Tiểu luận môn hệ phân tán VẤN ĐỀ NHIỀU BẢN SAO VÀ CÁC THAO TÁC ĐỌC, CÁC THAO TÁC CẬP NHẬT

iiiViệc truy cập tài nguyên, kích hoạt các tiến trình trong mạng không thể thực hiện bởi một thiết bị duy nhất, mà chức năng này phải được phân tán trên nhiều máy trên mạng... Sự tồn tại

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS LÊ VĂN SƠN

Học viên thực hiện : Trần Đình Truyền

Chương I Mở đầu về hệ tin học phân tán

I.1 Giới thiệu hệ tin học phân tán I.1.1 Định nghĩa

I.1.2 Vấn đề trỏ thông tin

I.2 Hệ thống nhiều bản sao

I.2.1 Thuật toán cung cấp cho hệ phân tán

I.2.2 Sắp xếp kiểu đóng dấu

năng cung cấp

Chương II Giải quyết vấn đề nhiều bản sao

II.1 Vấn đề nhân bản các đối tượng dữ liệu

II.2 Sơ lược thuật toán quản lý nhiều bản sao

II.2.1 Cơ chế then cài

II.2.2 Xử lý các sự cố

II.2.3 Thuật toán đảm bảo sự gắn bó yếu nhờ dấu

II.2.3.1 Nguyên lý

II.2.3.2 Triển khai hệ ổn định

II.2.3.3 Các hành vi ngoài chế độ bình thường

Chương III Sơ đồ tuần tự xử lý các thao tác đọc, các thao tác cập nhật

III.1 Kỹ thuật đánh dấu bảng điều khiển

III.2 Sơ đồ tuần tự xử lý các thao tác đọc, các thao tác cập nhật

I.1.1 Định nghĩa

 Hệ tin học phân tán hay nói ngắn gọn là hệ phân tán

 Là hệ thống xử lý thông tin bao gồm nhiều bộ xử lý

 Hệ phân tán như là một tập hợp bao gồm các bộ xử lý hoặc

- Hệ phân tán được xây dựng nhằm mục đích:

+ Phân tán hoá các quá trình xử lý thông tin và + Thực hiện công việc đó trên các trạm xa nhau

+ Cơ sở căn bản cho việc xây dựng các ứng dụng:

=>thương mại điện tử, giáo dục điện tử,

I.1.2 Vấn đề trỏ thông tin

- Thời hạn truyền một thông điệp là hiệu số giữa thời điểm

nhận và thời điểm truyền - là đại lượng biến thiên

- Ở cặp máy này khác với ở cặp máy khác Từ đó ta có 2 hệ quả sau đây:

1) Ở một thời điểm cho trước, một bộ xử lý đang thực hiện trên một máy chỉ có thể biết được trạng thái gần đúng của các máy khác.

2) Trật tự nhận các thông điệp trên các máy nhận có thể không giống trật tự phát của chính các thông điệp đó

Các máy trên mạng có thể bị sự cố và các thông điệp có thể bị mất Giải pháp cho vấn đề này là máy phát đánh số thứ tự tất cả các gói thông tin gửi đi kèm theo các số đó cho máy nhận Nếu máy phát không đánh số thì máy nhận sẽ không xác định được Ta có hệ quả ba là:

3) Hai máy giống nhau chứa thông tin hoàn toàn giống nhau lại không bao giờ giống nhau về mặt trạng thái.

Từ những vấn đề nêu trên, ta rút ra các đặc tính tổng quát của hệ phân tán:

i) Thời gian truyền thông điệp là một biến với các giá trị khác nhau, giá trị này có thể rất lớn.

ii) Tần suất xuất hiện các sự cố trong khi vận hành lớn.

iii)Việc truy cập tài nguyên, kích hoạt các tiến trình trong mạng không thể thực hiện bởi một thiết bị duy nhất, mà chức năng này phải được phân tán trên nhiều máy trên mạng.

