Tại cùng một thời điểm, có nhiều người dùng cùng sử dụng máy tính và đối với mỗi người dùng như vậy đều có cảm giác như được sử dụng máy tính một cách “độc quyền” vì họ được trực tiếp li
Trang 1LỜI MỞ ĐẦU
Hệ tin học phân tán là hệ thống rất đa dạng, đa diện, phức tạp về mặt cấu trúc, là vùng tri thức hiện đại đang được các chuyên gia CNTT đặc biệt quan tâm và đổi mới rất nhanh chóng
Trong những ứng dụng thực tế của hệ phân tán thì hệ điều hành Unix là một thành công lớn Unix là hệ điều hành đa người dùng được viết trên ngôn ngữ bậc cao và được ứng dụng rộng rãi trên thế giới Hệ điều hành đa người dùng thuộc vào loại hệ điều hành
đa chương trình định hướng “thân thiện với người dùng” Tại cùng một thời điểm, có nhiều người dùng cùng sử dụng máy tính và đối với mỗi người dùng như vậy đều có cảm giác như được sử dụng máy tính một cách “độc quyền” vì họ được trực tiếp liên kết với chương trình của mình đang thực hiện trong máy tính Chương trình có thể được chạy trên nhiều phần cứng khác nhau, mà các phần cứng này đều có thể độc lập với nhau
Hệ phân tán là một lĩnh vực nghiên cứu mới hứa hẹn nhiều triển vọng và đang thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới Trong phạm vi nhỏ hẹp của đề tài này, chúng tôi chỉ mong muốn được trình bày một khía cạnh của vấn đề đó là việc đảm bảo tính đồng bộ của thông tin tại nhiều trạm khác nhau trong một thời điểm bằng thuật toán sao chép
Việc nghiên cứu, phát triển các phương pháp đảm bảo tính đồng bộ trong môi trường phân tán đến nay đã có một số thành công đáng kể Trướchết, phải nói đến sự tích hợp hàng loạt các hàm vào các hệ điều hành, hệ quản trị cơ sở dữ liệu, ngôn ngữ lập trình với phương thức riêng rẽ của từng hệ cho phép đảm bảo phần cơ bản của việc gắn
bó thông tin nói chung trong quá trình đa truy cập thông qua hệ thống viễn thông Việc triển khai phương pháp cho phép gắn bó dữ liệu trong môi trường phân tán trong điều kiện lýtưởng (không có bất kỳ sự cố nào) đã được áp dụng và mang lại những hiệuquả nhất định cho các hệ thống đăng ký Tuy nhiên, trong quá trình triển khai lập trình và vận hành các hệ thống đăng ký, vấn đề gắn bó dữ liệu trong các cơ sở dữ liệu khi hệ thống bị sự cố đang đặt ra như là vấn đề quan trọng và có ý nghĩa sống còn trong việc phát triển toàn hệ nói chung
Đề tài gồm các phần chính như sau:
Chương I: Những kiến thức cơ bản về hệ tin học phân tán
Chương II: Khả năng phân tán của hệ điều hành Unix
Chương III: Thuật toán quản lí nhiều bản sao
Chương IV: Bài tập
Bài tập: Hãy nghiên cứu kỹ các sửa đổi nhằm đem lại cho các thuật toán khác nhau
về quản lý nhiều bản sao nhằm mục tiêu tính đến các sự cố kỹ thuật sau:
1 Chỉ có một sự cố duy nhất
2 Khi đang xử lý một sự cố, thì sự cố khác lại đến
Học viên thực hiện Nguyễn Trung Hiếu
Trang 2Chương 1 NHỮNG KIẾN THỨC CHUNG VỀ HỆ
PHÂN TÁN
1.1 Khái niệm
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 và được liên kết với nhau thông qua phương tiện viễn thông dưới sự điều khiển thống nhất của một hệ điều hành
Hệ tin học phân tán thực hiện hàng loạt các chức năng phức tạp, nhưng cơ bản nhất
