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Text File  |  1996-05-07  |  21KB  |  109 lines

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  5.  
  6.  Network Working Group RFC #684 NIC #32252 April 15,1975 
  7.  
  8.  
  9.  
  10.     A Commentary on Procedure Calling as a Network Protocol 
  11.  
  12.                         Richard Schantz 
  13.  
  14.                            BBN-TENEX 
  15.  
  16.  
  17.  
  18. Preface_______ 
  19.  
  20. This RFC is being issued as a first step in an attempt to  stimulate a dialog on some issues in designing a distributed computing system. In particular, it considers the approach taken in a design set forth in  RFC #674, commonly known as the "Procedure Call Protocol" (PCP). In the present document, the concentration is on what we believe  to be the shortcomings of such a design approach. 
  21.  
  22. Note at the outset that this is not the first time we are  providing a critical commentary on PCP.  During the earlier PCP design stages, we met with the PCP designers for  a  brief  period,  and  suggested several  changes,  many  of  which became part of PCP Version 2.  We hasten to add, however, that the nature of  those  suggestions  stem from  an entirely different point of view than those presented here. Our original suggestions, and also some subsequent ones, were mainly addressing  details  of implementation.  In this note the concern is more with the concepts underlying the PCP design than with  the  PCP implementation. 
  23.  
  24. This note is being  distributed  because  we  feel  that  it  raises certain  issues  which  have not been adequately addressed yet.  The PCP designers are to  be  congratulated  for  providing  a  detailed written  description  of  their  ideas,  thereby  creating a natural starting  point  for  a  discussion  of  distributed  system  design concepts.  It is the intent of this note to stimulate an interaction among individuals involved with distributed computing,  which  could perhaps  result in systems whose designs don't preclude their use in projects  other  than  the  one  for  which  they  were   originally conceived. 
  25.  
  26. The ideas  expressed  in  this  RFC  have  benefited  from  numerous discussions with Bob Thomas, BBN-TENEX, who shares the point of view taken. 
  27.            A COMMENTARY on PROCEDURE CALLING         Page   2 
  28.  
  29.  
  30.  
  31. Introduction____________ 
  32.  
  33.       While the Procedure Call Protocol (PCP) and its use within  the National  Software  Works (NSW) context attacks many of the problems associated with integrating independent computing systems to  handle a  distributed  computation,  it  is  our  feeling  that  its design contains flaws which should prevent its widespread use, and  in  our view,  limit  its overall utility.  We are not voicing our objection to the use of PCP, in its current  definition,  as  the  base  level implementation  vehicle for the NSW project.  It is already too late for any such objection, and PCP may, in fact, be very effective  for the  NSW  implementation,  since they are proceeding in parallel and have probably influenced each other.   Rather,  we  are  voicing  an objection  to  the  "PCP philosophy", in the hope of preventing this type of protocol from becoming the  de-facto  network  standard  for distributed  computation,  and in the hope of influencing the future direction of this and similar efforts. 
  34.  
  35.      Some of the objectionable aspects of PCP, it can be argued, are differences  of  individual  preference, and philosophers have often indicated that you cannot argue about  tastes.   We  have  tried  to avoid  such  arguments in this document.  Rather, we consider PCP in light  of  our  experience  in   developing   distributed   systems. Considered  in  this  way,  we  feel  that  PCP  and  its underlying philosophy have flaws which  make  it  inappropriate  as  a  general purpose protocol and virtual programming system for the construction of distributed software systems.  It is  our  opinion  that  PCP  is probably  complete  in  the  sense that one can probably do anything that is required using its primitives.  A key  issue  then,  is  not whether this function or that function can be supported.  Rather, to us an important question is how easy it is to do  the  things  which experience has indicated are important to distributed computing.  In addition, a programming discipline dedicated to network applications should  pay  particular  attention  to  coercing its users away from actions which systems programming in general and network programming in particular have shown to be pitfalls in system implementation. 
  36.  
  37.  A Point of View_ _____ __ ____ 
  38.  
  39.       At the outset, we fully support the aspects of the  PCP  design effort  that  have  gone  into  systematizing  the  interaction  and agreements between distributed  elements  to  support  inter-machine computing.   This  includes  the  definition of the various types of replies, the  standardization  of  the  data  structure  format  for inter-machine  exchange,  and  the process creation primitives which extend the machine boundaries.  Such notions are basic and  must  be part  of any distributed system definition.  Our main concern is not with these efforts. 
  40.            A COMMENTARY on PROCEDURE CALLING         Page   3 
  41.  
