Các nguyên lý và giải pháp thiết kế hệ phân tán với mô thức web

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

*****************

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

HỆ PHÂN TÁN

Đề tài: Các nguyên lý và giải pháp thiết kế

Hệ phân tán với mô thức Web

Giáo viên hướng dẫn: GS TS Nguyễn Thúc Hải

Lớp: Truyền thông và mạng máy tính

Hà Nội – 10/2010

Trang 2

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, mạng World Wide Web (hay thường được gọi là Internet) đang phát triển với tốc độ chóng mặt, đóng một vai trò rất quan trọng trong đời sống,

là nơi chia sẻ thông tin, cung cấp dịch vụ, giao dịch, thương mại điện tử và là một kho lưu trữ thông tin khổng lồ Trong quá trình đó, hệ phân tán cũng phát triển hết sức nhanh chóng cùng bắt nhịp với mạng Internet, một số ví dụ điển hình như mô hình các dịch vụ Web, các ứng dụng Web, các mạng sensor, v v

Trong quá trình nghiên cứu về lý thuyết hệ phân tán, em nhận thấy vai trò quan trọng của việc tìm hiểu các hệ phân tán trên nền web Từ đó, em có thể áp dụng những lý thuyết này vào các ứng dụng thực tế Trong tiểu luận này, em không chỉ nghiên cứu lý thuyết chung về hệ phân tán trên nền web được trình bày trong cuốn “Distributed Systems - Principle and Paradigm” của giáo sư Tanenbaum,

mà còn áp dụng vào một trong những hướng đề tài tốt nghiệp nhằm có một cái nhìn hệ thống hơn về

lý thuyết đó Việc này được thể hiện trong phần trình bày về Web Service Broker

Tuy vẫn còn đang dừng lại chưa thực hiện triển khai được toàn bộ hệ quản trị này, em mong rằng tiểu luận sẽ giúp em có cái nhìn đúng đắn cho hướng đi sắp tới Em xin gửi lời cám ơn chân thành tới GS TS Nguyễn Thúc Hải đã truyền đạt cho chúng em kiến thức cơ bản cần có để thực hiện tiểu luận này

Trang 3

1 TÌM HIỂU VỀ HỆ PHÂN TÁN DỰA TRÊN NỀN TẢNG WEB

1.1 Kiến trúc chung

1.1.1 Mô hình truyền thống

Lúc khởi đầu hệ phân tán với mô thức web không khác nhiều so với những hệ phân tán khác Tuy nhiên trong quá trình phát triển, tài liệu được chia sẻ trên web từ tài liệu tĩnh, bị động chuyển thành những tài liệu động, có tính tương tác cao Thêm nữa, hệ thống web hiện nay đã không còn chỉ phục

vụ việc chia sẻ tài liệu, thông tin, hệ thống web còn phát triển theo hướng cung cấp những dịch vụ khác

• Cơ sở dữ liệu chứa tài liệu được yêu cầu, thường nằm cùng Web Server

Dưới đây là mô hình tổ chức của hệ truyền thống

Hình 1.1: Mô hình tổ chức của hệ phân tán trên nền web truyền thống

(Figure 12-1 Distributed Systems: Principles and Paradigms)

Ở đây ta trình bày một số khái niệm cần thiết:

• Một tài liệu được xác định thông qua các thông tin về nơi nó được lưu trữ bao gồm định

Trang 4

• Thông tin về tài liệu được thể hiện dưới dạng URL URL không chỉ chứa thông tin vị trí tài liệu mà còn chứa thông tin về giao thức tầng ứng dụng sử dụng để truyền tài liệu trên mạng.

