Bài tập hệ phân tán

Thuật toán gắn bó trên cơ sở dấu và Bài toán duy trì một sự gắn bó mạnh giữa các bản sao

Chương 1. GIỚI THIỆU CHUNG

1. 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 thiết

lập 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 thông

tin, 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 của

Bài tập tiểu luận Hệ tin học phân tán 1

Các hệ

thống phần mềm

Các hệ

thống phần mềm

Tập hợp

phần cứng

Tập hợp

phần cứng

Hệ thống truyề

n thông

Hệ thống truyề

n thông

Hệ thống

dữ liệu

Hệ thống

dữ liệu


các tiến trình và sự trao đổi thông tin với nhau sao cho hệ thống tránh được các

trường hợp có thể dẫn đến hệ thống không gắn bó.

2. Vấn đề truy cập và xử lý thông tin trong hệ tin học phân tán

2.1. Đặt vấn đề

Trong hệ tin học phân tán, vấn đề truy cập và xử lý thông tin trong hệ là

một những vấn đề phức tạp. Để đơn giản, chúng ta sẽ nghiên cứu một ví dụ cụ

thể về việc quản lý các tài khoản của một ngân hàng. Mỗi một người mở tài

khoản tại ngân hàng sẽ được lưu trữ trong một bản ghi của cơ sở dữ liệu

(CSDL). Các trường của bản ghi này bao gồm họ và tên, địa chỉ, điện thoại và

một khoá duy nhất (mã số) cho người đó. Mã số đóng vai trò con trỏ đến CSDL

khác chứa các lần thu tiền vào và rút tiền ra từ tài khoản. Cuối cùng ta phải có

CSDL chứa số dư. Số dư là số tiền có trong tài khoản ở thời điểm xem xét của

từng người gửi tiền. Trạng thái của số dư trong tài khoản được khống chế ở mức

xác định ví dụ như số dư không được <= N cho trước. Điều đó cũng đồng nghĩa

với việc đảm bảo trong tài khoản của người sử dụng không bao giờ có giá trị

bằng 0 hay giá trị âm.

Do vậy, để nghiên cứu ta cần giả định một số quy tắc nhất

định cho việc hoạt động của hệ. Các quy tắc này thể hiện trong

bảng sau đây:

STT Quy tắc

1 Chỉ có một loại phép toán (hay giao dịch) duy nhất là chuyển

khoản 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:



STT Ký hiệu Đặc tính

1 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 các

ràng buộc toàn vẹn của hệ). Ta nói rằng trạng thái hệ được gắn bó, nếu hệ mang

hai 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:

Nếu A >= P thì

A := A - P (a)

B := B + P (b)

nếu không

<xử lý theo kiểu séc không có tiền bảo chứng>

kết thúc nếu.

Theo thuật toán thể hiện bằng đoạn chương trình trên, ta cần lưu ý hai điểm

sau đây:

1) Giả sử rằng ta thực hiện đồng thời hai séc trích từ A hay rót vào B. Việc

truy cập thông tin trên mỗi tài khoản không thể tiến hành theo kiểu tuỳ ý mà

phải đảm bảo loại trừ tương hổ ở mức tương hổ. Việc loại trừ đó có thể thực

hiện theo các kiểu khác nhau, một trong các kiểu đơn giản nhất là loại trừ ở mức

toàn CSDL và hệ quả là loại bỏ các phép song song. Có thể áp dụng loại trừ ở

mức từng tài khoản riêng biệt.

2) Giả sử rằng bộ xử lý thực hiện giao dịch bị rơi vào trạng thái không làm

việc được tại thời điểm giữa a và b. Tài khoản A đã được trừ trong khi B còn

chưa được cộng. Nói cách khác đặc tính P1 không thể đảm bảo gì hơn nếu dừng



lại ở đây. Ta cần phải bổ sung thêm cho hệ một đặc tính nữa nhằm vào điều vừa

nêu. Đó là sau khi thực hiện một giao dịch hoặc là tất cả các cập nhật đều được

tiến 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 trong

điều kiện có sự cố. Đó chính là đòi hỏi quan trọng đối với toàn hệ trong việc truy

cập thông tin.

