Một số thuật toán điều khiển tương tranh trong giao dịch đồng thời

1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG o0o NGUYỄN VIẾT THÀNH MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TƯƠNG TRANH TRONG GIAO DỊCH ĐỒNG THỜI Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính Mã số: 60.48.15 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ Người hướng dẫn khoa học: TS. PHẠM VIỆT HÀ 2 LỜI MỞ ĐẦU Cơ sở dữ liệu là một lĩnh vực lớn và là chuyên ngành được sự quan tâm nhiều nhất trong Công nghệ thông tin. Từ khi có mô hình cơ sở dữ liệu đầu tiên vào những năm 60 thì đến nay đã trải qua nhiều hệ cơ sở dữ liệu và có nhiều ứng dụng trong khoa học và thương mại. Đặc biệt là trong thế kỷ 21, sự phát triển của internet bùng nổ một cách mạnh mẽ thì cơ sở dữ liệu phân tán cũng trở thành một lĩnh vực quan trọng và phát triển nhanh chóng. Bên cạnh đó, với sự phát triển của internet thì việc lưu trữ và xử lý dữ liệu tại nhiều vị trí khác nhau của các công ty, các tổ chức đặc biệt là các công ty và tổ chức thương mại cần được đáp ứng đầy đủ và các dữ liệu này cần phải được đảm bảo sự nhất quán và toàn vẹn. Nhưng vấn đề được đặt ra ở đây là dựa vào nền tảng của cơ sở dữ liệu tập trung để mở rộng cho cơ sở dữ liệu phân tán thì việc giải quyết trở nên phức tạp. Và việc thiết kế cơ sở dữ liệu phân tán đã được T.Ozsu và P.Valduriez chứng minh là một bài toán khó giải (NP-Hard). Một vấn đề khác cũng được đặt ra ở đây và cũng là vấn để mà nhiều nhà nghiên cứu vẫn đang tìm hiểu và giải quyết đó là điều khiển tương tranh của các giao tác (Transaction) trong cơ sở dữ liêu phân tán. Trong đó, yêu cầu quan trọng nhất trong điểu khiển tương tranh là phải đảm bảo tính nhất quán, tính toàn vẹn của dữ liệu. Điểu này đối với cơ sở dữ liệu phân tán trở nên phức tạp bởi vì trong môi trường phân tán có nhiều lý do để dữ liệu bị xung đột và tương tranh tài nguyên khi nhiều giao dịch xảy ra đồng thời. Ngày nay, song song với việc internet phát triển thì thương mại điện tử cũng trở thành một lĩnh vực lớn. Khi đó, các site thương mại ngày càng được mở rộng và mô hình giao dịch trực tuyến trở nên phổ biến. Nhưng khi các site thương mại này càng lớn thì nhu cầu lưu trữ dữ liệu càng trở nên thiết yếu và dữ liệu được đặt ở nhiều vị trí khác nhau. Với lượng dữ liệu lớn, khối lượng truy cập lớn và độ tương tranh khi nhiều giao dịch xảy ra đồng thời cao thì làm thế nào để đảm bảo dữ liệu không bị xung đột với nhau và dữ liệu không bị mất? Với những yêu cầu cấp thiết như vậy, các DBMS phải đưa ra những giao thức và những thuật toán để giải quyết các vấn đề trên. 3 Với mục tiêu là tìm hiểu, đánh giá các thuật toán điều khiển tương tranh để đưa ra ứng dụng điều khiển, luận văn: “Một số thuật toán điều khiển tương tranh trong giao dịch đồng thời” được thực hiện gồm các phần chính sau: Chương 1 của luận văn mô tả tổng quan về các yếu tố dẫn đến tương tranh dữ liệu và yêu cầu phải giải quyết xung đột dữ liệu bằng điều khiển tương tranh. Chương 2 của luân văn nêu rõ chi tiết của các thuật toán trong điều khiển tương tranh và chỉ ra một số vấn đề còn tồn tại của thuât toán. Chương 3 của luận văn sẽ đánh giá, phân tích ưu nhược điểm của thuật toán để lựa chọn thuật toán trong ứng dụng điều khiển tương tranh trong môt số giao dịch đồng thời và đưa ra kết quả ứng dụng. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ GIAO TÁC VÀ ĐIỀU KHIỂN TƯƠNG TRANH 1.1 Giao tác và xung đột dữ liệu 1.1.1 Giao tác (Transaction): Giao tác được xem như một dãy các thao tác đọc và ghi trên cơ sở dữ liệu cùng với các bước tính toán cần thiết. Với ý nghĩa đó, một giao tác có thể được nghĩ như là một chương trình nhúng các câu truy vấn truy cập CSDL. Định nghĩa khác của giao tác là một sự thực thi đơn giản một chương trình. Một câu truy vấn đơn giản cũng được xem là một chương trình mà thực hiện như một giao tác. 1.1.1.1 Đặc điểm của giao tác Chúng ta nhận thấy rằng các giao tác đều đọc và ghi một số dữ liệu. Điều này được dùng làm cơ sở nhận biết một giao tác. Các mục dữ liệu được giao tác đọc cấu tạo nên tập đọc RS (read set) của nó. Tương tự, các mục dữ liệu được một giao tác ghi được gọi là tập ghi WS(write set). Lưu ý rằng tập đọc và tập ghi của một giao tác không nhất thiết phải tách biệt. Cuối cùng hợp của tập đọc và tập ghi của một giao tác tạo ra tập cơ sở BS (base set), nghĩa là BS = RS ∩ WS. 1.1.1.2 Các tính chất của giao tác  Tính nguyên tử Tính nguyên tử là một giao tác được xử lý như một đơn vị thao tác. Chính vì thế mà các hành động của giao tác, hoặc tất cả đều hoàn tất hoặc không một hành động nào hoàn tất.  Tính nhất quán Tính nhất quán (consistency) của một giao tác chỉ đơn giản là tính đúng đắn của nó. Nói cách khác, một giao tác là một chương trình đúng đắn, ánh xạ cơ sở dữ liệu từ trạng thái nhất quán này sang một trạng thái nhất quán khác. 5  Tính cô lập Cô lập là tính chất của các giao tác, đòi hỏi mỗi giao tác phải luôn nhìn thấy cơ sở dữ liệu nhất quán. Nói cách khác, một giao tác đang thực thi không thể làm lộ ra các kết quả của nó cho những giao tác khác đang cùng hoạt động trước khi nó ủy thác. Bảo đảm tính cô lập bằng cách không cho phép các giao tác khác nhìn thấy các kết quả chưa hoàn tất. Ba hiện tượng được đặc tả cho những tình huống có thể xảy ra nếu sự cô lập thíchhợp không được duy trì là: đọc bẩn, đọc không lặp, đọc ảo.  Tính bền vững Tính bền vững (durability) muốn nói đến tính chất của giao tác, bảo đảm rằng một khi giao tác ủy thác, kết quả của nó được duy trì cố định và không bị xóa ra khỏi cơ sở dữ liệu. Vì thế hệ quản trị cơ sở dữ liệu bảo đảm rằng kết quả của giao tác sẽ vẫn tồn tại dù có xảy ra sự cố hệ thống. Tính bền vững đưa ra vấn đề khôi phục cơ sở dữ liệu (database recovery), nghĩa là cách khôi phục cơ sở dữ liệu về trạng thái nhất quán mà ở đó mọi hành động đã ủy thác đều được phản ánh. 1.1.2 Xung đột dữ liệu Chi tiết về dị thường xung đột dữ liệu a) Đọc bẩn (Dirty read) Đọc bẩn hay là đọc dữ liệu không được commit là kiểu xung đột dữ liệu ghi đọc. Đọc bẩn là môt kiểu bất thường tính toán gắn liền với việc thực hiện xen kẽ giữa các giao tác. Đó là khi một giao tác đang thực hiện cập nhật dữ liệu vào một đối tượng trong cơ sở dữ liệu nhưng chưa commit thì một giao tác khác tiến hành đọc dữ liệu của đối tượng đó, nhưng sau đó giao tác sau ngừng việc cập nhật dữ liệu và rollback về giá trị ban đầu thì giao tác trước đó vẫn giữ giá trị đã được cập nhật nhưng chưa commit của giao tác bị rollback. b) Đọc không lặp (non-repeatable read) 6 Đọc không lặp cũng khá giống với đọc bẩn nhưng có thêm nhiều điều kiện giới hạn khác. Đọc không lặp xuất hiện khi một chương trình thực hiện một giao tác đọc một dữ liệu 2 lần. Nhưng lần đọc thứ 2 thì kết quả được truy xuất ra bị thay đổi so với kết quả truy xuất ban đầu do đã bị cập nhật bới một chương trình khác trong lúc chạy. c) Đọc ảo (Phantom read) Đọc ảo