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1、第五章 分布式系统完整性解决方案1.分布式系统中数据一致性存在的 困难 1.高度并行带来的问题本机内多任务并行带来的困难多机并行带来的困难网络延迟不可预测2.多副本带来的问题 系统中存在多个副本，数据的修改通常会在不同 的副本上进行第五章 分布式系统中的数据一致性问题3. 空间数据所存在的特殊困难跨机图幅的接边问题拓扑关系的全局动态改变与生成问题4. 分布式系统中数据一致性保证的不同模型 严格一致性：读出的数据始终为最近写入的数 据计算机A计算机A计算机A读x写x时刻T1时刻T2T2 T1，如果两 者非常接近，有 可能因为网络原 因读请求比写请 求晚到！太严格！实现 难度极大！几 乎不可能！
2、第五章 分布式系统中的数据一致性问题 顺序一致性：只要所有的程序都以一定的顺序运 行（即所有程序的访问操作在别的程序看来都是一样的）， 每个程序的操作都以程序规定的次序实现，结果都应该被接 受。 例1 程序P1：W（x，1）程序P2 ： R（x）0 R（x）1 或者两次都为1，都应该接受。顺序一致性看似很“弱”，实际很强，对多副本一 致性有很强的要求，实际实现也是难以做到的。只能在单一 服务器上使用。 第五章 分布式系统中的数据一致性问题例2 程序A 程序B 程序Ca=1; b=1； c=1；print（b,c） print（a,c） print（a,b ）理论上有90个执行的次序。以a=1开
3、头说明，共有5！ =120个顺序，但b=1不能在print（a,c）之后，因此一半是 无效的；同理程序C也如此，只剩下30个有效，共90个有效 顺序。但是，打印结果只有6个数字、64种可能。其中， 000000和001001显然不可能。应该承认所有合理的结果。例如，001011，表示执行 的次序为：A=1 print（b,c） b=1 print（a,c） c=1 print（a,b）A=1 print（b,c） b=1 print（a,c） c=1第五章 分布式系统中的数据一致性问题 因果一致性：可能因果相关的写操作应对所有程 序可见并保持顺序一致。并发的写操作在不同计算机上看来 可以顺序不
4、同。 例1 程序P1：W（x,1） W（x,3）P2： R（x）1 W（x,2）P3： R（x）1 R（x）2 R（x ）3P4： R（x）1 R（x）3 R（x ）2 符合因果一致性要求，但违反了顺序一致性。因为P3和 P4见到访问顺序不同。 第五章 分布式系统中的数据一致性问题例2 P1： W（x,1） P2： R（x）1 W（x,2）P3： R（x）1 R（x ）2P4： R（x）2 R（x ）1违反了因果一致性。因为P2读出了x=1，所以P1和P2 的两个写操作顺序必定为W（x,1）在W（x,2）前。 P3的结 果才是正确的。因果一致性在实现时必须建立与维护依赖图，这里涉 及到语义上的
5、以来，是相当困难的。 第五章 分布式系统中的数据一致性问题 PRAM一致性：一个程序的写操作被其他进程以 指定的顺序见到，不同程序的写操作在不同程序看来次序可 以不同。 例1 P1： W（x,1） P2： R（x）1 W（x,2）P3： R（x）1 R（x ）2P4： R（x）2 R（x ）1符合PRAM一致性的要求。PRAM与顺序一致性的差别在于，后者虽然为确定语 句的顺序，但要求所有程序遵从共同的顺序；而前者则允许 不同程序见到的顺序可以不同。第五章 分布式系统中的数据一致性问题例2 在前面的例子中，结果001001是可以接受的。这 时，各程序看到的顺序：程序Aa=1Print（b,c ）
6、程序Ba=1Print（a,c ）C=1程序Ca=1Print（a,b ）b=1这里只列出本程序感兴趣（与自己的打印有关）的语句执行次序第五章 分布式系统中的数据一致性问题PRAM一致性要求虽然较弱，但它要求程序的写操作 必须被其他程序看到（尽管他们的顺序可以不同）。实际上 ，这样的要求有点过高，每一个程序只要能够看到与自己有 关的其他程序的写操作就可以了。 弱排序：弱排序只要求对共享数据结构的访问保证 顺序一致性。即：对同步变量（可与信号量类比）的访问是顺序一致 的；在所有以前的写操作结束之前，不的访问同步变量 ；在先前所有的同步变量访问完成以前，不得访问共 享数据。第五章 分布式系统中的数
7、据一致性问题实现考虑：为保证第一点，对同步变量的访问必须立即广播。在广播完成之 前，其他程序不的访问别的同步变量；对第二点，强制要求所有的同步访问开始前，已经开始的所有的 写操作必须完成，在更新共享数据后立即进行同步，将新值传遍所有副 本；第三点，保证在读共享数据之前，完成同步操作，以便可以读到 最新值。 做法：任何程序编制时，在对共享数据写操作后都必须紧接着访问同步 变量；任何读共享数据操作前，访问同步变量。 例如： P1：W（x,1） S1 W（y,2）S2 P2： S1 R（x）1 P3: s2 R（y）2弱一致性的缺陷在于没有区分对 共享变量的修改与读取。所以同 步变量的访问即要确保本