Bây giờ, ta giới thiệu một loại giao dich mới. Đó là giao dịch kèm theo tỷ lệ

lợi nhuận tiền gửi t có nghĩa là sau một khoảng thời gian nào đó số dư này được

tính 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:

STT Ký hiệu Đặc tính

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

khoản bằng (1+t)n.

Cần lưu ý rằng nếu ta cho phép các giao dịch loại U và T hoạt động song

song thì có nguy cơ phá vở đặc tính P’3.

2.2. Sự gắn bó thông tin

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 hợp

các 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 các

điểm xác định, ta có thể nhận biết được trạng thái thực của chúng, nghĩa là các

giá trị của đối tượng và ngữ cảnh thực hiện của các tiến trình. Hệ như vậy hoạt

động với độ ổn định tuyệt vời.



Các điều kiện giả định trên so với hệ thực tế có những điểm khác nhau căn

bản:

- Các đối tượng và các tiến trình có thể được tạo lập và huỷ bỏ có tính chất

động trong suốt quá trình tồn tại của hệ.

- Các đối tượng và các tiến trình có thể được phân tán trên các trạm khác

nhau 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 kỹ

thuật.

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 gắn

bó.

Các nhà thiết kế và vận hành hệ mong muốn rằng việc thực hiện các tiến

trình phải duy trì cho được hệ trong trạng thái gắn bó. Để chính xác hoá đặc tính

này, cần phải lưu ý là trạng thái của hệ chỉ được xác định ở mức quan sát cho

trước.

Ta quan tâm đến hai mức quan sát:

Stt Mức Giải thích

1 NSD

Tiến trình là một dãy thực hiện các giao dịch. Giao dịch đó là

chương trình duy nhất được thực hiện từ một trạng thái gắn bó

dẫn hệ đến một trạng thái gắn bó khác.

2 Hệ thống

Mỗi giao dịch được cấu tạo từ một dãy các tác động được thể

hiện như sau. Nếu 2 tác động A và B thuộc hai giao dịch khác

nhau được thực hiện bởi hai tiến trình thì hiệu ứng tổng quát

của chúng sẽ là hiệu ứng của dãy (A;B) hoặc là (B;A)

Ví dụ:

Trong hệ thống quản lý tài khoản ngân hàng, mỗi số dư tài khoản được thể



hiện bằng một bản ghi. Ta cần lưu rằng

- Phép chuyển giá trị từ tài khoản này sang tài khoản khác được xem như là

một tác động.

- Đọc và ghi một bản ghi là các tác động, nếu hệ quản lý các tập tin đảm

bảo 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 p1, p2, ..., pn. Việc thực hiện tuần tự có nghĩa là thực hiện

tất 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 thực

hiện riêng biệt từng giao dịch. Do vậy, nó cũng đảm bảo trong chế độ thực hiện

tuần 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 và

chỉ một lần. Một dãy các tác động như vậy được gọi là trật tự hóa của tập hợp

các giao dịch M.

