Luận văn thạc sĩ về thiết kế và phân tích giải thuật duy trì dữ liệu chung phân tán

Luận văn thạc sĩ về thiết kế và phân tích giải thuật duy trì dữ liệu chung phân tán trong công nghệ thông tin, cung cấp kiến thức chuyên sâu.

• Tác giả: Đỗ Hiền
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Đại Thọ
• Trường học: Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thông Tin
• Đề tài: Thiết Kế Và Phân Tích Giải Thuật Duy Trì Dữ Liệu Phân Tán
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HỆ PHÂN TÁN
• 1.1. Khái niệm hệ phân tán
• 1.2. Vai trò của hệ phân tán
• 1.3. Đặc trưng của các hệ phân tán
• 1.4. Mô hình hóa các hệ phân tán
• 1.4.1. Mô hình chuyển thông báo
• 1.4.2. Mô hình với bộ nhớ dùng chung
• 1.4.3. Mô hình xen kẽ
• 1.5. Thực hiện và những tính chất của thực hiện
• 1.6. Đánh giá độ phức tạp
• 1.7. Khả năng kháng lỗi và tính tự ổn định
• 2. CHƯƠNG 2: BÀI TOÁN DUY TRÌ DỮ LIỆU CHUNG VÀ CÁC GIẢI THUẬT SƠ ĐẲNG
• 2.1. Bài toán duy trì dữ liệu chung trong hệ phân tán
• 2.2. Các giải thuật sơ đẳng
• 2.2.1. Giải thuật Phát tỏa Đầy đủ
• 2.2.2. Giải thuật Cập nhật Tăng trưởng
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT CẬP NHẬT VỚI TRI THỨC BỘ PHẬN
• 3.1. Giải thuật AS
• 3.2. Tính đúng đắn và độ phức tạp
• 3.3. Ví dụ một thực hiện
• 4. CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN GIẢI THUẬT AS
• 4.1. Cắt bỏ các thông báo không cần thiết trong giải thuật AS
• 4.2. Hiệu quả tiết kiệm thời gian và thông báo
• 4.3. Mô tả giải thuật bằng mã hình thức
• 4.4. Minh họa một thực hiện của giải thuật AS cải tiến
• 5. CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG VÀ THỰC TIỄN CỦA CÁC GIẢI THUẬT DUY TRÌ DỮ LIỆU CHUNG
• 5.1. Hệ thống động với tôpô bất kỳ
• 5.2. Dữ liệu chung phân tán
• 5.3. Độ dài dữ liệu không cố định
• 5.4. Khả năng kháng lỗi và tính tự ổn định
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ phân tán

Hệ phân tán là một khái niệm quan trọng trong lĩnh vực công nghệ thông tin, bao gồm các thiết bị tính toán riêng rẽ có khả năng giao tiếp với nhau. Thiết kế giải thuật cho hệ phân tán đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các đặc trưng của nó, như không đồng bộ, thiếu thông tin toàn cục và không có cơ chế phát hiện sự cố chính xác. Những đặc trưng này tạo ra những thách thức lớn trong việc phân tích dữ liệu và duy trì dữ liệu phân tán. Hệ phân tán cho phép chia sẻ tài nguyên và thông tin giữa các thiết bị, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Việc quản lý dữ liệu trong hệ phân tán cần có các giải thuật hiệu quả để đảm bảo tính chính xác và kịp thời của thông tin.

1.1. Vai trò của hệ phân tán

Hệ phân tán đóng vai trò quan trọng trong việc trao đổi thông tin và chia sẻ tài nguyên. Chúng cho phép nhiều người dùng truy cập vào một cơ sở dữ liệu chung, từ đó nâng cao tính sẵn sàng và độ tin cậy của hệ thống. Hệ phân tán cũng giúp đơn giản hóa việc thiết kế các hệ thống phức tạp bằng cách phân chia thành các hệ thống con chuyên dụng. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn tăng cường khả năng kháng lỗi và tính tự ổn định của hệ thống. Giải thuật dữ liệu trong hệ phân tán cần được thiết kế để xử lý các tình huống khẩn cấp, đảm bảo rằng thông tin vẫn được duy trì ngay cả khi một số bộ phận gặp sự cố.

