Khóa luận Xây dựng một hệ thống khắc phục lỗi bằng ngôn ngữ lập trình Java

Tóm tắt: Trong hệ thống phân tán việc một máy trong hệ thống vì một lí do nào đó mà nó không thể tiếp tục công việc được nữa điều đó có thể dẫn đến hệ thống của chúng ta sẽ bị ngừng hoạt động. Vì thế việc xây dựng một hệ thống khắc phục lỗi cho hệ thống phân tán la rất cần thiết. Khóa luận sẽ trình bày những khái niệm liên quan đến hệ thống khắc phục lỗi(Fault tolerance) và xây dựng một hệ thống khắc phục lỗi bằng ngôn ngữ lập trình Java. Lời nói đầu: Trong bối cảnh hiện nay, máy tính phát triển rất nhanh,Vì thế có rất nhiều hệ thống ra đời và nhằm mục đích bảo đảm tính an toàn của hệ thống chúng ta cần xây dựng cho nó khả năng khắc phục lỗi. Hệ thống đã trải qua rất nhiều thử nghiệm và tỏ ra hiệu quả cho việc giải quyết vấn đề ổn định trong hoạt động của hệ thống. Vì thế trong khóa luận này tôi nghiên cứu về vấn đề trên. Bố cục khóa luận gồm 5 chương. Chưong 1: Giới thiệu về hệ thống phân tán và những đặc trưng của nó mà trong đó fault tolerance là một đặc trưng không thể thiếu được. Chương 2: Giới thiệu một số hệ thống có sẵn Chương 3: Giới thiệu về công nghệ JXTA Chương 4: Xây dựng hệ thống Chương 5: Tổng kết và hướng phát triển tiếp theo CHƯƠNG 1: Giới thiệu về Fault tolerance 1.1 Giới thiệu về hệ thống phân tán: Có nhiều định nghĩa khác nhau về hệ thống phân tán (Distributed system) tùy thuộc vào việc xem xét những khía cạnh khác nhau của hệ thống, nhưng về cơ bản là giống nhau: Hệ thống phân tán là một tập hợp các máy tính độc lập được kết nối và giao tiếp với nhau thông qua giao thức truyền thông mạng (communication network), mỗi máy tính có bộ xử lý (CPU), bộ nhớ (memory), và các thiết bị ngoại vi riêng (peripheral). Bộ nhớ CPU Thiết bị ngoại vi Máy tính Bộ nhớ CPU Thiết bị ngoại vi Máy tính Bộ nhớ CPU Thiết bị ngoại vi Máy tính Giao thức truyền thông mạng(TCP/IP, JXTA…) (Communication network) Hình 1.1: Mô hình hệ thống phân tán Theo định nghĩa ở trên, một hệ thống phân tán mà ta có thể dễ dàng bắt gặp đó là mạng Internet. Internet là một mạng toàn cầu, tập hợp rất nhiều máy tính ở những nơi khác nhau lại với nhau. Mỗi máy tính là độc lập và có thể giao tiếp được với nhau. 1.1.1 Đặc trưng cơ bản của Hệ thống phân tán Một hệ thống phân tán mang những đặc trưng sau: 1.1.1.1. Resource sharing Trong hệ thống phân tán, các máy tính độc lập được kết nối và giao tiếp với nhau, do đó tài nguyên trên mỗi máy có thể chia sẻ, trở thành tài nguyên dùng chung. Những máy tính có nhu cầu sử dụng tài nguyên có thể truy cập và sử dụng tài nguyên trên máy tính khác. Những tài nguyên này có thể là phần mềm, phần cứng hay dữ liệu. Như vậy, các tài nguyên sẽ được sử dụng hiệu quả hơn. Đơn giản như: Giả sử máy tính A không có máy in và cần in tài liệu. Máy tính B có máy in rảnh rỗi. Nếu hai máy tính không được kết nối, ta phải mua một máy in mới cho máy tính A. Còn trong hệ thống phân tán, máy tính A có thể sử dụng máy in tại máy tính B để in. Như vậy, chúng ta đã sử dụng máy in ở máy tính B một cách hiệu quả hơn và tiết kiệm được chi phí mua máy in cho máy A. 1.1.1.2. Concurrency Các máy tính trong hệ thống phân tán đều có bộ xử lý và bố nhớ riêng, nhờ vậy chúng có thể xử lý công việc. Một công việc có thể được chia nhỏ và chuyển cho từng máy xử lý đồng thời. Vì vậy tốc độ xử lý tăng lên. Đối