TIỂU LUẬN MÔN HỌC HỆ PHÂN TÁN

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 và chiến lược cung cấp tài nguyên II. Cho hai loại tài nguyên: tài nguyên truy cập theo kiểu loại trừ và tài nguyên truy cập theo kiểu chia sẻ. Trình bày thuật toán Lomet và Menasce nhằm xử lý việc cung cấp tài nguyên của hai nhóm tài nguyên nêu trên. 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 LỜI MỞ ĐẦU Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 1 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Hệ thống tin học hiện đại ngày nay đóng một vai trò quan trọng không thể thiếu trong sự phát triển của toàn xã hội. Một thành tựu nổi bật nhất trong hệ thống công nghệ thông tin là sự phát triển các phần mềm cơ sở nhằm trực tiếp làm tăng khả năng điều hành, khai thác hiệu quả tất cả các tài nguyên của hệ thống thông tin. Hệ thống tin học nói chung là hệ thống bao gồm hai phần cơ bản là phần cứng và phần mềm được gắn bó một cách hữu cơ với nhau để thực hiện có hiệu quả cao nhất về xử lý thông tin. Hệ tin học phân tán (hay nói gọn hệ phân tán) cũng là một hệ thống xử lý thông tin nhưng 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. Có thể xem hệ phân tán như là một tập hợp bao gồm các bộ xử lý, bộ vi xử lý với bộ nhớ và đồng hồ nhịp độc lập (tức là hệ phân tán không chia sẻ bộ nhớ và đồng hồ). Do vậy, hệ tin học phân tán đòi hỏi hệ thống phần cứng của máy tính phải trang bị bộ nhớ cục bộ, các bộ xử lý trao đổi với nhau thông qua các hệ thống đường truyền khác nhau. Trong hệ phân tán, hệ xử lý thông tin thành phần phải được thiết kế sao cho về cấu trúc, số lượng và dung lượng có thể cho phép thực hiện một cách trọn vẹn các chức năng của nó. Khác nhau cơ bản của hệ tin học phân tán với hệ tin học tập trung là ngoài hệ thống phần cứng, phần mềm, dữ liệu như cấu thành hệ tin học tập trung, hệ tin học phân tán còn có hệ thống truyền thông. Với sự khác nhau đó mà một số vấn đề được đặt ra là: Một xu hướng kỹ thuật mới ra đời - xu hướng phân tán các thành phần tạo nên hệ tin học theo hướng tiếp cận nơi sử dụng và nơi sản xuất thông tin. Đồng thời để khai thác có hiệu quả cao nhất của hệ thống thông tin, vấn đề hàng đầu là cần phải tính đến các tài nguyên nói chung, tài nguyên thông tin nói riêng và các chiến lược khai thác, cung cấp, sử dụng tài nguyên ấy một cách tối ưu nhất. Trong các hệ thống tập trung, mỗi một loại tài nguyên của hệ được quản lý bởi một chương trình cung cấp duy nhất, chương trình này tiếp nhận tất cả các yêu cầu, khuyến nghị giải phóng và sắp xếp chúng trong một hàng đợi xử lý theo kiểu loại trừ và xử lý chúng theo một trật tự nhất định của hàng đợi đó. Còn trong hệ phân tán, chương trình cung cấp được nằm trên một trạm và các tiến trình đề nghị lại ở trên các trạm khác, các yêu cầu khuyến nghị giải phóng được truyền cho chương trình cung cấp thông qua hình thức thông điệp chuyển theo các kênh của hệ thống viễn thông. Hơn nữa, vì lý do ổn định và hiệu quả mà ta phải phân tán chức năng cung cấp trên nhiều trạm khác nhau. Sự hoạt động gắn bó với nhau giữa các chương trình cung cấp là rất cần thiết để đảm bảo cho hoạt động cung cấp được hoàn toàn chính xác. Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 2 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Hệ tin học phân tán là hệ xử lý thông tin bao gồm nhiều bộ xử lý hay bộ vi xử lý được phân bổ tại những vị trí khác nhau và được nối ghép vào nhau thông qua các phương tiện truyền tin và được điều khiển bởi một hệ điều hành duy nhất. Vì vậy, thời hạn truyền thông tin trong hệ sẽ 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 có thể rơi vào sự cố bất cứ lúc nào. Mặt khác, một hay nhiều máy tính cấu thành của hệ phân tán cũng có thể xảy ra sự cố và hoạt động của hệ sẽ trở nên đình trệ, kém hiệu quả. Do đó, việc bảo vệ tính vẹn toàn dữ liệu, quản lý tài nguyên, cung cấp tài nguyên và sử dụng tài nguyên là vấn quan trọng hàng đầu. Chiến lược cung cấp tài nguyên và các biện pháp khắc phục tình trạng bế tắc là nội dung được trình bày trong tiểu luận này. Với một lĩnh vực kiến thức còn khá mới, đa dạng và phức tạp cho nên việc nghiên cứu của tôi còn nhiều hạn chế, rất mong được sự góp ý và định hướng của Thầy Lê Văn Sơn và các anh chị cùng lớp để tôi có thể tiếp tục nghiên cứu và đạt được kết quả tốt hơn trong thời gian tới. Xin chân thành cảm ơn Thầy PGS.TS. Lê Văn Sơn đã nhiệt tình giảng dạy và giúp tôi hoàn thành tiểu luận này. Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 3 Tiểu luận môn học Hệ phân tán MỤC LỤC A. Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 4 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Chương 1 HỆ TIN HỌC PHÂN TÁN 1. Quá trình phát triển hệ thống tin học Hệ tin học có thể bao gồm các thành phần cơ bản như phần cứng, hệ điều hành, các chương trình ứng dụng và người sử dụng…Các thiết bị phần cứng bao gồm bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ, và các thiết bị ngoại vi đóng vai trò là một trong hai loại tài nguyên cơ sở của hệ thống tin học. Các chương trình ứng dụng là thành phần tiếp theo sau hệ điều hành ví dụ như các phần mềm ứng dụng. Người sử dụng có thể là các nhà chuyên môn, các máy tính, các hệ tự động vận hành gắn với máy tính,… đang khai thác hệ thống thông qua các lệnh điều khiển theo một thuật toán nào đó nhằm đạt được mục tiêu xác định từ trước. Ở từng thời điểm, số lượng người sử dụng cho mỗi thành phần ứng dụng là khác nhau và bị giới hạn trong khả năng kỹ thuật ghép. Chiếc máy tính đầu tiên ra đời trong những năm 50 của thế kỷ 20 là các hệ thống đồ sộ, nặng nề, tiêu tốn nhiều năng lượng, hiệu quả hoạt động kém, dung lượng bé và đặc biệt là rất khó khăn trong quá trình sử dụng, vận hành nhưng chính các hệ thống này đã đóng góp cho nhân loại những bài học về nguyên lý mà giá trị của chúng vẫn còn nguyên vẹn cho đến tận hôm này và có lẽ mãi mãi về sau. Đặc trưng của thời kỳ này là tỷ trọng phần mềm trong hệ thống không đáng kể so với phần cứng. Các chương trình trợ giúp hệ thống vừa thiếu về số lượng vừa yếu về chức năng phục vụ. Và theo thời gian, con người đã xây dựng nên các chương trình trợ giúp có tính chất hệ thống như chương trình dịch từ hợp ngữ sang ngôn ngữ máy, chượng trình soạn thảo theo dòng,…do đó làm giảm nhẹ công việc lập chương trình. Vào cuối những năm 50, đầu những năm 60, con người đã xay dựng các chương trình monitor thường trú cho phép liên kết hợp các công việc lại với nhau và thực hiện một lần. Việc liên kết ấy có ý nghĩa rất lớn trong tự động hoá và các hoạt động của hệ tin học. Năm 1960, chương trình BPS( Batch processing system) được xây dựng thành công nhằm vào các thiết bị phần cứng nhằm sử dụng hết hiệu năng của bộ xử lý và bước đầu triển khai cơ chế bảo vệ Năm 1969, hệ điều hành UNIX được xây dựng bởi ông Ken Thompson cho phép người sử dụng làm việc theo kiểu chia sẽ thời gian trong hệ thống đa nhiệm. Vào những năm 70, các máy tính cá nhân ra đời với sự tiện ích cao, khả năng vượt trội, và đặc biệt là giá cả hợp lý đã nhanh chóng chinh phục mọi người và mở ra một trang mới trong việc phát triển ngành tin học. Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 5 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Tiếp theo là sự xuất hiện của hệ thống song song cho phép cải tiến các máy vốn sử dụng một bộ xử lý hay bộ vi xử lý duy nhất thành hệ thống đa bộ xử lý nhằm tăng độ tin cậy của hệ thống. Vào những năm 80. Hệ thống mạng cục bộ Ethernet và Token Ring được phát minh là những mạng tiêu biểu cả về lý thuyết lẫn triển khai ứng dụng. Hệ tin học phân tán đòi hỏi phần cứng của mình phải trang bị bộ nhớ cục bộ, các bộ xử lý trao đổi thông qua các hệ thống đường truyền khác nhau như cáp chuyên dụng, bus trao đổi, đường điện thoại, đường cáp quang, mạng điện chiếu sáng cao và hạ thế.’… Hệ thống thời gian thực với hệ điều hành tiêu biểu là hệ tự động hoá điều khiển lò luyện thép. Vào năm 1974, xuất hiện mạng Internet toàn cầu là mạng ARPANET với giao thức NCP. Tuy nhiên, khi giao thức TCP/IP được xây dựng bởi Vint Cert và Robert Kahn thì khái niệm mạng của các mạng mới được hình thành. Và đến năm 1990 thì mạng Internet phát triển vượt bậc với những kết quả mà chúng ta có được như ngày hôm nay. 2. Hệ tin học phân tán 2.1. Khái niệm hệ tin học phân tán Hệ tin học phân tán hay gọi tắt là hệ phân tán là một hệ thống xử lý thông tin bao gồm nhiều bộ xử lý hoặc các bộ vi xử lý được đặt ở xa tại các vị trí khác nhau và được liên kết với nhau thông qua các phương tiện viễn thông dưới sự thống nhất của hệ điều hành Hệ tin học phân tán là một hệ thống không chia sẽ bộ nhớ và đồng hồ. Các tính toán trong hệ tin học phân tán có thể được thực hiện trên nhiều bộ xử lý hay vi xử lý của hệ thống đa bộ xử lý. Do đó hệ thống tin học phân tán đòi hỏi hệ thống của mình phải trang bị bộ nhớ cục bộ. Các bộ xử lý trao đổi thông tin thông qua các đường truyền khác nhau như cáp mạng chuyên dụng, bus trao đổi, đường điện thoại, cáp quang hoặc có thể là sóng… Không như các máy tính đơn lẽ, mạng máy tính là tập hợp các thiết bị đầu cuối được nối với nhau bởi hệ thống đường truyền, những đường truyền nối với các trạm rất xa nhau có thể là một mạng viễn thông. Các thiết bị đầu cuối của mạng máy tính rất đa dạng, bao gồm tập hợp các máy tính, các thiết bị chuyên dụng, các thiết bị truyền tin, các thiết bị nhận và hiển thị thông tin…Hệ thống mạng máy tính được điều khiển bằng hệ điều hành mạng. Hệ tin học này có thể là hệ tập trung hay là hệ phân tán. Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 6 Tiểu luận môn học Hệ phân tán 2.2. Đặc điểm cơ bản của hệ tin học phân tán Căn cứ vào thành phần của hệ tin học, ta nhận thấy hệ tin học phân tán có thể bao gồm bốn thực thể như hình 1 bên dưới. Cấu hình phần cứng của mạng có thể bao gồm các bộ xử lý có cấu tạo hoàn toàn khác nhau về khả năng, tốc độ và được thiết kế cho các chức năng không giống nhau. Chúng có thể là các bộ xử lý, các trạm làm việc, các máy tính trung và các máy tính điện tử vạn năng lớn. Bên cạnh hệ thống phần cứng, phần mềm, dữ liệu, hệ phân tán còn có hệ thống truyền thông. Nhưng điều cơ bản để phân biệt hệ tin học phân tán với mạng máy tính và hệ điều hành mạng chính là nguyên tắc xây dựng hệ được liệt kê như bản dưới đây: Stt Tên gọi Thuyết minh 1. Chia sẽ tài nguyên Thực tế phát triển mạng máy tính đặt ra một vấn đề lớn là cần phải dùng chung tài nguyên. Một tiến trình trên một trạm nào đó có thể cung cấp tài nguyên dùng chung ở một trạm khác. 2. Liên lạc Khi các hệ thống đã được mắc nối với nhau, các thực thể trong hệ có thể trao đổi thông tin với nhau. 3. Tin cậy Một trạm trong hệ bị sự cố không làm cho toàn hệ ảnh hưởng mà ngược lại, công việc đó được phân cho các trạm khác đảm nhận. Ngoài ra, trạm bị sự cố có thể tự động phục hồi lại trạng thái ban đầu trước khi có sự cố hay trạng thái ban đầu của nó 4. Tăng tốc Đây là khái niệm mới về phân tán tải. Một tính toán lớn nào đó nếu chỉ sử dụng một