Разработка методов и средств динамической объектной репликации для синхронизации распределенных автоматизированных систем управления технологическими процессами

• Автор: Степанов, Андрей Михайлович
• Шифр специальности: 05.13.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 156 с. : ил.

Содержание
Введение

1 Анализ предметной области.

1.1 Основы систем репликации.

1.2 Синхронная репликация.

1.2.1 Распределенная блокировка данных

1.2.2 Распределенное подтверждение изменений

1.3 Асинхронная репликация.

1.3.1 Условия непротиворечивости

1.3.2 Протоколы непротиворечивости

1.4 Практическая реализация репликации различными СУБД.

1.4.1 Объекты репликации
1.4.2 Механизм определения множества передаваемых данных
1.4.3 Фильтрация данных.
1.4.4 Синхронная и асинхронная репликация.
1.4.5 Разрешение конфликтов.
1.4.6 Г етерогенная репликация
1.4.7 Требования к среде передачи информации
1.4.8 Безопасность
1.4.9 Дополнительные возможности репликации.
1.5 Выводы.
2 Формализация динамической объектной репликации
2.1 Общая архитектура
2.2 Графовая модель объектов.
2.3 Аннулирование объектов.
2.4 Маршрутизация
2.5 Модель транзакций
2.6 Непротиворечивость.
2.7 Выводы.
3 Практическая реализация репликации.
3.1 Определение изменения объекта
3.2 Алгоритм обработки кортежей объекта
3.3 Пакетная передача данных.
3.4 Алгоритмы маршрутизации
3.4.1 Определение маршрута без сохранения истории рассылки.
3.4.2 Модифицированный алгоритм определения маршрута.
3.4.3 Построение функции маршрутизации с учетом наследования
3.4.4 Протоколы аннулирования объекта
3.4.5 Протокол первичной копии.
3.5 Алгоритмы актуализации.
3.5.1 Обработка конфликтов.
3.5.2 Копирование объекта из буферов репликации в БД.
3.5.3 Обработка нарушения целостности ссылок.
3.6 Алгоритмы транспортировки
3.6.1 Формирование сообщений транспортного уровня
3.6.2 Надежная доставка данных.
3.6.3 Очистка репликационных таблиц
3.7 Программная реализация репликации
3.7.1 Реализация базовой части.
3.7.2 Реализация транспортной части.
3.8 Выводы
4 Экспериментальное исследование разработанной модели и методов
4.1 Конфигурация тестируемой системы.
4.2 Система моделирования нагрузки
4.3 Настройки системы репликации
4.4 Проведение измерений
4.4.1 Замедление пользовательских транзакций записи.
4.4.2 Подготовка данных.
4.4.3 Актуализация данных.
4.4.4 Формирование отправляемых данных
4.4.5 Запись полученных данных в БД.
4.5 Выводы.
Заключение.
Литература


Однако в силу отсутствия глобальных часов и конечной скорости взаимодействия между серверами понятие последней версии данных можно трактовать по-разному. В теории распределенных систем существует понятие строгой непротиворечивости (strict consistency) [], означающее, что система репликации гарантирует предоставление клиентам самой последней версии данных сразу же (мгновенно) после их изменений. Однако это понятие не имеет практического интереса, поскольку противоречит представлениям о конечной скорости распространения сигналов в пространстве. Для возможности практического применения в теорию вводятся более слабые условия непротиворечивости, которые будут рассмотрены ниже. Основным признаком, по которому классифицируются системы репликации, является оперативность передачи изменений. Как правило, все изменения данных в БД производятся в рамках единой атомарной операции - транзакции []. Синхронная репликация позволяет достичь линеаризуемости (linearizability) [] - самого строгого из физически возможных условий непротиворечивости. Однако его применение приводит к интенсивному обмену данными по сети и требует наличия постоянного соединения между серверами. Асинхронная репликация позволяет уменьшить количество передаваемых данных и не требует постоянного подключения к сети, однако это требует значительного ослабления условия непротиворечивости. Существуют системы, которые комбинируют свойства синхронной и асинхронной репликации [,,]. Эти системы выполняют синхронный обмен только с доступными серверами. Все серверы, которые стали доступными после сбоя, выполняют процедуру восстановления, гарантирующую актуальность их данных. Еще одним признаком, по которому классифицируются системы тиражирования, является множество обновляемых копий. Репликация следует модели повсеместного обновления (update everywhere), если любые изменения рассылаются сразу всем серверам. Если измененные данные передаются на некоторый выделенный сервер, а затем рассылаются всем остальным, то репликация следует модели первичной копии (primary сору). Системы на основе модели первичной копии позволяют упростить управление одновременным доступом к данным. Однако сервер, хранящий первичную копию, является узким местом работы всей системы - в случае его сбоя обмен данными становится невозможным. Для восстановления работоспособности системы необходимо либо восстановить связь с ним, либо с помощью процедуры голосования выбрать новый сервер первичной копии. Системы на основе модели повсеместного обновления более устойчивы к сбоям, но в них выше вероятность конфликта одновременного изменения данных. Синхронная репликация реализует так называемый пессимистический подход. В основе пессимистического подхода лежит представление о том, что если не устранить возможность возникновения конфликтов одновременного доступа к данным, то они будут происходить неприемлемо часто. Поэтому для гарантии их отсутствия синхронная репликация производит блокировку изменяемых данных на всех серверах. После изменения, происходящего в рамках распределенной транзакции, производится одновременное ее завершение на всех серверах. Атомарность фиксации распределенной транзакции гарантирует, что после ее завершения данные на всех реплицируемых серверах будут совпадать. Таким образом, синхронная репликация удовлетворяет критерию корректности системы, который называется упорядоченность одной копии (1-copy-serializability) []. Согласно этому критерию клиенты просматривают и изменяют реплицируемые данные в точности так же, как если бы они были представлены в виде одной локальной копии. Это означает, что все транзакции, получающие доступ к одним и тем же данным, будут упорядочены во времени, и после завершения транзакции, изменяющей данные, все клиенты будут видеть одни и те же значения данных. Широко распространенным решением задачи обеспечения исключительного доступа транзакции к изменяемым данным является протокол двухфазной блокировки (2-Phase Locking, 2PL) []. При установке блокировок никогда не отменяются блокировки, сделанные ранее этой же транзакцией. После снятия блокировки ее повторная установка этой же транзакцией запрещена.