  42.  
  43.  
  44.      Rather, we take exception to PCP's underlying premise: that the procedure  calling  discipline  is  the  starting point for building multi-computer systems.  This premise leads to a model which  has  a central  point  for the entire algorithm control, rather than a more natural (in network situations) distributed control accomplished  by cooperating   independent   entities   interacting   through  common communication paths.  While the procedure call may be an appropriate basis  for  certain  applications,  we  believe  that it can neither directly  nor  accurately  model  the   interactions   and   control structures that occur in many distributed multi-computer systems. 
  45.  
  46.      Much of what follows may seem to be a pedagogic  argument,  and PCP supporters may take the position of "who cares what you call it, its doing the same thing".  Our reply is that it is  very  important to achieve a clear and concise model of distributed computation, and while the PCP  model  does  not  require  "poor  implementation"  of distributed  systems, neither does it make "good implementation" any easier, nor does it prohibit ill-advised programming  practices.   A model  stressing the dynamic interconnection of somewhat independent computing  entities,  we  feel,  adheres  more  to  the  notions  of defensive  programming,  which  we  have  found to be fundamental to building usable multi-machine implementations. 
  47.  
  48.      The rest of this RFC discusses what we feel to be some  of  the shortcomings of a procedure call protocol. 
  49.  
  50.  Limitations of Procedure Calling Across Machines___________ __ _________ _______ ______ ________ 
  51.  
  52.       First and foremost, it is our contention that procedure calling should  not  be  the  basis for multi-machine interactions.  We feel that a request and reply protocol along  with  suitably  manipulated communication paths between processes forms a model better suited to the situation  in  which  the  network  places  us.   In  a  network environment  one has autonomous computing entities which have agreed on their cooperation, rather than a master process forcing execution of a certain body of code to fulfill its computing needs.  In such a configuration, actions required of a process are  best  accommodated indirectly (by request) rather than directly (by procedure call), in order to maintain the integrity of the constituent processes. 
  53.  
  54.      Procedure calling is most  often  a  very  primitive  operation whose   implementation   often   requires   only  a  single  machine instruction.  In addition, it is usually true that procedure calling is  usually  not  within  the  domain of the operating system.  [The Multics intersegment procedure  calling  mechanism  may  present  an exception  to  this,  until  linkage is complete.  In the remote PCP case, however, linkage  can  never  be  complete  in  the  sense  of supporting  a  fast transfer of control between modules].  Processes and communication paths between processes, however,  are  undeniably operating   system   constructs.   In  an  environment  where  local procedure calling was "cheap", it would be ill-advised to  blur  the 
  55.            A COMMENTARY on PROCEDURE CALLING         Page   4 
  56.  
  57.  
  58.  
  59. distinction  between  a local (inexpensive in time and effort) and a remote procedure call, which obviously  requires  a  great  deal  of effort  by  the "PCP system", if not by the PCP user.  It also seems to  be  the  case  that  the  cost  of  blurring  the   local/remote distinction  at  the  procedure call level will be found in the more frequent use of a less efficient local procedure calling  mechanism. Interprocess communication, on the other hand, (at least with regard to stream or  message  oriented  channels  and  not  just  interrupt signals)   is  generally  regarded  as  having  a  significant  cost associated with it.   Message  sending  is  always  an  interprocess action,  and  requires  system intervention always.  There is not as substantial a difference between the IPC of local processes and  the IPC  of  remote  processes,  as  between  local and remote procedure calling.  PCP is suggestive of a model in which processes exist that span machine boundaries to provide inter-machine subroutine calling. Yet the PCP documentation has not advocated the notion of a  process that  spans  machine  boundaries,  and  rightfully  so  since such a creation would cause innumerable problems.  Since procedure  calling is more suitable as an intra-process notion, it seems to be a better idea to take the interprocess communication framework and extend  it to  have  a uniform interpretation locally and remotely, rather than to extend the procedure calling model.  It is  also  our  contention that  a  model  which relies on procedure calling for its basis does not take into account the special nature of the network environment, and  that  such  an  environment  can  be more suitably handled in a message passing model.  Furthermore, we feel that programming  as  a whole,  even  purely  local computing, will benefit from paying more attention to such areas as reliability and  robustness,  which  have been  brought to the forefront through experience with an oftentimes unreliable network and  collection  of  hosts.   An  IPC  model,  by emphasizing  the  connections  between  disjoint processes, seems to reinforce the idea that distributed  computing  is  accomplished  by joining  separate entities, and that defensive programming and error handling techniques are appropriate.  Since PCP is,  we  think,  for distributed  system  builders,  and  not  for  the end user (e.g. an RSEXEC user), avoiding  the  network,  interconnection  issues,  and relative  costs, may be counter-productive if the goal is to achieve usable network systems. 
