DATALOGI 1F. Skriftlig eksamen torsdag den 11. juni Dette eksamenssæt bruges til både eksamen i Dat1F og Dat1F-operativsystemer.

Transkript

1 Københavns Universitet Naturvidenskabelig Embedseksamen DATALOGI 1F Skriftlig eksamen torsdag den 11. juni 1998 Dette eksamenssæt bruges til både eksamen i Dat1F og Dat1F-operativsystemer. Opgaverne vægtes således: Dat1F, 4 timer Opgave % 1 25 % 2 30 % 3 5 % 4 30 % 5 10 % Dat1F Operativsystemer, 3 timer Opgave % 1 40 % 2 50 % 3 10 % Alle de sædvanlige hjælpemidler må benyttes, herunder også lydløse elektroniske lommeregnere, dog ikke programmerbare lommeregnere med blivende lager.

2 Skriftlig eksamen torsdag den 11 juni 1998 i Datalogi 1F side 1 af 11 Opgave 1 Synkronisering af udskiftninger i fodbold (25%) Fodboldklubben 1FFC spiller i DIKU-ligaen, hvor udskiftninger foregår ved at dommeren og de to hold har hver deres proces på en datamaskine. En udskiftning sker ved kommunikation mellem processer på denne maskine. Den eksisterende kode kan skitseres som: class KampServer { //lokale variable void indskift(spiller ny) { // Kaldes af træneren ny.start(); // giver spilleren besked om at gå på banen. void udtag(spiller gml) { // Kaldes at træneren gml.stop(); // giver spilleren besked om at gå fra banen. void ude(spiller sp) { // Kaldes af udskiftet spiller // når denne er kommet ud af banen. start og stop funktionerne på Spiller er atomiske. Kampserver-objektet skabes når de 11 spillere er gået på banen. Dvs, KampServer initialiseres så det afspejler, at der er 11 spillere på banen. Træneren kan give flere ordrer til kampserveren ad gangen (han kan få udført flere processer parallelt på datamaskinen). En ordre, der ikke kan udføres, forsinkes indtil den kan. Rækkefølgen, som ordrerne udføres i, er givet ved at den først modtagne ordre, der kan udføres, er den der bliver udført. Spørgsmål 1.1 Træneren i fodboldklubben 1FFC kan blive lidt for ivrig under kampene. En dag kom han til at sende tolv spillere på banen. 1

3 Skriftlig eksamen torsdag den 11 juni 1998 i Datalogi 1F side 2 af 11 Klubledelsen beder en af klubbens tilhængere (kaldet 1F-ere) om at ændre koden til spillerudskiftning, så der højst kan være 11 af holdets spillere på banen ad gangen. Skitser en ny udgave af KampServer, der ved brug af semaforer garanterer at der højst er 11 af holdets spillere på banen ad gangen. Spørgsmål 1.2 En dag kommer træneren til at udskifte målmanden med en angriber og 1FFC taber kampen. Klubledelsen beder 1F-eren om at ændre systemet så der altid er mindst 1 målmand, 6 forsvarsspillere og 1 angriber på banen. Startopstillingen består altid af 1 målmand, 8 forsvarsspillere og 2 angribere. Der ses bort fra udvisninger. Det tillades, at der er færre spillere af en bestemt type i løbet af en udskiftning (fra den udskiftede forlader banen til den indskiftede kommer ind på banen). Klubledelsen lægger vægt på at løsningen er fleksibel, så man kan tilføje flere spillertyper uden at det medfører store omskrivninger af programmet. 1F eren finder ud, af at dette betyder, at der netto kan udtages højst 0 målmænd, 2 forsvarsspillere og 1 angriber i forhold til startopstillingen. Det må derfor kunne implementeres med tre semaforer. Skitser en udvidelse af grænsefladen til kampserveren med en udskift(gammel,ny) funktion, der ved hjælp af semaforer sikrer, at der er mindst er 1 målmand, 6 forsvarsspillere og 1 angriber på banen. KampServerobjektet skal initialiseres så det afspejler holdopstillingen. Det er ikke nødvendigt at skitsere klassen Spiller; men det kan antages at Spiller har en funktion, der giver typen for spilleren. Vink: Funktionerne i KampServer-objektet kan benyttes. Spørgsmål 1.3 1FFC taber også den næste kamp. Træneren mener, at det var fordi han ikke fik lov til at sætte flere angribere ind, da holdet var bagud. Klubledelsen erstatter reglen fra forrige spørgsmål med følgende regler: 1. Der skal være netop en målmand. 2. Der skal være mindst 2 midtbanespillere. 3. Der skal være flere forsvarere end angribere. 4. Startopstillingen er: 1 målmand, 4 forsvarere, 4 midtbanespillere og 2 angribere. 2

