Hệ tin học phân tán cần phải có các cơ chế kỹ thuật đủ mạnh nhằm duy trì sự gắn bó thông tin trong quá trình hoạt động củacác tiến trình và sự trao đổi thông tin với nhau sao cho hệ thốn
Trang 1Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Lê Văn Sơn
Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG
Trang 21 Sơ lược về hệ tin học phân tán
1.1 Định nghĩa
Hệ tin học phân tán hay nói ngắn gọn là hệ phân tán (Distributed System)
là hệ thống xử lý thông tin bao gồm nhiều bộ xử lý hoặc bộ vi xử lý nằm tại các
vị trí khác nhau được liên kết với nhau thông qua phương tiện viễn thông dưới
sự điều khiển thống nhất của một hệ điều hành
1.2 Các thực thể trong hệ phân
Hệ phân tán gồm 4 thực thể:
Hình 1 Bốn thực thể của hệ tin học phân tán
1.3 Ưu điểm của việc sử dụng chung tài nguyên
- Tăng tốc độ bình quân trong tính toán xử lý
- Cải thiện tình trạng luôn sẵn sàng của các loại tài nguyên
- Tăng độ an toàn cho dữ liệu
- Đa dạng hóa các loại hình dịch vụ tin học
- Bảo đảm tính toàn vẹn của thông tin
Tuy nhiên, nó cũng dẫn đến hàng loạt các vấn đề khó khăn trong việc thiếtlập hệ, liên quan việc cấp phát tài nguyên dùng chung cho các tiến trình
Điều quan trọng đặt ra, là làm thế nào để hệ luôn đảm bảo sự gắn bó thôngtin, đặc biệt là thông tin dùng chung Hệ tin học phân tán cần phải có các cơ chế
kỹ thuật đủ mạnh nhằm duy trì sự gắn bó thông tin trong quá trình hoạt động củacác tiến trình và sự trao đổi thông tin với nhau sao cho hệ thống tránh được các
Các
hệ thống phần mềm
Tập hợp phần cứng
Hệ thống truyề
n thông
Hệ thống
dữ liệu
Trang 3Do vậy, để nghiên cứu ta cần giả định một số quy tắc nhấtđịnh cho việc hoạt động của hệ Các quy tắc này thể hiện trongbảng sau đây:
1 Chỉ có một loại phép toán (hay giao dịch) duy nhất là chuyểnkhoản từ tài khoản này sang tài khoản khác
2 Hệ có số lượng tài khoản cố định
3 Không có trao đổi nào khác diễn ra ngoài ngân hàng
4 Ngân hàng không được phép tiết lộ bí mật về số dư của khách
Xét các quy tắc có tính chất điều kiện như trên, sau khi thực hiện xong hoàn toàn một giao dịch nào đó, hệ quản lý giao dịch cần phải đảm bảo hai đặc tính sau đây:
Trang 41 P1 Tổng tất cả các số dư phải là một hằng số.
2 P2 Số dư cho một tài khoản là đại lượng >= 0
Hai đặc tính này gọi là đặc tính trạng thái tổng quát của CSDL (hay là cácràng buộc toàn vẹn của hệ) Ta nói rằng trạng thái hệ được gắn bó, nếu hệ manghai đặc tính vừa nên trên
Phép toán chuyển khoản thể hiện bằng cách trừ đi một giá trị P nào đó ở một tài khoản và cộng chính giá trị đó vào tài khoản khác Nếu ta ký hiệu A là số dư tài khoản
bị trừ đi và B là số dư tài khoản được cộng vào, thì chương trình thể hiện giao dịch này
có thể viết như sau:
2) Giả sử rằng bộ xử lý thực hiện giao dịch bị rơi vào trạng thái không làmviệc được tại thời điểm giữa a và b Tài khoản A đã được trừ trong khi B cònchưa được cộng Nói cách khác đặc tính P1 không thể đảm bảo gì hơn nếu dừnglại ở đây Ta cần phải bổ sung thêm cho hệ một đặc tính nữa nhằm vào điều vừanêu Đó là sau khi thực hiện một giao dịch hoặc là tất cả các cập nhật đều được
Trang 5tiến hành hoặc là trạng thái các tài khoản không thay đổi.