• Phần mềm trình duyệt là phần mềm Client sử dụng để tương tác với Web Server

• Tương tác giữa Client và Web Server dựa vào một giao thức chuẩn là HTTP (HyperText Transfer Protocol)

Cơ chế hoạt động của hệ thống như sau:

• Client thực hiện yêu cầu một tài liệu nào đó trong cơ sở dữ liệu thông qua trình duyệt (mà cụ thể hơn là thông qua URL), nó gửi một bản tin HTTP yêu cầu tới Web Server

• Ở phía Server tồn tại một tiến trình có khả năng truy cập vào cơ sở dữ liệu

• Tiến trình này thực hiện truy cập và lấy tài liệu từ cơ sở dữ liệu

• Server sau khi xử lý sẽ trả lại Client thông tin, có thể đó là thông tin báo lỗi không tìm được tài liệu, cũng có thể là nội dung tài liệu, v v

1.1.1.2 Một số ngôn ngữ web

Tài liệu - thông tin được chia sẻ trên mạng có thể được phân chia tương đối làm hai phần:

• Một phần có thể sử dụng như một template cho phần còn lại, mô tả những đặc điểm như vị trí, cách bố trí, nền, font, v v cho phần dữ liệu còn lại Các ngôn ngữ dữ liệu web được sử dụng cho phần này

• Phần còn lại là thông tin thực tế được lưu trữ mà người dùng yêu cầu

Trong một ví dụ đơn giản, tải liệu được lấy về có dạng sau:

<!DOCTYPE html PUBLIC "-//IETF//DTD HTML 2.0//EN">

Trang 5

Bảng 1.1: Các kiểu dữ liệu và kiểu dữ liệu con được định nghĩa với MIME

1.1.1.3 Mô hình truyền thống với kiến trúc đa tầng

Ngôn ngữ Web như HTML, XML cùng phối hợp với các ngôn ngữ script thực sự đã cho chúng ta thấy được một phương tiện mạng mẽ để thể hiện dữ liệu Web Tuy nhiên, chúng ta chưa đi sâu vào

cơ chế hoạt động của nó hiện tại Cho tới hiện tại, Web không còn dừng lại ở kiến trúc hai tầng đơn giản client-server, mà qua thời gian nó đã được phát triển với kiến trúc đa tầng, với nhiều thành phần nhằm hỗ trợ tốt hơn những kiểu dữ liệu khác nhau mà ở phần trước chúng ta đã đề cập qua bảng 1.1 phần trên

Một trong những cải tiến so với kiến trúc cơ bản là việc sử dụng các CGI (Common Gateway Interface) nhằm cung cấp sự tương tác cho người dùng Thông qua các Interface này, Web server có thể chạy những chương trình với dữ liệu đầu vào được người dùng cung cấp

Cơ chế của quá trình này được thể hiện ở hình 1.2 dưới đây

Trang 6

Qua hình 1.2 ta có thể thấy cơ chế hoạt động sử dụng CGI như sau:

• Người dùng nhập vào một form chứa các tham số cần thiết Thông tin về chương trình cũng như thông số của nó được Client gửi tới Server

• Khi Server nhận được bản tin yêu cầu từ phía Client, nó chạy chương trình được đề cập trong bản tin cùng với các thông số đi kèm

• Sau đó, chương trình tương tác với cở sở dữ liệu, xử lý và tạo ra văn bản HTML Văn bản này được trả lại cho Server

• Server thực hiện trả lại văn bản cho phía Client

Qua đó, ta có thể thấy được Server hoàn toàn ủy quyền việc xử lý yêu cầu cho phía chương trình CGI Đây chính là một kiến trúc 2 tầng tại phía Server

Ngày nay, Server không chỉ dừng lại ở kiến trúc 2 tầng Một ví dụ cho kiến trúc này có thể lấy từ việc một người dùng vào một trang Web bán hàng:

• Các ứng dụng Java Servlet quản lý thông tin về những mòn hàng người dùng mua, thực hiện các gợi ý, lưu trữ các món hàng ưa thích, v v

• Khi người dùng thực hiện việc tìm kiếm theo một từ khóa nào đó, phía Web Server sẽ phải chuyển yêu cầu tới chương trình

• Chương trình thực hiện gửi truy vấn tới cơ sở dữ liệu Phía cơ sở dữ liệu trả lại kết quả truy vấn

• Chương trình thực hiện tạo ra một trang web danh sách các tìm kiếm và trả lại Web Server