là đảm bảo cung cấp cho người sử dụng khả năng truy cập có kết quả đến các tài nguyên vốn có và rất đa dạng của hệ thống như là những tài nguyên dùng chung
1.2 Thành phần cơ bản
Thành phần cơ bản của hệ phân tán bao gồm các hệ thống cục bộ (mạng hay máy đơn), trong đó một (hay nhiều) hệ thống phát các yêu cầu thông tin còn các hệ thống khác trả lời các yêu cầu có liên quan đến phần dữ liệu của mình Nói một cách tổng quát
là trong hệ luôn diễn ra việc thực hiện các công việc do các hệ thống yêu cầu
Các thao tác chuẩn của hệ phân tán bao gồm:
− Tiếp nhận và ghi yêu cầu chỉ dẫn
− Dịch yêu cầu để có thể tìm thông tin cần thiết
− Gửi kết quả cho hệ thống đã phát yêu cầu
1.3 Các đặc điểm cơ bản
Các đặc điểm cơ bản của tất cả các hệ tin học phân tán là:
− Thời hạn truyền thông tin trong hệ không giống nhau, các thông điệp có thể bị mất trong quá trình chuyển tải, các thông điệp có thể được truyền kép và hệ thống
− Chia sẻ tài nguyên: Mạng máy tính có thể dùng chung tài nguyên Một tiến trình trên một trạm nào đó có thể yêu cầu được cung cấp tài nguyên dùng chung ở một trạm khác
− Liên lạc: Khi hệ thống được mắc nối với nhau, các thực thể của hệ có thể trao đổi thông tin cho nhau
− Tin cậy: Một trạm của hệ bị sự cố không làm cho toàn hệ bị ảnh hưởng, mà ngược lại, công việc của trạm đó được phân cho các trạm khác đảm nhiệm Ngoài ra trạm bị sự cố có thể tự động phục hồi lại các trạng thái trước khi bị sự cố hay trạng thái ban đầu của nó
− Tăng tốc: Một tính toán lớn nào đó, nếu chỉ sử dụng một trạm thì thời gian trả về kết quả sẽ rất lớn Tính toán này sẽ được chia nhỏ và thực hiện song song trên các trạm
Trang 3Chương 2 KHẢ NĂNG PHÂN TÁN CỦA HỆ ĐIỀU
HÀNH UNIX
2.1 Lịch sử hình thành và phát triển
Trong những năm 1960, Viện công nghệ Massachusetts (MIT: Massachusetts Institute of Technology) và Phòng thí nghiệm Bell của hãng AT&T thực hiện dự án xây dựng một hệ điều hành có tên gọi là Multics (MULTiplexed Information and Computing Service) với mục tiêu tạo lập được một hệ điều hành phủ trên vùng lãnh thổ rộng (hoạt động trên tập các máy tính được kết nối), đa người dùng, có năng lực cao về tính toán và lưu trữ Dự án nói trên thành công ở mức độ hết sức khiêm tốn và người ta đã biết đến một số khiếm khuyết khó khắc phục của Multics
Năm 1969, phiên bản đầu tiên của hệ điều hành Unix đã được công bố Tác giả là Ken Thompson, một chuyên viên tại phòng thí nghiệm Bell, người đã tham gia dự án Multics Sau đó không lâu Dennics Richie phối hợp với Ken Thompson nghiên cứu các phiên bản tiếp theo
Năm 1973, Richie và Thompson viết lại nhân của hệ điều hành UNIX trên ngôn ngữ C cho ra phiên bản mới 3.0 Phiên bản này đã trở nên dễ dàng cài đặt tới các loại máy tính khác nhau; tính chất như thế được gọi là tính khả chuyển (portable) của UNIX Hãng AT&T phổ biến chương trình nguồn UNIX tới các trường đại học, các công
ty thương mại và chính phủ với giá không đáng kể
Phiên bản 6.0 được phát triển vào khoảng năm 1976 với sự thang gia của nhiều trường đại học ở Mỹ
Năm 1978 phiên bản 7.0 ra đời và là tiền thần của phiên bản hiện nay Phiên bản này dựa trên mô hình PDP-11 cho máy tính lớn VAX