với những xử lý nhỏ thì việc xử lý không mất nhiều thời gian nếu được xử lý trên một máy độc lập. Ngược lại, những việc có lượng tính toán lớn (như việc phá mã) đòi hỏi nhiều thời gian, có khi là không khả thi về mặt thời gian. Những công việc như vậy có thể được thực hiện trong hệ thống phân tán bằng cách chia nhỏ công việc, rồi chuyển giao cho từng máy tính thực hiện đồng thời.Kết quả cuối cùng được tổng hợp dựa trên kết quả xử lý ở từng máy. Thời gian xử lý sẽ giảm đi đáng kể. 1.1.1.3. Fault-tolerance Các hệ thống máy tính có thể xảy ra lỗi. Khi bị lỗi, kết quả của quá trình xử lý có thể không đúng hoặc làm ngừng hoạt động của hệ thống. Trong hệ thống phân tán, lỗi là một phần của hệ thống. Điều này có nghĩa là một số thành phần của hệ thống bị lỗi nhưng không ảnh hưởng tới hoạt động của những thành phần khác, đảm bảo cho hệ thống tiếp tục hoạt động. Các phương pháp khắc phục lỗi cho hệ thống được nhà thiết kế xem xét và áp dụng ngay từ khi bắt đầu tiến hành thiết kế và xây dựng hệ thống, đồng thời căn cứ vào đặc điểm và mục đích của mỗi hệ thống sẽ áp dụng các phương pháp khác nhau. Mục đích là đảm bảo cho hệ thống hoạt động ổn định, và duy tri f được hoạt động lâu dài 1.1.1.4. Scalability Là khả năng mở rộng qui mô hệ thống mà không làm ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của hệ thống. Qui mô của hệ thống được mở rộng khi có các máy tính mới hay các thành phần khác của hệ thống được thêm vào. Hệ thông phân tán được thiết kế để đảm bảo rằng hệ thống vẫn hoạt động bình thường. Ví dụ như khi thêm mới một máy tính vào hệ thống, phải đảm bảo rằng còn địa chỉ IP để cấp cho máy tính mới. Như vậy hệ thống cần có khoảng địa chi IP chưa sử dụng để cấp cho những máy tính thêm mới trong tương lai. 1.1.1.5. Openness Là khả năng mở rộng tài nguyên của hệ thống. Tài nguyên của hệ thống phải được đảm bảo mở rộng một cách dễ dàng, theo nhiều cách. Hệ thống có thể sử dụng các tài nguyên được cung cấp trên các hệ thống khác hoặc thêm mới tài nguyên. Tài nguyên có thể là phần cứng, phần mềm hay dữ liệu và luôn sẵn sàng cho người sử dụng. 1.1.2. Một số mô hình kiến trúc trong các ứng dụng phân tán Phần này giới thiệu một số mô hình phổ biến xây dựng các ứng dụng phân tán. Các mô hình được trình bày theo mức độ trừu tượng từ thấp đến cao: Message Passing, Client-Server, Pear-to-Pear, Distributed object, Mobile agent. level of abstraction Mobile agent Ditributed object Client-Server Message passing Pear-to-pear Hình 1.0: Mức độ trừu tượng của các mô hình phân tán low hight Như vậy fault tolerance là một trong những đặc trưng của hệ thông phân tán. Một hệ thống lớn không thể không có Fault tolerance trong đó. Vì vậy việc xây dựng một hệ thống có Fault tolerance chúng ta cần tìm hiểu về nó. 1.2. Giới thiệu Fault tolerance: 1.2.1 Giới thiệu Fault tolerance là một vấn đề được nghiên cứu nhiều trong nghành khoa học máy tính. Để hiểu được vai trò của nó trong hệ thống phân tán trước hết chúng ta cần nắm rõ từ những khái niệm về hệ thống phân tán cho đến những khái niệm về Fault tolerance. Sự tồn tại của Fault tolerance trong hệ thống phân tán là cần thiết. Một hệ thống Fault tolerance cần có những tính chất sau đây: Tính sẵn sàng(Availability). Tính tin cậy(Reliability). Tính an toàn(Safety). Khả năng không gián đoạn(Maintainability). 