trạm thì thời gian cho kết quả lâu. Tính toán này được chia nhỏ và thực hiện song song trên các trạm. Điều này cũng cần thiết đối với các trạm quá tải Một trong những tư tưởng lớn của hệ phân tán là phân tán hoá các quá trình xử lý thông tin và thực hiện công việc đó trên các trạm xa nhau. Đó là những cơ sở căn Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 7 Các hệ thống phần mềm Hệ thống dữ liệu Các hệ thống phần cứng Hệ thống truyền thông Hình 1: Bốn thực thể của hệ tin học phân tán. Tiểu luận môn học Hệ phân tán bản cho việc xây dựng các ứng dụng lớn như thương mại điện tử, giáo dục điện tử, chính phủ điện tử, thư viện điện tử và bệnh viện ảo. 2.3. Các vấn đề liên quan đến mạng máy tính Liên lạc là thuật ngữ được sử dụng để chỉ các thao tác trao đổi thông tin giữa các thực thể thuộc hệ thống. Trạm phát sẽ phát thông tin được gọi là thông điệp, là một 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 còn gọi là địa chỉ mạng. Các địa chỉ này phải tuân theo nguyên tắc xây dựng nhất định và không trùng nhau. Trong mạng, một người sử dụng nào đó có thể sử dụng bất cứ trạm nào để liên lạc với người sử dụng mà họ muốn liên lạc Trong cấu trúc tập trung, ta có hệ thống máy trung tâm để cho phép lưu trữ toàn bộ thông tin, người sử dụng có thể truy cập vào đó để xử lý thông tin của mình. Giải pháp này dễ dàng triển khai và được ứng dụng rộng rãi trong thập niên 60 và 70. Khi nhiều người sử dụng liên lạc với nhau trong mạng để thực hiện công việc nào đó thông qua kênh truyền hình bằng cách sử dụng giao diện của mình, giao thức là tập hợp những quy tắc cần thiết cho các dịch vụ tầng có thể thực hiện được và cho phép việc nhận và gửi thông tin đến tầng tương ứng. Người sử dụng có thể chia cắt thông tin truyền theo các kiểu khác nhau, song, chung quy có thể có hai kiểu là chia cắt logic và chia cắt vật lý. Chia cắt logic thường khi các thông điệp bao gồm tập hợp thông tin gắn bó với nhau theo một logic nào đó như bản ghi, tập tin, do đó kích cỡ của thông điệp thường không phải là đại lượng cố định, để truyền các thông điệp này người ta phải có thêm những thông tin điều khiển như giá trị số chỉ kích cỡ, tín hiệu bắt đầu và kết thúc một thông điệp. Chia cắt vật lý thông thường được phân nhóm nhằm thoả mãn những ràng buộc đường truyền hoặc ràng buộc về mặt lưu trữ. Những thông điệp này thường là những gói thông tin có kích cỡ cố định. Trước khi phát thông tin vào đường truyền, trạm phát phải chia thông tin thành các gói theo những quy ước chặt chẽ. Quá trình này được tiến hành tự động ở các tầng thấp và người sử dụng không thể nhận biết được quá trình đó. 2.4. Các đặc trưng của hệ tin học phân tán Đối tượng nghiên cứu của môn học hệ tin học phân tán là xử lý các vấn đề đặt ra một cách tương đối chi tiết. Các khía cạnh của hệ tin học phân tán chỉ dừng lại ở các vấn đề cơ bản có tính chất nguyên lý . Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 8 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Vấn đề lập trình và thực hiện ứng dụng phân tán mô tả các phương pháp điều khiển thực hiện chương trình phân tán, vấn đề định danh và đặc biệt là vấn đề cấu trúc truy vấn tổng quát trong hệ. Trình tự và đồng bộ các tiến trình chỉ ra cho ta các vấn đề đồng bộ có thể dẫn đến phải thiết chế một trật tự tổng quát của các sự kiện diễn ra trong hệ. Cung cấp tài nguyên cho thấy được những khó khăn đang gặp phải trong quá trình phân tán dữ liệu và cung cấp các tài nguyên vật lý và logic. Trong không gian phân tán ta có thể nắm bắt được ngay lập tức trạng thái tổng quát của việc cung cấp tài nguyên và cũng khó có thể tránh được tình trạng bế tắc diễn ra. 