Tiểu luận môn học Hệ phân tán BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TIỂU LUẬN MÔN HỌC HỆ PHÂN TÁN ĐỀ TÀI: I Tài nguyên chiến lược cung cấp tài nguyên II Cho hai loại tài nguyên: tài nguyên truy cập theo kiểu loại trừ tài nguyên truy cập theo kiểu chia sẻ Trình bày thuật toán Lomet Menasce nhằm xử lý việc cung cấp tài nguyên hai nhóm tài nguyên nêu Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Lê Văn Sơn Học viên thực hiện: Nguyễn Nương Quỳnh Lớp: Khoa học Máy tính - K24 Quảng Bình Quảng Bình, tháng 12 năm 2012 Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh Tiểu luận môn học Hệ phân tán LỜI MỞ ĐẦU Hệ thống tin học đại ngày đóng vai trị quan trọng khơng thể thiếu phát triển tồn xã hội Một thành tựu bật hệ thống công nghệ thông tin phát triển phần mềm sở nhằm trực tiếp làm tăng khả điều hành, khai thác hiệu tất tài nguyên hệ thống thông tin Hệ thống tin học nói chung hệ thống bao gồm hai phần phần cứng phần mềm gắn bó cách hữu với để thực có hiệu cao xử lý thơng tin Hệ tin học phân tán (hay nói gọn hệ phân tán) hệ thống xử lý thông tin bao gồm nhiều xử lý vi xử lý nằm vị trí khác liên kết với thông qua phương tiện viễn thông điều khiển thống hệ điều hành Có thể xem hệ phân tán tập hợp bao gồm xử lý, vi xử lý với nhớ đồng hồ nhịp độc lập (tức hệ phân tán không chia sẻ nhớ đồng hồ) Do vậy, hệ tin học phân tán đòi hỏi hệ thống phần cứng máy tính phải trang bị nhớ cục bộ, xử lý trao đổi với thông qua hệ thống đường truyền khác Trong hệ phân tán, hệ xử lý thông tin thành phần phải thiết kế cho cấu trúc, số lượng dung lượng cho phép thực cách trọn vẹn chức Khác hệ tin học phân tán với hệ tin học tập trung hệ thống phần cứng, phần mềm, liệu cấu thành hệ tin học tập trung, hệ tin học phân tán cịn có hệ thống truyền thơng Với khác mà số vấn đề đặt là: Một xu hướng kỹ thuật đời - xu hướng phân tán thành phần tạo nên hệ tin học theo hướng tiếp cận nơi sử dụng nơi sản xuất thông tin Đồng thời để khai thác có hiệu cao hệ thống thông tin, vấn đề hàng đầu cần phải tính đến tài ngun nói chung, tài ngun thơng tin nói riêng chiến lược khai thác, cung cấp, sử dụng tài nguyên cách tối ưu Trong hệ thống tập trung, loại tài nguyên hệ quản lý chương trình cung cấp nhất, chương trình tiếp nhận tất yêu cầu, khuyến nghị giải phóng xếp chúng hàng đợi xử lý theo kiểu loại trừ xử lý chúng theo trật tự định hàng đợi Cịn hệ phân tán, chương trình cung cấp nằm trạm tiến trình đề nghị lại trạm khác, yêu cầu khuyến nghị giải phóng truyền cho chương trình cung cấp thơng qua hình thức thông điệp chuyển theo kênh hệ thống viễn thơng Hơn nữa, lý ổn định hiệu mà ta phải phân tán chức cung cấp nhiều trạm khác Sự hoạt động gắn bó với chương trình cung cấp cần thiết để đảm bảo cho hoạt động cung cấp hồn tồn xác Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh Tiểu luận môn học Hệ phân tán Hệ tin học phân tán hệ xử lý thông tin bao gồm nhiều xử lý hay vi xử lý phân bổ vị trí khác nối ghép vào thông qua phương tiện truyền tin điều khiển hệ điều hành Vì vậy, thời hạn truyền thơng tin hệ không giống nhau, thông điệp bị q trình chuyển tải, thơng điệp truyền kép hệ thống rơi vào cố lúc Mặt khác, hay nhiều máy tính cấu thành hệ phân tán xảy cố hoạt động hệ trở nên đình trệ, hiệu Do đó, việc bảo vệ tính vẹn toàn liệu, quản lý tài nguyên, cung cấp tài nguyên sử dụng tài nguyên vấn quan trọng hàng đầu Chiến lược cung cấp tài nguyên biện pháp khắc phục tình trạng bế tắc nội dung trình bày tiểu luận Với lĩnh vực kiến thức mới, đa dạng phức tạp việc nghiên cứu tơi cịn nhiều hạn chế, mong góp ý định hướng Thầy Lê Văn Sơn anh chị lớp để tơi tiếp tục nghiên cứu đạt kết tốt thời gian tới Xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS Lê Văn Sơn nhiệt tình giảng dạy giúp tơi hoàn thành tiểu luận Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh Tiểu luận môn học Hệ phân tán MỤC LỤC A Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh Tiểu luận môn học Hệ phân tán Chương HỆ TIN HỌC PHÂN TÁN Quá trình phát triển hệ thống tin học Hệ tin học bao gồm thành phần phần cứng, hệ điều hành, chương trình ứng dụng người sử dụng…Các thiết bị phần cứng bao gồm xử lý trung tâm, nhớ, thiết bị ngoại vi đóng vai trị hai loại tài nguyên sở hệ thống tin học Các chương trình ứng dụng thành phần sau hệ điều hành ví dụ phần mềm ứng dụng Người sử dụng nhà chun mơn, máy tính, hệ tự động vận hành gắn với máy tính,… khai thác hệ thống thông qua lệnh điều khiển theo thuật tốn nhằm đạt mục tiêu xác