1.2.1.1. Availability: Được định nghĩa như là đặc tính chính của hệ thống sẵn sàng sử dụng ngay lập tức. Nói rõ hơn là nó sẵn sàng hoạt động chính xác trong bất kì khoảng thời gian nào và sẵn sàng thực hiện chức năng vì lợi ích sử dụng.Hơn nữa một hệ thống có tính sẵn sàng cao sẽ chờ đợi để làm việc trong mọi thời điểm. 1.2.1.2. Reliability: Tức là hệ thống có thể chạy liên tục mà không mắc lỗi. Một hệ thống có tính tin cậy cao sẽ duy trì công việc không bị gian đoạn trong một khoảng thời gian khá dài. 1.2.1.3. Safety: Có nghĩa là khi hệ thống tạm thời mắc lỗi thì nó đảm bảo rằng không có gì là nghiêm trọng xẩy ra cả. Ví dụ, nhiều quá trình điều khiển như là điều khiển năng lượng điện hay quá trình gửi sóng trong không gian yêu cầu về độ nghiêm ngặt và an toàn cao.Chỉ một lỗi nhỏ cũng có thể gây ra những thiệt hại rất lớn. 1.2.1.4. Maintainability: Tức là làm thế nào để khôi phụ hệ thống lỗi một cách dễ dàng. Một hệ thống có khả năng duy trì là mức cao của tính sẵn sàng, đặc biệt là nó có thể tìm và khắc phục một cách tự động nếu mắc lỗi. Thông thường thì hệ thống mang tính tin cậy yêu cầu cung cấp một mức cao của độ an toàn. Một hệ thống được gọi là Fail khi nó không thể hoàn thành nhiệm vụ của mình. Nếu một hệ thống phân tán được thiểt kế để cung cấp cho chính người sử dụng với một số các dịch vụ,hệ thống sẽ có lỗi khi đó một hoặc nhiều dịch vụ không hoàn thành. Một error là trạng thái của hệ thống có thể làm cho hệ thống không hoạt động. Ví dụ, khi gửi các gói trên mạng, sẽ có một vài gói đã bị phá hủy khi chúng đến nơi nhận. Sự phá hủy trong trường hợp này có nghĩa là bên nhận đã nhận được không đúng giá trị các bit hoặc thậm chí là nó không thể tìm thấy một số thứ mà nó đã nhận. Nguyên nhân của error được gọi là fault. Tức là tìm ra nguyên nhân gây ra lỗi là quan trọng. Ví dụ, đường truyền sai hoặc kém cũng có thể là nguyên nhân gây ra lỗi khi chuyển các gói trên mạng. Trong trường hợp này, hệ thống rất dễ mắc lỗi. Tuy nhiên lỗi đường truyền có thể chỉ do nguyên nhân là ảnh hưởng của thời tiết xấu mà nhất là trong mạng không dây(Wireless network). Xây dựng một hệ thống tin cậy cần có quan hệ chặt chẽ với xử lí các lỗi. Vì mục đích đó của chúng ta, vấn đề quan trọng nhất cần đưa ra là “Fault tolerance” có nghĩa là một hệ thống có thể cung cấp các dịch vụ chính xác và đúng đắn mặc dù hệ thống vẫn có sự hiện diện của lỗi trong đó. Mục đích hay nhiệm vụ của nó chính là: + Ngăn chặn lỗi + Gỡ lỗi + Dự đoán trước được các lỗi Faults thường được phân loại thành các loại sau: + Lỗi tạm thời. + Lỗi không liên tục. + Lỗi lâu dài. Lỗi tạm thời(Transient fault) nó xẩy ra trong một khoảng thời gian sau đó nó lại biến mất, ví dụ như một con chim bay qua chùm của sóng ngắn có thể gây ra lỗi trên. Lỗi không liên tục( intermittent fault) xuất hiện khi mất sự liên kết hay liên kết là không rõ ràng. Lỗi này có thể gây ra hậu quả rất lớn vì nó rất khó chuẩn đoán. Lỗi lâu dài(Permanent fault) tồn tại mãi cho đến khi nó được khắc phục thì thôi. Một số nguyên nhân của lỗi này như là: Cháy chip, rơi đầu từ đĩa, lỗi phầm mềm. 1.2.2. Failure Models: Một hệ thống có lỗi thì nó tất nhiên sẽ không cung cấp được những dịch vụ mà nó muốn. Nếu chúng ta coi hệ thống phân tán như là tập hợp các server liên kết lẫn nhau và với các client, khi đó chỉ cần một trong các server hay cả hai bị lỗi thì rắc rối sẽ xẩy ra cho