I.2 Hệ thống nhiều bản sao

Trong hệ phân tán, quá trình tổ chức, vận hành các

hệ thống cho phép đăng ký từ xa, từng hệ thống cục

bộ đều có lưu trữ một bản sao của tất cả các thông tin liên quan đang có ở tất cả các hệ thống cục bộ.

Ưu điểm nổi bật của kiểu tổ chức này là:

i) Dễ dàng thực hiện việc truy cập thông tin cần thiết cho các yêu cầu ngay tại hệ thống cục bộ của mình

ii) Cho kết quả truy cập một cách nhanh chóng.

Tuy nhiên, chỉ cho kết qủa tương đối chính xác và phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp và thời hạn cập nhật

thông tin trong các CSDL cục bộ.

Sự tồn tại nhiều bản sao trong một hệ phân tán trên nhiều hệ thống cục bộ khác nhau có thể dẫn đến các hệ quả sau đây:

i) Cập nhật thông tin diễn ra do đăng ký gần hay từ xa hoặc sự thay đổi thông tin cục bộ trên một hệ cục bộ nào

đó cần phải được tiến hành cho tất cả các hệ thống cục bộ

và không được phép bỏ sót hệ thống nào cả trong

bảo sao cho việc truy vấn dữ liệu cho kết quả kịp thời hay

đặt truy vấn trong trạng thái treo(hang).

ii) Cần phải tránh trường hợp các thao tác trên hai bản sao khác nhau nhưng chứa cùng một thông tin được truy cập bởi hai hay nhiều yêu cầu dẫn đến không gắn bó

I.2.1 Thuật toán cung cấp cho hệ phân tán

Vì sự ổn định và hiệu quả mà ta phải phân tán chức năng cung cấp trên nhiều trạm khác nhau Sự hoạt động gắng bó với nhau giữa các chương trình cung cấp là rất cần thiết để bảo đảm cho hoạt động cung cấp được hoàn toàn chính xác

Một sự hoạt động gắn bó dữ liệu của các chương trình cung cấp phân tán quản lý trên cùng một tập hợp các tài nguyên chỉ đạt được nếu tuân thủ các nguyên tắc sau:

i) Các bộ cung cấp bắt buộc phải thực hiện cùng một giải thuật ii) Các bộ cung cấp đều nhận tất cả các thông điệp phát đi từ các tiến trình.

iii) Các thông điệp phải được xử lý cùng một trật tự như nhau trong các chương trình cung cấp Trật tự duy nhất trên tập hợp các thông điệp của hệ, và trật tự được thực hiện thông qua việc hợp lực giữa các tiến trình cung cấp hay tiến trình phát thông điệp.

I.2.2 Sắp xếp kiểu đóng dấu

Trạm phát được gắn một giá trị gọi là dấu Giá trị này có tính chất thời điểm cho trạm phát thông tin và dựa vào đồng

hồ lô gích cục bộ của chính trạm

I.2.3 Phân tán biểu hiện trạng thái và chức năng cung cấp.

Phân tán biểu hiện trạng thái và chức năng cung cấp, có các giải pháp có thể:

i) Duy trì tại mỗi trạm một bản sao trạng thái tài nguyên tổng quát

ii) Phân tán biểu hiện trạng thái trên các trạm, mỗi một trạm chỉ

có trạng thái các tài nguyên cục bộ của mình Các quyết định được đưa ra trên các trạm khác nhau cần phải được phối hợp theo kiểu sao cho dữ liệu của việc cung cấp phải được gắn bó với nhau.

iii) Nhóm sắp xếp nhằm bảo đảm cho tất cả các yêu cầu tài nguyên xuất phát từ các tiến trình đến được các bộ cung cấp khác nhau theo một trật tự duy nhất được cố định từ trước.