Ví dụ: Quay lại vấn đề bài toán ở phần 1 và xem xét ba trật tự hóa có thể là

S1, S2, và S3

Hình 2: Trật tự hóa S1



Giao dịch loại T

A:=A-P

A:=(1+t)xA

B:=(1+t)*B

B:=B+P

Giao dịch loại U


A:=A-P

A:=(1+t)xA

B:=(1+t)*B

B:=B+PGiao dịch loại U



Ta nhận thấy dễ dàng là trật tự hóa S2 có tác dụng tương đương với trật tự

hóa 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 theo

cùng 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 nhật

thông 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 hợp

các tác động thành phần sẽ tương ứng với việc thực hiện hoàn toàn các giao

dịch. Việc thu được một trật tự hóa gắn bó chỉ có thể thành công khi áp dụng các

ràng buộc trên trật tự thực hiện các tác động. Nguyên lý của phương pháp là ở

chỗ làm chậm một tác động nào đó cho đến thời điểm mà sự thực hiện của nó

không 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 ta

đưa ra các phương pháp, cơ chế để đảm bảo khi giao dịch vẫn có sự gắn bó

thông tin toàn vẹn dữ liệu trên cơ sở dữ liệu phân tán. Cụ thể ta có cơ chế then

cài:

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 tán



A:=A-P

A:=(1+t)xA

B:=(1+t)*B

B:=B+P

Giao dịch loại U


trên nhiều trạm khác nhau và được nối với nhau thông qua hệ

thống viễn thông và rằng các tiến trình diễn ra trên các trạm

khác nhau. Hệ thống viễn thông cho phép các tiến trình trên các

trạm khác nhau có thể trao đổi các thông điệp với nhau. Ta giả

định rằng các tiến trình và các phương tiện truyền thông là các

đối tượng có thể rơi vào sự cố. Một hệ quản lý tập hợp thông tin

phân tán bao gồm:

Stt Cơ chế

1Cơ chế cho phép sắp xếp một cách tổng quát các tác động của cùng một

giao dịch, ngay cả khi các tác động này diễn ra trên các trạm khác nhau.

2Cơ chế điều khiển các tranh chấp truy cập cục bộ vào các đối tượng đảm

bảo tôn trọng tính toàn vẹn của các đối tượng truy cập cục bộ này.

3Cơ chế có khả năng xử lý các bế tắc và thiếu thốn vô hạn, hậu quả của

việc hủy bỏ các giao dịch.

4 Cơ chế phục hồi các giao dịch đã hủy bỏ hay xử lý các sự cố.

2.2.5. Quản lý gắn bó các giao dịch

Bây giờ ta hãy xem xét một hệ, trong đó các đối tượng được phân tán trên

nhiều trạm, không có bản sao mỗi đối tượng chỉ tồn tại có một bản duy nhất.

Một giao dịch Tj có thể tham chiếu đến các đối tượng nằm trên các trạm khác

nhau và do vậy gồm nhiều tác động thực hiện trên nhiều trạm. Như vậy ta phải

xác định trên một trạm Si một tiến trình Pji với nhiệm vụ thực hiện các tác động

giao dịch Tj trên Si , các tác động được thực hiện trên các trạm khác nhau có thể

tiến hành theo kiểu song song.

Các phương pháp để quản lý gắn bó các giao dịch như: Phương pháp dự

phòng để chống bế tắc, phương pháp dựa vào việc hạn chế các khả năng diễn ra

bằng cách phát hiện bế tắc có tính chất động, điều đó dẫn đến hủy bỏ các giao

dịch.



Chương 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 nhận

thời 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 vào

đồng hồ lô gích cục bộ của chính trạm. Các đồng hồ này được lấy lại thông qua

hội thoại giữa các trạm.

1.1. Nguyên lý:

Tập hợp tất cả 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 một trật tự về dấu. Điều đó cho phép có một sự gắn bó

yếu 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 nhật

được xác định như một dãy các thao tác đọc rồi ghi, thao tác kiểm tra - đọc tức

thì trạng thái hiện hành của bản sao.

Mỗi một server tiếp nhận các yêu cầu ghi đến các trạm cục bộ ở thời điểm

cho trước. nó tiếp nhận các yêu cầu và tính toán trên cơ sở dấu theo tiêu chí lâu

nhất. 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, là

mới hơn so với các yêu cầu đã đi qua. Nói cách khác, yêu cầu lâu nhất chính là

yêu 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 điệp

yêu cầu và bắt buộc phải xác nhận. Do vậy, sau một khoảng thời gian theo giả

thiết về độ ổn định ta sẽ xác nhận: hoặc là các yêu cầu đi qua, hoặc là trả lời các

thông 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 hay

chèn vào tuỳ ý một trạm nào đó. Điều đó, dẫn đến hai vấn đề sau chúng ta cần

phải 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 mới

được 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 sao

khác nhau. Cụ thể trong 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.

