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        面向云計(jì)算基礎(chǔ)課程的Paxos算法教學(xué)設(shè)計(jì)研究

        2019-12-04 01:47:08楊立君郭林
        軟件導(dǎo)刊 2019年10期
        關(guān)鍵詞:云計(jì)算教學(xué)設(shè)計(jì)

        楊立君 郭林

        摘要:云計(jì)算作為一種新型計(jì)算模型,自誕生以來(lái)受到了業(yè)界與學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注,市場(chǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大,國(guó)內(nèi)許多大學(xué)的計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)都開(kāi)始關(guān)注云計(jì)算課程教學(xué)。針對(duì)云計(jì)算課程技術(shù)內(nèi)容新、涉及理論多、應(yīng)用范圍廣,以及與商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式結(jié)合緊密等特點(diǎn),以谷歌公司的云計(jì)算核心技術(shù)分布式鎖服務(wù)Chubby所采用的Paxos算法為例,對(duì)云計(jì)算教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)探究。詳細(xì)闡述了Paxos算法工作原理,并設(shè)計(jì)了具體教學(xué)案例,該教學(xué)方案在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中獲得了良好的教學(xué)效果,加深了學(xué)生對(duì)Paxos算法的理解。

        關(guān)鍵詞:云計(jì)算;教學(xué)設(shè)計(jì);Chubby;Paxos算法

        DOI:10.11907/ejdk.191376開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):

        中圖分類(lèi)號(hào):G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-7800(2019)010-0191-04

        0引言

        隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及Web 2.0網(wǎng)絡(luò)革命的到來(lái),谷歌首席執(zhí)行官埃里克施密特于2006年8月在搜索引擎大會(huì)上首次提出了“云計(jì)算”概念,并將其闡述為谷歌公司的戰(zhàn)略核心,同時(shí)作出預(yù)言:“在未來(lái)10-15年,當(dāng)前以PC為核心的時(shí)代將被云計(jì)算時(shí)代所取代?!?/p>

        云計(jì)算概念一經(jīng)提出,由于其具有低成本、高性能、易于擴(kuò)展及按需服務(wù)的特性,很快吸引了工業(yè)界與學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,并在海量、高速增長(zhǎng)、多樣性大數(shù)據(jù)等傳統(tǒng)單服務(wù)器環(huán)境下數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算模式難以處理的應(yīng)用場(chǎng)景中顯示出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。如何充分利用云計(jì)算技術(shù)特性對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)集進(jìn)行高效的分布式計(jì)算、存儲(chǔ)及分析已成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域最受關(guān)注的研究與應(yīng)用方向之一。

        為了滿(mǎn)足業(yè)界對(duì)云計(jì)算技術(shù)開(kāi)發(fā)與大數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域高素質(zhì)人才的迫切需求,目前很多大學(xué)的計(jì)算機(jī)相關(guān)專(zhuān)業(yè)都已在本科及研究生培養(yǎng)階段開(kāi)設(shè)了云計(jì)算技術(shù)與大數(shù)據(jù)處理相關(guān)課程,以培養(yǎng)學(xué)生掌握該領(lǐng)域理論知識(shí)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)。授課教師針對(duì)云計(jì)算課程技術(shù)跨越度大、覆蓋面廣、對(duì)計(jì)算機(jī)算法等方面知識(shí)基礎(chǔ)要求較高的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了很多針對(duì)性的教學(xué)方案,使學(xué)生對(duì)云計(jì)算包含的各項(xiàng)技術(shù)有更深入的了解。本文針對(duì)谷歌云計(jì)算集群用來(lái)解決分布式一致性問(wèn)題的Paxos算法的教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)展開(kāi)討論,以期對(duì)云計(jì)算基礎(chǔ)技術(shù)的教學(xué)及科研提供支持與幫助。

        1一致性問(wèn)題

        對(duì)于傳統(tǒng)單服務(wù)器計(jì)算模式,執(zhí)行程序與目標(biāo)數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上,一致性機(jī)制非常直觀。但云計(jì)算平臺(tái)通常運(yùn)行于大規(guī)模計(jì)算集群之上,需要調(diào)動(dòng)成千上萬(wàn)的節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作。要保證系統(tǒng)中初始狀態(tài)相同的節(jié)點(diǎn)在執(zhí)行相關(guān)操作時(shí)能看到完全一致的指令隊(duì)列,并得到完全一致的執(zhí)行結(jié)果,此類(lèi)分布式系統(tǒng)的一致性機(jī)制實(shí)現(xiàn)則非常復(fù)雜。解決一致性問(wèn)題有兩種方法:消息傳遞與共享內(nèi)存,Paxos算法是Leslie Lamport提出的一種基于消息傳遞的一致性算法,也是目前已知的一致性算法中最常用的一種。Paxos算法輸入是各個(gè)計(jì)算機(jī)的全局請(qǐng)求(整個(gè)集群知道的消息),輸出是請(qǐng)求的全局執(zhí)行順序。假如各個(gè)計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)各消息的解釋代碼都相同,通過(guò)執(zhí)行帶編號(hào)的全局請(qǐng)求,各機(jī)器則可以得到同樣的結(jié)果。

        分布式一致性問(wèn)題與一致性算法是云計(jì)算集群分布式計(jì)算及傳統(tǒng)服務(wù)器計(jì)算最重要的區(qū)別之一,也是云計(jì)算技術(shù)研究的核心問(wèn)題之一,以及云計(jì)算教學(xué)過(guò)程中一個(gè)非常抽象、難以理解的知識(shí)模塊。通過(guò)對(duì)Paxos一致性算法工作原理與教學(xué)案例的探討,將為教師開(kāi)展分布式鎖服務(wù)Chubby教學(xué)建立一個(gè)堅(jiān)實(shí)的算法知識(shí)基礎(chǔ)。

        2Paxos算法工作原理

        在分布式系統(tǒng)中,采用消息傳遞方式提供通信服務(wù),不可避免地會(huì)出現(xiàn)以下情況:系統(tǒng)進(jìn)程可能遇到異常情況,例如運(yùn)行緩慢、進(jìn)程阻塞及重新啟動(dòng)等,消息傳遞過(guò)程中也可能產(chǎn)生延遲、丟失以及重復(fù)發(fā)送等異常。在可能發(fā)生上述異常的分布式系統(tǒng)中,如何就某個(gè)值達(dá)成一致,以確保上述任何異常不會(huì)損害系統(tǒng)一致性,則需要引入“一致性算法”。

        在集群中設(shè)置一個(gè)決策節(jié)點(diǎn),所有部分操作都要先向其發(fā)起請(qǐng)求,由該節(jié)點(diǎn)接受第一個(gè)到達(dá)的請(qǐng)求內(nèi)容作為接下來(lái)的操作,從而確保該系統(tǒng)只有唯一的一個(gè)操作序列。但該機(jī)制在運(yùn)行中存在單點(diǎn)失效問(wèn)題,一旦唯一的決策節(jié)點(diǎn)失效,整個(gè)系統(tǒng)則可能出現(xiàn)不一致的情況。因此,Lamp-ort提出了Paxos算法,該算法在集群中設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn)以確定操作順序。

        為了更直觀地描述Paxos算法,Lamport假想了一個(gè)名為Paxos的小島。該島通過(guò)民主議會(huì)制度頒布法律,但每個(gè)人都非常忙碌,隨時(shí)都會(huì)離開(kāi)眾議院。因此,無(wú)法保證其他人在需要時(shí)能夠?yàn)樽约禾峁┓?wù),也無(wú)法保證他們會(huì)及時(shí)傳遞消息或批準(zhǔn)決議。假設(shè)島上沒(méi)有拜占庭指揮官的問(wèn)題,也即是說(shuō),每個(gè)人經(jīng)手的消息不會(huì)被篡改,只要時(shí)間足夠長(zhǎng),消息則會(huì)正確傳遞,但不能保證即時(shí)性。此外,Paxos島的成員非常聰明,他們提出的決議不會(huì)被其他成員拒絕。在這里,議員等同于系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn),議員制定法律的行為等同于系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)之間需要一致性,即只有一個(gè)版本的法律規(guī)定,議員和信使的兼職性質(zhì)對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)與渠道的可用性。

        Paxos算法將節(jié)點(diǎn)分成3類(lèi):Proposers、Aeceptors和Learners。Proposers提出決議(也即系統(tǒng)下一步執(zhí)行操作value),Aceeptors批準(zhǔn)決議,Learners接收并執(zhí)行已批準(zhǔn)的決議。

        算法需要滿(mǎn)足3個(gè)條件才能保證一致性:①?zèng)Q議只有被Proposers提出后才能批準(zhǔn);②每次只批準(zhǔn)一個(gè)決議;③只有決議確定被批準(zhǔn)后,Learners才能獲取該決議。由此推導(dǎo)出以下約束條件:

        P1:Acceptor必須接受其接收到的第一個(gè)提議。

        P2:如果選擇了某個(gè)value為v的提議,則Acceptor接受的每個(gè)較高編號(hào)提議的value也必須為v。

        P2a:如果選擇了某個(gè)value為v的提議,則Aeceptor接受的每個(gè)較高編號(hào)提議的value也必須為v。

        P2b:如果選擇了某個(gè)value為v的提案,則Proposer提議的任何更高編號(hào)提案的value也必須是v。

        P2c:對(duì)于任何N和v,如果提議為[N,V],則存在一個(gè)超過(guò)Acceptor半數(shù)的集合S,滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件之一:①S中每個(gè)Acceptor都沒(méi)有接受編號(hào)小于N的提議;②S中Acceptor接受過(guò)最大編號(hào)提案的value為V。

        完整的Paxos算法執(zhí)行過(guò)程如下:

        (1)準(zhǔn)備階段(prepare):①Proposer選擇一個(gè)提案編號(hào)n,并向全體Aeeeptors發(fā)出Prepare請(qǐng)求;②如果一個(gè)Ac-ceptor收到的prepare請(qǐng)求編號(hào)n大于任何其已響應(yīng)的prepare請(qǐng)求,則Acceptor將自己已接受編號(hào)最大的提案反饋給Proposer,并向其承諾不會(huì)再接受任何編號(hào)小于n的提案請(qǐng)求。

        (2)批準(zhǔn)階段(chosen):①如果某個(gè)Proposer收到多數(shù)Acceptor的prepare請(qǐng)求響應(yīng),其需要向這些Acceptor發(fā)出接受(accept)請(qǐng)求,包括編號(hào)n和根據(jù)P2c約束確定的val-ue(如果系統(tǒng)尚無(wú)已接受的value,則Proposer可自由決定提案的Value);②如果某個(gè)Aeeeptor收到的提案接受請(qǐng)求包含編號(hào)n,只要不違反其對(duì)其它Proposer的承諾,Aeeep-tor將立即接受該提案。

        一個(gè)Proposer可以提出多個(gè)提案,并且可以隨時(shí)中斷提案。當(dāng)某個(gè)Aceeptor接收到更大編號(hào)的prepare請(qǐng)求時(shí),應(yīng)當(dāng)立即通知該P(yáng)roposer中斷本次提案,以?xún)?yōu)化整個(gè)算法流程。該實(shí)現(xiàn)過(guò)程不影響系統(tǒng)的正確性。

        3Paxos算法教學(xué)案例

        由于Paxos算法的數(shù)學(xué)證明與執(zhí)行過(guò)程非常復(fù)雜,通常情況下高年級(jí)本科生難以充分理解,需要精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容和方法。首先假設(shè)一個(gè)3節(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)集群,各節(jié)點(diǎn)首先作為Client產(chǎn)生操作請(qǐng)求,再作為Proposer提出操作請(qǐng)求,然后作為Acceptor批準(zhǔn)操作請(qǐng)求,最后作為L(zhǎng)earner執(zhí)行被批準(zhǔn)的操作,則算法執(zhí)行邏輯如圖1所示。

        這里每個(gè)Acceptors的數(shù)量必須為奇數(shù),才能確保在每次投票過(guò)程中產(chǎn)生“多數(shù)派”并生成決議,而Proposers的數(shù)量則是靈活的,一個(gè)Proposer也不需要每次都把提案發(fā)送給所有的Acceptors,只需讓Acceptors中的“多數(shù)派”接收并批準(zhǔn)決議即可交由Learners執(zhí)行。

        接下來(lái)通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)讓學(xué)生親自參與的案例,可以將原本較抽象的計(jì)算機(jī)算法轉(zhuǎn)化為較為直接、具體的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景,以幫助學(xué)生理解Paxos算法。假設(shè)山谷中有一個(gè)恐怖分子營(yíng)地,因地形復(fù)雜,營(yíng)地有3條道路通向外界,反恐指揮部派出甲、乙、丙3個(gè)反恐分隊(duì)前去反恐作戰(zhàn)。為完成作戰(zhàn)目標(biāo),將恐怖分子一網(wǎng)打盡,3支分隊(duì)需要同時(shí)向山谷發(fā)起進(jìn)攻,如圖2所示。

        為協(xié)同3支隊(duì)伍發(fā)起進(jìn)攻的時(shí)間,總指揮部?jī)晌蛔鲬?zhàn)參謀1和2制定并提出最佳進(jìn)攻時(shí)間計(jì)劃,編號(hào)分別為1、2,每隊(duì)的指揮官甲、乙、丙接收指揮部計(jì)劃并批準(zhǔn)進(jìn)攻時(shí)間。為保證行動(dòng)隱蔽,整個(gè)行動(dòng)過(guò)程實(shí)行無(wú)線(xiàn)電靜默,由指揮部派出通訊員傳達(dá)參謀作戰(zhàn)計(jì)劃。通訊員A、B、C、D、E、F分別攜帶指揮部編號(hào)1和編號(hào)2的計(jì)劃上路,經(jīng)過(guò)不同路徑找到指揮官傳達(dá)計(jì)劃。為幫助學(xué)生理解Paxos算法工作原理,可以選擇一些學(xué)生分別扮演作戰(zhàn)參謀、指揮官和通訊員進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。本文按照作戰(zhàn)參謀發(fā)起提案的先后順序不同分為兩種場(chǎng)景。

        3.1場(chǎng)景1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        首先假設(shè)作戰(zhàn)參謀1和作戰(zhàn)參謀2先后發(fā)起提案的場(chǎng)景,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程如下:

        (1)作戰(zhàn)參謀1發(fā)起提案,派通訊員A、B、C送信給3名指揮官,內(nèi)容為(number 1)。

        (2)3名指揮官收到作戰(zhàn)參謀1的提案,由于沒(méi)有已保存的編號(hào),因此保存(number 1),同時(shí)讓通訊員帶消息回去,內(nèi)容為(ok)。

        (3)作戰(zhàn)參謀1收到不少于兩名指揮官的回復(fù),再次派通訊員送信給3名指揮官,內(nèi)容為(number 1,attack time 1)。

        (4)3名指揮官收到作戰(zhàn)參謀1發(fā)來(lái)的進(jìn)攻時(shí)間,保存(number 1,attack time 1),同時(shí)讓通訊員送信回去,內(nèi)容為(Accepted)。

        (5)作戰(zhàn)參謀1收到至少2名指揮官的(Accepted)回復(fù),確認(rèn)大家都收到了攻擊時(shí)間。

        (6)作戰(zhàn)參謀2發(fā)起提案,派通訊員D、E、F送信給3名指揮官,內(nèi)容為(number 2)。

        (7)3名指揮官收到作戰(zhàn)參謀2的提案,由于2>1,因此每人都保存(number 2),又由于已接受了作戰(zhàn)參謀1的提案,則讓通訊員送信回去,內(nèi)容為(number 1,attacktime 1)。

        (8)作戰(zhàn)參謀2收到至少兩名指揮官的回復(fù),因?yàn)榇饛?fù)為已接收作戰(zhàn)參謀1的提案,作戰(zhàn)參謀2則不再提出新的進(jìn)攻時(shí)間,并接受作戰(zhàn)參謀1提議的時(shí)間。

        最終批準(zhǔn)的“多數(shù)派”提案為(number 1,attack time 1),投票過(guò)程如圖3所示。

        在兩位作戰(zhàn)參謀先后發(fā)起提案的場(chǎng)景中,由于指揮官必須批準(zhǔn)最先收到的決議,整個(gè)投票過(guò)程較為簡(jiǎn)單、清晰。

        3.2場(chǎng)景2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        接下來(lái)模擬兩位作戰(zhàn)參謀同時(shí)發(fā)起提案的場(chǎng)景,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程如下:

        (1)作戰(zhàn)參謀1發(fā)起提案,派通訊員A、B、C送信給3名指揮官,內(nèi)容為(number 1)。

        (2)3名指揮官情況如下:①指揮官甲和指揮官乙都收到作戰(zhàn)參謀1的提案,指揮官甲和指揮官乙將(number1)記錄下來(lái),并直接拒絕其他作戰(zhàn)參謀提出的更小編號(hào),同時(shí)讓通訊員送信回去,內(nèi)容為(ok);②負(fù)責(zé)通知指揮官丙的通訊員C走錯(cuò)道路后自行返回指揮部,因此指揮官丙未收到作戰(zhàn)參謀1的提案。