Năm 1982, Unix Support Group trong công ty AT&T tạo ra Unix mới gọi là System III Hệ này dựa trên cơ sở liên hợp ba phiên bản 7.0, 32V cho VAX và Unix/RT.Năm 1983, System V được các công ty con Bell của AT&T công bố
Giai đoạn 1985-1987, UNIX-5 phiên bản 2 và 3 tương ứng được đưa ra vào các năm 1985 và 1987 Trong giai đoạn này, có khoảng 100.000 bản UNIX đã được phổ biến trên thế giới, cài đặt từ máy vi tính đến các hệ thống lớn
Đầu thập kỷ 1990 UNIX-5 phiên bản 4 được đưa ra như là một chuẩn của UNIX Đây là sự kết hợp của các bản sau:
− AT&T UNIX-5 phiên bản 3,
− Berkley Software Distribution (BSD),
− XENIX của MicroSoft,
− SUN OS
Trong thời gian gần đây (khoảng năm 1997) một số phiên bản mới của UNIX được giới thiệu và phổ biến trên Internet
2.2 Đặc trưng cơ bản
Trang 4Hệ điều hành Unix có những đặc trưng chính sau:
− Được viết trên ngôn ngữ bậc cao, do đó dễ đọc, dễ hiểu, dễ chuyển đổi
− Có giao diện người dùng đơn giản
− Nguyên tắc: Xây dựng các chương trình phức tạp từ những chương trình con đơn giản
− Chỉ có một dạng file đơn giản
− Đa tiến trình, đa người dùng, phân chia thời gian
2.3 Khả năng phân tán
Như đã nói ở chương 1 phần 1.4, để xem xét đánh giá khả năng phân tán của hệ điều hành Unix ta xem xét, đánh giá khả năng chia sẽ dữ liệu, khả năng liên lạc, độ tin cậy và tính mở của hệ điều hành này
2.3.1 Chia sẻ tài nguyên
Unix là hệ đa xử lý, thức khả năng thực thi nhiều tác vụ cùng một lúc Một chương trình máy tính là một chuỗi các chỉ lệnh (intuctions hay còn gọi là lệnh máy) mà theo đó máy tính phải thực hiện Mặt khác tài nguyên máy tính là hữu hạn và khi các chương trình chạy thì các chương trình đều có nhu cầu trên các tài nguyên đó Để đáp ứng nhu cầu tài nguyên đảm bảo tính đa nhiệm, nhiều người dùng, hệ điều hành cấp tài nguyên cho mỗi chương trình trong một lượng thời gian nhất định, sao cho các chương trình đều
có cơ hội thực hiện như nhau và trong thời gian thực hiện chương trình cần kiểm soát việc thực hiện đó chặt chẽ Để thực hiện được điều này ta sử dụng tiến trình
Tiến trình là thời gian thực hiện của một chương trình và việc thực hiện đó chỉ xãy
ra trong một khoản thời gian nhất định Tuy nhiên để thực hiện được chương trình, tiến trình sẽ sử dụng CPU để chạy các lệnh của nó và bộ nhớ nơi có mã lệnh, dữ liệu và ngăn xếp Một tiến trình khi thực hiện phải làm theo một trình tự các chỉ lệnh trong vùng mã lệnh của tiến trình và không nhảy tới các chỉ lệnh của tiến trình khác Tiến trình chỉ có thể đọc/ghi truy nhập dữ liệu và ngăn xếp của nó, nhưng không thể trên dữ liệu và ngăn xếp của tiến trình khác Tiến trình liên lạc với các tiến trình khác và phần còn lại của hệ thống bằng các Gọi Hệ Thống (system call) Hệ thống chia việc thực hiện ra làm hai chế độ: user mode và kernel mode, nhưng cho dù như vậy, thì kernel vẫn là người thực hiện
mã của tiến trình
Trang 52.3.2 Liên lạc
a Liên lạc giữa các tiến trình
Các tiến trình thông báo các sự kiện cho nhau thông qua các tín hiệu Tuy nhiên đó mới là cơ chế cơ bản, hệ điều hành Unix System V IPC còn có các cơ chế sau:
Đường ống (pipe): là loại vô danh có hạn chế là chỉ dùng với các tiến trình thuộc con cháu của tiến trình phát sinh ra system call pipe, do vật các tiến trình không có cùng quan hệ huyết thống sẽ không thể liên lạc qua pipe được
FIFO là loại pipe có tên, các tiến trình không cùng huyết thống vẫn dùng chung được
Thông điệp (message): cho phép các tiến trình gởi các khuôn dữ liệu có khuôn dạng tới bất kỳ tiến trình nào
Vùng nhớ chia sẻ (shared memory): các tiến trình chia sẻ một phần không gian địa chỉ ảo của mình
Đánh tín hiệu (semaphore hay còn gọi là cờ hiệu): các tiến trình dùng để đồng bộ việc thực hiện
Dò theo một tiến trình (tracing): Hệ Unix cung cấp một tiện ích nguyên thủy cho việc liên lạc giữa các tiến trình dùng để theo dõi và kiểm soát việc thực hiện tiến trình và rất tiện lợi cho làm gỡ rối
b Liên lạc trên mạng client/server
Các chương trình ứng dụng như thư điện tử (mail), truyền tệp từ xa (ftp), hay login
từ xa (telnet, rlogin) muốn kết nối vào một máy khác, thường dùng các phương pháp nói chuyện để lập kết nối và trao đổi dữ liệu Ví dụ các chương trình mail lưu văn bản thư của người gởi vào một tệp riêng cho người đó Khi gởi thư cho người khác trên cùng một máy, chương trình mail sẽ thêm tệp mail vào địa chỉ Khi người nhận đọc thư, chương trình sẽ mở tệp thư của người đó và đọc nội dung thư Để gởi thư đến một máy khác, chương trình mail phải khéo léo tìm tệp thư ở máy đó Vì rằng chương trình mail không thể thao tác các tệp ở máy kia (remote) trực tiếp, sẽ có một chương trình ở máy kia đóng vai trò một nhân viên phát hành thư (agent) cho các tiến trình thư Như vậy các tiến trình của máy gởi (local) cần cách thức để liên lạc với (agent) máy kia (nhận) qua ranh giới của các máy Tiến trình của máy gởi (local) gọi là tiến trình khách (client) của tiến trình chủ (server) máy nhận thư
Vì Unix tạo ra các tiến trình bằng fork(), nên tiến trình server phải tồn tại trước khi tiến trình client cố lập kết nối Cách thức thông thường là thực hiện qua init và sau khi tạo tiến trình server sẽ luôn đọc kênh liên lạc cho tới khi nhận được yêu cầu phục vụ và tiếp theo tuân theo các thủ tục cần thiết để lập kết nối Các chương trình client và server
sẽ chọn môi trường mạng và thủ tục theo thông tin trong các cơ sở dữ liệu của ứng dụng hay dữ liệu có thể đã mã mã cố định trong chương trình
Với liên lạc trên mạng, các thông điệp phải có phần dữ liệu và phần kiểm điều khiển Phần điều khiển chứa thông tin địa chỉ để xác định nơi nhận Thông tin địa chỉ được cấu trúc theo kiểu và thủ tục mạng được sử dụng Phương thức truyền thống áp dụng cho kết nối mạng liên quan tới system call ioctl() để xác định các thông tin điều khiển, nhưng việc sử dụng không thuần nhất trên các loại mạng Đó là chỗ bất cập khi các chương trình thiết kế cho mạng này lại không chạy được cho mạng kia Đã có nhiều
nổ lực để cải thiện giao diện mạng cho Unix, sử dụng luồng (stream) là một cơ chế thích
Trang 6hợp hổ trợ mạng, vì các modul thủ tục có thể phối hợp linh hoạt bằng cách đầy vào stream mở và cách sử dụng chuyển cho mức người dùng.
