DATALOGI 1F. Vejledende løsninger til Skriftlig eksamen tirsdag den 27. januar 2004

Transkript

1 Københavns Universitet Naturvidenskabelig Bachelorseksamen DATALOGI 1F Vejledende løsninger til Skriftlig eksamen tirsdag den 27. januar 2004 Opgaverne vægtes i forhold til tidsangivelsen, og hver opgaves besvarelse bedømmes som en helhed. Opgave Tid 1 10 % 2 15 % 3 20 % 4 25 % 5 30 % Alle de sædvanlige hjælpemidler må benyttes, dvs. alt skriftligt materiale, lydløse lommeregnere og ikke-elektroniske skriveredskaber. Mobiltelefon og lignende må ikke benyttes under eksamen. Det er tilladt at aflevere besvarelser, der er skrevet med tydelig blyantskrift.

2 Vejledende løsning til skriftlig eksamen januar 2004 i Datalogi 1F side 1 af 11 Opgave 1: Hierarkisk routning i datanet (10%) Spørgsmål 1.1 Forklar kort, hvad CIDR (Classless InterDomain Routing) er, og hvilket formål den tjener. Spørgsmål 1.2 Dit Internetfirma er storkunde hos internetudbyderen Cyber-CPH, som har erhvervet IPadresseblokken /20, og dit firma har fået tildelt IP-adresseblokken /23. Hvor mange forskellige IP-adresser råder dit firma over? Angiv den højeste og den laveste IP-adresse i dit firma på binær form (32 bit). Spørgsmål 1.3 Du bliver nu ret utilfreds med Cyber-CPH s service og vil gerne skifte til en anden Internetudbyder. Du vil gerne prøve Swedish Telecom, som ejer adresseblokken /16. Men dit firma vil gerne beholde den gamle IP-adresseblok: /23. Hvorledes løses dette problem? Opgave 2: Procesafvikling (15%) I det følgende betragtes fire processer P 1, P 2, P 3 og P 4 med følgende tidsforbrug (eng.: burst time) og ankomsttider angivet i en eller anden passende tidsenhed: tidsforbrug ankomsttid P P P P Spørgsmål 2.1 (10%) Angiv for hver af procesafviklingsstrategierne: Round Robin (RR) med tvungent processkift, hvor der anvendes en tidsskive på 1. Hvis der ankommer en ny proces samtidig med at der foretages processkift, vil den nyligt ankomne proces blive placeret foran det netop afbrudte job i afviklingsrækkefølgen. First Come First Served (FCFS)

3 Vejledende løsning til skriftlig eksamen januar 2004 i Datalogi 1F side 2 af 11 Shortest Job First (SJF) med tvungent processkift hvornår de enkelte processer er færdigtafviklede samt den gennemsnitlige ventetid. RR FCFS SJF P P P P Gns. 8,5 8,5 4,25 Spørgsmål 2.2 (5%) Hvad er det største problem med Shortest Job First og hvordan søges det typisk løst? Problemet er at forudsige hvor lang tid et job har tilbage/hvor lang tid det næste burst tager. Normalt vil man forsøge at estimere hvor lang tid det næste burst tager ved at se på processens tidligere bursts, f.eks., ved at beregne et eksponentielt gennemsnit. Opgave 3: Filsystemer (20%) I denne opgave betragtes et log-baseret filsystem. Filsystemet benytter den kombinerede udgave af indekseret allokering som også benyttes af UNIX file system (UFS) til allokering af data. Det vil sige at de første 12 datablokke i en fil adresseres direkte, og resten af filen nås via enten en indeksblok, en dobbelt indeksblok eller en tredobbelt indeksblok. Der anvendes en blokstørrelse på 4 KB (kilobyte) og der anvendes 32 byte til adressering af blokke. Derudover vedligeholder filsystemet en log over ændringer af metadata (i dette tilfælde i-nodes og indeksblokke) og datablokke på en separat partition. For hver ændring gemmes i loggen en komplet kopi af blokken samt blokkens adresse. En ændring af filsystemet kan omfatte flere blokke, hvorfor afslutningen på en ændring markeres med en markør på 4 bytes i loggen (markøren kan selvfølgelig ikke forveksles med en adresse). Filsystemet sørger for at der mellem hver markering kun er kopier af blokke fra samme ændring - en række blokke mellem to markeringer kaldes også en transaktion. Når først alle ændringer omfattet af en transaktion er skrevet til det rigtige filsystem, kan transaktionen slettes fra loggen (det er dog ikke relevant for løsningen af de efterfølgende spørgsmål).