II. Các giải thuật duy trì dữ liệu

Luận văn này tập trung vào việc phân tích giải thuật duy trì dữ liệu trong hệ phân tán, đặc biệt là các giải thuật như Phát tỏa Đầy đủ và Cập nhật Tăng trưởng. Những giải thuật này được thiết kế để đảm bảo rằng mọi thay đổi trong dữ liệu đều được cập nhật kịp thời và chính xác. Việc duy trì dữ liệu phân tán không chỉ yêu cầu tính chính xác mà còn cần phải có khả năng kháng lỗi cao. Các giải thuật này cần được đánh giá về độ phức tạp và tính đúng đắn, từ đó đưa ra các cải tiến cần thiết. Một trong những điểm nổi bật của luận văn là việc đề xuất cải tiến giải thuật AS bằng cách cắt bỏ các thông báo dư thừa, từ đó tiết kiệm thời gian và tài nguyên trong quá trình thực hiện.

2.1. Giải thuật Phát tỏa Đầy đủ

Giải thuật Phát tỏa Đầy đủ là một trong những phương pháp cơ bản trong việc duy trì dữ liệu trong hệ phân tán. Giải thuật này cho phép gửi thông tin đến tất cả các bộ xử lý trong hệ thống, đảm bảo rằng mọi thay đổi đều được cập nhật đồng bộ. Tuy nhiên, việc sử dụng giải thuật này có thể dẫn đến tình trạng tắc nghẽn mạng nếu không được quản lý tốt. Do đó, việc phân tích giải thuật này cần được thực hiện một cách cẩn thận để tối ưu hóa hiệu suất. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa có thể giảm thiểu độ trễ và tăng cường khả năng kháng lỗi của hệ thống.

III. Đánh giá và cải tiến giải thuật

Đánh giá độ phức tạp của các giải thuật duy trì dữ liệu là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Các giải thuật cần được phân tích không chỉ về mặt lý thuyết mà còn trong thực tiễn. Việc cải tiến giải thuật AS thông qua việc loại bỏ các thông báo không cần thiết đã chứng minh được hiệu quả trong việc tiết kiệm tài nguyên và thời gian xử lý. Bảo mật dữ liệu cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét trong quá trình thiết kế giải thuật. Các giải thuật cần đảm bảo rằng dữ liệu được bảo vệ khỏi các mối đe dọa bên ngoài, đồng thời vẫn duy trì khả năng truy cập và chia sẻ thông tin giữa các bộ xử lý.

3.1. Khả năng kháng lỗi và tính tự ổn định

Khả năng kháng lỗi và tính tự ổn định là những yếu tố quan trọng trong việc duy trì dữ liệu trong hệ phân tán. Các giải thuật cần được thiết kế để có thể tự động phục hồi sau khi gặp sự cố, đảm bảo rằng hệ thống vẫn hoạt động bình thường. Việc áp dụng các phương pháp như sao lưu dữ liệu và nhân bản thông tin có thể giúp tăng cường khả năng kháng lỗi. Hệ thống cần có khả năng phát hiện và xử lý lỗi một cách tự động, từ đó giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và đảm bảo tính liên tục của dịch vụ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, hệ thống phân tán ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc chia sẻ tài nguyên và dữ liệu trên phạm vi rộng. Theo ước tính, các hệ phân tán hiện đại bao gồm hàng trăm đến hàng nghìn bộ xử lý riêng biệt, đòi hỏi các giải thuật duy trì dữ liệu chung phân tán phải đảm bảo tính nhất quán, khả năng kháng lỗi và hiệu quả truyền thông. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là thiết kế và phân tích các giải thuật duy trì dữ liệu chung trong hệ phân tán, đặc biệt tập trung vào bài toán cập nhật khung nhìn (view) đối tượng chung tại các trạm khác nhau trong mạng phân tán.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là đánh giá các giải thuật hiện có như Phát tỏa Đầy đủ, Cập nhật Tăng trưởng, giải thuật AS, đồng thời đề xuất cải tiến giải thuật AS nhằm giảm thiểu độ phức tạp truyền thông và thời gian thực hiện mà vẫn đảm bảo tính đúng đắn và khả năng tự ổn định. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống phân tán không đồng bộ với mô hình chuyển thông báo, trong đó dữ liệu được biểu diễn dưới dạng mảng bit với kích thước m, và mạng gồm n+1 bộ xử lý theo chuỗi, bộ xử lý nguồn giữ dữ liệu chuẩn.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp các giải thuật hiệu quả cho bài toán duy trì dữ liệu chung, góp phần nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống phân tán trong thực tế, đặc biệt trong các ứng dụng như cập nhật tôpô mạng, quản lý cơ sở dữ liệu phân tán và các hệ thống tính toán song song.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nền tảng trong tính toán phân tán, bao gồm:

• Mô hình chuyển thông báo (Message Passing Model): Mô hình này mô tả hệ thống phân tán gồm các bộ xử lý giao tiếp qua các kênh truyền thông không đồng bộ, sử dụng hàng đợi FIFO để quản lý thông báo. Trạng thái hệ thống được biểu diễn bằng cấu hình gồm trạng thái các bộ xử lý và nội dung hàng đợi thông báo.

• Tính tự ổn định (Self-stabilization): Khái niệm do Dijkstra đề xuất, mô tả khả năng của hệ thống tự phục hồi về trạng thái hợp lệ sau khi gặp lỗi bất kỳ, đảm bảo tính liên tục và tin cậy trong môi trường phân tán.

• Độ phức tạp của giải thuật phân tán: Đánh giá dựa trên độ phức tạp thời gian (số vòng không đồng bộ), độ phức tạp truyền thông (tổng số bit thông báo gửi/nhận), và độ phức tạp bộ nhớ (số bit lưu trữ cục bộ và dùng chung).

Các khái niệm chính bao gồm: bộ xử lý (Processor), khung nhìn (View), phát tỏa (Broadcast), cập nhật tăng trưởng (Incremental Update), tiến trình (Process), cấu hình hệ thống (Configuration), và các thuật ngữ liên quan đến lỗi và kháng lỗi như khứ lỗi (Fault tolerance) và tính tự ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu chủ yếu là các tài liệu học thuật, báo cáo kỹ thuật và các bài báo khoa học liên quan đến giải thuật duy trì dữ liệu trong hệ phân tán. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phân tích lý thuyết: Đánh giá tính đúng đắn, độ phức tạp thời gian và truyền thông của các giải thuật hiện có như Phát tỏa Đầy đủ, Cập nhật Tăng trưởng, và giải thuật AS.

• Thiết kế và đề xuất cải tiến: Dựa trên phân tích các điểm yếu của giải thuật AS, tác giả đề xuất cải tiến nhằm giảm số lượng và kích thước thông báo chuyển tiến trình, từ đó giảm độ phức tạp truyền thông và thời gian thực hiện.

• Mô phỏng và minh họa: Sử dụng các ví dụ thực tế với chuỗi bộ xử lý và mảng bit dữ liệu để minh họa hoạt động của các giải thuật, đồng thời so sánh hiệu quả giữa giải thuật gốc và giải thuật cải tiến.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2007, tập trung vào các hệ thống phân tán không đồng bộ với mô hình chuyển thông báo, áp dụng cho các mạng có cấu trúc chuỗi và cây bao trùm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Giải thuật Phát tỏa Đầy đủ có độ phức tạp thời gian tối ưu là $n + m$ (với $n$ là số bộ xử lý, $m$ là số bit dữ liệu), nhưng độ phức tạp truyền thông rất cao, bằng $n \times m$ bit, không phụ thuộc vào số lỗi $\Delta$.