  60.  
  61.      In a similar vein, the entire notion of inter-machine procedure calling  underlies  a model which in effect has extended the address space of a single process.  That is, there  is  a  single  locus  of algorithm   control   (although   perhaps  not  a  single  locus  of execution).  While this model may well serve the needs of a  "local" computation  where  the  parts  are  strongly  bound  together,  our experience in building working distributed  systems  has  shown  the utility of a model which has multiple loci of control and execution. In such a model, it is through agreements on the method and type  of information  interchange  and synchronization, that a computation is carried out, rather than at the  singular  direction  of  a  central entity.   In  a model that has distributed control and execution, we feel a process will be in a better position to naturally  cope  with the many vagaries that necessarily arise in a network environment. 
  62.            A COMMENTARY on PROCEDURE CALLING         Page   5 
  63.  
  64.  
  65.  
  66.      The  unmistakable  trend  in  systems  programming  is   toward inviolable    (protected)    process    structures   with   external synchronization as a means of coping with  complex  debugging  tasks and  the  difficulty of making system changes.  This trend is better supported, we feel, by a message passing rather  than  a  procedural model of computation.  Furthermore, we feel that network programming techniques should be applied to local computation, not the other way around. 
  67.  
  68.  Some Particulars____ ___________ 
  69.  
  70.       In the following list, we try to be more specific with  respect to  particular situations where we think the PCP concept may be weak as the basis for a network programming system.  For  some  of  these examples to be meaningful, the reader should be fairly familiar with the PCP documents issued as RFC 674. 
  71.  
  72.        1.  Recovery  from  component  malfunction  may  be  very     difficult  to  handle  by  a process that is not the central     control (i.e.  a  process  which  is  being  manipulated  by     having  its  procedures  executed).   Is the situation where     there is network trouble, for example, to be  modeled  by  a     forced procedure call to some error recovery routine?  It is     precisely such situations where distributed  control  serves     as  a  better  model.   Consider  the  act of introducing an     inferior to another acquaintance and then supplying the  new     handle  as a parameter of a subsequent procedure call in the     inferior.  The inferior's blind  use  of  the  parameter  to     interact with the other process illustrates the manipulative     aspects of a superior.  The inferior never really  is  aware     of  a new communication path to a new process.  The inferior     environment (as maintained by the  PCP  "system")  has  been     changed  by the superior, with no active notification of the     inferior.  Certainly this makes user  coded  error  recovery     somewhat awkward. 
  73.  
  74.        2.  Such process manipulation may at  times  violate  the     principles  of  modular programming.  In this vein, it seems     beneficial to be able to debug separately the  pieces  of  a     computation  and then worry only about their synchronization     to achieve a totally  debugged  system.   With  PCP  in  its     fullest sense, the danger of error propagation seems greater     because of the power of a process to cause execution  of  an     arbitrary  procedure  and  to  read/write remote data stores     without the active participation of the remote process. 
  75.  
  76.        3.  Can we assume a proper initialization sequence if our     procedures   are  called  remotely?   Must  every  procedure     contain the code to check  for  the  propriety  and  correct     sequencing of the call? A model in which each remote process     is  an  active  computing  element  seems  better  able   to 
  77.            A COMMENTARY on PROCEDURE CALLING         Page   6 
  78.  
  79.  
  80.  
  81.     conveniently apply protective standards to the code and data     it encompasses. 
  82.  
  83.        4.  PCP doesn't model long term parallel  activity  in  a     convenient   fashion,  as  is  required  to  handle  various     asynchronous producer/consumer process  relationships.   The     synchronization  is  geared  more  to  a one-to-one call and     return, rather than to the asynchronous nature and  multiple     returns  for  a single request, as exhibited by many network     services.  In addition, low priority, preemptable background     tasks  are  hard  (impossible?) to model in a procedure call     environment. 
  84.  