Như vậy, lưu ý thứ 2 cho phép ta đảm bảo được phép gắn bó dữ liệu trongđiều kiện có sự cố Đó chính là đòi hỏi quan trọng đối với toàn hệ trong việc truycập thông tin
Bây giờ, ta giới thiệu một loại giao dich mới Đó là giao dịch kèm theo tỷ lệlợi nhuận tiền gửi t có nghĩa là sau một khoảng thời gian nào đó số dư này đượctính tăng lên bằng cách cộng số dư với lợi nhuận ngân hàng
Ta ký hiệu: U - giao dịch mới
T - các giao dịch chuyển khoản
Và bây giờ các ràng buộc toàn vẹn của hệ là:
1 P’1 Thực hiện một lượng giao dịch T nào đó không làm thay
đổi tổng của các tài khoản
2 P’2 Trong một tài khoản, số dư bao giờ cũng >= 0
3 P’3 Thực hiện n giao dịch loại U nâng tổng của các tài
2.2.1 Điều kiện giả định và thực tế
Ta có một tập hợp thông tin nào đó có thể được truy cập bởi một tập hợpcác tiến trình Số lượng đối tượng thông tin có thể truy cập và số lượng tiến trình
có nhu cầu thông tin là cố định Hệ này phát triển rời rạc theo thời gian, giữa cácđiểm xác định, ta có thể nhận biết được trạng thái thực của chúng, nghĩa là cácgiá trị của đối tượng và ngữ cảnh thực hiện của các tiến trình Hệ như vậy hoạtđộng với độ ổn định tuyệt vời
Các điều kiện giả định trên so với hệ thực tế có những điểm khác nhau cănbản:
Trang 6- Các đối tượng và các tiến trình có thể được tạo lập và huỷ bỏ có tính chấtđộng trong suốt quá trình tồn tại của hệ.
- Các đối tượng và các tiến trình có thể được phân tán trên các trạm khácnhau liên hệ với nhau qua hệ thống viễn thông
- Hệ thống viễn thông và các tiến trình là các đối tượng có thể xảy ra sự cố kỹthuật
2.2.2 Tác động và giao dịch
Các đối tượng khác nhau của hệ không phải là các đối tượng độc lập nhau,chúng quan hệ với nhau bởi tập hợp các quan hệ gọi là các ràng buộc toàn vẹn.Các ràng buộc này thể hiện sâu sắc các đặc tính riêng biệt của hệ
Trạng thái của hệ thoả mãn một tập các ràng buộc toàn vẹn gọi là trạng thái gắnbó
Các nhà thiết kế và vận hành hệ mong muốn rằng việc thực hiện các tiếntrình phải duy trì cho được hệ trong trạng thái gắn bó Để chính xác hoá đặc tínhnày, cần phải lưu ý là trạng thái của hệ chỉ được xác định ở mức quan sát chotrước
Ta quan tâm đến hai mức quan sát:
Tiến trình là một dãy thực hiện các giao dịch Giao dịch đó làchương trình duy nhất được thực hiện từ một trạng thái gắn bódẫn hệ đến một trạng thái gắn bó khác
2 Hệ thống
Mỗi giao dịch được cấu tạo từ một dãy các tác động được thểhiện như sau Nếu 2 tác động A và B thuộc hai giao dịch khácnhau được thực hiện bởi hai tiến trình thì hiệu ứng tổng quátcủa chúng sẽ là hiệu ứng của dãy (A;B) hoặc là (B;A)
Trang 7một tác động.
- Đọc và ghi một bản ghi là các tác động, nếu hệ quản lý các tập tin đảmbảo tính không chia cắt được của chúng
2.2.3 Trật tự hóa các tác động
Cho một tập các giao dịch M = (T1, T2, ,Tn) lần lượt được thực hiện bởi
các tiến trình độc lập p 1 , p 2 , , p n Việc thực hiện tuần tự có nghĩa là thực hiệntất cả các giao dịch của M theo kiểu nối đuôi nhau và tuân thủ một trật tự nào
đó Sự gắn bó dữ liệu của hệ được bảo toàn, theo định nghĩa, bằng việc thựchiện riêng biệt từng giao dịch Do vậy, nó cũng đảm bảo trong chế độ thực hiệntuần tự của M
Trong trật tự tuân thủ trật tự nội tại của từng giao dịch, dãy này bao gồm tất
cả các tác động cấu tạo nên giao dịch M; mỗi một tác động chỉ xuất hiện một vàchỉ một lần Một dãy các tác động như vậy được gọi là trật tự hóa của tập hợpcác giao dịch M
Ví dụ: Quay lại vấn đề bài toán ở phần 1 và xem xét ba trật tự hóa có thể là
Giao dịch loại T
A:=A-P A:=(1+t)xA
B:=(1+t)*B
B:=B+P Giao dịch loại U
Giao dịch loại T
A:=A-P
A:=(1+t)xA B:=(1+t)*B B:=B+P Giao dịch loại U
Trang 8Hình 4: Trật tự hóa S3