hệ thống. Trong hệ thống phân tán thì quan hệ phụ thuộc xuất hiện rất nhiều. Một lỗi đĩa có thể làm khó cho sự sống của file server. Nếu file server là một phần của dữ liệu phân tán thì việc này sẽ đưa đến dữ liệu sẽ có thể bị giữ lại và chỉ có thể một phần dữ liệu truyền qua mà thôi.Như vậy lỗi sẽ gây ra hậu quả khá là nghiêm trọng, để tìm ra lỗi một cách chính xác thì chúng ta nên đưa ra phân loại về lỗi: Crash failure Một crash failure xẩy ra khi server ngừng làm việc nhưng nó vẫn làm việc chính xác cho đến khi nó dừng. Một khía cạnh quan trọng của crash failure là mỗi một server tạm nghỉ, không có bất cứ cái gì được nhận từ nó. Một ví dụ đặc trưng của crash failure là hệ điều hành ngừng lại hẳn vaf chỉ có cách là khởi động lại máy tính. Nhiều hệ thống PC chụi đựng crash failure và coi đó như là một lỗi thường xuuyên. Omission failure Một Omission failure xẩy ra khi lỗi server để trả lời yêu cầu. Tất cả mọi thứ là không đúng.Có hại loại Omission failure là receive Omission failure và send Omission failure. Receive Omission failure tức là server chưa bao giờ có yêu cầu trong công việc đầu tiên. Chú ý rằng nó có thể tốt trong hoàn cảnh là liên kết giữa một client và một server đã được thiết lập chính xác nhưng lại không có gì lắng nghe điều đó. Receive Omission failure ảnh hưởng không lớn đến trạng thái hiện tại của server, server không biết có bất kì thông báo nào gửi đến cho nó. Tương tự như vậy, send Omission failure xẩy ra khi server kết thúc công việc của nó. Nhưng vì một lí do nào đó mà lỗi trong khi gửi câu trả lời. Ví dụ:Khi gửi xẩy ra tình trạng bộ nhớ bị tràn trong khi đó thì server lại không chuẩn bị trước điều đó. Chú ý rằng ngược lại với Receive Omission failure server có thể ảnh hưởng đến trạng thái.Server chỉ hoàn thành môt dịch vụ cho client. Kết quả nếu việc gửi gặp lỗi trả lời server cần để chuẩn bị rằng client sẽ gửi lại yêu cầu trước đó một lần nữa. Một loại nữa của Omission failure không liên quan đến kết nối có thể là nguyên nhân do lỗi phần mềm như vòng lặp vô tận hay quản lí bộ nhớ không đúng. Timing failure Đây là một có quan hệ với thời gian. Timing failure xẩy ra khi câu trả lừi có được nằm ngoài khoảng thời gian cho phép. Cung cấp dữ liệu quá sớm có thể đó là nguyên nhân gây ra sự cố cho bên nhận nếu nó không đủ bộ đệm để giữ lại tất cả dữ liệu mà nó vừa được gửi. Response failure Đây là một lỗi quan trọng xẩy ra khi câu trả lời của server hoàn toàn là không đúng đắn. Có hại loại Response failure có thể xẩy ra là: Value failure và State transition.Ví dụ: một công cụ tìm kiếm có hệ thống trả về là một trang Web không có liên quan gì đến những cái mà người sử dụng muốn tìm chúng. State transition failure được biết đến như là một lọai khác của Response failure xẩy ra khi server bất ngờ chống lại yêu cầu. Ví dụ như một server nhận được một thông báo nhưng nó không thể nhận ra được điều đó. Arbitrary failure Được biết đến như là Byzantine failure. Nó có quan hệ chặt chẽ với crash failure. Tóm lại các loại của Failure được cho bởi bảng tổng kết sau đây: Hình 1.3. Bảng tổng kết các loại failure Tóm lại trong hệ thống phân tán thì rất dễ xẩy ra một lỗi nào đấy khi chương trình đang chạy. Vì thế sự ra đời của fault tolerance là rất cần thiết cho hệ thống phân tán, việc nắm bắt được các lỗi và nguyên nhân gây ra lỗi giúp chúng ta có được một hệ thống chạy an toàn, ổn định và không bị ngắt quảng. Đó chính là một yêu cầu cho mọi hệ thống. 