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

toàn vẹn là:

Để tham chiếu đến b, cần phải thực hiện giao dịch:


b1 = b2 = … = bn

v_doc(bi)

doc(bi)

giai_phong(bi)


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 tránh sự bế tắc diễn ra, việc cài then các bản sao luôn luôn phải được

thực hiện trong cùng một trật tự.

Nói cách khác, bằng cách bỏ qua các pha chuyển, hoặc là đối tượng đang

trong quá trình cập nhật và tất cả các bản sao được lưu trữ cho tiến trình thực

hiện cập nhật, hoặc là tất cả các bản sao được cập nhật chỉ để đọc và giống nhau

hoàn toàn. Kiểu hoạt động này triển khai một sự gắn bó mạnh giữa các đối

tượng.

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. Đó là ta

luôn 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 phải

giống nhau tuyệt đối trong mọi thời điểm.

Tổng quát, nếu ta chấm dứt thực hiện các giao dịch cập nhật thì tất cả các

bản sao có thể trở thành giống nhau hoàn toàn sau một khoảng thời gian xác

định. 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 một

trật 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 giao

dịch 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 trước


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

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

các bản>


trật tự của việc đọc theo chiều của trật tự cần xem xét.

2) Khi nói rằng các bản sao là hoàn toàn giống nhay có nghĩa là chúng cung

cấp thông tin như nhau khi được tham chiếu hay tích hợp cùng một dãy các cập

nhật. Nhưng việc thể hiện bên trong dữ liệu có thể thay đổi từ trạm này đến trạm

khác.

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 hỏi

nguồi 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 định

tại thời điểm khai thác).

- Các tiến trình của trạm và hệ thống viễn thông có thể xảy ra xự cố kỹ

thuật, 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 các

tình 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 có

thể chọn các thuật toán khác nhau. Ở đây, ta tập trung vào thuật toán duy trì sự

gắn bó yếu nhờ dấu

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. Tên 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.

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 toán trên cơ sở dấu theo tiêu chí lâu

nhất. Việc xác định yêu cầu không được tiến hành ngay tức khắc vì nguyên do ta

không thể biết chắc chắn yêu cầu nào là lâu nhất. Yêu cầu lâu nhất có thể đang

truyền 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 các

thông điệp tại j là hoàn toàn giống với trật tự của các thông điệp phát đi. Giả

thiết này được kiểm tra trong các mạng thông thường. Việc xác định các yêu cầu

cần 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 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 vây, 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.

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.

3.4. Kết luận

Trên đây chúng ta đã tìm hiểu kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất nhằm

đảm bảo đặc tính gắn bó dữ liệu trong hệ tin học phân tán là kỹ thuật gắn bó trên

cơ sở dấu.

Kỹ thuật gắn bó trên cơ sở dấu nhằm đảm bảo tính gắn bó dữ liệu của một

trật tự hoá hợp thức các giao dịch trên các trạm xa nhau trong hệ tin học phân

tán.



Chương 3: DUY TRÌ SỰ GẮN BÓ MẠNH GIỮA CÁC BẢN SAO

CỦA MỘT ĐỐI TƯỢNG

1. Đặt vấn đề

1.1. Giới thiệu bài toán

Trong một hệ thống phân tán giả định có độ ổn định tuyệt vời, ta muốn duy

trì một sự gắn bó mạnh giữa các bản sao của một đối tượng được định vị trên

các trạm khác nhau.

Thuật toán dựa trên các nguyên lý sau đây:

Trước khi thực hiện cập nhật, một trạm nào đó cần phải yêu cầu và thống

nhất với các trạm khác.