4 Vejledende løsning til skriftlig eksamen januar 2004 i Datalogi 1F side 3 af 11 Spørgsmål 3.1 I det journaliserende filsystem skrives alle data to gange, men i praksis er et sådant filsystem ikke halvt så hurtigt som et filsystem uden journal. Forklar hvorfor dette kan være tilfældet. Skrivningerne til loggen foregår typisk fortløbende på disken og vil derfor være hurtigere end tilfældige skrivninger. Derudover kan ændringer af data og metadata caches i længere tid uden større risiko for tab af data, og man kan derfor skrive større klumper af data til hovedfilsystemet. Spørgsmål 3.2 Diskuter fordele og ulemper ved at have logfilen placeret på en anden disk end resten af filsystemet. Fordelen er at skrivninger til loggen og til resten af filsystemet kan foregå parallelt. Ulempen er at man skal have en ekstra disk. Spørgsmål 3.3 Angiv dels hvor mange datablokke og dels hvor mange metadatablokke en fil på 5 GB (gigabyte) optager? (plads brugt til logfil skal ikke medregnes) Antal datablokke: 5GB/4KB = Antal metadatablokke: inode 1 giver 12 datablokke indirekte 1 giver 128 datablokke dobbelt indirekte giver 128*128 datablokke trippel indirekte * giver datablokke. I alt : metadatablokke Spørgsmål 3.4 Hvis filsystemet i stedet anvendte hægtet allokering (eng.: linked allocation) hvilke konsekvenser ville dette have for pladsforbruget både med hensyn til datablokke og metadatablokke, samt logfil? Hvilke ulemper har hægtet allokering?

5 Vejledende løsning til skriftlig eksamen januar 2004 i Datalogi 1F side 4 af 11 Man vil bruge en anelse flere datablokke ( 1 ), da der bruges 32 bytes til at pege 128 på den næste blok. Pladsen brugt til metadata ville blive reduceret en smule, idet de indirekte blokke ikke er nødvendige (ovenfor ved 5GB filen betyder det at 83 blokke kan spares). I logfilen vil en tilføjelse af en blok til en fil betyde at der skrives to blokke (en med en opdateret peger og den nye blok). Dette svarer til hvad der vil blive skrevet ved indekseret allokering (en metadatablok og en datablok). Ved ændringer af data vil der blive skrevet en smule mere, idet dataindholdet er en smule mindre i hver blok. Ulempen ved hægtet allokering er at det kræver et gennemløb af den hægtede liste for at finde en given blok. Spørgsmål 3.5 Antag at filen foo har længden KB. Hvor mange bytes skrives til logfilen, hvis de første 64 KB af filen overskrives (det kan antages at denne ændring optræder som en enkelt transaktion)? Hvor mange bytes skrives til logfilen, hvis filen i stedet forlænges med 64 KB (igen kan det antages at denne ændring optræder som en enkelt transaktion)? Ved overskrivning skrives 64 KB datablokke + 4 bytes markør + 16 blokadresser af 32 bytes, dvs 64KB bytes. Ved forlængelse skal der oprettes en ny dobbelt indirekte blok, hvilket samtidig kræver opdatering af en peger i forælderblokken. Der skrives altså 64KB datablokke + 8KB metadatablokke + 4 bytes markør + 18 blokadresser, dvs 72KB bytes. Opgave 4: Forsinkelser i TCP-protokollen ved statisk congestion window (25%) Vi betragter TCP-protokollen med statisk congestion window og under antagelse af de idealiserede betingelse som beskrevet i afsnit TCP Delay Modeling i lærebogen Kurose-Ross: Computer Networking, 2.udg. Lad W betegne vinduesstørrelsen (antal segmenter i vinduet), S segmentstørrelsen (i byte eller bit) og R sendehastigheden i bit/sek og RT T round trip time i sekunder. Spørgsmål 4.1 Hvor lang tid t 1 går der, fra afsendelsen af det første segment starter og indtil acknowledgement (kvittering) for dets modtagelse ankommer til afsenderen? Find et udtryk for t 1.