• Web Server trả lại thông tin cho người dùng

Như trên có thể thấy, một kiến trúc 3 tầng đã hình thành, trong đó bao gồm Web Server, Application Server (Server chạy ứng dụng), và Cơ sở dữ liệu

Kiến trúc 3 tầng hình thành đã đặt ra một vấn đề: giảm hiệu năng của hệ thống Việc phân chia rõ ràng 3 tầng là điều cần thiết, các Server ứng dụng và Cơ sở dữ liệu phải chịu tải rất lớn Vấn đề này

sẽ được bàn đến tại phần 1.6 trong tiểu luận này

1.1.2 Mô hình dịch vụ web

Hệ phân tán với mô thức web đã phát triển tới mức cung cấp dịch vụ cho các ứng dụng từ xa Các phần mềm như trình duyệt tại phía Client đã không còn chỉ là một giao diện hiển thị nội dung cho người sử dụng

1.1.2.1 Mô hình chung

Dịch vụ Web cũng giống như các dịch vụ thông thường như dịch vụ định danh, cung cấp địa chỉ,

Trang 7

Hình 1.3: Mô hình dịch vụ Web

Cơ chế chung của mô hình là việc ứng dụng ở phía Client có thể gọi các dịch vụ từ ứng dụng phía Server Quá trình này được thực hiện dựa trên sự chuẩn hóa Về mặt nào đó, cơ chế này cũng gần giống với cơ chế gọi thủ tục từ xa (RPC)

Ở đây ta trình bày một số khái niệm cần thiết để hiểu rõ hình 1.3:

• UDDI là một directory chứa các mô tả dịch vụ cần thiết Nó là một cơ sở dữ liệu giúp cho các Client có thể truy cập tìm kiếm các dịch vụ phù hợp

• Các dịch vụ nằm trong UDDI được mô tả thông qua ngôn ngữ WSDL Ngôn ngữ này cũng tương tự như ngôn ngữ IDL trong RPC Ngôn ngữ WSDL mô tả các thủ tục, các kiểu dữ liệu, nơi chứa dịch vụ, v v

• Client và Server trao đổi thông qua giao thức SOAP, đây là giao thức chuẩn cho các tiến trình liên lạc với nhau Giao thức này sẽ được đề cập đến chi tiết hơn tại phần sau của tiểu luận

Tựu chung lại, ta có cơ chế làm việc của mô hình dịch vụ Web như sau:

• Các dịch vụ của máy chủ được công bố ra phía UDDI Cơ sở dữ liệu này lưu lại mô tả dịch

vụ dưới ngôn ngữ WSDL

• Khi Client cần đến dịch vụ, nó tìm kiếm dịch vụ tại UDDI UDDI trả về kết quả cho Client

• Client biết được dịch vụ qua các mô tả trả về qua ngôn ngữ WSDL

• Client thực hiện kết nối đến máy chủ qua giao thức SOAP và gọi dịch vụ

• Từ đây, quá trình trao đổi diễn ra bình thường thông qua giao thức SOAP

Trang 8

1.1.2.2 Thành phần và sự điều phối trong dịch vụ Web

Như trên đã trình bày, mô hình dịch vụ Web có thể được hình dung tương đối đơn giản là việc một dịch vụ được triển khai dưới dạng ứng dụng và được triệu gọi thông qua một chuẩn nào đó

Tuy nhiên, chính ứng dụng đôi khi lại rất phức tạp và nó có thể là một ứng dụng phân tán trong hệ thống mạng Ở trường hợp này, người ta sử dụng một proxy nội mạng nhằm tương tác với những thành phần của ứng dụng phân tán này Proxy này cũng đảm bảo cho phía Client trong suốt với sự phân tán của ứng dụng