2. Giải thuật Cập nhật Tăng trưởng đạt độ phức tạp truyền thông tối ưu là $O(n + \Delta \log m)$, với tổng số bit thông báo là $n + \Delta (1 + \log m)$, tuy nhiên độ phức tạp thời gian lại cao, cũng là $O(n + \Delta \log m)$, do các sửa lỗi được thực hiện tuần tự, không tận dụng kỹ thuật dẫn ống.

3. Giải thuật AS (Cập nhật với Tri thức Bộ phận) dung hòa được độ phức tạp truyền thông và thời gian, với độ phức tạp truyền thông là $O((n + \Delta) \log m)$ và độ phức tạp thời gian là $O((n + \min{m, \Delta}) \log^3 m)$. Giải thuật sử dụng kỹ thuật phân chia tiến trình và dẫn ống đệ quy, cho phép song song hóa sửa lỗi, cải thiện đáng kể thời gian so với Cập nhật Tăng trưởng.

4. Giải thuật AS cải tiến do tác giả đề xuất cắt giảm đáng kể số lượng và kích thước thông báo chuyển tiến trình bằng cách loại bỏ các thông báo thừa và tái sinh tiến trình một cách hiệu quả. Kết quả là giảm được khoảng 30-40% tổng số bit truyền thông so với giải thuật AS gốc, đồng thời giảm thời gian hoàn thành do giảm độ trễ chuyển tiến trình. Mặc dù các độ phức tạp bậc lớn không thay đổi, cải tiến này mang lại hiệu quả thực tế rõ rệt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự khác biệt hiệu quả giữa các giải thuật là cách thức tận dụng tri thức cục bộ và kỹ thuật dẫn ống trong truyền thông. Phát tỏa Đầy đủ tuy nhanh nhưng lãng phí băng thông, trong khi Cập nhật Tăng trưởng tiết kiệm băng thông nhưng chậm do tuần tự hóa sửa lỗi. Giải thuật AS kết hợp ưu điểm của cả hai bằng cách phân chia công việc thành các tiến trình con và sử dụng dẫn ống đệ quy.

Cải tiến giải thuật AS tập trung vào việc giảm thiểu thông báo chuyển tiến trình không cần thiết, tận dụng đặc điểm cấu trúc cây nhị phân của các tiến trình để loại bỏ các bước đi theo sau không hiệu quả. So với các nghiên cứu trước, cải tiến này là bước tiến quan trọng trong việc tối ưu hóa truyền thông và thời gian thực hiện trong hệ phân tán không đồng bộ.

Dữ liệu minh họa qua các bảng và biểu đồ thể hiện số lượng thông báo và thời gian hoàn thành của từng giải thuật cho thấy giải thuật AS cải tiến giảm đáng kể số bit truyền và thời gian so với giải thuật AS gốc, đặc biệt khi số lỗi $\Delta$ lớn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng giải thuật AS cải tiến trong các hệ thống phân tán thực tế: Động từ hành động là "triển khai", mục tiêu giảm độ phức tạp truyền thông và thời gian cập nhật dữ liệu chung, ưu tiên các hệ thống mạng có kích thước lớn và tần suất thay đổi dữ liệu cao. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do các nhóm phát triển phần mềm hệ thống đảm nhiệm.

2. Phát triển công cụ mô phỏng và đánh giá hiệu năng: Động từ "xây dựng" công cụ mô phỏng chi tiết để kiểm thử các giải thuật duy trì dữ liệu chung, giúp đánh giá hiệu quả trong các kịch bản mạng khác nhau. Thời gian 3-6 tháng, chủ thể là các nhóm nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ thông tin.

3. Nâng cao khả năng kháng lỗi và tự ổn định: Động từ "tích hợp" các cơ chế tự ổn định vào giải thuật duy trì dữ liệu, nhằm đảm bảo hệ thống có thể tự phục hồi sau lỗi phần cứng hoặc phần mềm. Thời gian 6 tháng, do các nhà phát triển hệ thống phân tán thực hiện.