định từ trước Ở thời điểm, số lượng người sử dụng cho thành phần ứng dụng khác bị giới hạn khả kỹ thuật ghép Chiếc máy tính đời năm 50 kỷ 20 hệ thống đồ sộ, nặng nề, tiêu tốn nhiều lượng, hiệu hoạt động kém, dung lượng bé đặc biệt khó khăn q trình sử dụng, vận hành hệ thống đóng góp cho nhân loại học nguyên lý mà giá trị chúng nguyên vẹn tận hơm có lẽ mãi sau Đặc trưng thời kỳ tỷ trọng phần mềm hệ thống không đáng kể so với phần cứng Các chương trình trợ giúp hệ thống vừa thiếu số lượng vừa yếu chức phục vụ Và theo thời gian, người xây dựng nên chương trình trợ giúp có tính chất hệ thống chương trình dịch từ hợp ngữ sang ngơn ngữ máy, chượng trình soạn thảo theo dịng,…do làm giảm nhẹ cơng việc lập chương trình Vào cuối năm 50, đầu năm 60, người xay dựng chương trình monitor thường trú cho phép liên kết hợp công việc lại với thực lần Việc liên kết có ý nghĩa lớn tự động hoá hoạt động hệ tin học Năm 1960, chương trình BPS( Batch processing system) xây dựng thành công nhằm vào thiết bị phần cứng nhằm sử dụng hết hiệu xử lý bước đầu triển khai chế bảo vệ Năm 1969, hệ điều hành UNIX xây dựng ông Ken Thompson cho phép người sử dụng làm việc theo kiểu chia thời gian hệ thống đa nhiệm Vào năm 70, máy tính cá nhân đời với tiện ích cao, khả vượt trội, đặc biệt giá hợp lý nhanh chóng chinh phục người mở trang việc phát triển ngành tin học Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh Tiểu luận môn học Hệ phân tán Tiếp theo xuất hệ thống song song cho phép cải tiến máy vốn sử dụng xử lý hay vi xử lý thành hệ thống đa xử lý nhằm tăng độ tin cậy hệ thống Vào năm 80 Hệ thống mạng cục Ethernet Token Ring phát minh mạng tiêu biểu lý thuyết lẫn triển khai ứng dụng Hệ tin học phân tán đòi hỏi phần cứng phải trang bị nhớ cục bộ, xử lý trao đổi thông qua hệ thống đường truyền khác cáp chuyên dụng, bus trao đổi, đường điện thoại, đường cáp quang, mạng điện chiếu sáng cao hạ thế.’… Hệ thống thời gian thực với hệ điều hành tiêu biểu hệ tự động hố điều khiển lị luyện thép Vào năm 1974, xuất mạng Internet toàn cầu mạng ARPANET với giao thức NCP Tuy nhiên, giao thức TCP/IP xây dựng Vint Cert Robert Kahn khái niệm mạng mạng hình thành Và đến năm 1990 mạng Internet phát triển vượt bậc với kết mà có ngày hôm Hệ tin học phân tán 2.1 Khái niệm hệ tin học phân tán Hệ tin học phân tán hay gọi tắt hệ phân tán hệ thống xử lý thông tin bao gồm nhiều xử lý vi xử lý đặt xa vị trí khác liên kết với thông qua phương tiện viễn thông thống hệ điều hành Hệ tin học phân tán hệ thống không chia nhớ đồng hồ Các tính tốn hệ tin học phân tán thực nhiều xử lý hay vi xử lý hệ thống đa xử lý Do hệ thống tin học phân tán địi hỏi hệ thống phải trang bị nhớ cục Các xử lý trao đổi thông tin thông qua đường truyền khác cáp mạng chuyên dụng, bus trao đổi, đường điện thoại, cáp quang sóng… Khơng máy tính đơn lẽ, mạng máy tính tập hợp thiết bị đầu cuối nối với hệ thống đường truyền, đường truyền nối với trạm xa mạng viễn thông Các thiết bị đầu cuối mạng máy tính đa dạng, bao gồm tập hợp máy tính, thiết bị chuyên dụng, thiết bị truyền tin, thiết bị nhận hiển thị thơng tin…Hệ thống mạng máy tính điều khiển hệ điều hành mạng Hệ tin học hệ tập trung hệ phân tán Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh Tiểu luận môn học Hệ phân tán 2.2 Đặc điểm hệ tin học phân tán Căn vào thành phần hệ tin học, ta nhận thấy hệ tin học phân tán bao gồm bốn thực thể hình bên Các hệ thống phần mềm Hệ thống truyền thông Các hệ thống phần cứng Hệ thống liệu Hình 1: Bốn thực thể hệ tin học phân tán Cấu hình phần cứng mạng bao gồm xử lý có cấu tạo hồn tồn khác khả năng, tốc độ thiết kế cho chức khơng giống Chúng xử lý, trạm làm việc, máy tính trung máy tính điện tử vạn lớn Bên cạnh hệ thống phần cứng, phần mềm, liệu, hệ phân tán cịn có hệ thống truyền thông Nhưng điều để phân biệt hệ tin học phân tán với mạng máy tính hệ điều hành mạng nguyên tắc xây dựng hệ liệt kê đây: Stt Tên gọi Thuyết minh Thực tế phát triển mạng máy tính đặt vấn đề lớn Chia tài cần phải dùng chung tài nguyên Một tiến trình nguyên trạm cung cấp tài nguyên dùng chung trạm khác Khi hệ thống mắc nối với nhau, thực thể Liên lạc hệ trao đổi thơng tin với Một trạm hệ bị cố khơng làm cho tồn hệ ảnh hưởng mà ngược lại, cơng việc phân cho Tin cậy trạm khác đảm nhận Ngoài ra, trạm bị cố tự động phục hồi lại trạng thái ban đầu trước có cố hay trạng thái ban đầu Đây khái niệm phân tán tải Một tính tốn lớn sử dụng trạm thời gian cho kết Tăng tốc lâu Tính tốn chia nhỏ thực