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 truyền kép và hệ thống có thể rơi vào sự cố. Một hay nhiều máy tính cấu thành của hệ phân tán có thể bị sự cố và hoạt động của toàn bộ hệ sẽ trở nên kém hiệu quả Không có phương pháp xử lý duy nhất cho các vấn đề về độ tin cậy của hệ phân tán, các phương pháp nhằm tăng độ tin cậy chủ yếu nhằm vào các vấn đề chống dư thừa, tái lập cấu hình, phát hiện sự cố,…. Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 9 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Chương 2 TÀI NGUYÊN VÀ CHIẾN LƯỢC CUNG CẤP TÀI NGUYÊN Vấn đề cung cấp tài nguyên được đánh giá như là một trong những lĩnh vực tri thức rất quan trọng vì nó vận dụng thường xuyên trong quá trình triển khai nghiên cứu, khảo sát, phân tích, thiết kế và xây dựng các hệ điều hành nói chung, hệ tin học phân tán nói riêng. Trong chương này sẽ tập trung nghiên cứu vấn đề về tài nguyên và các chiến lược cung cấp tài nguyên cho hệ phân tán. 1. Một số khái niệm 1.1. Tài nguyên Chúng ta định nghĩa tài nguyên như là một đối tượng mà trong đó các quy tắc sử dụng và chia sẻ được kết hợp với nhau. Nói chính xác, đó là những vấn đề quyền truy cập loại trừ hay truy cập chia sẻ, có hạn chế người sử dụng hay không,… Trong đó, tài nguyên truy cập theo kiểu loại trừ chỉ cung cấp cho một giao dịch và tài nguyên truy cập theo kiểu chia sẻ được cung cấp cho một tập hợp bất kỳ các giao dịch. Hệ tin học phân tán thực hiện chức năng cơ bản nhất là đảm bảo cung cấp cho người sử dụng khả năng truy cập có kết quả đến các loại tài nguyên vốn có và rất đa dạng của hệ thống như là những tài nguyên dùng chung, nó mang đến cho người sử dụng những tiện ích và đem lại cho hệ những hiệu năng tốt trong khai thác ứng dụng. Chia sẻ tài nguyên có thể hiểu là chia sẻ dữ liệu, chia sẻ máy in, chia sẻ các tập tin, chia sẻ tài liệu, hay chia sẻ những đối tượng nào đó,… 1.2. Giao dịch, thông điệp yêu cầu và bộ cung cấp Giao dịch là phép toán hợp thành một logic hoàn chỉnh mà việc triển khai nó có thể dẫn đến thực hiện một tiến trình duy nhất hay nhiều tiến trình được định vị trên các trạm khác nhau. Trường hợp dẫn đến thực hiện nhiều tiến trình trên các trạm ở xa là đối tượng mà ta cần quan tâm nghiên cứu. Khái niệm giao dịch được sử dụng như là một thực thể sử dụng (ví dụ như người sử dụng các tài nguyên). Một tiến trình nào đó cần sử dụng tài nguyên để phát triển công việc của mình phải yêu cầu cung cấp một cách hợp thức bằng cách gửi thông điệp yêu cầu (ta quy ước gọi các thông điệp yêu cầu là yêu cầu). Như thế một tiến trình có nhu cầu tài nguyên sẽ bị treo chừng nào tài nguyên đó còn chưa được giải phóng hay chưa được cung cấp cho nó. Bộ cung cấp có thể áp dụng nhiều kiểu cung cấp khác nhau như tiến trình duy nhất, tập hợp các tiến trình, tập hợp các thủ tục,… Các thông điệp yêu cầu sử dụng tài nguyên cũng có thể có các dạng khác nhau như gọi thủ tục, thông báo, thực hiện các lệnh đặc biệt,… Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 10 . hoàn thành tiểu luận này. Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 3 Tiểu luận môn học Hệ phân tán MỤC LỤC A. Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 4 Tiểu luận môn học Hệ phân tán Chương 1 HỆ TIN HỌC PHÂN TÁN 1. Quá. mà chúng ta có được như ngày hôm nay. 2. Hệ tin học phân tán 2.1. Khái niệm hệ tin học phân tán Hệ tin học phân tán hay gọi tắt là hệ phân tán là một hệ thống xử lý thông tin bao gồm nhiều bộ. thông tin Hệ thống mạng máy tính được điều khiển bằng hệ điều hành mạng. Hệ tin học này có thể là hệ tập trung hay là hệ phân tán. Học viên: Nguyễn Nương Quỳnh 6 Tiểu luận môn học Hệ phân tán 2.2.