1.3. Giới thiệu về Java Migration: Sự tính toán di động là là một kiểu chương trình đầy triển vọng trên mạng - hướng ứng dụng. Có rất nhiều loại ứng dụng được đưa ra như là: Thương mại điện tử, đấu giá trên mạng, tự động tìm kiếm thông tin, hay quản lí công việc tự động…. Khả năng để duy trì trạng thái thực thi trong Migration là một tiêu chí quan trọng của phân loại ngôn ngữ lập trình cho sự tính toán di động. Migration được gọi là trong suốt nếu một ứng dụng di động được tiếp tục lại trang thái (sau khi dừng) một cách chính xác trạng thái trước đó. Transparent Migration thì đặc biệt là quan trọng vì nó cho phép người lập trình viết một ứng dụng di động như là viết một ứng dụng thông thường khác mà không là ứng dụng di động. Hệ thống ngôn ngữ di động đầu tiên được biết đến như là Telescrip và Aglet Tct , chúng đều mang cơ chế của Transparent Migration.Tuy nhiên,Transparent Migration không được bổ sung trong JAVA - hệ thống ngôn ngữ di động cơ bản dù cho JAVA là rất phổ biến cho mọi người quan tâm đến tính toán di động. Và có một khó khăn trong việc sử dụng Transparent Migration trong Java đó là làm sao để giữ được stack trong Migration. Hai phương pháp đã được đưa ra để là được điều đó là: + Sử dụng Java virtual machine. + Thay đổi mã nguồn. Tuy nhiên cả hai phương pháp trên đề có nhứng khó khăn của nó. Phương pháp thứ nhất yêu cầu ứng dụng di động chạy lien tục trên sự thay đổi của máy ảo, đây là mộ thuận lợi vì điều này có mặt khắp nơi trên hầu hết các máy ảo Java. Phương pháp sau nó không thể áp dụng được khi mà mã nguồn không sẵn sàng để dung.Trong thực tế thì mã nguồn Java thường không sẵn có. Như vậy việc chúng ta đưa ra hai phương pháp trên và sự đối chiếu của hai phương pháp, thì phương pháp chúng ta có thể tránh được những điều trở ngại đó, những hạn chế đó. Đó là Bytecode Transformation. Trong phương pháp này Bytecode thay thế cho mã nguồn được thay đổi thông qua khả năng có thể Transparent Migration. Sự biến đổi của bytecode có nhiều thuận lợi hơn so với sự biến đổi của mã nguồn. Đó chính là sức mạnh của ngôn ngữ Java, làm gọn chương trình, nơi mà chỉ sự chuyển đổi của cấu trúc điều khiển mới được phép. Trong hệ thống phân tán thì một client hay một server gặp sự cố đó là điều có thể hoàn toàn xẩy ra. Vì thế khi một client hay server gặp lỗi thì vấn đề mà chúng ta cần phải giải quyết là làm thế mà để chương trình của chúng ta vẫn có thể tiếp tục chạy được trong hệ thống. Để làm điều đó chúng ta sử dụng cơ chế của Transparent Migration. Nhưng vấn đề của chúng ta là làm thế nào để Migration. Điều đó được thực hiện bởi 3 bước : Saving Execution State Transmitting Execution State Restore Execution State Saving Execution State: Khi dự đoán được có thể xẩy ra một lỗi nào đấy trong hệ thống mà cụ thể ở đây là lỗi trên một máy nào đấy trong mạng thì trạng thái máy lúc đó phải được lưu lại và đưa vào trong stack, đưa vào cấu trúc dữ liệu. Transmitting Execution State: Khi các trạng thái thực thi đó được lưu lại bằng cách dùng máy ảo Java, các trạng thái đó sẽ được chuyển đến đích, là nơi có thể tiếp tục chạy tiếp chương trình. Restore Execution State: Khi được chuyển tới đích, ở đây các trạng thái thực thi sẽ được tái tạo lại, và tiếp tục thi hành công