  85.        5.  Communication  paths  are  not  treated  as  abstract     objects  which are independent from the actual entities they     connect, and hence they cannot be utilized  in  some  useful     ways (e.g. to carry non PCP messages).  Also with respect to     treating communication paths as objects, there is no concept     of  passing  a  communication  path  to  an  inferior (or an     acquaintance), without having to create a  new  "connection"     (whether  or  not  this turns out to be a physical channel).     The ability to pass communication paths is often  useful  in     subcontracting  requests  to inferior processes.  To do this     within PCP requires the cooperation of the  calling  process     (i.e. to  use  the new connection handle), which again seems     to  violate  the  concepts  of  modular  programming.    The     alternative  approach  in  PCP is to have the superior relay     the subsequent communications to its created  inferior,  but     the  effort involved would probably prohibit the use of this     technique for subcontracting. 
  86.  
  87.        6.  PCP seems too complicated to be used for the type  of     processing  which  requires  periodic but short (i.e.  a few     words  exchanged)  interactions.    An   example   of   such     interactions  is  the  way the TIP uses the TENEX accounting     servers (see RFC #672).  Furthermore, PCP is  probably  much     too  complex  for  implementation  on a small host.  In that     regard, there does not seem to be a definition of what might     constitute a minimum implementation for a host/process which     did/could not handle all of what has been developed. 
  88.  
  89.        7.  In the PCP model, it may become awkward  or  resource     consuming  for  a service program to do such things as queue     operations for execution at a later time (persistence) or at     a  more opportune time (priority servicing mechanism).  Such     implementations may require dummy returns  and  modification     of   the   controlling   fork  concept,  or  maintenance  of     processing forks over long periods of inactivity. 
  90.  
  91.        8.  It is not  always  true  that  a  process  connecting     (splicing)  to  a  service  should  be able to influence the     service process environment in any direct way.   How  can  a     service process in PCP prevent a malicious user fom splicing 
  92.            A COMMENTARY on PROCEDURE CALLING         Page   7 
  93.  
  94.  
  95.  
  96.     to it and then introducing it  to  an  arbitrary  number  of     processes,  thereby  overflowing  the  table  space  in that     process.  All of that could  have  been  done  without  ever     executing  a  single instruction of user written code.  This     difficulty is a consequence of the PCP notion of having  one     process  manipulate  the  environment of another without its     active participation in such actions. 
  97.  
  98.        9.   Doesn't  the  fact  that  the  network  PCP  process     implementation  is so much neater than the TENEX PCP process     implementation (since  TENEX  doesn't  have  a  general  IPC     facility)  suggest  that  message  passing and communication     facilities supported by the "system" provides a sound  basis     for  multi-process  implementations,  and  that perhaps such     facilities  should   be   primitively   available   to   the     distributed system builders who will use PCP? 
  99.  
  100.        10.   There  is  a  question  of  whether   PCP   is   an     implementation virtual machine (language), or an application     virtual machine (language).  That is, is PCP intended to  be     used   to   implement   systems   which  manage  distributed     resources, or as an end  product  which  makes  the  network     resources  themselves  easier  to  use  for  the  every day,     ordinary  programmer  (e.g.   makes   the   network   itself     transparent  to  users).   One  gets  the  feeling  that the     designers had both goals, and that neither one is completely     satisfied.   If  the  former  goal is taken, we believe that     most of the  complexities  (e.g.   network  trouble,  broken     connections,   etc.)   and  possibilities  (e.g.   redundant     implementation,  broadcast   request,   etc.)   of   network     implementations  are  not  provided for adequately.  In this     view,  the  NSW  framework  (Works  manager,  FE)   is   the     distributed  system  that  utilizes  the  PCP implementation     language.  We do not see how the use of PCP in this  context     provides   for   either  an  extra-reliable  system  through     component redundancy,  or  a  persistent  system  which  can     tolerate  temporary malfunctions.  If one subscribes to this     view, then it doesn't seem right that the objects  that  run     under the created system (i.e.  the tools that run under the     PCP implemented Front End, Works Manager, and  TBH  monitor)     should  also  be  aware of or use PCP.  If one considers the     latter goal, that PCP implements a  virtual  machine  to  be     presented   to   all   programmers  for  making  distributed     resources easy to use, then it is clear that  PCP  with  its     manifest  concern  for  object location does not provide for     the desireable properties of network transparency. 
  101.  
  102. Our conclusion is that procedure  calling  is  not  the  appropriate basis  for distributed multi-computer systems because it can neither directly nor accurately model  the  network  environment.   The  PCP virtual  programming  system may be inadequate for implementing many distributed  systems  because  the  complexities  and  possibilities unique to the network environment are not provided for at this basic 
  103.            A COMMENTARY on PROCEDURE CALLING         Page   8 
  104.  
  105.  
  106.  
  107. level. 
  108.  
  109.