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2 QoS em Sistemas Operacionais

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2 QoS em Sistemas Operacionais

Este Captulo tem o objetivo de evidenciar as deficincias encontradas nos

subsistemas de rede e de escalonamento de processos de sistemas operacionais de

propsito geral (GPOS3), no que se refere ao oferecimento de servios com QoS, e

mostrar as solues descritas em vrios trabalhos relacionados. Entre esses

trabalhos, foram encontrados trs tipos principais de estudo: estudos isolados

sobre os subsistemas citados, independentes do sistema operacional; estudos para

o desenvolvimento de novos sistemas operacionais; e estudos para a extenso dos

sistemas operacionais existentes, principalmente os GPOS.

Identificando os principais mecanismos de proviso de QoS descritos por

esses trabalhos, podem ser determinados seus aspectos em comum e, assim,

fundamentar a construo dos frameworks propostos. A terminologia utilizada

para a descrio das funcionalidades em questo a mesma definida em (Gomes,

1999).

Primeiramente, sero apresentadas as fases que compem a proviso de QoS

no contexto de sistemas operacionais, descrevendo quais as funes envolvidas

em cada uma delas. Aps a anlise sobre os GPOS e trabalhos relacionados, ser

feita uma modelagem genrica do funcionamento do sistema, onde estaro

representados os subsistemas de processamento e comunicao e seus recursos,

que participam do oferecimento de servios s aplicaes. Ser identificado um

importante relacionamento entre esses subsistemas, que deve ser considerado na

construo dos frameworks propostos no Captulo 3.

3 GPOS Sigla para General Purpose Operating System ser utilizada para identificar os sistemas operacionais de propsito geral, tanto no singular quanto no plural. Os GPOS so os sistemas encontrados comercialmente com certa popularidade e que no se dedicam a tarefas e aplicaes especficas.

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2.1 Fases da Proviso de QoS

A proviso de QoS requer que o fornecedor do servio, no caso o sistema

operacional, oferea certos mecanismos que sero utilizados em fases bem

definidas do ciclo de vida de um servio. Tais fases sero descritas a seguir,

destacando as funes e estruturas bsicas necessrias em cada uma delas.

Iniciao do Provedor de Servios

Solicitao de Servios

Estabelecimento de Contratos de Servio

Manuteno de Contratos de Servio

Encerramento de Contratos de Servio

2.1.1 Iniciao do Provedor de Servios

A iniciao do provedor de servios compreende a identificao dos

recursos disponveis para o fornecimento dos servios e a definio do estado

interno inicial do provedor. desejvel que a associao dos recursos aos

servios seja feita dinamicamente, no momento da solicitao, tanto para que os

recursos possam ser alocados de forma mais eficiente, quanto para que o sistema

oferea uma maior flexibilidade aos usurios. Associaes estticas, no entanto,

podem ser feitas em tempo de projeto e ativadas nesta fase de iniciao.

Em sistemas operacionais, a iniciao pode ser feita no momento de carga

do sistema, quando o kernel conhecer os recursos disponveis e podero ser

determinadas as suas estruturas iniciais para alocao. Dependendo da

adaptabilidade do sistema, o servio poder ser reiniciado a partir de um novo

estado interno4 inicial, sem que o sistema operacional tenha que ser recarregado.

Em um nvel de adaptabilidade ainda maior estariam os sistemas que podem

incluir novos servios em tempo de operao, agregando um novo conjunto de

4 O estado interno de um sistema compreende a situao de particionamento de cada um dos recursos gerenciados e os conjuntos de polticas de QoS para uso pelos servios oferecidos.

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polticas de proviso de QoS ao seu estado interno anterior. Dessa forma, o

sistema operacional ter a capacidade de adotar, por exemplo, novas estratgias de

escalonamento e de admisso de recursos.

2.1.2 Solicitao de Servios

Completada a fase de iniciao, o provedor se encontra pronto para receber

as solicitaes de servios dos usurios. Num sistema operacional, a solicitao

pode partir diretamente da aplicao ou pode ter sido repassada por um outro nvel

de abstrao, atravs, por exemplo, de um protocolo de negociao de QoS. A

solicitao contm os parmetros que correspondem caracterizao do trfego

para os fluxos5 gerados pelo usurio e especificao da QoS necessria.