4. Đào tạo và phổ biến kiến thức về giải thuật duy trì dữ liệu phân tán: Động từ "tổ chức" các khóa học, hội thảo chuyên sâu cho kỹ sư và nhà nghiên cứu về các giải thuật phân tán hiện đại, đặc biệt là giải thuật AS cải tiến. Thời gian liên tục, do các trường đại học và viện nghiên cứu đảm nhận.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành công nghệ thông tin: Giúp hiểu sâu về các giải thuật duy trì dữ liệu trong hệ phân tán, áp dụng trong giảng dạy và nghiên cứu phát triển.

2. Kỹ sư phát triển hệ thống phân tán: Cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế giải thuật tối ưu cho các hệ thống mạng lớn, nâng cao hiệu suất và độ tin cậy.

3. Sinh viên cao học chuyên ngành công nghệ thông tin: Là tài liệu tham khảo quan trọng để học tập, nghiên cứu luận văn thạc sĩ hoặc tiến sĩ về lĩnh vực tính toán phân tán.

4. Các tổ chức phát triển phần mềm và mạng: Hỗ trợ trong việc lựa chọn và triển khai các giải thuật duy trì dữ liệu phù hợp với yêu cầu thực tế, đặc biệt trong các hệ thống phân tán quy mô lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Giải thuật AS cải tiến khác gì so với giải thuật AS gốc?
   Giải thuật AS cải tiến cắt giảm số lượng và kích thước thông báo chuyển tiến trình bằng cách loại bỏ các thông báo thừa và tái sinh tiến trình hiệu quả, giúp giảm khoảng 30-40% tổng số bit truyền thông và thời gian thực hiện so với giải thuật AS gốc.

2. Tại sao cần duy trì dữ liệu chung trong hệ phân tán?
   Duy trì dữ liệu chung đảm bảo tính nhất quán và đồng bộ giữa các bộ xử lý trong hệ phân tán, giúp hệ thống hoạt động chính xác và tin cậy, đặc biệt khi dữ liệu thay đổi liên tục hoặc có lỗi xảy ra.

3. Độ phức tạp truyền thông và thời gian của các giải thuật được đánh giá như thế nào?
   Độ phức tạp truyền thông được tính bằng tổng số bit thông báo gửi/nhận, còn độ phức tạp thời gian được đánh giá qua số vòng không đồng bộ hoặc chu kỳ không đồng bộ trong thực hiện giải thuật.

4. Giải thuật Cập nhật Tăng trưởng có ưu điểm và hạn chế gì?
   Ưu điểm là tiết kiệm băng thông nhờ chỉ gửi thông báo sửa lỗi, hạn chế là thời gian thực hiện cao do sửa lỗi tuần tự, không tận dụng kỹ thuật dẫn ống.

5. Tính tự ổn định có vai trò gì trong các giải thuật duy trì dữ liệu?
   Tính tự ổn định giúp hệ thống tự phục hồi về trạng thái hợp lệ sau khi gặp lỗi bất kỳ, đảm bảo hệ thống phân tán hoạt động liên tục và tin cậy mà không cần can thiệp thủ công.

Kết luận

• Luận văn đã phân tích và đánh giá các giải thuật duy trì dữ liệu chung trong hệ phân tán, bao gồm Phát tỏa Đầy đủ, Cập nhật Tăng trưởng và giải thuật AS.
• Giải thuật AS cải tiến được đề xuất nhằm giảm đáng kể số lượng và kích thước thông báo chuyển tiến trình, cải thiện hiệu quả truyền thông và thời gian thực hiện.
• Các kết quả chứng minh tính đúng đắn, khả năng tự ổn định và độ phức tạp của giải thuật cải tiến phù hợp với yêu cầu thực tế của hệ thống phân tán không đồng bộ.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các giải thuật duy trì dữ liệu phân tán hiệu quả hơn, đặc biệt trong các mạng quy mô lớn và có tần suất thay đổi dữ liệu cao.
• Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế, phát triển công cụ mô phỏng, tích hợp tính năng kháng lỗi và đào tạo chuyên sâu cho các đối tượng liên quan.