Trong mô hình, chúng ta cũng có thể thấy ứng dụng được cung cấp chỉ thông qua một bước triệu gọi (Look up a Service - Hình 1.3) Tuy nhiên, trong thực tế mô hình triệu gọi phức tạp hơn nhiều Đơn

cử như khi người dùng thực hiện mua một cuốn sách từ trang Web thương mại điện tử Một việc tưởng chừng đơn giản đó bao gồm việc chọn lựa, việc thanh toán, việc lấy thông tin giao hàng Dịch

vụ ở đây chính là một giao dịch chia làm nhiều bước có thứ tự Hay nói cách khác, dịch vụ được cung cấp ở đây bao gồm những dịch vụ con khác nhau

Sự phức tạp càng tăng lên khi người ta phải kết hợp trên một trang Web các dịch vụ của những nhà cung cấp dịch vụ khác nhau Vẫn lấy mô hình trang Web thương mại làm ví dụ, một trang Web này

có thể bao gồm các dịch vụ khác nhau như sau:

• Lựa chọn mặt hàng từ nhà cung cấp mặt hàng

• Tiến hành thanh toán thông qua hệ thống banking của ngân hàng

• Nhập thông tin giao hàng do công ty chuyển phát nhanh cung cấp

Như vậy, mặc dù ở phía người dùng đây là các dịch vụ được cung cấp trên cùng một trang Web, nhưng thực tế ở phía cung cấp dịch vụ lại là sự kết hợp của nhiều nhà cung cấp dịch vụ khác nhau.Như vậy, 3 vấn đề trên (Ứng dụng phân tán; Sự phức tạp của giao dịch; Sự tham gia của nhiều nhà cung cấp dịch vụ) đặt ra nhu cầu phải điều phối các dịch vụ này, sao cho chúng có thể được kết hợp với nhau, và phải tạo được sự trong suốt của hệ thống với người dùng

Việc điều phối như trên đặt ra được thực hiện bởi các giao thức điều phối Những giao thức này sẽ đưa ra các luật về những bước cần thực hiện đối với các dịch vụ, đồng thời buộc các dịch vụ của các phía phải tuân thủ theo Để đạt được điều đó, người ta định nghĩa một dịch vụ riêng dùng để cung cấp các giao thức điều phối Các tiến trình sẽ thực hiện đăng ký với giao thức điều phối khi tham gia

Trang 9

1.2 Các tiến trình trong hệ phân tán trên nền web

Tại phần này, chúng ta nghiên cứu về các tiến trình của hệ phân tán theo mô thức Web

1.2.1 Tiến trình tại phía Client

Ở đây ta xét đến hai tiến trình thường gặp ở môi trường Web phía Client, đó là tiến trình trình duyệt Web và Web proxy

1.2.1.1 Tiến trình trình duyệt Web

Trình duyệt Web tại phía Client giúp người dùng có thể xem nội dung trang Web, cũng như cung cấp cho người dùng những liên kết mà người dùng có thể dễ dàng chọn

Hình 1.4: Các thành phần logic của một trình duyệt Web

Như hình 1.4, chúng ta có thể thấy được những thành phần logic của một trình duyệt Web bao gồm

 Phiên dịch các script trong văn bản

• Browser Engine: Engine là trung tâm của trình duyệt, cung cấp cho người dùng cơ chế xem văn bản, như chia nó thành các phần, lựa chọn các phần của văn bản, vào một liên kết, v v

• User Interface: Engine cung cấp giao diện cho người dùng Ngoài ra, do trình duyệt không phụ thuộc nền tảng nó chạy, User Interface cùng với Browser Engine chạy trên các thư viện

đồ họa chuẩn được thể hiện trên hình (Display back end)

Trang 10

1.2.1.2 Tiến trình Web Proxy

Một tiến trình khác có thể kể đến ở phía Client và tiến trình chạy Web proxy Một trong các chức năng của nó được thể hiện ở hình dưới

Hình 1.5: Trường hợp sử dụng Web proxy khi có sự bất đồng về giao thức

Web proxy tại lúc được tạo ra có mục đích nhằm cho phép trình duyệt xử lý các giao thức ở mức ứng dụng khác với HTTP Tuy nhiên cho tới thời điểm hiện tại, trình duyệt đã có khả năng xử lý nhiều giao thức khác nhau và không còn cần tới chức năng này nữa Web proxy sau này được sử dụng cho rất nhiều mục đích khác như caching, nén, ghi log, v v Những tính năng này sẽ được đề cập đến tại phần 1.6 - Cơ chế nhất quán và nhân bản