việc. Nó sẽ lấy lại các giá trị trong khung stack. Công việc ở đây không phải bắt đầu lại từ đầu, mà nó sẽ bắt đầu từ chỗ mà nó dừng. CHƯƠNG 2: Giới thiệu một số hệ thống hỗ trợ Migration Hiện nay có rất nhiều hệ thống hỗ trợ cơ chế Migration, mỗi hệ thống đều có những mặt mạnh và mặt yếu khác nhau. Sau đây chung ta sẽ giới thiệu một vài hệ thống cơ bản. 2.1. Giới thiệu hệ thống Sumatra: Sumatra là sự mở rộng của môi trường lập trình Java có khả năng thích nghi với chương trình di động. Nền tảng độc lập chính là lí do chung ta chọn Java cho công việc của chúng ta. Trong Sumatra chung ta không thay đổi ngôn ngữ java. Sumatra có thể chạy trên tất cả những gì thuộc về ngôn ngữ java nếu không có sự thay đổi. Thêm tất cả những chức năng được cung cấp bởi lớp thư viên java đưa ra. Thiết kế của chúng ta cho Sumatra cung cấp cơ chế thich ứng với chương trình di động. Nét đặc trưng chính giúp ta phân biệt Sumatra với các hệ thống truớc đó là nó hỗ trợ chương trình ứng dụng cái mà có sự liên kết với tất cả và sự di chuyển diễn ra có sự điều khiển ứng dụng.Tuy nhiên sự kết hợp giữa mục đích phân tán và thread migration cho phép trộn lẫn giữa di chuyển giữ liệu hay di chuyển sự tính toán. Ở trình độ cao của điều khiển ứng dụng cho phép chúng ta dễ dàng khỏa sát những chính sách khác nhau cho sự kiểm tra tài nguyên và làm thích ứng với sự thay đổi của tài nguyên. Sumatra thêm hai khaí niệm chương trình vào java đó là object-groups và execution engines. Môt object-groups tạo nên một nhóm đối tượng động. Đối tượng có thể thềm vào hoặc lấy ra khỏi nhóm đối tượng. Tất cả các đối tượng trong pham vi một nhóm được đối xử như nhau. Điều nay rất giống với ngôn ngữ java vì mỗi cấu trúc giữ liệu là một đối tượng và nó có thể di chuyển trạng thái đối tượng trong khoảng thời gian. Một execution engines là một khái niệm trong môi trường phân tán.Cụ thể là nó phù hợp để trình biên dịch thi hành trên một host. Sumatra cho phép một object-groups di chuyển giữa execution engines. Những thứ chủ yếu cung cấp bởi Sumatra gồm: Object-group migration: object-groups có thể di chuyển giữa các máy trên yêu cầu của ứng dụng. Đầu tiên tất cả các đối tượng trong một object-groups đuợc đối xử như là khởi đầu cho tính lưu động liên quan đến quá trình hoạt động. Đối tượng trong object-groups tự động kiểm soát sử dụng các loại thông tin lưu trong lớp mẫu của chúng . Khi một object-groups được di chuyển tất vị trí tham chiêu đến nó trong nhóm được di chuyển và lưu lại vị trí mới của đối tượng.Tuy nhiên một vài đối tựợng như đối tượng I/O thì không thể di chuyển(Tài nguyên). Remote method invocation: Method invocation trong đối tượng được chuyển qua gọi là remote. Loại thông tin lưu trong lớp mẫu được dùng để hoàn thành chức năng RPC nếu nó không có một trình biên dịch gốc.Sumatra không tự động theo dõi đối tượng di động. Thread Migration:Sumatra cho phép một Thread Migration sử dụng phương thức engine.go() để gửi đi stack và chương trình đếm và di chuyển thread đến máy cần thi hành theo nghĩa của nó.Quá trình hoạt động được khôi phục lại tại nơi chỉ dẫn trứơc sau khi gọi hàm go().Nó tự động đưa vào stack.Trình thông dịc Sumatra duy trì một laọi stack song song với giá trị stack. Nơi giữ của giá trị stack. Khi một thread di chuyển. Sumatra vận chuyển tất cả đối tượng thamm chiếu bởi stack nhưng không thuộc