Chương II GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ NHIỀU BẢN SAO II.1 Vấn đề nhân bản các đối tượng dữ liệu

Khi nghiên cứu về hệ phân tán chúng ta thấy rằng, thời gian truy cập trung bình vào thông tin trong hệ phân tán có thể được rút ngắn, trong một số trường hợp, nhờ vào phương pháp nhân nhiều bản và được gọi là nhiều bản sao của một đối tượng thông tin.Ta cần phân biệt hai trường hợp khác nhau được thể hiện sau đây:

Trường hợp 1.a Đa xử lý với bộ nhớ chung

bộ của mình, hay còn gọi là cache, được

dùng để sao chép lại các vùng đang làm

việc của bộ nhớ chung Một chương

trình thể hiện thuật toán thay thế đảm

nhận nhiệm vụ làm mới các bộ nhớ cục

bộ Trường hợp có nhiều bộ xử lý muốn

truy cập vào cùng một đối tượng, ta sử

dụng như là sự tham chiếu đến phiên

bản của đối tượng tìm thấy trong bộ

nhớ chung

Trường hợp 1.b) Hệ truy cập từ xa thông qua một máy server duy nhất

quản lý bởi một server cục bộ

trên trạm này Khi một tiến

trình ở xa muốn sử dụng đối

tượng, nó phải bắt đầu bằng

yêu cầu server cho một bản sao

thông qua hệ thống viễn thông

Sau khi sử dụng xong, tiến trình

phải gửi lại cho server một

phiên bản đã được sửa đổi của

đối tượng

Hệ truy cập từ xa thông qua máy server

Trường hợp 2 Tính cân đối giữa các người sử dụng tài nguyên thông tin của mạng

L

e e

L

HÖ thèng viÔn th«ng

e L

e

L L

việc được tiến hành theo kiểu

này cho phép rút ngắn thời

gian truy cập, nếu số lần truy

phải giải quyết Đó chính là các

lần cập nhật thông tin hay nói

cách một cách tổng quát là cập

nhật các bản sao Từ đó, ta rút

ra các đặc điểm quan trọng sau

đây

1) Khi chỉ tồn tại một bản tập trung đặc quyền, ta có thể đặt ra rằng việc thay đổi đối tượng thực hiện trên một trong các bản sao sẽ được sao lại ngay lập tức vào bản chính Đó chính là trường hợp ghi tức thời và các cập nhập đều gắn bó Với các phương pháp ghi khác, ngược lại, các thay đổi tương ứng của một bản sao đối tượng cục bộ chỉ được sao lại trên bản chính khi thuật toán thay thế được thực hiện nhằm cung cấp lại các bản ghi bị chiếm bởi bản sao cục bộ đó

2) Khi không tồn tại bản đặc quyền, ta có thể gặp các trường hợp không gắn bó thông tin

Trường hợp thứ hai làm phát sinh hai yêu cầu mới:

i) Toàn bộ giao dịch thay đổi bản sao của đối tượng cần phải chép lại càng sớm càng tốt thay đổi đó trên tất cả các bản sao khác Trong khi thực hiện giao dịch, không có bất kỳ sao chép nào khác được thực hiện Sau khi thực hiện xong, tất cả các bản sao hoàn toàn giống nhau

ii) Việc cập nhật tức thời (theo hệ tập trung) của tất cả các bản sao là không cần thiết

II.2 Thuật toán quản lý nhiều bản sao

Thuật toán cho phép sao lại các thay đổi của một đối tượng trên các bản sao khác nhau như sau:

II.2.1 Cơ chế then cài

Một giao dịch nào đó đang thực hiện phép then cài trên một đối tượng muốn giành quyền sử dụng đối tượng này theo một vài kiểu truy cập nhất định Cơ chế then cài gán hay không gán quyền truy cập này căn cứ vào quy tắc tiền định như loại trừ tương hỗ, luật đọc, hiệu chỉnh thông 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