Ta nhận thấy dễ dàng là trật tự hóa S2 có tác dụng tương đương với trật tựhóa tuần tự S3, trong khi đó trật tự hóa S1 lại khác Trong trật tự hóa S2 và S3,các tác động cập nhật lần lượt của tài khoản A và B đều được thực hiện theocùng một tuần tự, còn trong trật tự hóa S1 thì trật tự tác động cập nhật tài khoản
B bị đảo ngược
Ví dụ này cho ta thấy sự quan trọng của việc đảm bảo trật tự khi cập nhậtthông tin
2.2.4 Triển khai giao dịch tôn trọng sự gắn bó
Cho một tập hợp giao dịch M={T1,T2…,Tn} Một trật tự hóa của tập hợpcác tác động thành phần sẽ tương ứng với việc thực hiện hoàn toàn các giaodịch Việc thu được một trật tự hóa gắn bó chỉ có thể thành công khi áp dụng cácràng buộc trên trật tự thực hiện các tác động Nguyên lý của phương pháp là ởchỗ làm chậm một tác động nào đó cho đến thời điểm mà sự thực hiện của nókhông còn có nguy cơ phá hủy sự gắn bó của trật tự hóa
Để đảm bảo các giao dịch trên tôn trọng sự gắn bó thông tin thì người tađưa ra các phương pháp, cơ chế để đảm bảo khi giao dịch vẫn có sự gắn bóthông tin toàn vẹn dữ liệu trên cơ sở dữ liệu phân tán Cụ thể ta có cơ chế thencài:
o Then cài loại trừ tương hỗ
o Then cài lựa chọn đối tượng
o Giao dịch hai pha
Bây giờ ta tưởng tượng rằng các đối tượng được phân tántrên nhiều trạm khác nhau và được nối với nhau thông qua hệthống viễn thông và rằng các tiến trình diễn ra trên các trạm
Trang 9khác nhau Hệ thống viễn thông cho phép các tiến trình trên cáctrạm khác nhau có thể trao đổi các thông điệp với nhau Ta giảđịnh rằng các tiến trình và các phương tiện truyền thông là cácđối tượng có thể rơi vào sự cố Một hệ quản lý tập hợp thông tinphân tán bao gồm:
Các phương pháp để quản lý gắn bó các giao dịch như: Phương pháp dựphòng để chống bế tắc, phương pháp dựa vào việc hạn chế các khả năng diễn rabằng cách phát hiện bế tắc có tính chất động, điều đó dẫn đến hủy bỏ các giaodịch
Trang 10Chương 2: THUẬT TOÁN GẮN BÓ TRÊN CƠ SỞ DẤU
1 Phương pháp sắp xếp kiểu đóng dấu:
Đóng dấu là hành vi gán giá trị nguyên cho một thông điệp nhằm ghi nhậnthời điểm truyền trên cơ sở tham chiếu đồng hồ lô gích
Nội dung cơ bản của phương pháp này là trạm phát được gắn một giá trị gọi
là dấu Giái trị này có tính chất thời điểm cho trạm phát thông tin và dựa vàođồng hồ lô gích cục bộ của chính trạm Các đồng hồ này được lấy lại thông quahội thoại giữa các trạm
1.1 Nguyên lý:
Tập hợp tất cả các yêu cầu cập nhật được sắp xếp theo cùng một kiểu trêntất cả các trạm nhờ cơ chế dấu Theo đó mỗi một yêu cầu được phát đi cho tậphợp các trạm, trên mỗi trạm tồn tại một tiến trình server đảm nhận nhiệm vụ tiếpnhận các yêu cầu theo một trật tự về dấu Điều đó cho phép có một sự gắn bóyếu giữa các bản sao
1.2 Triển khi hệ số ổn định:
Các giao dịch cần xét ở đây là các khả năng đọc, ghi hay cập nhật Cập nhậtđược xác định như một dãy các thao tác đọc rồi ghi, thao tác kiểm tra - đọc tứcthì trạng thái hiện hành của bản sao
Mỗi một server tiếp nhận các yêu cầu ghi đến các trạm cục bộ ở thời điểmcho trước nó tiếp nhận các yêu cầu và tính toán trên cơ sở dấu theo tiêu chí lâunhất Điều đó dẫn đến chúng ta cần phải chú ý ở hai trường hợp:
- Trường hợp 1: Tập hợp các yêu cầu ghi khi chờ chứa cá yêu cầu từ tất cả
các trạm khác Trong trường hợp này các yêu cầu đi qua, nếu chúng tồn tại, làmới hơn so với các yêu cầu đã đi qua Nói cách khác, yêu cầu lâu nhất chính làyêu cầu đang chờ
- Trường hợp 2: Tồn tại các trạm mà không có bất kỳ yêu cầu nào được
truyền đến Ta giải quyết bằng cách truyền cho tất cả các trạm một thông điệpyêu cầu và bắt buộc phải xác nhận Do vậy, sau một khoảng thời gian theo giả
Trang 11thiết về độ ổn định ta sẽ xác nhận: hoặc là các yêu cầu đi qua, hoặc là trả lời cácthông điệp yêu cầu Lúc này, ta nói được các thông điệp đến từ tất cả các trạm.