4 Skriftlig eksamen torsdag den 11 juni 1998 i Datalogi 1F side 3 af 11 1F eren indser, at der der er tre muligheder for venten (udskiftning eller indskiftning af målmænd er altid en fejl, så det medfører ikke venten): 1. Når en midtbanespiller skal udskiftes og der kun er to midtbanespillere på banen, skal man vente på at en anden midtbanespiller bliver indskiftet. 2. Når en forsvarsspiller skal udskiftes kan det være nødvendt at vente på, at en angriber bliver udskiftet eller at en anden forsvarer bliver indskiftet. 3. Når en angriber skal indskiftes, kan det også være nødvendigt at vente på, at en anden angriber bliver udskiftet eller at en forsvarer bliver indskiftet. 1F eren opdager, at det kan implementeres med en monitor med Hoaresemantik og tre betingelsesvariable ( conditions ) En betingelsesvariabel til at sikre at der kun er 11 spillere på banen, en til at sikre at der er to midtbanespillere og en til at sikre at der ikke er flere angribere end forsvarere. 1F eren starter med at omskrive KampServer så den bruger monitorer. udskift, indskift og ude bliver til: class KampServer { monitor { enum {maalmand, forsvarer, midtbanespiller, angriber; int antal[4] = {1,4,4,2; Condition max11; // Højst 11 spillere på banen Condition midtud, // Højst 2 midtbanespillere forsvarangrib; // flere forsvarere end angribere. void indskift(spiller ny) { if (antal[maalmand]+antal[forsvarere]+ antal[midtbanespiller]+antal[angriber] > 10) max11.wait(); antal[ny.gettype()]++; ny.start(); void udtag(spiller gml) { gml.stop(); 3

5 Skriftlig eksamen torsdag den 11 juni 1998 i Datalogi 1F side 4 af 11 void ude(spiller sp) { antal[sp.gettype()]--; max11.signal; boolean udskift (Spiller isp, Spiller usp) { // mangler Skitser funktionen udskift ved brug af monitorer og uden brug af løkker. Opgave 2 Logisk og Virtuelt lager (30%) NB: Spørgsmål 2.3 vægtes med halvdelen af opgavens vægt. Et styresystem implementerer logisk lager ved hjælp af sidetabeller i 3 niveauer. Siderne er på 8 KByte. Hver sidetabel fylder en side. Indgange i sidetabeller fylder 8 bytes. Hele sidetabellen er i logisk lager. Sidetabellerne for en proces allokeres fra adresse 0x (4MByte) og mod højere adresser. Spørgsmål 2.1 Betragt sidetabellen: 4

6 Skriftlig eksamen torsdag den 11 juni 1998 i Datalogi 1F side 5 af 11 Sideramme 2 Fysisk Lager Sideramme 1 Sideramme 12 Sideramme Sideramme 5 Sideramme 11 Sideramme 14 Sideramme Hvilken logisk adresse svarer til den fysiske adresse, (hexadecimalt 0xA270, binært )? Svaret kan angives som et binært tal. Spørgsmål 2.2 Hvad er størrelsen af logiske adresserum? Svaret kan angives som en potens af 2. Spørgsmål 2.3 Styresystemet kører på en maskine, der har 128 KByte fysisk lager. Adresserne og i det fysiske lager er allokeret til styresystemet. Processer kan allokere lager med ordren mmap. mmap(void *start,long len) betyder at der allokeres len bytes, som mappes ind på den logiske adresse start. start skal være et multiplum af sidestørrelsen. mmap tilgår ikke det allokerede lager. Sidetabellen for en proces allokeres i processens logiske lager. Når en sideramme skal allokeres, vælges den af de frie med lavest nummer. Der udføres to processer på maskinen. Udførelsen af de to processer er 5