6 Vejledende løsning til skriftlig eksamen januar 2004 i Datalogi 1F side 5 af 11 Spørgsmål 4.2 Med W segmenter i vinduet, hvor lang tid t 2 tager det fra afsendelsen af det første segment i vinduet starter og indtil afsendelsen af det sidste segment er afsluttet? Opskriv et udtryk for t 2. Spørgsmål 4.3 Hvis sendevinduet løber tomt før acknowledgement (kvittering) for det første segment er modtaget, vil afsenderen gå i stall -tilstand. Hvilken ulighed gælder mellem t 1 og t 2, når dette finder sted? Spørgsmål 4.4 Den tid, det tager, fra en klient starter en TCP-forbindelse, og indtil klienten har modtaget hele det forlangte objekt, kaldes latenstiden (latency). Betragt afsendelsen af et objekt på O = 100 kb (kilobyte) fra serveren til klienten. Idet segmentstørrelsen er på S = 536B (byte) og RT T = 100 msek og transportprotokollen bruger statiske vinduer med vinduesstørrelsen W, find den mindst mulige latenstid og det mindste vindue, for hvilken denne latenstid kan opnås, når sendehastigheden R = 10 Mb/s (megabit pr. sekund). Gentag udregningen for R = 1 Mb/s og R = 100kb/s. Opgave 5: Multiprogrammering (30%) Internetauktionshuset øbugt har oplevet en uventet fremgang og ønsker derfor at konvertere deres enkelttrådede auktionsserver til en multitrådet udgave. Serveren modtager tre slags kommandoer: (1) oprettelse af en ny salgspost med en mindste slagsværdi, (2) et bud på en eksisterende salgspost og (3) en ordre fra sælger om at det gældende højeste bud accepteres. Når der oprettes en salgspost tildeles denne et unikt ID, der bruges af potentielle købere til at byde på salgsposten. Alle kommandoer kvitteres af serveren efter udførsel. Nedenfor er strukturen af serveren skitseret i C-lignende pseudokode. Den globale variabel uniktid bruges til at holde styr på de unikke ID er til salgsposterne (den er her implementeret som en simpel tæller) og typen kommando type indeholder de nødvendige data for en kommando (der er udeladt beskrivelse af indholdet af en salgspost). Der anvendes følgende hjælpefunktioner til vedligeholdelse af auktionsdatabasen: opret salgspost opretter en ny salgspost aktuel værdi returnerer det aktuelle højeste bud på en given salgspost. Hvis der ikke er et bud returneres 0. nyt bud Overskriver det nuværende højeste bud med en ny værdi.

7 Vejledende løsning til skriftlig eksamen januar 2004 i Datalogi 1F side 6 af 11 salgspost solgt Returnerer TRUE hvis en given salgspost er solgt, og ellers returneres FALSE. accepter bud Markerer en salgspost som værende solgt. læs kommando Indlæser en hel kommando fra en kommunikationskanal. Hvis der ikke findes en kommunikationskanal, der er klar til at levere en kommando, blokerer kaldet indtil en sådan kommunikationskanal findes. kvitter kommando Sender en kvittering via samme kommunikationskanal som kommandoen er modtaget på. Ingen af de nævnte hjælperoutiner implementerer samtidighedskontrol af nogen art.