8、地写全 部完成（所有副本均已更新）还 要收集其它计算机的写操作信息 。第五章 分布式系统中的数据一致性问题 释放一致性：类似临界区，提供“获取”和“释放”两 类原子同步操作。强制：程序在访问共享变量之前必须成功完成“获取”操作 ；完成“释放”操作前，程序的访问操作必须结束；“获取”、“释放”应保证顺序一致性。释放一致性与用信号量和P、V操作来保证临界区访问 正确性何其相似乃尔！与此相对应，还可以有入口一致性。第五章 分布式系统中的数据一致性问题小结：一致性模型可以分为两类：不使用同步操作严格：所有访问时间绝对顺序顺序：所有程序以相同顺序检测所有共享访问事件因果：所有程序以相同顺序检测所有因果联
9、系事件 PRAM：所有程序按预定次序到来自一台机器的写操作，来自其他机器的写操作顺序不必相同最强 使用同步操作弱：同步完成后共享数据才保持一致释放：离开临界区后共享数据才保持一致入口：进入临界区时共享数据保持一致第五章 分布式系统中的数据一致性问题5.实现问题维护副本一致性的两种策略： 写有效：修改本地数据时，将修改值组播所有副 本节点，副本节点据此修改本地数据。要求修改传送次序严格保证。每次修改必须传送修改值，网络开销大 写无效：修改本地数据前，通知所用副本停止使 用（无效），组播完成后才进行修改。其他副本需使用前， 向它申请发送修改值，进行修改后再使用。多次修改可能一次传送，但每次需发送无
10、效通知 。 第五章 分布式系统中的数据一致性问题2.对分布式文件系统的要求 1. 存取透明性用户无须知道文件的分布，传统的本地文件操作手段可以直接用 于远程文件操作，对已有的用户程序不必刻意进行改动就可以适应分布 式环境。用户无须注意环境中其他用户是否与自己竞争使用同一个文件， 无须用户在自己的程序中对共享文件数据添加并发控制，并能保持文件 数据的完整性。2.位置透明性 用户看到的是全局的文件名空间，文件或文件组在机器间迁移和 重新定位时不必改变其路径，用户程序无须改动。无论用户处于哪个节 点，看到的是相同的文件名空间。出于可靠性考虑，同一个文件可能在 不同的节点上保留副本，副本的使用对用户无
11、关，用户意识不到当前使 用的是哪一个副本第五章 分布式系统中的数据一致性问题3. 故障透明性在文件服务执行过程中发生故障并修复（例如文件服务器故障， 启用备用服务器；网络传输故障，需要重发等）对用户屏蔽。4. 性能透明性 用户不会感到由于远程存取文件而带来性能上的显著降低。此外 ，还应该满足硬件和本地操作系统的异构性，客户端和服务器端的软件 可以在不同的硬件和本地操作系统上运行。因此接口定义必须良好。5. 可扩展性 系统必须具备增量扩展的能力，以适应负载和网络扩充的需要。 需要指出的是，目前这个问题还在研究和探讨中，还没有一个系统 完全实现这种能力。特别是系统扩展到包含大量有源节点的网络时，这
12、 个问题就更加突出。 第五章 分布式系统中的数据一致性问题6. 支持细粒度数据存取 尽可能支持用户对细粒度数据的访问。这要求制定和实现更加完备 的数据请求协议。 这个问题在空间数据分布式处理系统中更为突出。 7. 网络分割适应性 尽可能适应网络动态分割的情形，避免由于网络的分割和重组引起 系统的问题，影响用户的使用。 第五章 分布式系统中的数据一致性问题3.分布式文件系统的组成用户程序用户程序用户程序文件系统组件客 户 组 件展 开 文 件 服 务目录服务目录服务RPC接口用户程序接口展开文件RPC接口第五章 分布式系统中的数据一致性问题其中：展开文件服务提供了一个远程调用接口供用户程序使 用
13、。它与目录服务结合起来，为文件的存取提供一系列复杂 的操作。客户组件则将展开文件服务和目录服务所提供的功能 组织和集成在一起，辅以统一的接口，向用户提供单一的编 程接口，是用户就向使用传统文件系统那样来使用分布式文 件系统。 第五章 分布式系统中的数据一致性问题1. 展开文件服务展开文件服务主要实现对文件内容的操作。在展开文 件服务中，文件通过标识符来识别。通常，文件表示符用一 个长整数来表示，以便保证分布式系统中所有文件表示的唯 一性。文件标识符在创建文件和打开时产生并向用户返回， 与传统方式一样。展开文件服务的模型根据文件系统设计的要求来组织 ，提供一个简单通用的操作集合。原则上，这些操作
14、及和与 传统的文件系统提供的服务并无两样。在分布式环境中，传统的文件控制块内容也发生了变 化， 文件的保护也是由文件展开服务来实现的。其实现技术 与传统方法一样，例如通过存取控制表、存取域等。 第五章 分布式系统中的数据一致性问题文 件 名文 件 长 度创 建 时 间 邮 戳读 时 间 邮 戳写 时 间 邮 戳属 性 时 间 邮 戳用 户 计 数文 件 所 有 者文 件 类 型存 取 权 限 表文 件 控 制 快展开文件服务负责维护其中文件长度、创建时间邮戳、读 时间邮戳、写时间邮戳、属性时间邮戳等。而另外的一些 属性则由目录服务来维护。文件展开服务提供某些访问和 修改文件属性的原语，供目录服务使用。也允许用户自己 定义部分属性。文件的保护也是由文件展开服务来实现的。其实现技术与 传统方法一样，例如通过存取控制表、存取域等。 第五章 分布式系统中的数据一致性问题两类文件展开服务客 户机 服务器 下载上载在客户机上修改老文件新文件上载/下载模式客 户机 服务器