cũng gần giống với đọc không lặp nhưng đọc ảo xuất hiện khi một chương trình đọc một tập các dữ liệu 2 lần. Trong đó số phần tử truy xuất được trong lần thứ nhất khác với số phần tử đọc trong lần thứ 2 vì sau khi chạy lần thứ nhất và trước khi chạy lần thứ 2 thì có một chương trình khác đã thực hiện thêm mới hoặc xóa một sô bản ghi trong tập dữ liệu được truy xuất. 1.2 Quản lý giao tác và giải quyết xung đột bằng điều khiển tương tranh Như phần 1.1 và 1.2 chúng ta tìm hiểu xung quanh khái niệm giao tác và các trường hợp có thể xảy ra xung đột/tương tranh giữa chúng. Phần 1.3 sẽ trình bày một cách trừu tượng về thực hiện một vài giao tác xen kẽ, được gọi là lịch trình và một vài vấn đề có thể phát sinh ra do việc thực thi xen lẫn gây ra. Từ vấn đề phát sinh do việc thực thi xen kẽ, chúng ta sẽ tìm hiểu tổng quan về điều khiển tương tranh nhằm giải quyết xung đột. Cuối cùng chúng ta sẽ tìm hiểu tổng quan về cách một hệ cơ sở dữ liệu khôi phục sự cố và những bước phải làm trong suốt quá trình hỗ trợ khôi phục sự cố. 1.3 Kết luận chương Trong chương 1 của luận văn, chúng ta đã tìm hiểu một cách tổng quan về các khái niệm và nguyên nhân gây ra tương tranh. Qua đó chỉ ra các trường hợp gây ra dị thường xung đột dữ liệu như: đọc bẩn, đọc không thể lặp, đọc ảo. Từ các dị thương xung đột này, chúng ta tìm hiểu tổng quan về phương pháp mà DBMS thực hiện điều khiển tương tranh. 7 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TƯƠNG TRANH 2.1 Lý thuyết khả tuần tự Từ các định nghĩa về lịch và lịch đầy đủ. Phần này chúng ta đưa ra các ví dụ để làm rõ tính khả tuần tự của lịch. Và các vấn đề liên quan đến việc lập lịch. 2.2 Các thuật toán điều khiển tương tranh 2.2.1 Phân loại các cơ chế điều khiển tương tranh Chúng ta sẽ xếp các cơ thể điều khiển đồng thời thành hai nhóm lớn: các phương pháp điều khiển đồng thời lạc quan và các phương pháp điều khiển đồng thời bi quan. Các thuật toán bi quan đồng bộ hóa việc thực hiện đồng thời của các giao tác trước khi thực hiện chúng, trong khi đó các thuật toán lạc quan để việc đồng bộ hóa các giao tác cho đến khi chúng kết thúc. Sự phân loại này được trình bày trong hình 2.4. Hình 2. 1: Phân loại các thuật toán điều khiển tương tranh Tập trung Bản sao chính Phân tán Cơ bản Đa phiên bản Bảo toàn Khoá Timestamp Lai Khoá Timestamp Thuật toán điều khiển tương tranh Bi quan Lạc quan 8 2.2.2 Các thuật toán điều khiển tương tranh dựa trên khoá Ý tưởng chính của việc điều khiển tương tranh bằng khóa là bảo đảm dữ liệu dùng chung cho các thao tác tương tranh chỉ được truy xuất mỗi lần một giao tác. Điều này được thực hiện bằng cách liên kết một khóa chốt (lock) với mỗi đơn vị khóa. Khóa này được giao tác đặt ra trước khi nó truy xuất và được điều chỉnh lại vào lúc nó hết sử dụng. Hiển nhiên là một đơn vị khóa không thể truy xuất được nếu đã bị khóa bởi một giao tác khác. Vì vậy yêu cầu khóa của một giao tác chỉ được trao nếu khóa đi kèm hiện không bị một giao tác khác giữ. Phần này nêu ra và phân tích các thuật toán cơ bản liên quan đến khoá. Qua các thuật toán đã phân tích, chúng ta có thể đưa ra các biểu đồ thuật toán như sau: Hình 2. 2: Biểu đồ khoá 2 pha (2PL) Hình 2. 3: Biểu đồ khoá 2 pha nghiêm ngặt B Ắ T Đ Ầ U K Ế T THÚC Thời gian giao dịch Nhận khoá Giải phóng khoá ĐI Ể M KHOÁ B Ắ T Đ Ầ U K Ế T THÚC Thời gian sử dụng mục dữ liệu Nhận khoá Giải phóng khoá 9 2.2.2.1 Thuật toán khoá 2 pha tập trung (Centralized 2PL) Hình 2. 