基于復(fù)制的狀態(tài)一致性關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、人們生產(chǎn)、生活等各個方面越來越依賴于計算機的廣泛使用，建立高可靠、高可用計算機系統(tǒng)已成為現(xiàn)代社會發(fā)展的迫切要求?；趶?fù)制的容錯技術(shù)，即將關(guān)鍵服務(wù)軟件復(fù)制到分布式系統(tǒng)中一組計算機節(jié)點上運行，形成容錯組，當(dāng)某個(些)節(jié)點失敗時，其它節(jié)點上的服務(wù)軟件能正確運行，保證服務(wù)不會中斷，從而屏蔽錯誤，可有效提高系統(tǒng)可靠性和可用性。主動復(fù)制和主從復(fù)制是常用的復(fù)制技術(shù).主動復(fù)制中每個服務(wù)軟件稱為服務(wù)器復(fù)本(簡稱復(fù)本replica)，每個復(fù)本起著相同作用，

2、都接收并執(zhí)行請求；而主從復(fù)制中只有一個服務(wù)軟件執(zhí)行請求，稱為主服務(wù)器(primary)，其它稱為服務(wù)器副本(backup)。主動復(fù)制具有客戶端請求響應(yīng)快和可屏蔽拜占庭錯誤的優(yōu)點，而主從復(fù)制占用較少計算資源，因此二者都獲得了廣泛應(yīng)用。 復(fù)制技術(shù)關(guān)鍵在于維護復(fù)本(或主服務(wù)器/服務(wù)器副本)之間狀態(tài)一致，本文主要研究維護主動復(fù)制和主從復(fù)制狀態(tài)一致性關(guān)鍵技術(shù)。主動復(fù)制復(fù)本從相同初始狀態(tài)起，為了維護復(fù)本之間狀態(tài)一致，必須保證復(fù)本以一致順序交

3、付并執(zhí)行請求：主從復(fù)制則要求主服務(wù)器失敗后，當(dāng)一個服務(wù)器副本成為新選舉出的主服務(wù)器后能夠進入原主服務(wù)器失敗前最后的正確狀態(tài)。然而，復(fù)制技術(shù)面臨服務(wù)器節(jié)點崩潰、報文傳輸延遲不確定、報文丟失、服務(wù)器執(zhí)行速度不一致以及多線程等諸多非確定性因素，維護狀態(tài)一致性非常困難。針對現(xiàn)有工作的不足，本文主要的工作和貢獻包括： 第一，客戶請求全序化是復(fù)制技術(shù)正確的前提條件，本文提出異步分布環(huán)境下的一種非阻塞消息全序化協(xié)議NBTOP。非阻塞表現(xiàn)為當(dāng)主

4、動復(fù)制容錯組發(fā)生演進時，容錯組中的成員無需等待進入相同組視圖后再繼續(xù)計算，甚至當(dāng)決定消息發(fā)生沖突時，容錯組成員仍能繼續(xù)各自的計算。NBTOP協(xié)議采用邏輯令牌環(huán)控制結(jié)構(gòu)，成員利用再請求機制獲得丟失的決定消息，通過“后繼確認”機制解決決定消息沖突問題。進一步證明協(xié)議NBTOP滿足全序性、一致性和終止性。 第二，多線程是一種重要的非確定源，即使交付了全序的請求，由于多線程并發(fā)執(zhí)行，復(fù)本之間狀態(tài)仍然可能不一致。因此，主動復(fù)制一般不支持多

5、線程.但多線程能提高系統(tǒng)并發(fā)度、避免死鎖并方便應(yīng)用開發(fā)。基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)，本文提出三種主動復(fù)制復(fù)本執(zhí)行一致性算法ARCA_O、ARCA_P和ARCA_C，可分別支持多線程并發(fā)執(zhí)行獨立對象、同一對象獨立屬性和語義可交換請求，并證明其滿足安全性和活性性質(zhì)。三種算法均為分布式確定性算法，無需復(fù)本之間額外通信。 第三，針對主從復(fù)制狀態(tài)更新頻繁和主服務(wù)器失敗后恢復(fù)慢的缺點，本文提出一非阻塞主從復(fù)制執(zhí)行一致性算法NBCA_PB，采用全序多播

6、機制，支持多線程并發(fā)執(zhí)行，可有效提高系統(tǒng)響應(yīng)時間和失敗恢復(fù)時間。同時，證明算法NBCA_PB滿足終止性、全序性、更新完整性和響應(yīng)完整性。 第四，失敗檢測器是分布計算環(huán)境下所必需基礎(chǔ)構(gòu)件之一，作為一種重要的分布式系統(tǒng)應(yīng)用，復(fù)制技術(shù)同樣面臨復(fù)本之間(或主服務(wù)器/服務(wù)器副本)相互判定是否失敗的問題?；诟怕式y(tǒng)計，本文提出一新的QoS自適應(yīng)失敗檢測器解決方案FDps，由統(tǒng)計器FDstat、配置器FDconf和基于PING-PONG策略協(xié)