1.3 Các hành vi bên ngoài chế độ bình thường:
Có hai vấn đề mở rộng hơn đối với thuật toán này là cho phép rút ra haychèn vào tuỳ ý một trạm nào đó Điều đó, dẫn đến hai vấn đề sau chúng ta cầnphải tôn trọng:
- Vấn đề 1: Việc đột nhiên biến mất một trạm nào đó pahỉ được các trạm
khác nhận biết một cách tự động
- Vấn đề 2: Việc phát đi một thông điệp là phép toán không thể chia cắt đi
được nữa Đó là một thông điệp hoặc là tất cả các trạm đều phải nhận được hoặc
là không một trạm nào nhận được cả
Vì vậy, nếu điều kiện đầu tiên được khống chế thì điều kiện thứ hai mớiđược đảm bảo
2 Khái quát thuật toán quản lý nhiều sao
Thuật toán cho phép sao lại các thay đổi của một đối tượng trên các bản saokhác nhau Cụ thể trong cơ chế then cài: Một giao dịch nào đó đang thực hiệnphép then cài trên một đối tượng muốn giành quyền sử dụng đối tượng này theomột vài kiểu truy cập nhất định Cơ chế then cài gán hay không gán quyền truycập này căn cứ vào quy tắc tiền định như loại trừ tương hỗ, luật đọc, hiệu chỉnhthông tin,… Nếu quyền được thừa nhận thì đối tượng bị cài then bởi giao dịch
Nếu không, tiến trình giao dịch bị khoá và đối tượng không bị cài then Cơ chế
cài then cho phép một giao dịch có thể giải phóng đối tượng mà nó đã cài then.Nếu ta có n bản sao b1, b2, …, bn của đối tượng b, một trong các ràng buộctoàn vẹn là:
Để tham chiếu đến b, cần phải thực hiện giao dịch:
b1 = b2 = … = bn
v_doc(b i ) doc(b i ) giai_phong(b i )
Trang 12Để thực hiện việc cập nhật vào các bản sao, ta cần phải cài then chúng mộtcách hợp thức theo kiểu loại trừ.
Để tránh sự bế tắc diễn ra, việc cài then các bản sao luôn luôn phải đượcthực hiện trong cùng một trật tự
Nói cách khác, bằng cách bỏ qua các pha chuyển, hoặc là đối tượng đangtrong quá trình cập nhật và tất cả các bản sao được lưu trữ cho tiến trình thựchiện cập nhật, hoặc là tất cả các bản sao được cập nhật chỉ để đọc và giống nhauhoàn toàn Kiểu hoạt động này triển khai một sự gắn bó mạnh giữa các đốitượng
Nhược điểm căn bản của giải pháp này là rất yếu về song song giữa cácphép toán cập nhật Ta có thể áp dụng các ràng buộc toàn vẹn yếu hơn Đó là taluôn đòi hỏi việc truy cập vào một bản sao chỉ có thể được phép bên trong của
nó là gắn bó, nhưng ta lại không yêu cầu nhiều về chi tiết là các bản sao phảigiống nhau tuyệt đối trong mọi thời điểm
Tổng quát, nếu ta chấm dứt thực hiện các giao dịch cập nhật thì tất cả cácbản sao có thể trở thành giống nhau hoàn toàn sau một khoảng thời gian xácđịnh Đây chính là sự đảm bảo cho việc gắn bó yếu giữa các bản sao
Điều kiện đủ cho sự gắn bó yếu là việc cập nhật thực hiện theo cùng mộttrật tự cho tất cả các bản sao Và cần chú ý hai điểm sau:
1) Sự khác nhau chủ yếu giữa gắn bó mạnh và gắn bó yếu là ở chỗ giaodịch đọc thông tin Theo gắn bó yếu, ta có hai cách đọc cần xem xét:
- Đọc tức thì trạng thái hiện hành của bản sao cục bộ
- Đọc bản sao cục bộ sau khi tiếp nhận các thay đổi được truyền đến trướctrật tự của việc đọc theo chiều của trật tự cần xem xét
Để cho i:=1 đến n thực hiện v_viet(bi)
<Thực hiện các cập nhật và chép chúng vào tất cả các bản>
Trang 132) Khi nói rằng các bản sao là hoàn toàn giống nhay có nghĩa là chúng cungcấp thông tin như nhau khi được tham chiếu hay tích hợp cùng một dãy các cậpnhật Nhưng việc thể hiện bên trong dữ liệu có thể thay đổi từ trạm này đến trạmkhác.