Hãy áp dụng và phát triển các giải thuật này để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy cho các hệ thống phân tán hiện đại!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 giới thiệu hệ phân tán, các mô hình hệ phân tán, vai trò, đặc trƣng của các hệ phân tán, các khái niệm cơ bản về cấu hình, thực hiện và phƣơng pháp đánh giá 7 z độ phức tạp của giải thuật phân tán [1], [8], [9]. Phần cuối chƣơng trình bày các vấn đề về khả năng kháng lỗi với tính chất tự ổn định [7]. Tiếp theo, Chương 2 trình bày bài toán duy trì dữ liệu chung trong hệ phân tán và các giải thuật sơ đẳng, bao gồm giải thuật Phát tỏa Đầy đủ và giải thuật Cập nhật Tăng trưởng [4]. Mô hình bài toán, tiêu chuẩn đánh giá độ phức tạp đƣợc trình bày.

Với mỗi giải thuật, sau phần xem xét và trình bày giải thuật, tác giả đều đƣa ra một ví dụ minh họa thực hiện của giải thuật. Chương 3 trình bày giải thuật cập nhật với tri thức bộ phận, giải thuật AS [3]. Sau phần trình bày tƣ tƣởng và chi tiết giải thuật là phần chứng minh tính đúng đắn và đánh giá các độ phức tạp. Một ví dụ đƣợc tác giả đƣa ra để minh họa cho hoạt động của giải thuật AS.

Trong Chương 4, tác giả đƣa ra một đề xuất cải tiến giải thuật AS bằng cách cắt bỏ các thông báo không cần thiết trong giải thuật AS. Hiệu quả tiết kiệm thời gian và thông báo của giải thuật AS cải tiến so sánh với giải thuật gốc đƣợc phát biểu và chứng minh. Giải thuật cũng đƣợc mô tả bằng mã hình thức.Cuối cùng là minh hoạ một thực hiện của giải thuật AS cải tiến. Chương 5 bàn về các thay đổi cần thực hiện để các giải thuật duy trì dữ liệu có thể thực thi đƣợc trong một số vấn đề hiện thực của hệ phân tán, đó là các vấn đề về Hệ thống với tôpô bất kỳ, Dữ liệu chung phân tán, Độ dài dữ liệu thay đổi, Khả năng kháng lỗi và tự ổn định.

Chắc chắn, luận văn còn có những thiếu sót trong nội dung cũng nhƣ trong trình bày. Tác giả của luận văn rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và của các anh/chị học viên. Khái niệm hệ phân tán Có rất nhiều khái niệm khác nhau về hệ phân tán. Một cách tổng quan, hệ phân tán là tập hợp các thiết bị tính riêng rẽ có thể giao tiếp với nhau.

Đây là một khái niệm hết sức tổng quát, bao trùm một phạm vi rộng các hệ thống máy tính ngày nay, từ các bộ chíp VLSI đến các bộ đa xử lý, các mạng cục bộ, và Internet. Nếu nhƣ hệ song song phối hợp nhiều bộ xử lý nhằm giải quyết một vấn đề cho trƣớc một cách nhanh nhất thì hệ phân tán bao gồm một tập các bộ xử lý có chƣơng trình làm việc riêng bán độc lập, vì những lý do gì đó, ví dụ chia sẻ tài nguyên, tăng tính sẵn sàng, khứ lỗi, các bộ xử lý cần phối hợp hành động với nhau. Ta có thể thấy các hệ phân tán ở khắp mọi nơi. Điển hình, các hệ phân tán đƣợc sử dụng để chia sẻ tài nguyên và chia sẻ dữ liệu.

Các máy tính kết nối mạng với nhau có thể dùng chung máy in, máy quét, chia sẻ các tệp tài liệu, chƣơng trình… Tính toán ngang hàng là một kiểu thực hiện của hệ phân tán ngày càng trở nên phổ biến cho việc cung cấp các thiết bị và dịch vụ tính toán. Các hệ phân tán nhiều tham vọng hơn cho hiệu năng hoạt động cao bằng cách kết hợp giải các bài toán con một cách song song, đồng thời tăng tính sẵn sàng của hệ thống trong trƣờng hợp một số thiết bị gặp lỗi. Vai trò của hệ phân tán Ngày nay hệ phân tán đang trở nên phổ biến vì những vai trò ứng dụng quan trọng của chúng. Trƣớc hết, phải kể đến đó là vai trò trao đổi thông tin.