Khi đã có được sự thống nhất, thì trạm này tiến hành công việc cập nhật;

điều này phải tiến hành trên tất cả các bản sao; đối tượng không thể truy cập

chừng nào các bản sao còn chưa cập nhật hết.

Các xung đột giữa các trạm được giải quyết bằng một trật tự có hệ số ưu

tiên giữa các trạm, được cố định một lần lúc khởi sự cho toàn bộ.

1. Hỏi có bao nhiêu trạng thái khác nhau cần xem xét cho mỗi bản sao.

2. Hãy trình bày sơ đồ hoạt động của thuật toán (đồ thị phát triển).

3. Hãy đánh giá bằng hàm của số lượng bản sao, số lượng các thông điệp

cần thiết để thực hiện một thông điệp.

4. Ta phải sửa đổi thuật toán như thế nào để chịu đựng được sự cố trên một

trạm (giả sử hệ viễn thông hoạt động tốt).

1.2. Cơ sở lý thuyết để giải quyết bài toán

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:

Hình 6. 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 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.

b) Hệ truy cập từ xa thông qua một máy server duy nhất:


L

Bch

BcbBcb

L Bé xö lý

Bé nhí côc bé

Bé nhí chung

(e)

(e)

Bộ xử lý

Bộ nhớ cục bộ (e)

Bộ nhớ chung (e)

L

Bch

BcbBcb

L Bé xö lý

Bé nhí côc bé

Bé nhí chung

(e)

(e)L

M¸y client

M¸y server

Bộ xử lý

Bộ nhớ cục bộ (e)

Bộ nhớ chung (e)

Hệ thống viễn thông

Hệ thống viễn thông

Máy client

Máy server


Hình 7. Hệ truy cập từ xa thông qua máy server

Trong trường hợp này, 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 hình 2.1 và 2.2 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:

Tính cân đối giữa các người sử dụng tài nguyên thông tin của mạng.

Hình 8. Hệ thống đối xứng

Tại đây, tất cả các bản đóng vai trò đối xứng. Công việc được tiến hành


Hệ thống viễn thôngHệ thống viễn thông


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 cập nhật và vì lý do thuận lợi sử dụng theo nghĩa có

sẵn để dùng.

Tình hình nêu trên đặt ra cho chúng ta nhiều vấn đề cần phải giải quyết. Đó

chính là các lần cập nhật thông tin hay nói 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:

a. 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.

b. Việc cập nhật tức thời (theo hệ tập trung) của tất cả các bản sao là không

cần thiết.

Trong tất cả các trường hợp, một giao dịch tham chiếu trạng thái một đối

tượng thực hiện xuất phát từ một trạm trên bản cục bộ cần phải cung cấp:

- Hoặc là một giá trị cập nhật của tất cả các thay đổi diễn ra trước tham

chiếu.

- Hoặc là một giá trị đã cũ, nhưng lại là giá trị đã được cập nhật ở thời điểm

trước đó.

Sự tham chiếu không bao giờ phải cung cấp một giá trị xuất phát từ việc

thực hiện từng phần của một giao dịch.

2. Giải quyết vấn đề



2.1. Các trạng thái khác nhau cần xem xét cho mỗi bản sao

Các trạng thái có thể xảy ra trên mỗi bản sao như sau:

Stt Trạng thái Giải thích

1 Nghỉ ngơi Trạm không thực hiện cập nhật nào cả

2 Hoạt động Trạm đã nhận một yêu cầu cập nhật cục bộ mà yêu cầu này

đã được truyền cho các trạm khác để kiểm tra

3 Thụ động Trạm đồng ý cho một cập nhật và chờ trật tự tương ứng

4 Cập nhật Trạm đang trong tình trạng chuyển của cập nhật, trong khi đó

tất cả các yêu cầu khác truyền đến đều được lưu trữ. Chúng

sẽ được xử lý khi quay về một trong các trạng thái khác.