7 Skriftlig eksamen torsdag den 11 juni 1998 i Datalogi 1F side 6 af 11 skitseret nedenfor. Kun begivenheder relevante for lagerhåndteringen er vist. mmap(0,200); // Styresystemet allokerer plads til koden for //proces 1 på vegne af proces 1 <kopier proces 1 s kode til adresse 0-199> <start proces 1 i adresse 0> mmap(2*8192,1000); *(int *) = 1; <processkift> mmap(0,800); // Kode for proces 2 <kopier proces 2 s kode til adresse 0-799> <start proces 2 i adresse 0> mmap(16*8192,10*1024); *(int *) 17*8192 = 1; mmap(5*1024*1024* *8192,8000); *(int *) 17* = 2; Hvor stor er fragmenteringen (i bytes)? Angiv om fragmenteringen er intern eller ekstern. Spørgsmål 2.4 Starten af det fysiske lager kan beskrives som: sideramme 0 Styresystem sideramme 1 Styresystem sideramme 2 Sidetabel for proces 1, niveau 1 sideramme 3 Sidetabel for proces 1, niveau 2. Angiv indholdet af det fysiske lager samt det logiske lager og sidetabellerne for de to processer. Det er ikke nødvendigt at angive sidetabellernes logiske sider i sidetabellerne og det logiske lager. Spørgsmål 2.5 Maskinen har en translate lookaside buffer (TLB). Det er en associatv TLB med 4 indgange og round-robin sideudskiftning. 6

8 Skriftlig eksamen torsdag den 11 juni 1998 i Datalogi 1F side 7 af 11 Hvad er tilstanden i TLB en efter udførelsen af proces 2? Hvad er træfferfrekvensen (hit-rate) for udførelsen (begge processer)? Spørgsmål 2.6 Proces 2 fortsætter med at udføre koden: *(int *) (5*1024*1024* * ) = 42; Dette kræver mere lager end de 128KByte fysisk lager. Derfor benyttes tvungen sideudskiftning. Sideudskiftningsstrategien er Least Recently Used. Sider allokeret til styresystemet kan ikke udskiftes. Hvilke(n) side(r) bliver skiftet ud? Begrund svaret. Opgave 3 Distribueret låsning med flertalsprotokollen (5%) I et system med syv datamaskiner benyttes flertalsprotokollen ( Majority Protocol ) til at implementere låsning af objekter. Objekterne replikeres på alle syv maskiner. Hvor mange maskiner skal fejle, før det ikke længere er muligt at låse et objekt? Begrund svaret. Opgave 4 En router i et datanet (30 %) En router er placeret, så det forbinder et lokalnet (LAN af typen IEEE 802.3) med et antal andre routere via ledninger af typen UTP (Unshielded Twisted Pair). På figuren er vist to sådanne ledninger: 7

9 Skriftlig eksamen torsdag den 11 juni 1998 i Datalogi 1F side 8 af 11 IEEE Mbit/s UTP port 2 port 1 UTP port 3 Router R Den anvendte type UTP ledning har et afstand/båndbredde produkt på 800 khzkm, dvs. den båndbredde, der kan udnyttes, afhænger af afstanden, idet produktet af båndbredde og afstand ikke kan være højere end det givne tal. Eksempler på sammenhørende værdier af afstand i km og båndbredde er angivet i tabellen: Afstand i km Højeste båndbredde MHz khz khz khz khz Spørgsmål 4.1 Der planlægges en anvendelse, hvor ledningen fra port 2 til naboen er 5 km lang. Hvad er den teoretisk maksimale hastighed i bit/s, der kan opnås, hvis der anvendes en modulationsform a la QAM med 256 forskellige kombinationer af fase og amplitude? (Note: i lærebogen står QAM omtalt på en måde, så det kan forstås som om QAM kun kan have 16 fase/amplitude kombinationer; dette er ikke den fulde sandhed). Spørgsmål 4.2 Hvis signal/støj forholdet på linien er 40 db, kan hastigheden i spørgsmål 4.1 så opnås? (Dvs. kan der i praksis anvendes 256 kombinationer?). 8

10 Skriftlig eksamen torsdag den 11 juni 1998 i Datalogi 1F side 9 af 11 Spørgsmål 4.3 Nu overvejes en anden løsning, som er aktuel på grund af et specialtilbud fra en leverandør. Denne løsning giver hastigheden 1 Mbit/s (dvs bit/s) på ledningerne fra port 2 og 3 til de respektive naboer. På linierne anvendes den simplest mulige protokol uden fejl- og flowkontrol, dvs. blokke transmitteres uden kvittering. Trafikken fra lokalnettet til naboerne består af blokke af forskellig størrelse med middelstørrelse 125 byte. Trafiktætheden fra lokalnettet er gennemsnitligt 700 pakker pr. sekund; det kan antages at den fordeles ligeligt til de to naboer. Netadministratoren har lovet brugerne, at den gennemsnitlige forsinkelse i R for den udadgående trafik højst vil være 5 ms. Kan dette overholdes? Hvor mange buffere i R vil i gennemsnit være optaget? Spørgsmål 4.4 Tre routere R1, R2, og R3 forbindes nu som vist på figuren med 1 Mbit/s linier. Hver LAN har sin egen IP-netadresse. R2 R3 R1 Det overvejes nu, hvilken rutningsalgoritme, der skal anvendes i de tre routere. Angiv for hver af de nedenstående fire algoritmer fordele og ulemper, hvis de bruges i den foreslåede topologi: flooding backward learning statisk rutning, med faste indbyggede rutetabeller 9

11 Skriftlig eksamen torsdag den 11 juni 1998 i Datalogi 1F side 10 af 11 distance vector (DV) rutning (Vink: rutes der på netadresse eller på den fulde IP-adresse?) Spørgsmål 4.5 Linien imellem R1 og R2, som er 8 km lang, opgraderes til 10 Mbit/s, men viser sig at være plaget af støj, der bevirker, at der gennemsnitlig ødelægges én blok ud af hver ti. Der overvejes derfor at anvende en sliding window protokol af typen go-back-n. I det følgende er den gennemsnitlige bloklængde stadig 125 byte, og udbredelseshastigheden kan antges at være km/s. Spørgsmål Skitser protokollens virkemåde for fire blokke, der er klar til afsendelse fra R1 til R2 til tidspunkterne T, T+0.01, T+0.10 og T+0.15 ms. Det antages at den tredie blok rammes af fejl. Spørgsmål Hvis der ingen fejl er, og overhead (header, kvittering) er meget lille, hvor stort skal vinduet være for at linien udnyttes fuldt ud (i én retning)? Det antages, at der er trafik nok. Opgave 5 Repræsentation af data i datanet (10 %) I G2 havde en P1 PDU følgende udseende: <P1-PDU> ::= <header> <route-info> <destination> <source> <user-data> <header> ::= <version> <blank> <datatype> <destination> ::= <a-address> <newline> <source> ::= <a-address> <newline> <user-data> ::= <byte>* <version> ::= <digit>*2 <datatype> ::= <digit>*2 <route-info> ::= <TTL> <nodes> <newline> <TTL> ::= <blank> <decimalt tal 1:255> <nodes> ::= <blank> <desthost> <blank> <srchost> <desthost> ::= <decimalt tal 0:255> <srchost> ::= <decimalt tal 0:255> <a-address> ::= <byte>*[1-20] 10

12 Skriftlig eksamen torsdag den 11 juni 1998 i Datalogi 1F side 11 af 11 <blank> <newline> ::= <et ASCII blanktegn> ::= <et ASCII \n> Spørgsmål 5.1 Da der ved løsningen af opgaven typisk anvendtes samme arkitektur overalt (f.eks. HPUX 10 på HP9000s700), var der ingen big-endian/little-endian problemer i forbindelse med repræsentationen af tal (f.eks. <desthost>, <TTL>) og tekst (f.eks. <a-address>), selv om begge indgik i <P1-PDU>. Ville der i et net med forskellige arkitekturer kunne være big-endian/littleendian problemer? Svaret skal begrundes. Spørgsmål 5.2 Diskuter fordele og ulemper ved den adressering af applikationer, der er valgt i G2, hvor en applikation identificeres ved en globalt entydig <a-address>. Spørgsmål 5.3 En P1 PDU har en maksimal størrelse, som afhænger af de BM er, der transporterer PDU en, idet det mest restriktive BM på ruten afgør størrelsen. Det er derfor brugeren, der må tage sig af eventuel fragmentering af større datablokke. Hvis denne opgave i stedet skal løses af BM erne (analogt til IP), skal P1 PDU formatet udvides. Skitser de nødvendige udvidelser og argumentér for de enkelte felter i udvidelsen. 11