II.2.1.1 Loại trừ tương hỗ

Một trong những giải pháp giản đơn để đạt được trật

tự hoá gắn bó thể hiện ở chỗ bắt buộc phải sử dụng trật tự hoá tuần tự, toàn bộ giao dịch được đặt trong cặp hàm

nguyên thuỷ mo_giaodich và dong_giaodich Đây là sự

đảm bảo cho việc loại trừ tương hỗ giữa các giao dịch

II.2.1.2 Then cài chọn lựa các đối tượng

Một giao dịch thay đổi giá trị của đối tượng phải loại trừ tất cả các đối tượng khác muốn truy cập, ngược lại thì việc truy cập được tiến hành theo kiểu tương tranh

Để đảm bảo điều đó luôn luôn được thực hiện, người

ta cho phép tiến hành cài then một đối tượng trước khi việc sử dụng nó có hiệu lực

Một giao dịch có thể thực hiện trên ba hàm nguyên thuỷ trên đối tượng e:

v_doc(e) Sử dụng khi muốn có được quyền đọc e theo kiểu chia sẻ.

v_viet(e) Sử dụng khi muốn có được quyền đọc và viết vào e theo kiểu loại trừ.

giai_phong(e) Giải phóng đối tượng e giả sử trước đó đã dược cài then bởi cùng giao dịch này

II.2.2 Xử lý các sự cố

Một cơ chế cho phép duy trì gắn bó trong môi trường phân tán có sự cố phải là:

i) Giao dịch T bắt buộc phải được thực hiện một cách trọn vẹn

ii) Nếu có sự cố diễn ra thì bắt buộc nó phải quay trở lại điểm xuất phát

+ Nếu một tiến trình bị sự cố trước khi kết thúc T nhưng lại sau các thao tác thay đổi cần thiết của T, trạng thái của hệ là gắn bó

+ Nếu một tiến trình bị sự cố trước khi diễn ra các thay đổi của T, trạng thái của hệ là gắn bó

+ Nếu một tiến trình bị sự cố giữa các thay đổi T, trạng thái của hệ là không gắn bó

Các mô hình và giải thuật nghiên cứu phải đảm bảo các đặc tính toàn vẹn dữ liệu của hệ và tuân thủ theo các giai đoạn thể hiện trong hình vẽ sau:

Mô tả ba giai đoạn của một giao dịch:

Tr íc cËp nhËt

Trong cËp nhËt

Sau cËp nhËt

Kh«ng g¾n bã G¾n bã

Sơ đồ mô tả cơ cấu tổ chức của hệ thống nhiều bản sao

và việc cập nhật các bản sao được thể hiện trong hình vẽ sau đây:

Hình vẽ Sơ đồ mô tả hệ thống nhiều bản sao

Những ràng buộc trên các bản sao:

Trên bản sao của một đối tượng:

Nếu ta có n bản sao b1, b2,…, bn của đối tượng b, một trong các ràng buộc toàn vẹn là:

b1=b2= =bn

Trên các bản sao của toàn bộ các đối tượng:

b11=b21= =bn1 b12=b22= =bn2

…

b1m=b2m= =bnm

 Số lần truy cập để đọc các bản sao trên thực tế lớn hơn rất nhiều so với số

lần cập nhật các bản sao.

 Cách đầu tiên được áp dụng là then cài:

 Giả sử với trường hợp có n bản sao b1, b2, …, bn của đối tượng b, để tham

v_doc(b i ) doc(b i ) giai_phong(b i )

Để thực hiện việc cập nhật vào các bản sao, ta cần phải cài then chúng một cách hợp thức theo kiểu loại trừ.

Để cho i:=1 đến n thực hiện v_viet(b i )

<Thực hiện các cập nhật và chép chúng vào tất cả các bản>

Nhược điểm căn bản của giải pháp này là rất yếu về song song giữa các phép toán cập nhật Ta có thể áp dụng các ràng buộc toàn vẹn yếu hơn

II.2.3 Thuật toán đảm bảo sự gắn bó yếu nhờ dấu

II.2.3.1 Nguyên lý

 Tập hợp các yêu cầu cập nhật được sắp xếp theo cùng một kiểu

trên tất cả các trạm nhờ cơ chế dấu.