Các hệ phân tán cho khả năng chia sẻ thông tin rộng rãi và tức thời. Lấy ví dụ, thông tin từ hệ thống máy tính đặt tại Sở giao dịch chứng khoán TPHCM có thể đƣợc sử dụng bởi hệ thống máy tính đặt tại trụ sở của các công ty chứng khoán thành viên hay cũng có thể chia sẻ đến tận các nhà đầu tƣ. Các thông tin chứng khoán cũng luôn yêu cầu phải có tính chính xác cũng nhƣ tức thời rất cao, và hệ phân tán cũng có thể cung cấp những khả năng đảm bảo đƣợc điều này. Hệ phân tán cũng cho khả năng chia sẻ thông tin giữa các thiết bị hỗn tạp.

Một máy tính có thể "nói chuyện" với các máy tính khác loại, các điện thoại cố định, di động, 9 z các PDA, … Các hệ phân tán cho khả năng chia sẻ tài nguyên cả phần cứng lẫn phần mềm. Các máy tính kết nối mạng có thể dùng chung máy in, có thể chia sẻ các tệp dữ liệu, các tệp chƣơng trình. Thứ hai, bằng việc sao lặp, nhân bản, các hệ phân tán cho độ tin cậy cao. Nếu toàn bộ dữ liệu của một chi nhánh ngân hàng lƣu trong máy tính đột nhiên biến mất, ngƣời ta có thể khôi phục lại bằng cách sao phần nhân bản đã đƣợc lƣu tại một nơi khác trên hệ thống máy tính của ngân hàng.

Thứ ba, thông qua song song hóa, các thực thể trong hệ phân tán có thể chia sẻ công việc, thực hiện đồng thời công việc chung, do vậy làm tăng hiệu suất hoạt động của hệ thống. Thứ tư, hệ phân tán làm đơn giản việc thiết kế các hệ thống phức tạp. Ngƣời ta thƣờng phân một hệ thống phức tạp thành các hệ thống con chuyên dụng và hợp tác với nhau. Làm nhƣ vậy, không những việc thiết kế đơn giản mà việc thực hiện cũng đơn giản.

Các ƣu điểm của hệ phân tán so với máy tính cá nhân và so với hệ tập trung đƣợc chỉ ra ngắn gọn trong các bảng sau. Ưu điểm của hệ phân tán so với máy tính cá nhân. Ưu điểm Mô tả Chia sẻ dữ liệu Cho phép nhiều người dung cùng truy cập vào một cơ sở dữ liệu chung Chia sẻ thiết bị Cho phép nhiều người dung dung chung các thiết bị đắt tiền như máy in màu, máy quét,. Truyền thông Giúp truyền thông giữa người với người dễ dàng hơn, ví dụ bằng thư điện tử Mềm dẻo Phân công việc cho bất kỳ máy nào sẵn sàng 10 z Bảng 1.

Ưu điểm của hệ phân tán so với hệ tập trung. Ưu điểm Mô tả Hiệu năng Máy tính đa bộ xử lý có hiệu năng cao hơn máy tính mainframe Tốc độ Tổng năng lực tính toán của một hệ phân tán có thể cao hơn máy tính mainframe Phân tán Một số ứng dụng chạy trên nhiều máy tính xa nhau về mặt không gian Tính tin cậy Khi một máy gặp lỗi, toàn bộ hệ thống vẫn có thể làm việc Mở rộng Năng lực tính toán có thể được nâng lên nhờ them các bộ xử lý bình thường Mặc dù các hệ phân tán có những hạn chế nhƣ hiện tại có ít phần mềm cho chúng, đòi hỏi an ninh và tính bảo mật cao nhƣng những ƣu điểm lớn kể trên làm cho vai trò của các hệ phân tán ngày càng trở nên quan trọng. Đặc trưng của các hệ phân tán Ba đặc trƣng, và cũng là những khó khăn điển hình khi thiết kế, của hệ phân tán là: không đồng bộ, thiếu thông tin toàn cục, và không có cơ chế phát hiện sự cố chính xác. Một hệ phân tán không có đồng hồ chung.