4: Cấu trúc giao tiếp của khoá 2 pha trung tâm 2.2.2.2 Thuật toán khoá 2 pha phân tán (D2PL) Hình 2. 5: Cấu trúc liên lạc của khoá 2 pha phân tán Bộ xử lý dữ liệu tại các site tham gia TM điều phối TM site trung tâm Yêu cầu khoá (1) Cấp khoá (2 ) Thao tác (3 ) Kết thúc thao tác ( 4 ) Giải phóng khoá ( 5 ) Các thao tác (yêu cầu khoá) (1) TM c ộ ng tác B ộ l ậ p l ị ch tham gia Các DM tham gia Thao tác (2) Kết thúc thao tác (3) Giải phóng khoá (4) 10 2.2.3 Thuật toán điều khiển tương tranh dựa trên timestamp Không giống như các thuật toán dựa trên khoá, các thuật toán điều khiển tương tranh dựa trên timestamp không cố gắng duy trì khả năng khả tuần tự bằng việc loại trừ lẫn nhau. Thay vì như vậy, chúng lựa chọn theo một độ ưu tiên một thứ tự khả tuần tự và thực thi các giao tác thích hợp. Để thiết lập thứ tự này, bộ quản lý giao tác gán cho mỗi giao tác T i một timestamp duy nhất ts(T i ) tại mỗi lần nó khởi chạy. 2.2.3.1 Thuật toán thứ tự timestamp cơ bản Thuật toán TO cơ bản thực hiện minh bạch quy tắc TO. Bộ quản lý giao tác cộng tác gán timestamp cho mỗi giao tác, xác định các site nào lưu trữ mục dữ liệu nào và gửi một vài thao tác đến các site nào. 2.2.3.2 Thuật toán thứ tự timestamp bảo lưu Thuật toán TO cơ bản không bao giờ gây ra các thao tác chờ mà thay vào đó là tái khởi động chúng. Chúng ta cũng chỉ ra rằng nó là ưu điểm cho các deadlock tự phát nhưng nó cũng là nhược điểm bởi vì số lần tái khởi động sẽ giảm hiệu năng thực hiện. Thuật toán TO bảo lưu cố gắng làm giảm sự quá tải của hệ thống bằng việc giảm số lần tái khởi động của giao tác. 2.2.3.3 Thuật toán thứ tự timestamp đa phiên bản TO đa phiên bản là việc cố gắng loại bỏ giá trị quá tải tái khởi động của các giao tác. Hầu như TO đa phiên bản chỉ liên quan đến các CSDL tập trung, vì vậy chúng ta sẽ đề cập đến nó ít hơn. Tuy nhiên, chúng ta nên chỉ ra rằng thuật toán TO đa phiên bản là một cơ chế điều khiển tương tranh phù hợp cho các hệ quản lý CSDL mà được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng có sử dụng các phiên bản của các đối tượng CSDL. 2.3Các thuật toán điều khiển tương tranh lạc quan Đối với các thuật toán bi quan việc thực thi bất cứ các thao tác nào của một giao tác theo các pha tuần tự sau: xác nhận (V), đọc (R), tính toán (C), ghi (W) (hình 2.13). Nói chung, thứ tự này là đúng đối với giao tác cập nhật cũng như đối với các thao tác của nó. [...]... DỤNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TƯƠNG TRANH TRONG GIAO DỊCH THƯƠNG MẠI ĐIỆN TỬ 3.1 Đánh giá hiệu quả của các thuật toán điều khiển tương tranh Trong chương 2, chúng ta đã tìm hiểu quá trình quản lý giao tác (hình 3.1) vàphân tích 2 thuật toán điều khiển tương tranh trong khi các quá trình này được thực hiện: lớp thuật toán khoá 2 pha và lớp thuật toán dựa vào timestamp Site 1 Giao tác Bộ quản trị giao tác... bản 3.2 Lựa chọn ứng dụng thuật toán điều khiển tương tranh và cài đặt thuật toán trong giao dịch thương mại điện tử 3.2.1 Lựa chọn ứng dụng thuật toán điều khiển tương tranh trong giao dịch thương mại điện tử Qua quá trình tìm hiểu và khảo sát, tôi lựa chọn thuật toán điều khiển tương tranh dựa trên timestamp để cài đặt cho ứng dụng thương mại trực tuyến.Việc lựa chọn thuật toán này đảm bảo cho người... các giao thức khác như RESTFul hoặc kết hợp cả SOAP và RESTFul 2 Nghiên cứu việc kết hợp thuật toán dựa trên timestamp và thuật toán dựa trên khoá để điều khiển tương tranh khi có