2.2. Sơ đồ hoạt động của thuật toán

Các trạm được tổ chức theo kiểu vòng tròn ảo. Trước khi thực hiện cập

nhật, một trạm nào đó cần phải yêu cầu và thống nhất với các trạm khác. Sau khi

đã có được sự thống nhất, thì trạm này tiến hành công việc cập nhật.

Sơ đồ hoạt động của thuật toán:

Hình 10. Sơ đồ hoạt động của thuật toán

Lúc khởi sự, tất cả các trạm đều ở trong trạng thái nghỉ ngơi.

Trạm khởi sự việc cập nhật, đầu tiên cần phải gửi một yêu cầu cho phép

cập nhật, nó chỉ làm được việc đó trong trạng thái nghỉ ngơi. Lúc này nó được


1 – Nghỉ ngơi

1 – Nghỉ ngơi

2 – Nghỉ ngơi

2 – Nghỉ ngơi

3– Nghỉ ngơi

3– Nghỉ ngơi

4– Nghỉ ngơi

4– Nghỉ ngơi

Yêu cầu

Lựa chọn yêu cầu có thời gian dấu dài nhất nếu có nhiều yêu cầu được đưa ra

Nghỉ ngơi

Hoạt động

Thụ động

Cập

nhật


nhận dấu và được gửi vào vòng tròn trạm khởi sự chuyển từ trạng thái nghỉ ngơi

sang trạng thái hoạt động.

Nếu chỉ có một yêu cầu duy nhất được đưa vào vòng tròn, nó đi qua tất cả

các trạm để chuyển các trạm từ nghỉ ngơi sang thụ động. khi đó, nó trở về nơi

khởi sự thì việc thống nhất coi như hoàn tất. việc cập nhật nói riêng lúc này

được gửi đi và mỗi trạm sau khi thực hiện trở về trạng thái nghỉ ngơi.

Nếu có nhiều yêu cầu đưa ra đồng thời trong vòng tròn, thì tình hình đó dễ

dàng diễn ra xung đột. lúc này, ta phải chọn một yêu cầu có thời gian dấu lâu

nhất. Để tiến hành công việc đó, ta nêu bật vai trò của bộ chắn đường cho các

trạm khởi sự. Một trạm nào đó trong trạng thái nghỉ ngơi hay thụ động phải

chuyển toàn bộ yêu cầu đã đến nó, một trạm trong trạng thái hoạt động chỉ phải

chuyển các yêu cầu có thời gian lâu hơn các yêu cầu mà chính nó phát đi, các

yêu cầu khác đều bị dừng lại và được lưu trữ.

Các yêu cầu bị lưu trữ lại sẽ được gửi tiếp vào vòng tròn, khi trạm lưu trữ

chúng hoàn thành công việc cập nhật riêng của mình.

Hành vi ngoài chế độ bình thường: Các giao thức đặt lại cấu hình vòng tròn

theo kiểu tự động được sử dụng nhằm rút ra hay cho vào tùy ý một số trạm nhất

định. Các sự cố kỹ thuật là rất khó khăn phát hiện các chiến lược mà ở dó các

yêu cầu không được ghi lại khắp nơi trong mạng.

2.3. Đánh giá hàm của số lượng bản sao, số lượng thông điệp cần thiết

để thực hiện một cập nhật

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 12 sau đây:


t1 t2 tq

b1m

b12

b11

b21 b22 b2m

Hệ thống viễn thôngS1

S2

Sn

bn1

bn2

bnm

...

...

... ...

Hình 11. Sơ đồ mô tả hệ thống nhiều

bản sao


bij với i = 1..n, j = 1..m,

trong đó i chỉ server, j chỉ bản sao, n là số lượng server được mắc nối trong

mạng, m là số lượng các đối tượng dữ liệu

tk với k = 1..q, trong đó k là trạm, q là số trạm được mắc nối

Các 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

Gọi M là cực đại của các cập nhật có thể diễn ra đồng thời, thì M có thể

tính theo công thức M = n x m.