song song trạm Điều cần thiết trạm tải Một tư tưởng lớn hệ phân tán phân tán hố q trình xử lý thơng tin thực cơng việc trạm xa Đó sở Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh Tiểu luận môn học Hệ phân tán cho việc xây dựng ứng dụng lớn thương mại điện tử, giáo dục điện tử, phủ điện tử, thư viện điện tử bệnh viện ảo 2.3 Các vấn đề liên quan đến mạng máy tính Liên lạc thuật ngữ sử dụng để thao tác trao đổi thông tin thực thể thuộc hệ thống Trạm phát phát thông tin gọi thơng điệp, hình thức phổ biến trao đổi thông tin đến trạm nhận Nếu người sử dụng mạng muốn liên hệ với nhau, họ phải sử dụng hệ thống tên quy ước hay gọi địa mạng Các địa phải tuân theo nguyên tắc xây dựng định không trùng Trong mạng, người sử dụng sử dụng trạm để liên lạc với người sử dụng mà họ muốn liên lạc Trong cấu trúc tập trung, ta có hệ thống máy trung tâm phép lưu trữ tồn thơng tin, người sử dụng truy cập vào để xử lý thơng tin Giải pháp dễ dàng triển khai ứng dụng rộng rãi thập niên 60 70 Khi nhiều người sử dụng liên lạc với mạng để thực công việc thơng qua kênh truyền hình cách sử dụng giao diện mình, giao thức tập hợp quy tắc cần thiết cho dịch vụ tầng thực cho phép việc nhận gửi thông tin đến tầng tương ứng Người sử dụng chia cắt thơng tin truyền theo kiểu khác nhau, song, có hai kiểu chia cắt logic chia cắt vật lý Chia cắt logic thường thông điệp bao gồm tập hợp thơng tin gắn bó với theo logic ghi, tập tin, kích cỡ thơng điệp thường khơng phải đại lượng cố định, để truyền thông điệp người ta phải có thêm thơng tin điều khiển giá trị số kích cỡ, tín hiệu bắt đầu kết thúc thông điệp Chia cắt vật lý thơng thường phân nhóm nhằm thoả mãn ràng buộc đường truyền ràng buộc mặt lưu trữ Những thơng điệp thường gói thơng tin có kích cỡ cố định Trước phát thơng tin vào đường truyền, trạm phát phải chia thông tin thành gói theo quy ước chặt chẽ Quá trình tiến hành tự động tầng thấp người sử dụng nhận biết q trình 2.4 Các đặc trưng hệ tin học phân tán Đối tượng nghiên cứu môn học hệ tin học phân tán xử lý vấn đề đặt cách tương đối chi tiết Các khía cạnh hệ tin học phân tán dừng lại vấn đề có tính chất nguyên lý Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh Tiểu luận mơn học Hệ phân tán Vấn đề lập trình thực ứng dụng phân tán mô tả phương pháp điều khiển thực chương trình phân tán, vấn đề định danh đặc biệt vấn đề cấu trúc truy vấn tổng quát hệ Trình tự đồng tiến trình cho ta vấn đề đồng dẫn đến phải thiết chế trật tự tổng quát kiện diễn hệ Cung cấp tài nguyên cho thấy khó khăn gặp phải trình phân tán liệu cung cấp tài nguyên vật lý logic Trong không gian phân tán ta nắm bắt trạng thái tổng quát việc cung cấp tài nguyên khó tránh tình trạng bế tắc diễn Thời hạn truyền thông tin hệ không giống Các thơng điệp bị q trình chuyển tải, thơng điệp truyền kép hệ thống rơi vào cố Một hay nhiều máy tính cấu thành hệ phân tán bị cố hoạt động tồn hệ trở nên hiệu Khơng có phương pháp xử lý cho vấn đề độ tin cậy hệ phân tán, phương pháp nhằm tăng độ tin cậy chủ yếu nhằm vào vấn đề chống dư thừa, tái lập cấu hình, phát cố,… Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh Tiểu luận môn học Hệ phân tán Chương TÀI NGUYÊN VÀ CHIẾN LƯỢC CUNG CẤP TÀI NGUYÊN Vấn đề cung cấp tài nguyên đánh lĩnh vực tri thức quan trọng vận dụng thường xun q trình triển khai nghiên cứu, khảo sát, phân tích, thiết kế xây dựng hệ điều hành nói chung, hệ tin học phân tán nói riêng Trong chương tập trung nghiên cứu vấn đề tài nguyên chiến lược cung cấp tài nguyên cho hệ phân tán Một số khái niệm 1.1 Tài nguyên Chúng ta định nghĩa tài nguyên đối tượng mà quy tắc sử dụng chia sẻ kết hợp với Nói xác, vấn đề quyền truy cập loại trừ hay truy cập chia sẻ, có hạn chế người sử dụng hay khơng,… Trong đó, tài ngun truy cập theo kiểu loại trừ cung cấp cho giao dịch tài nguyên truy cập theo kiểu chia sẻ cung cấp cho tập hợp giao dịch Hệ tin học phân tán thực chức đảm bảo cung cấp cho người sử dụng khả truy cập có kết đến loại tài nguyên vốn có đa dạng hệ thống tài nguyên dùng chung, mang đến cho người sử dụng tiện ích đem lại cho hệ hiệu tốt khai thác ứng dụng Chia sẻ tài nguyên hiểu chia sẻ liệu, chia sẻ máy in, chia sẻ tập tin, chia sẻ tài liệu, hay chia sẻ đối tượng đó,… 1.2 Giao dịch, thơng điệp yêu cầu cung cấp Giao dịch phép tốn hợp thành logic hồn chỉnh mà việc triển khai dẫn đến thực tiến trình hay nhiều tiến trình định vị trạm khác Trường hợp dẫn đến thực nhiều tiến trình trạm xa đối tượng mà ta cần quan tâm nghiên cứu