8 Vejledende løsning til skriftlig eksamen januar 2004 i Datalogi 1F side 7 af 11 int uniktid = 0; struct kommando_type { int brugerid; // Bruges til identificering af såvel sælger som købere int type; // 1: salgspost, 2: et bud, 3: accepter salg int salgspostid; // Unikt ID for en salsgpost int værdi; ; proces server { struct kommando_type boolean kommando; kommandook; læs_kommando(&kommando); switch(kommando.type) { case 1: // En ny salgspost oprettes uniktid = uniktid + 1; if(kommando.værdi >= 0) kommandook = opret_salgspost(uniktid, kommando.værdi); else kommandook = FALSE; break; // Afslut case case 2: // Et bud modtages if(!salgspost_solgt(kommando.salgspostid) && (aktuel_værdi(kommando.salgspostid) <= kommando.værdi)) { nyt_bud(kommando.salgspostid, kommando.værdi, kommando.brugerid); kommandook = TRUE; else kommandook = FALSE; break; // Afslut case case 3: // Et bud accepteres if(!salgspost_solgt(kommando.salgspostid)) { accepter_bud(kommando.salgspostid); kommandook = TRUE; else kommandook = FALSE; break; // Afslut case kvitter_kommando(kommando, kommandook);

9 Vejledende løsning til skriftlig eksamen januar 2004 i Datalogi 1F side 8 af 11 Spørgsmål 5.1 Beskriv fordele og ulemper ved henholdsvis en enkelttrådet server og en flertrådet server. En enkelttrådet server er simpel, kræver ingen synkronisering, men gør det besværligt at overlappe I/O og beregninger. En flertrådet server er vanskeligere at implementere, idet man skal sørge for synkronisering ved adgang til delte data (dette kan give et overhead). Desuden kan flere tråde føre til et større overhead fra trådskeduleringsmekanismen. Til gengæld et det muligt at overlappe I/O og beregninger. Spørgsmål 5.2 Beskriv fordele og ulemper ved implementation af trådbiblioteker på henholdsvis kerne- og brugerniveau. Trådbiblioteker på kerneniveau kan håndtere trådskift ved blokerende systemkald, men trådoperationer kræver et kernekald hvilket er en omkostning. For trådbiblioteker på brugerniveau er det derimod næsten omkostningsfrit at foretage trådoperationer, og samtidig har en applikation mulighed for at udvikle sin egen skeduleringsmekanisme der er skræddersyet til applikationens behov. Men da trådbiblioteket kun optræder som en enkelt proces overfor kernen vil et blokerende systemkald blokere alle tråde i applikationen. I det følgende ønskes skitseret (gerne ved hjælp af pseudokode) en række ændringer/udvidelser til den enkelttrådede server. Det er tilladt at foreslå ændringer til de angivne hjælperoutiner og datastrukturer. Sammen med skitserne er det en god ide kort at forklare bagrunden for den foreslåede ændring. Spørgsmål 5.3 Skitser hvordan den enkelttrådede server skitseret ovenfor kan modificeres så den kan fungere korrekt som en flertrådet server i et system der kun understøtter binære semaforer som beskrevet i Dat 1F kursusbog 4, side Det kan antages at de binære semaforer udføres udeleligt.

10 Vejledende løsning til skriftlig eksamen januar 2004 i Datalogi 1F side 9 af 11 I/O operationerne sikrer ikke mod at flere processer forsøger at afsende/modtage på samme kanal - vi forudsætter nedenfor at I/O operationerne ændres, så hver kommunikationskanal tilgås udeleligt. Derudover skal uddeling af unikt ID samt relaterede operationer på samme slagspost beskyttes. Man kan således anvende en binær semafor til udelelig adgang til variablen uniktid, samt en binær semafor per salgspost. Idet vi forestiller os at salgsposterne ligger i en database kunne man have operationen get sem(salgspostid), der returnerer et håndtag til en given salgsposts semafor. Man får da følgende programstump: BinærSem uniktidsem(); proces server { struct kommando_type boolean kommando; kommandook; læs_kommando(&kommando); switch(kommando.type) { case 1: // En ny salgspost oprettes uniktidsem.vent(); uniktid = uniktid + 1; if(kommando.værdi >= 0) kommandook = opret_salgspost(uniktid, kommando.værdi); else kommandook = FALSE; uniktidsem.signaler(); break; // Afslut case case 2: // Et bud modtages get_sem(kommando.salgspostid).vent(); if(!salgspost_solgt(kommando.salgspostid) && (aktuel_værdi(kommando.salgspostid) <= kommando.værdi)) { nyt_bud(kommando.salgspostid, kommando.værdi, kommando.brugerid); get_sem(kommando.salgspostid).signaler(); kommandook = TRUE; else { get_sem(kommando.salgspostid).signaler(); kommandook = FALSE; break; // Afslut case case 3: // Et bud accepteres get_sem(kommando.salgspostid).vent(); if(!salgspost_solgt(kommando.salgspostid)) { accepter_bud(kommando.salgspostid); get_sem(kommando.salgspostid).signaler(); kommandook = TRUE; else { get_sem(kommando.salgspostid).signaler(); kommandook = FALSE; break; // Afslut case kvitter_kommando(kommando, kommandook);