Protocol layer có các modul giao thức sử dụng để liên kết, ví dụ TCP/IP.
Device layer có các trình điều khiển thiết bị, kiểm soát hoạt động của thiết bị mạng,
ví dụ Ethernet
Trong UNIX, người ta sử dụng ống như là trường hợp đặc biệt của cơ chế socket
Thông thường, trên cùng một máy, một ống chỉ được sử dụng để cho hai tiến trình liên
lạc với nhau thông qua lời gọi hệ thống fork Cơ chế socket còn có thể áp dụng cho các
tiến trình không ở trong tình trạng liên lạc với nhau
Mỗi socket được sử dụng chỉ trong một vùng Các tiến trình liên lạc với nhau trong
cùng một vùng và sử dụng cùng một kiểu định khuôn địa chỉ
Socket layerProtocol layer:
TCP/IP
Device layer:
Ethernet driver
Socket layerProtocol layer:
Trang 7Hình 2.2 Các loại Socket
Công cụ hỗ trợ mạng máy tính.
Hệ thống hỗ trợ mạng máy tính bằng các giao thức DARPA, Internet UDP, TCP, IP
và ICMP trên một bình diện rộng của các giao diện mạng Ethernet, vòng tròn Jeton, ARPANET Các cấu trúc phân tầng của hệ cho phép:
1 Thêm vào mạng các giao thức mới
2 Tổ chức công việc trên mạng thông qua các socket.
Trong môi trường mạng máy tính theo mô hình ISO 7 lớp, thông thường các dữ liệu được truyền giữa các tầng với nhau thông qua các giao thức thích nghi cho các giao
diện socket Tóm lại giữa 2 tầng kề nhau luôn luôn tồn tại một giao diện tầng, giữa 2
tầng tương ứng của hai hệ thống liên lạc luôn luôn sử dụng một loại giao thức Các dữ liệu mạng được truyền từ tầng này đến tầng khác và giữa hai tầng tương ứng
Hình 2.3 Tương quan giữa các mô hình mạng
2.3.3 Độ tin cậy
Các tiến trình liên lạc với nhau theo môn hình client_server: liên lạc được thực hiện qua đường dẫn hai chiều: một đầu cuối, tiến trình server lắng nghe một socket, còn tiến
Trang 8trình client liên lạc với tiến trình server bằng socket ở đầu cuối đằng kia trên máy khác Kernel duy trì mối liên kết và dẫn dữ liệu từ client đến server.
Các thuộc tính liên lạc chia sẻ chung cho các socket như các qui ước gọi tên, định dạng địa chỉ, … được nhóm lại thành domain BSD Unix hổ trợ “Unix system domain” cho các tiến trình thực hiện liên lạc trên một máy và “Internet domain” cho các tiến trình thực hiện liên lạc trên mạng dùng giao thức DARPA Mỗi socket có một kiểu của nó, gọi
là virtual circuil (mạng ảo) cho phép phát các dữ liệu tuần tự và tin cậy, gatagram không bảo đảm tuần tự, chắc chắn hay phát đúp, nhưng rẻ tiền hơn bởi không cần các thiết bị đắt giá, nên cũng có ích cho một số kiểu liên lạc Mỗi hệ thống có một giao thức mặc định, ví dụ giao thức TCP cung cấp dịch vụ mạng ảo, UDP cung cấp dịch vụ datagram trong vùng Internet