1.2.2 Tiến trình tại máy chủ Web

Chúng ta nghiên cứu tiến trình tại phía máy chủ thông qua một trong những Web server thông dụng tính tới thời điểm hiện tại (Chiếm 70% lượng sử dụng trên thế giới), đó là Apache

Hai ưu điểm nổi bật của Apache có thể kể đến là:

• Chạy độc lập với nền tảng của Server: Apache thực hiện điều này bằng cách sử dụng một

nền tảng chạy của mình được tạo ra nhằm chạy trên những hệ điều hành khác nhau Môi trường này được gọi là APR (Apache Portable Runtime) Đây là một bộ thư viện cung cấp các giao diện cho việc xử lý file, kết nối mạng, xử lý luồng, v v Khi chạy, thay vì những lời gọi tới các thư viện của nền tảng Apache cài trên, tiến trình gọi tới các thư viện APR

• Dễ mở rộng tính năng: Apache có khả năng mở rộng thêm nhiều tính năng thông qua các

thư viện của mình, mà vẫn đảm bảo cho những phần mở rộng được phát triển là độc lập Đơn

cử như mô hình nhân bản thích nghi (Adaptive Replicate) trong Globule, một mạng phân phối dữ liệu tại trường đại học Vrije Amsterdam Globule được mở rộng lên từ Apache nhưng vẫn giữ được tính độc lập của nó so với những phần mở rộng khác được phát triển

Trang 11

Tổ chức cơ chế hoạt động của Apache có thể được miêu tả qua hình vẽ dưới đây:

Hình 1.6: Trường hợp sử dụng Web proxy khi có sự bất đồng về giao thức

Trong sơ đồ đặt ra ở đây, chúng ta thấy một khái niệm là hook, nó chỉ một nhóm các chức năng có chung một nhiệm vụ nào đó Các nhóm chức năng này cũng được cung cấp thông qua các module riêng Các module này cũng sẽ có sự độc lập với nhau

Một ví dụ như có hook làm nhiệm vụ chuyển đổi từ URL thành vị trí cần thiết trong hệ thống file, có hook làm nhiệm vụ viết log, v v

1.2.3 Cơ chế chạy Clustering các

Trang 12

Hình 1.7: Hệ thống Web Server Cluster với máy Front-End

Với cơ chế Clustering, hệ thống sẽ có một máy chủ Front End để nhận các yêu cầu, chuyển các yêu cầu tới các máy chủ Web, nhận trả lời từ máy chủ Web, và gửi về cho phía yêu cầu Cơ chế gửi có thể là tuần tự, cũng có thể có cơ chế theo dõi để gửi yêu cầu đến máy chủ đang chịu tải ít hơn

Ngoài ra, với hệ thống Web server, chúng ta có thể cấu hình hệ thống Content-Aware Cluster Hệ thống này cũng có một Front-End làm nhiệm vụ nhận và chuyển tiếp các yêu cầu

Hình 1.8: Cơ chế hoạt động của mô hình Content-Aware Cluster

Ý tưởng của việc triển khai Content-Aware Cluster là việc có một phần tử là Dispatcher sẽ có thể biết nội dung gói tin và liên tục điều khiển loại gói tin đó về một server Làm như vậy giúp Web server có thể phục vụ nhanh hơn thông qua cơ chế caching, nên hầu hết thời gian sẽ không phải chạy tiến trình lấy dữ liệu từ cơ sở dữ liệu Ngoài ra, việc lựa chọn như vậy có thể giúp hệ thống phân tải cho các Server cho hợp lý

Cơ chế hoạt động của mô hình như sau:

• Client gửi yêu cầu tới hệ thống

• Switch Front End chuyển tiến yêu cầu đó (bản tin TCP Request) tới một trong các Web server hay còn gọi là Distributor