Ta cũng không thể đồng bộ hóa đồng hồ của các bộ xử lý khác nhau vì không biết chắc độ trễ truyền thông. Để đạt đƣợc tính đồng bộ, ta không thể dùng đồng hồ vật lý mà phải vận dụng các khái niệm và giải thuật nhân quả. Tƣơng tự, một hệ phân tán không có bộ nhớ toàn cục chung. Các bộ xử lý không thể biết đƣợc trạng thái toàn cục của hệ thống.

"Hiểu biết" của mỗi bộ xử lý chỉ có tính cục bộ. Do vậy, ngƣời thiết kế hệ phân tán, cụ thể là ngƣời xây dựng giải thuật phân tán phải xây dựng cơ chế đánh giá các tính toàn cục. Ngoài ra, chúng ta không có cơ chế phát hiện sự cố chính xác trong hệ phân tán vì không thể phân biệt đƣợc bộ xử lý chậm hay bị sự cố. Khi một bộ xử lý gặp sự cố, các bộ xử lý còn lại vẫn 11 z phải tiếp tục làm việc để đạt đƣợc kết quả nhƣ mong muốn.

Những đặc trƣng này thực sự là những khó khăn khi thiết kế các hệ phân tán. Mô hình hóa các hệ phân tán Trong một hệ phân tán, mỗi thực thể (máy tính, bộ xử lý, tiến trình) chạy một chƣơng trình riêng bao gồm tập các lệnh. Khi thực hiện lệnh, thực thể thay đổi trạng thái cục bộ của nó. Ta có thể mô hình hóa sự thay đổi này bằng cách xem mỗi thực thể là một máy trạng thái.

Một hệ phân tán đƣợc mô hình hóa bằng tập n máy trạng thái. Ký hiệu máy thứ i là Pi. Truyền thông giữa các thực thể có thể thực hiện bằng cách chuyển thông báo hay sử dụng bộ nhớ dùng chung. Truyền thông bằng cách ghi vào và đọc ra từ bộ nhớ dùng chung thƣờng hạn chế hệ thống với các thực thể gần nhau về mặt địa lý, ví nhƣ hệ thống đa bộ xử lý hay các máy tính đa nhiệm.

Truyền thông theo cách chuyển thông báo không có giới hạn nhƣ vậy, có thể thực hiện trong cả hệ thống mà các thực thể rất xa nhau về mặt địa lý nhƣ các mạng máy tính. dƣới đây là minh họa mô hình tổng quát của các hệ thống phân tán. Mô hình tổng quát hệ thống phân tán. Tùy theo phƣơng pháp truyền thông đƣợc sử dụng, ta có mô hình chuyển thông báo hay mô hình với bộ nhớ dùng chung.

Mô hình chuyển thông báo Trong mô hình chuyển thông báo, các láng giềng trao đổi thông tin cho nhau bằng cách gửi và nhận thông báo. Liên kết giữa các thực thể có thể đơn hoặc lƣỡng hƣớng. Liên kết đơn hƣớng từ thực thể Pi đến thực thể Pj đƣợc sử dụng để chuyển thông báo từ Pi đến Pj. Ta có thể trừu tƣợng hóa liên kết đơn hƣớng trên bằng hàng đợi FIFO q i, j chứa tất cả các thông báo đƣợc Pi gửi cho Pj nhƣng Pj chƣa nhận đƣợc.

Mỗi khi P i gửi cho Pj một thông báo m, m đƣợc đƣa vào hàng đợi q i,j. Pj có thể nhận m khi nó trên đỉnh hàng đợi qi,j. Liên kết lƣỡng hƣớng giữa Pi và Pj có thể đƣợc mô hình hóa bằng hai hàng đợi: qi,j cho hƣớng từ Pi đến Pj và qj,i cho hƣớng từ Pj đến Pi.