2.3.4 Tính mở của hệ thống.
Tính mở của hệ thống máy tính là dễ dàng mở rộng phần cứng (thêm các thiết bị ngoại vi, bộ nhớ, các giao diện truyền thông ) và các phần mềm (các mô hình hệđiều hành, các giao thức truyền tin, các dịch vụ chung tài nguyên, )Một hệ phân tán có tính
mở là hệ có thể được tạo từ nhiều loại phần cứng và phần mềm của nhiều nhà cung cấp khác nhau với điều kiện là các thành phần này phảitheo một tiêu chuẩn chung.Tính mở của hệ phân tán được xem xét thao mức độ bổ sung vào các dịch vụdùng chung tài nguyên mà không phá hỏng hay nhân đôi các dịch vụ đang tồn tại Tính mở được hoàn thiện bằng cách xác định hay phân định rõ các giao diện chính của mộthệ và làm cho nó tương thích với các nhà phát triển phần mềm.Tính mở của hệ phân tán dựa trên việc cung cấp cơ chế truyền thông giữa cáctiến trình và công khai các giao diện dùng để truy cập các tài nguyên chung
Trang 9Chương 3 THUẬT TOÁN QUẢN LÝ NHIỀU BẢN
SAO
3.1 Sự cần thiết sử dụng nhiều bản sao
Trong các hệ phân tán, việc trao đổi các thông tin từ xa là một vấn đề đáng được quan tâm Trong các hệ này, từng hệ thống cục bộ đều có thể lưu trữ một bản sao của tất
cả các thông tin liên quan đang ở trong tất cả các hệ cục bộ khác Sự tồn tại nhiều bản sao trong một hệ phân tán có các đặc điểm sau:
Cập nhật thông tin diễn ra ở 1 trạm nào đó cần phải được tiến hành cho tất cả các trạm và không được bỏ sót 1 trạm nào Trong khoảng thời gian làm “tươi” thông tin phải đảm bảo sao việc truy vấn dữ liệu cho kết quả kịp thời hay đặt tả được truy vấn trong trạng thái “treo”
Cần phải tránh trường hợp các thao tác trên 2 bản sao khác nhau nhưng chứa cùng một thông tin được truy cập bởi 2 hay nhiều yêu cầu dẫn đến không gắn bó
Hai vấn đề nêu trên xác định về các ràng buộc đối với vấn đề gắn bó dữ liệu Đảm bảo sự gắn bó này điều kiện đủ là phải tuân thủ trình tự nào đó cho tất cả các bản sao, các cập nhật thông tin
Khi nghiên cứu về hệ phân tán chúng ta thấy rằng thời gian truy cập trung bình vào
hệ thông tin phân tán có thể được rút ngắn, trong một số trường hợp, nhờ vào phương pháp nhân nhiều bản và được gọi là nhân 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: Ta xét 1 hệ thống đa xử lý với bộ nhớ chung như hình 3.1 sau đây:
Hình 3.1 Đa xử lý với bộ nhớ chung
Mỗi một bộ xử lý đều có bộ nhớ cục 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 nhiệm 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
Hình 3.2 mô tả 1 hệ truy cập từ xa thông qua 1 máy server duy nhất:
Trang 10Hình 3.2 Hệ truy cập từ xa thông qua máy server
Ở đây, một đối tượng được đưa vào trên một trạm xác định và được 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
Các trường hợp thể hiện trong các hình vẽ 3.1 và 3.2 xét theo chức năng là giống nhau Đó là trường hợp một bản duy nhất của đối tượng là một đặc quyền
Trường hợp 2: Xét hệ thống đối xứng như hình 3.3 sau:
Hình 3.3 Hệ thống đối xứng
Tại đây, tất cả các bản đóng vai trò đối xứng Công việc được tiến hành theo kiểu này cho phép rút ngắn thời gian truy cập, nếu số lần truy cập để đọc lớn hơn số lần truy cập để ghi và vì lý do thuận lợi sử dụng theo nghĩa có sẵn để dùng Điều này đặt ra cho chúng ta nhiều vấn đề cần giải quyết, đó là các lần ghi thông tin hay gọi là cập nhật bản sao và có các đặc điểm sau: Khi chỉ tồn tại một bản tập
Hệ thống viễn thông
L L
Máy Server