11 Vejledende løsning til skriftlig eksamen januar 2004 i Datalogi 1F side 10 af 11 Spørgsmål 5.4 øbugt har købt et nyt trådbibliotek, der ud over binære semaforer tillige understøtter beskedsemaforer som beskrevet i Dat 1F kursusbog 4, side 42 og 44. Det kan antages at beskedsemaforerne udføres udeleligt. Skitser hvordan beskedsemaforer kan anvendes til at konstruere en flertrådet server af producent-konsument typen. Man kan tage udgangspunkt i løsningen fra spørgsmål 5.3, idet den skitserede løsning kan anvende binære semaforer hvor det er mest praktisk. Der anvendes en producent -proces, der indlæser kommandoer via læs kommando, og derefter signalerer en beskedsemafor med kommandoen som besked. Konsumentprocesserne er identiske med den fra det foregående spørgsmål bortset fra at de venter på denne beskedsemafor i stedet for at udføre læs kommando operationen. Spørgsmål 5.5 Skitser hvordan man kan have en pulje af tråde med et variabelt antal tråde til behandling af kommandoerne. Hvis der er arbejdsopgaver der skal løses, startes en tråd til dette formål. Dog med det forbehold at der minimum skal være TRÅD MIN tråde i puljen og maksimalt TRÅD MAKS tråde (bemærk at puljen både omfatter både aktive og inaktive tråde). Det kan antages at man har følgende primitiver til rådighed til at starte og stoppe tråde: int start tråd() starter en ny tråd og returnerer den nye tråds ID. stop tråd(int trådid) terminerer tråden identificeret ved trådid. Det kan antages at trådbiblioteket fra spørgsmål 5.4 anvendes.

12 Vejledende løsning til skriftlig eksamen januar 2004 i Datalogi 1F side 11 af 11 Vi modificere konsumenten fra spørgsmål 5.4 til at vedligeholde en pulje af tråde. Vi anvender to variable til at holde styr på antallet af tråde: TRÅD ANTAL giver antallet af tråde i puljen og TRÅD VENTER angiver antallet af tråde, der ikke er i gang med at udføre en kommando. Vi bruger en binær semafor TRÅD MUTEX til at beskytte opdateringen af de to førnævnte variable. Det antages at systemet initialiseres så der er startet TRÅD MIN tråde, og at både TRÅD ANTAL og TRÅD VENTER er sat til TRÅD MIN. <tråd_start> while(1) { kommando = KommandoSem.vent() TRÅD_MUTEX.vent(); TRÅD_VENTER--; if((tråd_venter==0)&&(tråd_antal<tråd_maks)) { TRÅD_ANTAL++; start_tråd(); // Det antages at den nye tråd starter forfra TRÅD_MUTEX.signaler();... kvitter_kommando(...); TRÅD_MUTEX.vent(); if((tråd_venter>0) && (TRÅD_ANTAL>TRÅD_MIN)) { TRÅD_ANTAL--; TRÅD_MUTEX.signaler(); tråd_stop(get_my_tid()); // tråden slår sig selv ihjel else { TRÅD_VENTER++; TRÅD_MUTEX.signaler(); (slut på sættet)