nhiều giao dịch tương tranh đồng thời 3 Cải tiến thuật toán dựa trên timestamp kết hợp với các ngưỡng ưu tiên để thực hiện điều khiển tương tranh 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chu Kỳ Quang (2003), Điều khiển tương tranh trong. .. Chương này đã đưa ra những nhận xét và đánh giá các thuật toán điều khiển tương tranh đã trình bày ở chương 2 Qua những đánh giá đã nêu ra, chương này đã lựa chọn thuật toán trong việc cài đặt ứng dụng điều khiển tương tranh trong giao dịch thương mại điện tử Chương này cũng trình bày ứng dụng thương mại điện tử mà đã được cài đặt thuật toán điều khiển tương tranh do tác giả thiết kế và viết ứng dụng 21... này có thể là cơ sở để mở ra một hướng mới trong việc phát triển khả năng điều khiển tương tranh trong giao dịch thương mại điện tử Kết quả của luận văn là đưa ra một kiến trúc dựa trên web services sử dụng SOAP để gửi và nhận request từ người sử dụng Từ đó sẽ sử dụng thuật toán dựa trên timestamp để thực hiện điều khiển tương tranh khi có xung đột giữa các giao dịch đồng thời Do đó, hướng nghiên cứu... nay Thứ hai, luận văn đã trình bày và phân tích một số thuật toán điều khiển tương tranh được cài đặt trên các hệ quản trị cơ sở dữ liệu phân tán hiện nay Thứ ba, dựa vào phân tích các thuật toán luận văn thực hiện nhận xét và đánh giá các thuật toán đã được trình bày Qua đó lựa chọn và thực hiện cài đặt thuật toán điều khiển tương tranh vào ứng dụng giao dịch thương mại điện tử 22 KHUYẾN NGHỊ VÀ KHẢ... văn đã tìm hiểu tổng quan về quản lý giao tác và điều khiển tương tranh Về phần quản lý giao tác, đã trình bày được các tính chất, đặc điểm của giao tác và nguyên nhân có thể gây ra tương tranh khi nhiều thao tác của giao tác thực hiện đồng thời trên cùng một đối tượng Từ nguyên nhân gây ra tương tranh, luận văn đã trình bày tổng quan về cơ chế điều khiển tương tranh đã và đang được áp dụng hiện nay... toán này đảm bảo cho người sử dụng không bị mất mát thông tin nhưng vẫn đảm bảo chất lượng sử dụng 3.2.2 Cài đặt ứng dụng thuật toán điều khiển tương tranh trong giao dịch thương mại điện tử Trong phần này chúng ta cài đặt thuật toán điều khiển tương tranh trong môi trường giao dịch thương mại điện tử phân tán Chương trình được viết trên nền Microsoft dotNet và chạy ổn định trên hầu hết các môi trường... Đọc Tính toán Ghi Hình 2 6: Các pha thực thi giao tác bi quan Các thuật toán lạc quan làm trễ pha xác nhận đến trước pha ghi (hình 2.14) Do đó, một thao tác chấp thận một bộ lập lịch lạc quan sẽ không bao giờ bị trễ Đọc Tính toán Xác nhận Ghi Hình 2 7: Các pha thực thi giao tác lạc quan Một ưu điểm của các thuật toán điều khiển tương tranh lạc quan là khả năng của nó cho phép một cấp độ tương tranh cao... ra deadlock - Thuật toán dựa trên timestamp: o Thuật toán dựa trên timestamp cơ bản: lịch được tạo ra là tuần tự, tránh được deadlock vì khởi động lại giao tác khi xuất hiện tranh chấp Nhưng vì thực hiện tái khởi động lại nhiều lần nên có thể giảm hiệu xuất và tăng thời gian chờ o Thuật toán dựa trên timestamp bảo lưu: cũng tương tự như thuật toán dựa trên timestamp cơ bản nhưng thuật toán bảo lưu sẽ . dụng thuật toán điều khiển tương tranh và cài đặt thuật toán trong giao dịch thương mại điện tử 3.2.1 Lựa chọn ứng dụng thuật toán điều khiển tương tranh. tương tranh để đưa ra ứng dụng điều khiển, luận văn: Một số thuật toán điều khiển tương tranh trong giao dịch đồng thời được thực hiện gồm các phần