1Modelos de Consistncia e Replicao de Dados

Prof. Raul Ceretta Nunes

Curso de Cincia da ComputaoELC1018 - Sistemas Distribudos

2Introduo

SD adequado para replicao de dados Replicas devem ser mantidas consistentes Questes:

hO que significa consistncia de dados replicados?hQuais as maneiras para obter consistncia?hComo o desempenho afetado por diferentes modelos

de consistncia?hComo a consistncia implementada?

Forma de distribuio dos updates para as rplicas Forma de manter a consistncia (forte ou fraca)

3Razes para replicao

Duas razes:hConfiabilidade

colapso de processo dados inconsistentes (usar valor da maioria)

hDesempenho Escalabilidade atravs de servios replicados Reduo de trfego de rede atravs de rplicas mais

prximas Preo a pagar: gerenciamento das rplicas

para manter consistncia

4Objeto Remoto Compartilhado

Organizao composta por um objeto remoto distribudo que compartilhado por dois clientes.

5Objeto Remoto Compartilhado Objetos encapsulam dados e operaes sobre

dados Middleware gerencia distribuio de objetos

remotos (operaes so independentes dos dados)

Como proteger o objeto remoto contra acessos simultneos realizados por mltiplos clientes?hControlar no prprio objeto (ex: synchronized do Java)hControlar no middleware (ex: adaptador de objetos)

6Objeto Remoto Compartilhado

a) Objeto remoto capaz de controlar invocaes concorrentes.b) Objeto remoto que requer um adaptador de objeto para controlar

invocaes concorrentes.

7Replicao de Objeto Remoto

Objeto remoto compartilhado e replicado necessita de sincronizao adicional para garantir que invocaes concorrentes sejam resolvidas na ordem correta em cada rplica.

2 abordagens:hControlar sincronizao no objeto replicado.

Vantagem: uso de protocolo de replicao especfico.hControlar sincronizao no middleware

Vantagem: simplifica tarefa do desenvolvedor de aplicaes

8Replicao de Objeto Remoto

a) Um sistema distribudo para objetos cientes da replicao, quecontrolam sua replicao.

b) Um sistema distribudo responsvel pelo gerenciamento de replicao.

9Modelos de Consistncia

Centrado nos dadosHip: dados compartilhados

p/ mltiplos processos

Fortep/ read/write

Fracap/ srie de read/writevia variveis de sync

Estrita - write p/ ordem total temporal

Linear - write p/ ordem total baseada em relgio global

Seqencial - write p/ ordem total

Causal - write p/ ordem causalFIFO - write p/ ordem causal

Fraca - update p/ operaoRelease - update na liberaoEntry - update na entrada

Centrado no clienteHip: dados atualizados p/

um nico processo

Leituras monotnicas - reads em ordem temporalEscritas monotnicas - writes em ordem temporalLeituras vem escritasEscritas seguem leituras

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Consistncia Estrita

Operao tem efeito instantneo em todos. Deve manter ordem temporal (relgio fsico). Impossvel de ser implementado.

Comportamento de dois processos operando sobre o mesmo dado:(a) Um armazenamento com consistncia estrita.(b) Um armazenamento que viola a consistncia estrita.

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Consistncia Seqencial

Todos os processos observam as operaes na mesma ordem (ordem total).

Nada dito sobre o instante temporal fsico. Aplicado em memria compartilhada de sistemas

multiprocessados. Equivalente a serializabilidade transacional

(operao equivale a uma transao). A verificao de consistncia se d atravs da

anlise de histricos locais. Problema: tread + twrite ttransferncia

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Consistncia Seqencial

(a) Um armazenamento com consistncia seqencial. (b) Um armazenamento com violao de consistncia seqencial.

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Ex: Consistncia Seqencial

z = 1;print (x, y);

y = 1;print (x, z);

x = 1;print ( y, z);

Process P3Process P2Process P1

y = 1;x = 1;z = 1;print (x, z);print (y, z);print (x, y);

Prints: 111111

Signature:111111

y = 1;z = 1;print (x, y);print (x, z);x = 1;print (y, z);

Prints: 010111

Signature:110101

x = 1;y = 1;print (x,z);print(y, z);z = 1;print (x, y);

Prints: 101011

Signature:101011

(b)

x = 1;print ((y, z);y = 1;print (x, z);z = 1;print (x, y);

Prints: 001011

Signature:001011

(a)

Trs processos executando concorrentemente e 4 execues possveis.

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Linearizabilidade

Mais fraco do que a consistncia estrita mas mais forte do que a consistncia seqencial.

Todos os processos observam as operaes na mesma ordem (ordem total) + timestamp.

Se ts op1(x) < ts op2(x) ento op1(x) op2(x) Utilizada para assistir verificao formal de

algoritmos concorrentes.

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Consistncia Causal

Writes potencialmente relacionados devem ser vistos por todos na mesma ordem.

Writes concorrentes podem ser vistos em ordens diferentes.

Implementao via vetor de relgios lgicos.

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Consistncia FIFO

Observa apenas a ordem das operaes no processo da operao.

Fcil de implementar, pois precisa apenas da incluso de um nmero de seqncia.

Em memria compartilhada distribuda chamado de PRAM Pipelined RAM.

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Ex: Consistncia FIFO

y = 1;print (x, z);z = 1;print (x, y);x = 1;print (y, z);

Prints: 01

(c)

x = 1;y = 1;print(x, z);print ( y, z);z = 1;print (x, y);

Prints: 10

(b)

x = 1;print (y, z);y = 1;print(x, z);z = 1;print (x, y);

Prints: 00

(a)

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Problema da Consistncia FIFO

Fraco a ponto de permitir a morte de ambos os processos concorrentes, o que no permitido com consistncia seqencial.

y = 1;if (x == 0) kill(P1);

x = 1;if (y == 0) kill(P2);

Process P2Process P1

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Consistncia Fraca

Synchronization accesses are sequentially consistent. All synchronization accesses must be performed before a regular data access and vice versa (programmer-imposed consistency).

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Consistncia Fraca na Sada

Same as weak consistency except that synchronization accesses must only be processor consistent with respect to each other.

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Eventual Consistency

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Monotonic Reads

a) A monotonic-read consistent data storeb) A data store that does not provide monotonic reads.

Se o processo l o valor de um item de dado x, qualquer operao de leitura sucessiva de x pelo processo ir retornar sempre o mesmo valor ou um valor mais recente.

The read operations performed by a single process P at two different local copies of the same data store.

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Monotonic Writes

a) A monotonic-write consistent data store.b) A data store that does not provide monotonic-write consistency.

Uma operao de escrita por um processo sobre um item de dado x completada antes de qualquer operao de escrita sucessiva do mesmo processo.

The write operations performed by a single process P at two different local copies of the same data store

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Monotonic Writes

Relao com o modelo FIFO:hEm ambos a ordem das operaes nos

processos mantida em qualquer local.hNo modelo FIFO so considerados vrios

processos concorrentes.hNo modelo Monotonic Write considerado

apenas um nico processo (cliente).

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Read Your Writes

a) A data store that provides read-your-writes consistency.

b) A data store that does not.

O efeito de uma operao de escrita por um processo sobre um item de dado x sempre ser visto pela operao de leitura de x pelo mesmo processo.

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Writes Follow Reads

a) A writes-follow-reads consistent data storeb) A data store that does not provide writes-follow-reads

consistency

Uma operao de escrita por um processo sobre um item de dado x que sucede uma operao de leitura de x pelo mesmo processo, ser resolvida sobre uma cpia de x que contm o valor lido ou um mais recente.

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Posicionamento das Rplicas

A organizao lgica dos diferentes conjuntos de cpias de um dado armazenado dentro de trs anis concentricos.

Onde, quando e por quem os dados esto distribudos?

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Rplicas Permanentes

Normalmente em pequeno nmero. Modelo de replicao esttica Exemplos:

hWeb server: replicao do servidor numa lan; ao chegar uma requisio, ela direcionada a uma das rplicas.

hSite web distribudo (Mirror): site distribudo geograficamente; clientes escolhem um site de uma lista.

hBanco de dados federados: BD distribudo e replicado.

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Rplicas Iniciadas pelo Servidor

Modelo de replicao dinmica. Rplicas so criadas de acordo com a

necessidade. Ex: para melhorar desempenho No caso de servidor web, so tambm

conhecidas por push caches. Problema: decidir onde e quando rplicas

deveriam ser criadas ou deletadas.

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Rplicas Iniciadas pelo Servidor

Contando acesso de diferentes clientes. Deciso baseada em threshold del(S,F)| rep(S,F)

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Rplicas Iniciadas pelo Cliente

A rplica uma cache. A consistncia da rplica por conta do usr. Usado somente para melhorar desempenho. Na web, uma rplica pode ser compartilhada

por mais do que um cliente.

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Propagao de Atualizaes

Abordagens para decidir o que propagar:hPropagar somente uma notificao de um

update. Muito update pouco read. Ex: protocolos de invalidao

hTransferir os dados de uma cpia para outra. Interessante quando h muitos updates e reads.

hPropagar a operao de atualizao para outras rplicas.

Replicao ativa

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Pull versus Push Protocols

A comparison between push-based and pull-based protocols in the case of multiple client, single server systems.

Fetch-update timeImmediate (or fetch-update time)Response time at client

Poll and updateUpdate (and possibly fetch update later)Messages sent

NoneList of client replicas and cachesState of server

Pull-basedPush-basedIssue

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Remote-Write Protocols (1)

Primary-based remote-write protocol with a fixed server to which all read and write operations are forwarded.

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Remote-Write Protocols (2)

O princpio do protocoloprimrio-backup.

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Local-Write Protocols (1)

Primary-based local-write protocol in which a single copy is migrated between processes.

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Local-Write Protocols (2)

Primary-backup protocol in which the primary migrates to the process wanting to perform an update.

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Active Replication (1)

The problem of replicated invocations.

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Active Replication (2)

a) Forwarding an invocation request from a replicated object.b) Returning a reply to a replicated object.

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Quorum-Based Protocols

Three examples of the voting algorithm:a) A correct choice of read and write setb) A choice that may lead to write-write conflictsc) A correct choice, known as ROWA (read one, write all)