Khái niệm giao dịch sử dụng thực thể sử dụng (ví dụ người sử dụng tài ngun) Một tiến trình cần sử dụng tài ngun để phát triển cơng việc phải yêu cầu cung cấp cách hợp thức cách gửi thông điệp yêu cầu (ta quy ước gọi thông điệp yêu cầu yêu cầu) Như tiến trình có nhu cầu tài ngun bị treo chừng tài ngun cịn chưa giải phóng hay chưa cung cấp cho Bộ cung cấp áp dụng nhiều kiểu cung cấp khác tiến trình nhất, tập hợp tiến trình, tập hợp thủ tục,… Các thông điệp yêu cầu sử dụng tài nguyên có dạng khác gọi thủ tục, thông báo, thực lệnh đặc biệt,… Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 10 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Tr1 Hàng đợi yêu cầu S1 D Tr2 T: Tài nguyên Si- Server Trn T Tr: Tiến trình (Khách) S2 D-Đánh thức Sn Hình 3: Đồ thị truy cập tài nguyên chương trình trực Các quy tắc khởi hai cách tiến trình khách Hình cho thấy việc truy cập tiến hành chương trình trực Trong cách thứ hai, việc truy cập tiến hành trực tiếp với server thể hình sau đây: Tr1 KiÓm tra truy cËp S1 T Tr2 S2 Trn Sn Hình 4: Truy cập trực tiếp vào server Trong hình 3, ta thấy tiến trình đánh thức D sau hàng đợi làm nhiệm vụ phân phối yêu cầu cho server cục Các tiến trình khách khơng biết server Ngược lại hình 4, máy server tiến trình khách biết trước Việc triển khai đặc biệt server có liên quan đến việc phối hợp chúng với điểm mô-đun quản lý tài nguyên chương trình monitor chẳng hạn Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 14 Tiểu luận môn học Hệ phân tán 2.2 Chiến lược cung cấp tập hợp tài nguyên Vấn đề bế tắc Tiến trình p đưa yêu cầu cung cấp tài nguyên e để thực phép tốn cài then có tính loại trừ v_loai_tru_th(e) Ngoại trừ số trường hợp đặc biệt, tất tài nguyên truy cập theo kiểu loại trừ Nếu việc cung cấp hoàn toàn hợp thức tài nguyên trao cho p sử dụng Ta nói tài nguyên p cài then, khơng p bị treo đương nhiên p không cài then tài nguyên Trong hệ phân tán, ta tập trung xem xét giao dịch Ti sử dụng tài nguyên định vị trạm Mỗi giao dịch triển khai nhờ tập hợp tiến trình thể đại diện chúng trạm khác Hai tiến trình giao dịch định vị trạm khác thực song song Nhằm thu hồi lại tài nguyên e trạm Sj, giao dịch Ti cho thực phép tốn v_loai_tru_th(e) thơng qua đại diện pij trạm Ngoại trừ số trường hợp đặc biệt, việc cung cấp diễn khơng có thu hồi Một tài nguyên bị khoá tiến trình khơng thể rút trở Như thế, cần giải phóng tiến trình cách tường minh nhờ vào phép toán mở then cài mo_then(e) Như vậy, xảy rủi ro bế tắc, tiến trình truy cập loại trừ phân phối mà khơng có khả thu hồi tiến trình cần phải sử dụng đồng thời nhiều tài ngun Ví dụ: Giả sử có hai tiến trình p q sử dụng hai tài nguyên e1 e2, chúng mô tả đoạn chương trình sau đây: Tiến trình p p1: v_loai_tru_th(e1) p2: v_loai_tru_th(e2) Tiến trình q q1:v_loai_tru_th(e2) q2:v_loai_tru_th(e1) Nếu yêu cầu thoả mãn theo trình tự p1, q1 tất yếu xảy vấn đề chặn p q Lý hiển nhiên p2 q2 không đáp ứng, e1 e2 không giải phóng Bế tắc giải cách dự báo vòng tránh (gọi chung dự phòng) có nghĩa tài nguyên cung cấp theo kiểu có đề phịng trường hợp bế tắc Một phương pháp khác có liên quan đến vấn đề phát chữa trị có nghĩa có cố quay trở trạng thái trước Các thuật tốn dự phịng, phát chữa trị nghiên cứu cho trường hợp tất tài nguyên quản lý cung cấp Bộ cung cấp tiếp nhận tất yêu cầu biết rõ trạng thái tất tài nguyên Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 15 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Các phương pháp sử dụng hệ tập trung Phương pháp dự phòng Phương pháp dự phòng đơn giản thường hay sử dụng nhóm xếp Havender Tư tưởng phương pháp tài nguyên xếp theo nhóm C1, C2,…,Cn Một tiến trình thu hồi tài nguyên nhóm Ci với i>1, trước thu hồi tất tài nguyên nhóm cần thiết cho C1, C2,…,Ci-1 Như thế, trật tự việc thu hồi tài nguyên xác định tránh bế tắc Phương pháp dẫn đến tiến trình cần thu hồi trước (tạm ứng) tài nguyên chúng làm giảm khả thực song song hệ Khi tiến trình phát triển thơng báo trước nhu cầu cực đại tài nguyên, phương pháp mềm dẻo sử dụng Phương pháp phát chữa trị Phương pháp Holt sử dụng đồ thị trạng thái định hướng mà nút tài nguyên hay tiến trình Các cung tiến trình-tài ngun biểu u cầu khơng thoả mãn, cung tài nguyên-tiến trình thể cung cấp thực Nếu có diện vịng lặp khép kín đồ thị biểu tình trạng bế tắc Sau phát bế tắc, vấn đề chữa trị đặt ra, phương pháp phức tạp, tốn Hiện nay, thuật toán chữa trị nhà chuyên môn quan tâm nghiên cứu phát triển Thực tế, hệ điều hành người ta thường sử