 Theo đó mỗi một yêu cầu được phát đi cho tập hợp các trạm

Trên mỗi trạm, tồn tại một tiến trình Server đảm nhận nhiệm

vụ tiếp nhận các yêu cầu theo trật tự của dấu

 Điều đó cho phép có được một sự gắn bó yếu giữa các bản sao.

II.2.3.2 Triển khai hệ ổn định

Các giao dịch cần xét là các khả năng đọc, ghi hay cập nhật Cập nhật được xác định như là một dãy các thao tác đọc và ghi, thao tác kiểm tra đọc tức thì trạng thái hiện hành của một bản sao.

Mỗi một server tiếp nhận các yêu cầu ghi đến từ trạm cục

bộ ở thời điểm cho trước Nó tiếp nhận các yêu cầu và tính

Có hai trường hợp cần xem xét:

1) Tập hợp các yêu cầu ghi khi chờ chứa các yêu cầu

từ tất cả các trạm khác Trong trường hợp này các yêu cầu đi qua, nếu chúng tồn tại, là mới hơn so với các yêu cầu đã đi qua Nói cách khác, yêu cầu lâu nhất chính là yêu cầu đang chờ

2) Tồn tại các trạm mà không có bất kỳ yêu cầu nào được truyền đến Ta được đưa các trường hợp trước đây bằng cách truyền cho tất cả các trạm một thông điệp yêu cầu và bắt buột phải xác nhận Do vậy, sau một khoảng thời gian, theo giả thiết về độ ổn định, ta sẽ nhận hoặc là các yêu cầu đi qua, hoặc là các trả lời cho thông điệp yêu cầu Lúc này, ta có được các thông điệp đến từ tất cả các

trạm

II.2.3.3 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 chèn vào 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 khác nhận biết tự động.

2) Việc phát một thông điệp là một phép toán không chia cắt được nữa Đó là một thông điệp hoặc là tất cả đều phải nhận được hoặc là không trạm nào nhận được cả.

Vì vậy, việc tuân thủ hai điều kiện trên đặt ra cho chúng ta tình hình là nếu điều kiện đầu tiên có thể được khống chế, thì điều kiện thứ hai rất khó đảm bảo.

CHƯƠNG III

THUẬT TOÁN XỬ LÝ CÁC THAO TÁC ĐỌC,

CÁC THAO TÁC CẬP NHẬT III.1 Kỹ thuật đánh dấu bản điều khiển

Trong môi trường phân tán, hệ thống viễn thông là đối tượng có thể diễn ra các sự cố kỹ thuật và ùn tắt đường truyền,

ta có số lần truy cập bản sao trên thực tế sẽ lớn hơn số lần tính theo lý thuyết rất nhiều; hiệu năng hoạt động của hệ trong trường hợp này sẽ bị giảm.

Một trong những giải pháp khắc phục vấn đề vừa nêu là áp dụng kỹ thuật đánh dấu bảng điều khiển và căn cứ vào hệ thống tín hiệu này, người ta có thể chọn các giải thuật cập nhật thích hợp, rút ngắn được tốc độ cập nhật bình quân.

Việc lựa chọn giải thuật cập nhật được tiến hành trên cơ sở truy cập vào cấu trúc phân tầng Cấu trúc này được mô tả trong hình vẽ 6.

xác định hoạt động t ơng ứng

GTi : giải thuật t ơng ứng

Hỡnh 6 Cấu trỳc phõn tầng của truy cậpbản điều khiển

Kỹ thuật đỏnh dấu bảng điều khiển gọi tắt là TOMCP (Technique Of Marking the Control Panel), theo hỡnh vẽ 7 sau: