, CORBA, …).
� Paradigma principalmente adecuado para servicios centralizados
� Ejemplos: servicios de Internet (HTTP, FTP, DNS, … )
8
Tipos de servidores de aplicaciones
� En función del número de peticiones que es capaz de atender:
� Secuencial: una petición
� Concurrente: múltiples peticiones atendidas al mismo tiempo
� En función de si existe una conexión preestablecida con el cliente
� Servidores orientados a conexión
� Servidores NO orientados a conexión
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� Servidores NO orientados a conexión
� En función de si almacena o no el estado de la comunicación
� Servidores con estado
� Servidores sin estado
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Modelo de servidor secuencial
� El servidor sirve las peticiones de forma secuencial
� Mientras está atendiendo a un cliente no puede aceptar peticiones de más clientes
petición
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Cliente
petición
respuesta
servidor
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Flujo de ejecución de un servidor
secuencial
Inicio de servicio
Aceptar petición de
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Aceptar petición de sesión
Procesar la petición del cliente
Servidor secuencial
Flujo de ejecución de un servidor
secuencial
Obtener el resultado
Inicio de servicio
Aceptar petición de
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Servidor secuencial
resultado+
Devolver la respuesta al cliente
Aceptar petición de sesión
Procesar la petición del cliente
Cliente-Servidor secuencial
Servidor Cliente 1
Cliente 2
Solicitud de conexión
Sesión de servicio
while(){aceptar_peticion()tratar_peticion()
}
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Cliente n
servicio
Cliente-Servidor secuencial
Servidor Cliente 1
Cliente 2
Solicitud de conexión
Sesión de servicio
while(){aceptar_peticion()tratar_peticion()
}
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Cliente n
servicio
Cliente-Servidor secuencial
Servidor Cliente 1
Cliente 2
Solicitud de conexión
Sesión de servicio
while(){aceptar_peticion()tratar_peticion()
}
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Cliente n
servicio
Modelo de servidor concurrente
� El servidor crea un hijo que atiende la petición y envía la respuesta al cliente
� Se pueden atender múltiples peticiones de forma concurrente
peticiónservidor
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Cliente
respuesta
Crea un procesohijo
Proceso hijo
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Flujo de ejecución de un servidor
concurrente
Servidor concurrente
Inicio de servicio
Aceptar petición de sesión
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Procesar la petición del cliente 1
Crear threadTrabajador 1
Procesar la petición del cliente 2
Crear threadTrabajador 2
Procesar la petición del cliente n
Crear threadTrabajador n
fin
fin
fin
Flujo de ejecución de un servidor
concurrente
Servidor concurrente
Inicio de servicio
Aceptar petición de sesión
Obtener el resultado
+Devolver la
respuesta al cliente
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Procesar la petición del cliente 1
Crear threadTrabajador 1
Procesar la petición del cliente 2
Crear threadTrabajador 2
Procesar la petición del cliente n
Crear threadTrabajador n
fin
fin
fin
Cliente-Servidor concurrente
while(){
aceptar_peticion()pthread_create()
}
Servidor Cliente 1
Cliente 2
Solicitud de conexión
Sesión de
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Cliente n
Sesión de servicio
Cliente-Servidor concurrente
Servidor Cliente 1
Cliente 2
Solicitud de conexión
Sesión de
while(){
aceptar_peticion()pthread_create()
}
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Cliente n
Sesión de servicio
Cliente-Servidor concurrente
Servidor Cliente 1
Cliente 2
Solicitud de conexión
Sesión de
while(){
aceptar_peticion()pthread_create()
}
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21
Hilo 1
Cliente n
Sesión de servicio
Cliente-Servidor concurrente
Servidor Cliente 1
Cliente 2
Solicitud de conexión
Sesión de
while(){
aceptar_peticion()pthread_create()
}
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Hilo 1
Cliente n
Sesión de servicio
Cliente-Servidor concurrente
Servidor Cliente 1
Cliente 2
Solicitud de conexión
Sesión de
while(){
aceptar_peticion()pthread_create()
}
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Hilo 1
Cliente n
Sesión de servicio
Hilo 2
Cliente-Servidor concurrente
Servidor Cliente 1
Cliente 2
Solicitud de conexión
Sesión de
while(){
aceptar_peticion()pthread_create()
}
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Hilo 1
Cliente n
Sesión de servicio
Hilo 2
Cliente-Servidor concurrente
Servidor Cliente 1
Cliente 2
Solicitud de conexión
Sesión de
while(){
aceptar_peticion()pthread_create()
}
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Hilo 1
Cliente n
Sesión de servicio
Hilo 2
Hilo n
Cliente-Servidor concurrente
Servidor Cliente 1
Cliente 2
Solicitud de conexión
Sesión de
while(){
aceptar_peticion()pthread_create()
}
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Hilo 1
Cliente n
Sesión de servicio
Hilo 2
Hilo n
� Distintas arquitecturas de SW para construir servidores paralelos:
� Un proceso distribuidor que acepta peticiones y las distribuye entre un pool de procesos ligeros
� Cada proceso ligero realiza las mismas tareas: aceptar peticiones, procesarlas y devolver su resultado
� Segmentación: cada trabajo se divide en una serie de fases, cada una de ellas se procesa por un proceso ligero especializado
Diseño de servidores concurrentes
mediante threads
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Trabajador
Núcleo Sol
icitu
des
Núcleo Sol
icitu
des
E/SNúcleo
Distribuidor
Sol
icitu
des
E/S E/S
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@Fuente : Jesús Carretero, Félix García, Pedro de Miguel y Fernando Pérez. Mc Graw Hill
Servidores orientados a conexión
� En un servicio orientado a conexión, el cliente y el servidor establecen una conexión (que puede ser lógica), posteriormente insertan o extraen datos desde esa conexión, y finalmente la liberan
� El flujo de tráfico se representa mediante un identificador de conexión
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conexión
� Los datos no incluyen información sobre la conexión establecida
� Direcciones origen y destino
� Ejemplo: TCP
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Servidores sin conexión
� En un protocolo no orientado a conexión los datos son intercambiados usando paquetes independientes, auto-contenidos, cada uno de los cuales necesita explícitamente la información de conexión
� No existe acuerdo previo
� Ejemplo: IP, UDP
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� Ejemplo: IP, UDP
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Concepto de sesión
� Sesión: Interacción entre cliente y servidor
� Cada cliente entabla una sesión separada e independiente con el servidor
� El cliente conduce un diálogo con el servidor hasta obtener el servicio deseado
El servidor ejecuta indefinidamente:
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� El servidor ejecuta indefinidamente:
� Bucle continuo para aceptar peticiones de las sesiones de los clientes
� Para cada cliente el servidor conduce una sesión de servicio
Protocolo de servicio
� Se necesita un protocolo para especificar las reglas que deben observar el cliente y el servidor durante una sesión de servicio
� En cada sesión el diálogo sigue un patrón especificado por el protocolo
� Los protocolos de Internet están publicados en las RFCs
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� Los protocolos de Internet están publicados en las RFCs
� Definición del protocolo de servicio:
� Localización del servicio
� Secuencia de comunicación entre procesos
� Representación en interpretación de los datos
Tipos de servidores
� Servidores sin estado:
� Cada mensaje de petición y respuesta es independiente de las demás
� Ejemplo: HTTP
� Servidores con estado:
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� Servidores con estado:
� Debe mantener información de estado (por ej. anteriores conexiones de clientes) para proporcionar su servicio
� Cada petición/respuesta puede depender de otras anteriores
� Ejemplo: Telnet
Información de estado
� Información de estado global
� El servidor mantiene información para todos los clientes durante la vida del servidor
� Ejemplo: servidor de tiempo
� Información de estado de sesión
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� Información de estado de sesión
� El servidor mantiene información específica para cada sesión iniciada por los clientes
� Ejemplo: FTP (File Transfer Protocol)
Arquitectura de SW
� La arquitectura de SW de una aplicación cliente-servidor consta de tres niveles:
� Nivel de presentación: cliente y servidor precisan una interfaz de usuario
� Nivel de lógica de aplicación: en el lado del servidor necesita procesarse la petición del cliente, calcular el resultado y devolverlo al cliente. En el lado del cliente se necesita enviar al servicio la petición del usuario y procesar el resultado (por ejemplo, mostrarlo por pantalla)
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procesar el resultado (por ejemplo, mostrarlo por pantalla)
� Nivel de servicio: los servicios requeridos para dar soporte a la aplicación son (1) en el servidor aquellos que permiten procesar la petición y 2) el mecanismo de IPC
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Interfaz de usuario
Lógica de presentación
Arquitectura de las aplicaciones
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Lógica de aplicación
Lógica de servicio
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¿Donde se ejecutan las tareas?
� En el software del cliente (lado del cliente)
� En el software del servidor (lado del servidor)
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Responsabilidades en el cliente
� Cliente:
� Genera un mensaje de petición de servicio
� Se conecta al servidor (dirección IP y puerto) [Solo orientado a conexión]
� Envía el mensaje de petición de servicio
� Espera por la respuesta
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� Espera por la respuesta
� Procesa la respuesta: imprimir, almacenar, etc.
� Desconexión [Solo orientado a conexión]
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Responsabilidades en el servidor
� Servidor:
1. Espera conexiones entrantes de los clientes
� Una conexión entrante es una petición de servicio
2. Por cada conexión:
� Genera un thread de servicio [Solo servidores concurrentes]
� El proceso principal:
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� El proceso principal:
� Vuelve a esperar por nuevas conexiones entrantes
� El thread de servicio:
1. Procesa la petición
2. Calcula el resultado
3. Devuelve la respuesta al cliente
4. Finaliza su ejecución
38
Aplicaciones cliente-servidor usando colas
de mensajes
� Modelo proceso ligero distribuidor:
� Cada petición al proceso ligero distribuidor supone la creación de un proceso ligero trabajador
� El proceso ligero trabajador responde al proceso cliente
� Procesa la petición
� Envía la respuesta al servidor
Una vez finalizada la sesión con el cliente, el proceso ligero se destruye
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� Una vez finalizada la sesión con el cliente, el proceso ligero se destruye
� Modelo concurrente:
� Los procesos distribuidor y trabajador ejecutan de forma concurrente
� Modelo secuencial:
� Sólo un proceso distribuidor
Ejemplo: sumar dos números
clientesumar(5,2)
5+2
servidor
Máquina A Máquina B
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NÚCLEO
5+2
Resultado = 7 NÚCLEO
RED
40
@Fuente : Jesús Carretero, Félix García, Pedro de Miguel y Fernando Pérez. Mc Graw Hill
Ejemplo: Definición de tipos#define MAXSIZE 256
struct peticion {
int a; /* operando 1 */
int b; /* operando 2 */
char q_name[MAXSIZE]; /* nombre de la cola clientedonde debe enviar la respuesta el servidor */
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el servidor */
};
41
Ejemplo: Proceso servidor secuencial#include “mensaje.h”
#include <mqueue.h>
void main (void) {
mqd_t q_servidor; /* cola de mensajes del servidor */
mqd_t q_cliente; /* cola de mensajes del cliente */
struct peticion pet;
int res;
struct mq_attr attr;
attr.mq_maxmsg = 20;
attr.mq_msgsize = sizeof ( struct peticion );
F. García-Carballeira, Mª. Soledad Escolar, Luis Miguel Sánchez, Fco. Javier García
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attr.mq_msgsize = sizeof ( struct peticion );
q_servidor = mq_open(“SERVIDOR_SUMA”, O_CREAT|O_READ, 0700, &attr);
while(1 ) {
mq_receive(q_servidor, &pet, sizeof(pet), 0);
res = pet.a + pet.b;
/* se responde al cliente abriendo previamente su cola */
q_cliente = mq_open(pet.q_name, O_WRONLY);
mq_send(q_cliente, &res, sizeof(int), 0);
mq_close(q_cliente);
}
}
42
Ejemplo: Proceso cliente#include “mensaje.h”
#include <mqueue.h>
void main (void) {
mqd_t q_servidor; /* cola de mensajes del proceso servidor */
mqd_t q_cliente; /* cola de mensajes para el proceso cliente */
struct peticion pet;
int res;
struct mq_attr attr;
attr.mq_maxmsg = 1;
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attr.mq_maxmsg = 1;
attr.mq_msgsize = sizeof(int);
q_cliente = mq_open(“CLIENTE_UNO”, O_CREAT|O_RDONLY, 0700, &attr);
q_servidor = mq_open(“SERVIDOR_SUMA”, O_WRONLY);
/* se rellena la petición */
pet.a = 5; pet.b = 2; strcpy(pet.q_name, “CLIENTE_UNO”);
mq_send(q_servidor, &pet, sizeof(struct petiticion), 0);
mq_receive(q_cliente, &res, sizeof(int), 0);
mq_close(q_servidor);
mq_close(q_cliente);
mq_unlink(“CLIENTE_UNO”);
}43
Ejemplo II: Servidor concurrente
NÚCLEO
cliente sumar(5,2)
5+2
Resultado = 7
servidor
Máquina A
Máquina B
RED
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5+2
NÚCLEO
RED
44
NÚCLEO
cliente
Máquina A
Estructura de un servidor multihread
Proceso cliente
Cola del cliente
Proceso cliente
Cola del cliente
Cola del
Proceso servidor
petición
petición
respuesta
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Cola del servidor
respuestarespuesta
Creación delthread
Creación delthread
Thread quesirve la petición
Thread quesirve la petición
45
Cliente-servidor con colas de mensajesProceso cliente
Proceso servidor
Cola del cliente
respuesta
petición
mensaje
Proceso ligero principal
while (1){ mq_receive
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Copia delmensaje
principal mq_receive se crea el proceso ligero esperar la copia del mensaje}
Copia el mensajedespierta al principalcontinua la ejecuciónresponde al cliente
46
Servidor multithread con colas de mensajes
(I)#include “mensaje.h”
#include < mqueue.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
/* mutex y variables condicionales para proteger la copia del mensaje*/
pthread_mutex_t mutex_mensaje;
int mensaje_no_copiado = TRUE; /* TRUE con valor a 1 */
pthread_cond_t cond_mensaje;
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pthread_cond_t cond_mensaje;
int main (void)
{
mqd_t q_servidor; /* cola del servidor */
struct peticion mess; /* mensaje a recibir */
struct mq_attr q_attr; /* atributos de la cola */
pthread_attr_t t_attr; /* atributos de los threads */
attr.mq_maxmsg = 20;
attr.mq_msgsize = sizeof (struct peticion));
47
Servidor multithread con colas de mensajes
(II)
q_servidor = mq_open(“SERVIDOR”, O_CREAT|O_RDONLY, 0700, &attr);
if (q_servidor == -1) {
perror(”No se puede crear la cola de servidor”);
return 1;
}
pthread_mutex_init (&mutex_mensaje, NULL);
pthread_cond_init (&cond_mensaje, NULL);
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pthread_cond_init (&cond_mensaje, NULL);
pthread_attr_init (&attr);
/* atributos de los threads */
pthread_attr_setdetachstate (&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED);
…..
48
Servidor multithread con colas de mensajes
(III)
while (TRUE) {
mq_receive(q_servidor, &mess, sizeof(struct mensaje), 0);
pthread_create (&thid, &attr, tratar_mensaje , &mess);
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}
}
49
Servidor multithread con colas de mensajes
(IV)
while (TRUE) {
mq_receive(q_servidor, &mess, sizeof(struct mensaje), 0);
pthread_create (&thid, &attr, tratar_mensaje , &mess);
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}
}
Condición de carrera
50
Servidor multithread con colas de mensajes
(V)
while (TRUE) {
mq_receive(q_servidor, &mess, sizeof(struct mensaje), 0);
pthread_create (&thid, &attr, tratar_mensaje , &mess);
/* se espera a que el thread copie el mensaje */
pthread_mutex_lock (&mutex_mensaje);
Sección crítica
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pthread_mutex_lock (&mutex_mensaje);
while (mensaje_no_copiado)
pthread_cond_wait (&cond_mensaje, &mutex_mensaje);
mensaje_no_copiado = TRUE;
pthread_mutex_unlock (&mutex_mensaje);
} /* FIN while */
} /* Fin main */
51
Servidor multithread con colas de mensajes
(VI)void tratar_mensaje (struct mensaje *mes){
struct peticion mensaje; /* mensaje local */
struct mqd_t q_cliente; /* cola del cliente */
int resultado; /* resultado de la operación */
/* el thread copia el mensaje a un mensaje local */
pthread_mutex_lock (&mutex_mensaje);
memcpy((char *) &mensaje, (char *)&mes, sizeof(struct peticion ));
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peticion ));
/* ya se puede despertar al servidor*/
mensaje_no_copiado = FALSE; /* FALSE con valor 0 */
pthread_cond_signal (&cond_mensaje);
pthread_mutex_unlock (&mutex_mensaje);
52
Servidor multithread con colas de mensajes
(VII)
/* ejecutar la petición del cliente y preparar resp uesta */
resultado = mensaje_local.a + mensaje_local.b;
/* Se devuelve el resultado al cliente */
/* Para ello se envía el resultado a su cola */
q_cliente = mq_open(mensaje_local.nombre, O_WRONLY);
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if (q_cliente == -1)
perror(”No se puede abrir la cola del cliente */
else {
mq_send(q_cliente, (char *) &resultado, sizeof(int), 0);
mq_close (q_cliente);
}
pthread_exit (0);
}
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Proceso cliente#include “mensaje.h”
#include <mqueue.h>
void main(void) {
mqd_t q_servidor; /* cola de mensajes del proceso ser vidor */
mqd_t q_cliente; /* cola de mensajes para el proceso cliente */
struct peticion pet;
int res;
struct mq_attr attr;
attr.mq_maxmsg = 1;
attr.mq_msgsize = sizeof(int);
q_cliente = mq_open(“CLIENTE_UNO”, O_CREAT|O_RDONLY, 0700, & attr );
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q_cliente = mq_open(“CLIENTE_UNO”, O_CREAT|O_RDONLY, 0700, & attr );
q_servidor = mq_open(“SERVIDOR_SUMA”, O_WRONLY);
/* se rellena la petición */
pet.a = 5; pet.b = 2; strcpy(pet.q_name, “CLIENTE_UN O”);
mq_send(q_servidor, &pet, sizeof(struct petiticion), 0);
mq_receive (q_cliente, &res, sizeof(int), 0);
mq_close (q_servidor);
mq_close (q_cliente);
mq_unlink (“CLIENTE_UNO”);
}
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Guía de desarrollo de aplicaciones
cliente-servidor con paso de mensajes
1. Identificar el cliente y el servidor� Cliente: elemento activo, varios� Servidor: elemento pasivo
2. Protocolo del servicio� Identificar los tipos mensajes y la secuencia de intercambios de
mensajes (peticiones y respuestas)
3. Elegir el tipo de servidor
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3. Elegir el tipo de servidor� UDP sin conexión� TCP :
� Una conexión por sesión
� Una conexión por petición
4. Identificar el formato de los mensajes (representación de los datos)
� Independencia (lenguaje, arquitectura, implementación, …)