• Distributor nhận được bản tin không xử lý ngay mà tương tác với Dispatcher xem máy chủ Web nào sẽ xử lý bản tin đó

• Dispatcher quyết định máy chủ sẽ xử lý bản tin

• Bản tin TCP được gửi tới cho máy chủ Web được chọn, đây là quá trình 3 TCP Hand off

• Web server được chọn sẽ thiết lập kết nối TCP với Client

• Switch Front-End cũng được thông báo về điều này, và sau đó tất cả các kết nối được

Trang 13

Để đạt được hiệu quả phân tải tốt người ta cũng dùng rất nhiều cách khác như chia VLAN và ứng dụng các giao thức Gateway(GLBP, VRRP, v v ) , hoặc sử dụng cơ chế DNS Đã đạt được mục tiêu xem xét các tiến trình tại phía các máy chủ Clustering, chúng ta sẽ không đi quá sâu vào những phương pháp này

Trang 14

1.3 Cơ chế truyền thông

Đối với hệ phân tán trên mô thức Web, các giao thức được sử dụng cũng khá thông dụng Giao thức truyền thống HTTP được sử dụng để trao đổi các bản tin Còn về phía dịch vụ Web thì có các giao thức như SOAP, CORBA Ở đây, chúng ta nghiên cứu cơ chế truyền thông của hệ phân tán mô thức Web với hai giao thức là HTTP và SOAP

1.3.1 Giao thức HTTP

Các giao tiếp giữa Client và Server đều dựa trên giao thức HTTP, HTTP là một giao thức server khá đơn giản Cơ chế của nó là Client gửi bản tin yêu cầu tới Server và chờ thông tin trả về từ phía server

client-1.3.1.1 Kết nối HTTP

Giao thức HTTP được xây dựng dựa trên nền tảng TCP Sau khi nhận được yêu cầu từ phía Client, Server sẽ thiết lập một kết nối TCP với Client Thông qua nền tảng TCP, giao thức HTTP không còn phải triển khai các tính năng như chống lỗi, ACK, v v

Hình 1.9: Cơ chế kết nối của HTTP dựa trên TCP (hai phiên bản HTTP cũ và mới)

Với phiên bản HTTP cũ, HTTP đã không tận dụng tốt giao thức TCP khi mỗi yêu cầu từ Client phải dựng một kết nối TCP, làm cho Server phải chịu tải nặng hơn Với các phiên bản HTTP hiện tại, một kết nối TCP có thể phục vụ nhiều yêu cầu từ Client Như vậy cơ chế truyền thông này sẽ giúp tiết kiệm thời gian dựng kết nối, số lượng kết nối TCP, từ đó giảm tải cho hệ thống

1.3.1.2 Các phương thức HTTP

HTTP được thiết kế dưới dạng một giao thức client-server hướng tới việc chuyển tài liệu theo hai

Trang 15

Dưới đây là các kiểu gói tin yêu cầu của HTTP:

Hình 1.10: Các loại bản tin yêu cầu của giao thức HTTP

1.3.1.3 Định dạng gói tin HTTP

Tất cả các giao tiếp giữa Client-Server đều thông qua gói tin Định dạng gói tin HTTP bao gồm 3 phần chính như hình dưới đây:

Hình 1.11: Các loại bản tin yêu cầu của giao thức HTTP

Ba phần chính đó bao gồm:

• Dòng yêu cầu

• Header của bản tin yêu cầu

• Nội dung cụ thể của bản tin

Trong đó, dòng yêu cầu chứa thông tin về phương thức sử dụng giữa Client và Server Đó là các phương thức yêu cầu chuyển tài liệu mà ta đã nhắc tới ở phần trên Các Header của bản tin cung cấp thông tin về phiên bản HTTP sử dụng, đồng thời nó còn chứa các thông số trạng thái tài liệu Ví dụ như: 405 - “Method not allowed”

Trang 16

Hình dưới đây cho ta thấy một số các header của bản tin HTTP

Hình 1.12: Một số loại bản tin yêu cầu của giao thức HTTP

Định dạng
Số trang	33
Dung lượng	2,84 MB