Dependendo do nvel de abstrao no qual esto definidos os parmetros da

solicitao, o sistema deve possuir funes de mapeamento capazes de traduzi-los

para valores relacionados diretamente com a capacidade de processamento ou

comunicao dos recursos. Por exemplo, no nvel da aplicao, a especificao da

QoS de um sistema de vdeo sob demanda poderia envolver a taxa de atualizao

do vdeo e o tamanho de seu quadro. No nvel do sistema, esses parmetros devem

ser mapeados para a taxa de pico de transmisso de bits atravs de um enlace de

rede e para a taxa de instrues executadas por uma CPU para tratar o vdeo.

2.1.3 Estabelecimento de Contratos de Servio

Aps a solicitao de um servio, o provedor deve executar suas funes de

controle de admisso para verificar a viabilidade da aceitao de um novo fluxo,

de forma que a QoS solicitada seja garantida. As estratgias de admisso se

baseiam em informaes sobre as reservas de recursos j efetuadas ou em

5 Neste trabalho, um fluxo pode representar uma seqncia de unidades de informao (e.g. pacotes de dados) transmitida entre processos (dispostos local ou remotamente) ou uma seqncia de instrues a ser executada pelo microprocessador de uma estao. Esta diferenciao ser discutida na Seo 2.3.

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medies da utilizao real dos recursos para determinar se o novo servio poder

ser aceito, dadas a especificao da QoS e a caracterizao do trfego gerado.

De acordo com a categoria de servio solicitada, as estratgias de admisso

podem se comportar de maneira conservadora ou agressiva. Estratgias de

admisso conservadoras so aquelas que calculam a reserva dos recursos de forma

menos eficiente, permitindo um nmero bem menor de fluxos coexistentes, mas

com fortes garantias de manuteno da QoS. J as estratgias agressivas avaliam

as reservas de forma mais inteligente, admitindo um maior nmero de fluxos, mas

correndo um certo risco de ocorrncia de sobrecarga sobre o recurso em algum

momento.

Se o controle de admisso concluir que a solicitao do servio no pode ser

atendida, o contrato de servio no estabelecido, podendo o usurio realizar uma

requisio equivalente em um outro momento ou, imediatamente, especificar

parmetros mais relaxados para o servio.

Por outro lado, se a admisso for bem sucedida, so acionados os mtodos

para a criao dos recursos virtuais6, atravs da configurao dos escalonadores

de recursos, dos classificadores e dos agentes de policiamento. Assim,

implicitamente est estabelecido o contrato de servio, que obriga o provedor a

manter o nvel de QoS solicitado ao longo do perodo de proviso e o usurio a

submeter seu fluxo em conformidade com a caracterizao informada.

As operaes que compem a fase de estabelecimento de contratos de

servios so providas por mecanismos de negociao de QoS. Esses mecanismos

tambm so responsveis pela orquestrao dos recursos, que consiste na diviso

de responsabilidade da negociao de QoS entre os subsistemas que integram o

provedor de servios ou entre os mltiplos recursos de um mesmo subsistema.

Particularmente, em sistemas operacionais ocorrem ambas situaes de

orquestrao de recursos. Por exemplo, em aplicaes multimdia distribudas, o

negociador de QoS de um sistema operacional deve delegar a negociao aos

6 Um recurso virtual corresponde parcela reservada do recurso para uso exclusivo do fluxo submetido pelo usurio. Este conceito ser melhor discutido no Captulo 3.

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mecanismos especficos dos principais subsistemas envolvidos, no caso, os

subsistemas de rede e de gerenciamento de processos. Por sua vez, o subsistema

de rede pode abranger o gerenciamento de vrias filas de pacotes presentes em

diferentes nveis da pilha de protocolos de rede. O negociador de QoS do

subsistema de rede deve, ento, dividir sua responsabilidade entre negociadores

que poderiam estar associados a cada um dos nveis de protocolo de rede, onde

houver reteno de pacotes para a comunicao com o prximo nvel da pilha.

2.1.4 Manuteno de Contratos de Servio

Para manter os acordos estabelecidos pelos contratos de servio, o provedor

deve assegurar que os servios sejam oferecidos conforme as especificaes de

QoS solicitadas e que os fluxos submetidos pelos usurios estejam conformes com

relao aos perfis de trfego fornecidos. O comportamento