2.4. Xử lý sự cố trên một trạm

Nếu dữ liệu được phân tán trên nhiều server, để bảo đảm dữ liệu sẽ được

ghi lên đúng đắn lên mọi cơ sở dữ liệu, đòi hỏi phải có các cơ chế bảo vệ dữ

liệu. Ví dụ như việc cập nhật bảng cân đối tài khoản khách hàng ở ba cơ sở dữ

liệu khác nhau. Nếu c ó sự cố kết nối xảy ra trong thời gian ghi giao dịch, cơ sở

dữ liệu sẽ mất tính đồng bộ. Xử lý giao dịch khắc phục tình trạng này bằng cách

giám sát những thay đổi tác động lên các cơ sở dữ liệu liên quan nhằm bảo đảm

toàn vẹn dữ liệu một khi có sự cố.

Nếu một tiến trình p bị sự cố trong lúc thực hiện một giao dịch T thì trạng

thái của hệ xuất phát từ việc thực hiện từng phần đó chắc chắc sẽ không còn gắn



bó.

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

phải là:

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

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

Muốn thế đòi hỏi giao dịch phải có đặc tính toàn vẹn như sau:

- 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

Hình 12. Ba giai đoạn của một giao dịch

- 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 12.

Căn cứ vào nội dung thông tin cần phải đảm bảo sự gắn bó mà ta có thể

chọn các thuật toán nhằm đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu.

3. Kết luận

Trong quá trình xây dựng các phần mềm cho hệ phân tán hỗ trợ các ứng

dụng lớn như thương mại điện tử, chính phủ điện tử,... vấn đề cập nhật thông tin

dùng chung trong các bản sao của cùng một đối tượng là một trong những vấn

đề quan trọng. Nó không chỉ đảm bảo hệ thống hoạt động với tốc độ bình quân

chấp nhận được, ổn định, tin cậy mà quan trọng hơn cả là phải đảm bảo tính gắn


Sau khi cập nhật (thay đổi)

Trước khi cập nhật (thay đổi)

Gắn bó

Không Gắn bó

1

2

3


bó của dữ liệu trong các bản sao.

Mô hình hệ thống quản lý nhiều bản sao giống nhau trên môi trường phân

tán và các giải thuật được nghiên cứu đã đáp ứng các yêu cầu của một hệ thống

phức tạp với lượng thông tin lớn cần phải xử lý và thể hiện ở các mặt sau đây:

Tự động hóa cập nhật các bản sao

Phát triển giải thuật nhiều bản sao trong môi trường phân tán hiện đại

Làm phong phú khả năng ứng dụng các tác tử di động.

Triển khai kỹ thuật đánh dấu bản điều khiển trong quản lý nhiều bản sao

Bổ sung lý thuyết cập nhật nhiều bản sao

Bài tiểu luận đã thể hiện cô đọng bằng những sơ đồ giải thuật và mô hình.



TÀI LIỆU THAM KHẢO

A. Tài liệu tiếng Việt.

1. Hệ tin học phân tán của TS Lê Văn Sơn NXB Đại học quốc gia TP Hồ

Chí Minh.

2. Nguyên lý các hệ cơ sở dữ liệu phân tán của Patrick Valduriez , Trần Đức

Quang Biên Dịch Tập 1 + Tập 2 , NXB Thống Kê.

B. Tài liệu tiếng Anh.

1. Principle of Distributed Database System, ấn bản lần thứ 2 của Prentice

- Hall.

2. Database Systems: Design, Implementation, and Management, Sixth

Edition, Rob and Coronel.

3. Resource Model Distribution by Guy Swope.

4. Towards Distributed Data Collection and Peer-to-Peer Data Sharing by

James E. Marca and Craig R. Rindt and Michael G. McNally.




Documents

Bài tập hệ phân tán