Thuật toán đảm bảo sự gắn bó yếu nhờ dấu sau đây được đưa vào áp dụng
là đáp ứng yêu cầu gắn bó, đơn giản và rõ ràng Song khi triển khai đòi hỏinguồi thiết kế phải:
1) Nắm vững các nguyên lý cơ bản của thuật toán
2) Việc triển khai chúng trong thực tế cần phải tính đến các điều kiện
- Các trạm và các đối tượng có số lượng xác định trước (số lượng cố địnhtại thời điểm khai thác)
- Các tiến trình của trạm và hệ thống viễn thông có thể xảy ra xự cố kỹthuật, những sự cố này có thể khắc phục được
3) Có các chỉ dẫn cần thiết cho việc mở rộng sau này để có thể xứ lý cáctình huống ngoài chế độ bình thường
3 Thuật toán duy trì sự gắn bó trên cơ sở dấu
Căn cứ vào nội dung thông tin cần phải đảm bảo sự gắn bó mà người ta cóthể chọn các thuật toán khác nhau Ở đây, ta tập trung vào thuật toán duy trì sựgắn bó yếu nhờ dấu
3.1 Nguyên lý
Tập hợp các yêu cầu cập nhật được sắp xếp theo cùng một kiểu trên tất cảcác trạm nhờ cơ chế dấu Theo đó mỗi một yêu cầu được phát đi cho tập hợp cáctrạm Tên mỗi trạm, tồn tại một tiến trình Server đảm nhận nhiệm vụ tiếp nhậncác yêu cầu theo trật tự của dấu Điều đó cho phép có được một sự gắn bó yếugiữa các bản sao
Trang 14trạng thái hiện hành của một bản sao.
Mỗi một server tiếp nhận các yêu cầu ghi đến từ trạm cục bộ ở thời điểmcho trước Nó tiếp nhận các yêu cầu và tính toán trên cơ sở dấu theo tiêu chí lâunhất Việc xác định yêu cầu không được tiến hành ngay tức khắc vì nguyên do takhông thể biết chắc chắn yêu cầu nào là lâu nhất Yêu cầu lâu nhất có thể đangtruyền trên đường Tính không chắc chắn này xuất hiện có điều kiện với giả thiết
về hệ viễn thông Khi trạm i truyền các thông điệp cho trạm j, Trật tự nhận cácthông điệp tại j là hoàn toàn giống với trật tự của các thông điệp phát đi Giảthiết này được kiểm tra trong các mạng thông thường Việc xác định các yêu cầucần xử lý trên một trạm là hoàn toàn có thể
Có hai trường hợp cần xem xét:
1) Tập hợp các yêu cầu ghi khi chờ chứa các yêu cầu từ tất cả các trạmkhác Trong trường hợp này các yêu cầu đi qua, nếu chúng tồn tại, là mới hơn sovới các yêu cầu đã đi qua Nói cách khác, yêu cầu lâu nhất chính là yêu cầu đangchờ
2)
Tồn tại các trạm mà không có bất kỳ yêu cầu nào được truyền đến Ta đượcđưa các trường hợp trước đây bằng cách truyền cho tất cả các trạm một thôngđiệp yêu cầu và bắt buột phải xác nhận Do vây, sau một khoảng thời gian, theogiả thiết về độ ổn định, ta sẽ nhận hoặc là các yêu cầu đi qua, hoặc là các trả lờicho thông điệp yêu cầu Lúc này, ta có được các thông điệp đến từ tất cả cáctrạm
3.3 Các hành vi bên ngoài của chế độ bình thường
Hai vấn đề mở rộng hơn đối với thuật toán này cho phép rút ra hay chènvào tùy ý một trạm nào đó Ngược lại, thuật toán chỉ sống trong trường hợp có
sự cố, nếu các điều kiện sau đây được tôn trọng:
1) Việc đột nhiên biến mất đi một trạm nào đó phải được các trạm khácnhận biết tự động
2)
Việc phát một thông điệp là một phép toán không chia cắt được nữa Đó là