dụng: - Hoặc phương pháp dự phòng đơn giản cung cấp tổng quát tất tài nguyên hay phương pháp nhóm xếp - Hoặc phương pháp phát thường cồng kềnh, khắc phục địi hỏi phải loại bỏ hồn tồn tiến trình khởi chúng trở lại từ đầu Điều địi hỏi phải lưu trữ ngữ cảnh theo chu kỳ phức tạp tốn nhớ Việc phát triển sở liệu (CSDL) làm cho hệ phân tán có thêm hoạt động vấn đề bế tắc Nhằm tăng khả thực song song, then thường mang liệu sơ đẳng Điều làm tăng số lượng tài nguyên cần quản lý Một mặt, phương pháp thông báo lúc sử dụng tài nguyên cần cho giao dịch thông thường xác định qúa trình thực Phương pháp đường tránh thường xuyên tỏ thích nghi với CSDL giới thiệu Chamberlin Mỗi giao dịch có điểm check-point (điểm khơng trở về), theo cập nhật thơng tin CSDL khơng thể quay trở lại Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 16 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Chừng mà giao dịch không vượt điểm này, tài nguyên mà thu hồi trưng dụng cho đề nghị cuối cùng, bế tắc phát Sự thiếu thốn vơ hạn loại bỏ cách tuần hoàn ấn phong bảo vệ cho giao dịch giữ chống lại việc thu hồi Đã có thuật tốn phân tán dựa nguyên tắc tương tự thuật toán quản lý nhiều Các phương pháp mà ta vừa giới thiệu áp dụng cho cấu trúc phân tán để làm rõ vai trò cung cấp cách cho trạm có đặc quyền nhận tất u cầu trì tranh tồn cục trạng thái cung cấp tất tài nguyên Giải pháp chưa giải vấn đề nhạy cảm trường hợp cố trạm đặc quyền qúa tải trạm nguyên nhân dừng mạng Điều vừa nêu dẫn tới ý tưởng phân tán chức cung cấp trạm mạng Phân tán chức cung cấp Bây giờ, ta giả định chức cung cấp tin tưởng giao phó hồn tồn cho cung cấp nhất, mà phân tán thành tập hợp cung cấp trạm khác nhau, cung cấp quản lý đố tượng cục trạm mà thơi Tồn hai nhóm giải pháp cho vấn đề đặt ra: Duy trì tính trạng thái tài nguyên Biểu trạng thái tài nguyên chia sẻ tập hợp cung cấp Biểu tuần hoàn trạm khác dạng thơng điệp Các trạm ln phiên đóng vai trò cung cấp tài nguyên mà chịu trách nhiệm quản lý Giải pháp loại bỏ tất khả song song, không loại bỏ khả thông điệp trạng thái, thiếu thốn tài nguyên cách vô hạn Phân tán biểu trạng thái chức cung cấp Có nhiều giải pháp có thể: Giải pháp STT Ta trì trạm trạng thái tài nguyên tổng quát Trong trường hợp này, cần phải bảo đảm gắn bó hữu Ta phân tán biểu trạng thái trạm, trạm có trạng thái tài nguyên cục Các định đưa trạm khác cần phải phối hợp theo kiểu cho liệu việc cung cấp phải gắn bó với Một phương pháp đầy ấn tượng nhóm xếp nhằm bảo đảm cho tất yêu cầu tài nguyên xuất phát từ tiến trình cung cấp khác theo trật tự định cố định từ trước Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 17 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Các phương pháp khác mang tính động cao cho phép định cung cấp tài nguyên xuất phát từ quan điểm phần (ngược với toàn phần) trạng thái tài nguyên Các phương pháp cung cấp sử dụng trạng thái tổng quát Vấn đề quan trọng đặt áp dụng thuật tốn dự phịng bế tắc hệ tập trung vào mơi trường phân tán theo kiểu trì trạm trạng thái cung cấp tất tài nguyên Nội dung trạm hệ phản ánh bảng sau đây: STT Nội dung Tập hợp tất tài nguyên chưa cung cấp Tập hợp tài nguyên cung cấp Đối tượng chiếm giữ tài nguyên Kiểu sử dụng Tập hợp yêu cầu không thoả mãn Tập hợp thông điệp dành cho trường hợp sử dụng Tập hợp thông điệp dành cho trường hợp thất bại … Cung cấp tài nguyên chấp nhận, trạng thái xuất phát từ việc cung cấp đánh giá chấp nhận theo thuật toán sử dụng Trên sở thực thuật tốn có thơng tin, trạm định cung cấp vào trạng thái cục Việc cung cấp cho tiến trình đề nghị thực trạm có tài ngun Để cập nhật thơng tin, tiến trình phát cho tập hợp định trạm: - Thơng điệp - Các u cầu - Các thơng điệp giải phóng Các trạng thái tổng quát trạm phải có bước chuyển trạng thái Để đảm bảo điều đó, cần phải xử lý yêu cầu trật tự tất trạm Trật tự khác với trật tự đến Có thể sử dụng kỹ thuật dấu, tuần hoàn,… để giải vấn đề đồng thông tin Ta sử dụng với tư cách ví dụ ngun lý triển khai thuật tốn trình bày ấn phẩm Lomet ứng dụng hợp lý thơng cáo hợp thức Một phiên thuật tốn trình bày chương sau tiểu luận Khi bắt đầu thực giao dịch Ti giao dịch cần phải phát thông điệp hợp thức tập hợp tài nguyên mà định sử dụng Một tài nguyên thu hồi, phần thơng điệp Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 18 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Ta định nghĩa quan hệ gọi phụ thuộc hai giao dịch Tj Tk, ký hiệu Tj > Tk, điều nói lên Tj chậm Tk Nếu Tj > Tk nghĩa tồn tài nguyên bị cài then Tj thành phần thuộc thông điệp Tk Quan hệ biểu diễn đồ thị G, biến thiên theo thời gian gọi đồ thị xung đột Tồn vòng lặp đồ thị sinh bế tắc Ví dụ: Đánh giá ba giao dịch T1, T2, T3 sử dụng ba tài nguyên e1, e2, e3 Ta ký hiệu a_loai_tru_th( ) phép tốn thơng điệp Giao dịch T1: Giao dịch T2: Giao dịch T3: t11: a_loai_tru_th(e1, t21: a_loai_tru_th(e2, t31: a_loai_tru_th(e3, e3) e1) e2) … … … … … … t22: v_loai_tru_th(e2) t32: v_excl(e3) t12: v_loai_tru_th(e1) … … … … … … Giả sử lệnh thựct23: v_excl(e3) tự t11, t21, t31, t12, t22v_loai_tru_th(e1) theo trình t33: , t32 vào thời điểm t13: v_loai_tru_th(e2) t sau thực lệnh này, đồ thị G biển diễn hình 5, bế tắc khơng tránh khỏi e2 T1 e1 T3 T2 e3 Hình 5: Vịng khép kín đồ thị Để tránh bế tắc diễn ra, ta trì trạm đồ thị G, tài nguyên cung cấp việc cung cấp khơng phát sinh vịng lặp đồ thị Mỗi thông cáo, thông điệp hay khuyến nghị giải phóng nhận dấu, phát cho tất trạm Để cập nhật đồ thị G, trạm xử lý thơng điệp mà nhận trật tự chặt chẽ xác định dấu Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 19 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Chương THUẬT TỐN DỰ PHỊNG BẾ TẮC THUẬT TỐN PHÁT HIỆN BẾ TẮC Thuật tốn dự phịng bế tắc- Thuật tốn Lomet 1.1 Các định nghĩa - Một quan hệ gọi phụ thuộc giao dịch Tj Tk, kí hiệu Tj>Tk, nghĩa tồn tài nguyên bị cài then Tj thành phần thuộc thông điệp Tk - Một quan hệ gọi chặn giao dịch Tj Tk, kí hiệu TjTk, nghĩa tất tài nguyên thuộc tập hợp theo yêu cầu thông điệp Tk bị cài then Tj Hai quan hệ biểu diễn đồ thị G, biến thiên theo thời gian gọi đồ thị xung đột Nếu tồn vòng lặp đồ thị G sinh bế tắc - Sự xung đột hai giao dịch Tj Tk nhận thông điệp yêu cầu cung cáp tài nguyên Tj Tk vào thời điểm Nếu ta ký hiệu D = TG J − TG k khoảng cách thời điểm nhận thơng điệp xung đột xãy D = Ví dụ: Xét ba giao dịch T1, T2, T3 sử dụng ba tài nguyên R1, R2, R3 Giả sử v_chia_se_th() phép tốn cài then có tính chia sẻ, v_loai_tru_th() yêu cầu cung cấp tài nguyên e, a_th() phép tốn thơng điệp Giao dịch T1: Giao dịch T2: Giao dịch T3 t11: a_th(R3, R1, R2) t21: a_th(R1, R3) t31: a_th(R2, R1) … … … t12: v_loai_tru_th(R3) v_chia_se_th(R1) … t22: v_chia_se_th(R1) t32: v_loai_tru_th(R2) … … t23: v_loai_tru_th(R3) t33: v_loai_tru_th(R1) t13: v_loai_tru_th(R2) Ta giả sử với tài nguyên R1, R2 R3 bố trí trạm tương ứng S1, S2 S3 Nếu trạm Si nhận thông cáo tương ứng với tài nguyên mà quản lý, trì đồ thị Gi (Gi hình ảnh thu G cho giao dịch phát thông cáo) Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 20 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Giả sử lệnh thực theo trình tự: t11 - t21 - t31 - t12 - t22 - t32 Như vậy, sau thực t32, ta có hình ảnh đồ thị G1, G2, G3 trạm tương ứng S1, S2, S3 sau: Tại trạm S1 có đồ thị G1: e T3 s R1 T2 s T1 Tại trạm S2 có đồ thị G2: T3 e R2 T1 e Tại trạm S3 có đồ thị G3: T2 e T1 e R3 Rõ ràng, thông qua ba đồ thị đây, ta không phát mạch khép kín dẫn đến tình trạng bế tắc Nhưng, hệ tập trung hay trạng thái không phần, ta có đồ thị sau: Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 21 Tiểu luận môn học Hệ phân tán e T3 T2 s e R2 s R1 T1 e Ti Ts Rj Rr s: Truy cËp chia sỴ e R3 e Cung tiến trình nắm giữ tài nguyên Cung tiến trình đợi tài nguyên e:Truy cập loại trõ Hình 6: Phát sinh bế tắc Trong thực tế, khơng có đồ thị số cho phép phát vòng lặp bế tắc, trạm cho trước đó, ta lại khơng thể dự phịng bế tắc có kết 1.2 Nguyên lý Ta thay vào điều kiện cung cấp đồ thị G khơng vịng điều kiện khác mạnh hơn, kiểm tra thông tin cục trạm Để làm điều đó, ta thêm vào cho đồ thị G’i hình ảnh thu nhỏ cho Si đồ thị quan hệ toàn chặt chẽ xác định tập hợp giao dịch Quan hệ trật tự có nhờ phương tiện dấu Điều kiện cung cấp tài ngun trì tình trạng khơng vịng lặp cho đồ thị Gi Căn theo cấu trúc, điều kiện kiểm tra cục trạm Ta G có tình trạng khơng vịng lặp Đầu tiên bắt đầu tồn vòng lặp G kéo theo tồn vịng lặp có G’i Kí hiệu Tj>>Tk TjTk quan hệ trật tự phần chặt chẽ giao dịch Lúc này, G’i hình ảnh thu nhỏ trạm Si đồ thị quan hệ >> xác định bởi: Tj>>Tk ⇔ Tj>Tk hay Tj>>Tk TjTk ⇔ Tj>Tk hay TjTk Giả sử G có vịng lặp bao gồm tập hợp n giao dịch đánh số từ đến n-1 trật tự vòng lặp trật tự xác định quan hệ > Giả sử Tp nguyên tố tập hợp đến trước tất khác theo chiều quan hệ >> giả sử q=p-1 modulo n Ta có: Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 22 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Tp>>Tq TjTk Tp đến trước khác Tj>Tk vòng lặp đồ thị G Nếu S số trạm chứa tài nguyên bị cài then Tq thuộc quyền sở hữu thơng cáo Tp G’i chứa vịng lặp 1.3 Thuật tốn Thuật tốn dự phịng triển khai sau: Bước Triển khai Nhận yêu cầu cung cấp tài nguyên từ giao dịch Ti Phân biệt thông điệp nhận yêu cầu cung cấp tài nguyên theo kiểu loại trừ hay chia sẻ (tức phân nhóm giao dịch) Kiểm tra khoảng cách D hai giao dịch (Nếu D=0 thơng báo xung đột) Kiểm tra tài nguyên theo yêu cầu giao dịch gởi thơng điệp tương thích cho giao dịch Việc cung cấp tài nguyên trạm S cho giao dịch Ti tiến hành, việc cung cấp khơng tạo vịng lặp đồ thị G’i Trong trường hợp bị từ chối, tiến trình thực giao dịch trạm S đưa vào hàng đợi cục S Khi tài nguyên giải phóng, tất tiến trình hàng đợi kiểm tra yêu cầu chúng thoả mãn Q trình vận hành thuật tốn minh hoạ qua ví dụ nêu sau: Khi T1 thực t12: v_loai_tru_th(R3) v_chia_se_th(R1) Trong đó: v_loai_tru_th(R3) yêu cầu vào xung đột với thông cáo a_th(R3) thực T2 Như vậy, cung P2-R3-P1 thành lập G Lúc yêu cầu chấp nhận, giao dịch T1>>T2 Yêu cầu t22: v_chia_se_th(R1) chấp nhận, tài nguyên T1 truy cập theo kiểu chia sẻ nên hoàn toàn cho giao dịch khác truy cập chia sẻ Yêu cầu t32: v_loai_tru_th(R2) bị từ chối tạo vịng lặp S2 (Nhưng cần lưu ý trật tự giao dịch theo dạng T1, T2, T3 yêu cầu vừa nên chấp nhận) Thuật tốn đặt nguyên tắc tương tự nhóm xếp Duy có khác điều tránh thiếu thốn vơ hạn, trật tự tổng quát triển khai cho giao dịch cho tài nguyên Một giao dịch trở nên cần thiết giao dịch có thời gian chờ đợi dài sau khoảng thời gian định, trở thành giao dịch ưu tiên tất trạm mà gửi thông điệp Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 23 Tiểu luận mơn học Hệ phân tán Thuật tốn phát bế tắc - Thuật toán Menasce Khi tài nguyên sử dụng giao dịch xác định theo kiểu động trình thi hành giao dịch, phương pháp dự phòng bế tắc dựa tảng thơng điệp khơng cịn phù hợp Lúc này, ta phải sử dụng phương pháp phát chữa trị Phương pháp mô tả Menasce trình bày Phương pháp đặt vấn đề sử dụng đồ thị tranh chấp mà việc kiểm tra tranh chấp cho phép phát bế tắc Tương tự thuật toán Lomet vừa nêu, trạm quản lý tài nguyên riêng việc phát dựa vào thông tin cục Các trạm khởi giao dịch bị treo đề phòng phát sinh bế tắc (mà bế tắc phát trạm đó) cần phải đề bịên pháp chữa trị cho 2.1 Các định nghĩa Ta cần xác định thời điểm hai giao dịch Tj Tk quan hệ chặn trực tiếp sau: Tj>Tk ⇔ Tồn tài nguyên bị cài then Tj yêu cầu Tk không đáp ứng Và quan hệ chặn hiệu lực là: TjTk ⇔ Tài nguyên thuộc tập hợp theo yêu cầu giao dịch bị cài then Tj yêu cầu Tk không đáp ứng Quan hệ biểu đồ thị gọi đồ thị xung đột hữu hiệu Sự tồn vòng lặp đồ thị báo hiệu cho ta biết có bế tắc diễn Một giao dịch “không bị chặn”, nghĩa là, biểu diễn nút đồ thị mà khơng có cung dẫn đến Giả sử Tk giao dịch bị chặn Tập hợp tất giao dịch mà đạt cách chạy khắp cung xuất phát từ Tk, theo chiều ngược lại với hướng chúng, gọi tập hợp chặn Tk, ký hiệu E(Tk) Các giao dịch thuộc vào E(Tk) giao dịch có nguồn gốc từ chặn từ Tk Tại thời điểm cho trước, đồ thị xung đột hữu hiệu sinh quan hệ chặn tồn giao dịch hệ Ta ký hiệu B(Tk) tập hợp giao dịch bị chặn Tk, có nghĩa giao dịch đạt cách chạy khắp cung xuất phát từ Tk Ví dụ: Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 24 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Cho đồ thị xung đột hữu hiệu sau: Với giao dịch không bị chặn T3, T4, T5 T1 T2 T3 T4 T5 Ta có: E(T1) = {T2, T3, T4, T5} B(T5) = {T1, T2} Đồ thị xung đột hữu hiệu chứa vòng lặp tồn giao dịch Tk mà tập hợp chặn chứa giao dịch bị chặn Tk: ∃ k: B(Tk) ∩ E(Tk) ≠ ∅ {Tồn vịng lặp} Nếu ta khơng muốn trì trạm đồ thị tổng quát cần phải xây dựng ảnh cục cho phép đánh giá điều kiện vừa nêu Điều thực giải thuật Menasce sau 2.2 Thuật toán Ta ký hiệu S(Tk) trạm nguồn giao dịch Tk Để cho giao dịch Tk, trạm S(Tk) trì tập hợp B(Tk) E(Tk) Việc cập nhật E(Tk) cần phải biểu tất trạm nguồn giao dịch thuộc B(Tk) Thực tế giao dịch chặn Tk phần tử toàn tập hợp chặn giao dịch thuộc B(Tk) Giả sử Tk yêu cầu tài nguyên (hay tập hợp tài nguyên) e trạm Si Trên trạm ta thực phép toán sau đây: STT Phép tốn Nếu e có sẵn để dùng, u cầu thoả mãn ta ghi nhận Tk có tài nguyên Nếu e cung cấp cho giao dịch Tj thơng điệp “Tj chặn Tk” truyền cho trạm S(Tj) S(Tk) Sau (j,k) thông điệp Khi nhận thông điệp (j,k) trạm S đó, ta thực động tác sau đây: 1.Trên trạm S(Tj) nguồn giao dịch chặn Tj, ta thêm Tk vào tập hợp B(Tj) kiểm tra không phát sinh bế tắc, nghĩa là: B(Tj) ∩ E(Tj) = ∅ Ta gửi tiếp thơng điệp (l,k) phía trạm nguồn giao dịch Tl Tj nhằm cho phép trạm S(Tl) cập nhật tập hợp E(Tl), B(Tl) giao dịch bị Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 25 Tiểu luận môn học Hệ phân tán chặn Tl Song song với tác động trên, thông điệp (l,k) gửi trạm nguồn giao dịch Tk để cập nhật tập hợp E(Tk) giao dịch chặn Tk 2.Trên trạm S(Tk) nguồn giao dịch bị chặn Tk, ta thêm Tj cho tập hợp E(Tk) kiểm tra khơng có bế tắc, nghĩa là: B(Tk) ∩ E(Tk) = ∅ Ta gửi tiếp tục thơng điệp (j,m) phía trạm nguồn giao dịch Tm bị chặn Tk nhằm cho phép trạm S(Tm) cập nhật tập hợp E(Tm) giao dịch chặn Tm 2.3 Minh họa Xét ba trạm S1, S2 S3 Mỗi trạm Si chứa đối tượng ei nguồn giao dịch Ti: T1 T2 T3 v_loai_tru_th(e1) v_loai_tru_th(e2) v_loai_tru_th(e3) …………… ………… …………… v_chia_se_th(e3) v_chia_se_th(e1) v_loai_tru_th(e2) Ta tưởng tượng thời điểm mà tất giao dịch thực có kết phép toán then cài Khi chuyển sang thời điểm thứ hai, giao dịch bị chặn Điều kéo theo kiện sau đây: T1: Trên S3 đề nghị cung cấp e3 ( yêu cầu truy cập chia sẻ) có T3 (lưu ý e3 T3 truy cập theo kiểu loại trừ); S3 gửi (3,1) cho S1 S3, từ ta có: E(T1)= {T3} , B(T1)=∅ B(T3)= {T1}, E(T3)= ∅ T2: Trên S1 đề nghị cung cấp e1 (yêu cầu truy cập chia sẻ) có T1 (lưu ý e1 T1 truy cập theo kiểu loại trừ); S1 gửi (1,2) cho S1 S2, từ ta có: E(T2)= {T1}, B(T2)= ∅ E(T1)= {T3}, B(T1)= {T2} S1 gửi (2,3) cho S3 từ sinh ra: E(T2)= {T1,T3} B(T2)= ∅ T3: Trên S2 đề nghị cung cấp e2 (truy cập loại trừ) T2; S2 sinh T3 B(T2) (nghĩa B(T2)= {T3}) ta ghi nhận là: B(T2) ∩ E(T2) = {T3} Như vậy, bế tắc phát S2 Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 26 Tiểu luận môn học Hệ phân tán KẾT LUẬN Hai thuật toán Lomet Menasce xuất phát từ sở nguyên lý tương tự Đó thiếu chắn trạng thái trạm xa phát sinh vấn đề lưu trữ “giới hạn an tồn” định Điều lại ngăn cản phép tốn khơng kéo theo bế tắc số trường hợp định Nhưng thân hai thuật toán này, triển khai, lại cho phép sử dụng kỹ thuật khác Trong thuật tốn dự phịng, ta kiểm tra trạng thái phần điều kiện mạnh điều kiện tối thiểu Trong thuật toán phát bế tắc, ta có trạm trạng thái trạm khác Thông thường, trạm nhận thơng tin dư thừa Các thuật tốn Lomet Menasce đặt nguyên tắc tương tự nhóm xếp Duy có khác điều dự phịng, phát tránh thiếu thốn tài nguyên cách vô hạn, trật tự tổng quát triển khai cho giao dịch cho tài nguyên Một giao dịch trở nên cần thiết giao dịch có thời gian chờ đợi dài sau khoảng thời gian định, trở thành giao dịch ưu tiên tất trạm mà gởi thơng điệp Khi tài nguyên sử dụng giao dịch xá định theo kiểu động trình thi hành giao dịch, phương pháp dự phòng bế tắc dựa tảng thơng điệp khơng cịn phù hợp lúc ta sử dụng phương pháp phát chữa trị Phương pháp đặt vấn đề sử dụng đồ thị tranh chấp mà việc kiểm tra tranh chấp cho phép phát bế tắc Mỗi trạm quản lý đối tượng riêng phát dựa vào thông tin cục Các trạm khởi giao dịch bị treo đề phòng phát sinh bế tắc cần phải đề biện pháp chữa trị cho Đó ưu điểm hai thuật tốn Lomet Menasce có chức mạnh, gắn bó hữu với nhau, hỗ trợ giải vấn đề cấp thiết hệ tin học nói chung hệ tin học phân tán nói riêng bế tắc thơng tin, nghẽn giao dịch, thiếu thốn tài nguyên, Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 27 Tiểu luận môn học Hệ phân tán TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS.Lê Văn Sơn (2002), Hệ phân tán, Nhà xuất Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh [2] Nguyên lý hệ sở liệu phân tán Patrick Valduriez, Trần Đức Quang Biên Dịch Tập + Tập 2, NXB Thống Kê [3] Nguyễn Gia Định, Nguyễn Kim Tuấn (2005), Nguyên lý hệ điều hành, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [4] George Coulouris, Jean Dollimore, Tim Kindberg (2005), Distributed systems, Pearson Education [5]http://www.cs.utexas.edu/users/misra/scannedPdf.dir/DistrDeadlockDetecti on.pdf Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 28 ... viên: Nguyễn Nương Quỳnh 12 Tiểu luận môn học Hệ phân tán 2.1 Chiến lược cung cấp tài nguyên Vấn đề cung cấp tài nguyên trạm hệ phân tán liên quan đến việc phân phối tài nguyên cho tập hợp tiến trình... chung, hệ tin học phân tán nói riêng Trong chương tập trung nghiên cứu vấn đề tài nguyên chiến lược cung cấp tài nguyên cho hệ phân tán Một số khái niệm 1.1 Tài nguyên Chúng ta định nghĩa tài nguyên. .. thành tiểu luận Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh Tiểu luận môn học Hệ phân tán MỤC LỤC A Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh Tiểu luận môn học Hệ phân tán Chương HỆ TIN HỌC PHÂN TÁN Quá trình phát triển hệ