        (3)作戰(zhàn)參謀2也在同一時(shí)間發(fā)起提案,派通訊員D、E、F送信給3名指揮官,內(nèi)容為(number 2)。

        (4)3名指揮官情況如下:①指揮官乙和指揮官丙都收到作戰(zhàn)參謀2的提案,指揮官乙和指揮官丙將(number2)記錄下來(lái),并直接拒絕其他作戰(zhàn)參謀提出的更小編號(hào),同時(shí)讓通訊員帶信回去,內(nèi)容為(ok);②負(fù)責(zé)通知指揮官甲的通訊員D走錯(cuò)道路后自行返回指揮部,因此指揮官甲未收到作戰(zhàn)參謀2的提案。

        (5)作戰(zhàn)參謀1收到不少于兩名指揮官的答復(fù),再派通訊員送信給有答復(fù)的兩名指揮官,內(nèi)容為(number 1,at-tack time 1)。

        (6)兩名指揮官情況如下:①指揮官甲收到(number1,attack time 1),該編號(hào)與其已保存的編號(hào)相同,因此將(number 1,attack time 1)保存下來(lái),同時(shí)讓通訊員A帶信回去,內(nèi)容為(Accepted);②指揮官乙收到(number 1,at-tack time 1),由于乙處已保存編號(hào)2,1<2,則讓通訊員B送信回去,內(nèi)容為(Rejected,number2)。

        (7)作戰(zhàn)參謀2收到不少于兩名指揮官的答復(fù),再派通訊員送信給這兩名指揮官,內(nèi)容為(number2,attacktime2)。

        (8)指揮官乙和丙收到(number 2,attack time 2),與已保存的編號(hào)相同,則保存(number 2,attack time 2),并讓通訊員送信回去,內(nèi)容為(Accepted)。

        (9)作戰(zhàn)參謀2收到不少于兩名指揮官的(Accepted)答復(fù),確認(rèn)多數(shù)派已接受了提議的進(jìn)攻時(shí)間。

        (10)作戰(zhàn)參謀1只接收1名指揮官的(Accepted)答復(fù),同時(shí)接收到一個(gè)(Rejected,number2)的答復(fù)。作戰(zhàn)參謀1再次發(fā)起提案,派通訊員A、B、C送信給3名指揮官,內(nèi)容為(number 3)。

        (11)3名指揮官情況如下:①指揮官甲接收作戰(zhàn)參謀l的提案,由于之前保存了(number 1),3>1,因此保存(number 3),而指揮官甲已回復(fù)接受作戰(zhàn)參謀1之前的提案,則讓通訊員A送信回去,內(nèi)容為(number 1,attack time1);②指揮官乙接收作戰(zhàn)參謀1的提案,由于之前已保存(number 2),3>2,因此保存(number 3),而指揮官乙已回復(fù)接受作戰(zhàn)參謀2之前的提案,則讓通訊員B送信回去,內(nèi)容為(number 2,attack time 2);③負(fù)責(zé)通知指揮官丙的通訊員C走錯(cuò)道路后自行返回指揮部,因此指揮官丙未收到作戰(zhàn)參謀1的提案。

        (12)作戰(zhàn)參謀1接收了不少于兩名指揮官的答復(fù),比較其編號(hào)大小,選擇較大編號(hào)對(duì)應(yīng)的進(jìn)攻時(shí)間并發(fā)起新的提案。因此,作戰(zhàn)參謀1派通訊員A、B送信給這兩名指揮官,內(nèi)容為(number 3,attack time 2)。

        (13)指揮官甲和乙接收(number 3,attack time 2),與已保存的編號(hào)相同,因此保存(number 3,attack time 2),并讓通訊員送信回去,內(nèi)容為(Accepted)。

        (14)作戰(zhàn)參謀1接收不少于兩名指揮官的(Accepted)回復(fù),確認(rèn)提案的進(jìn)攻時(shí)間已被多數(shù)派接受。

        最終指揮部和3支作戰(zhàn)部隊(duì)利用Paxos算法統(tǒng)一了發(fā)起進(jìn)攻的時(shí)間,實(shí)現(xiàn)了分布式系統(tǒng)的指令一致性。投票過(guò)程如圖4所示。

        4結(jié)語(yǔ)

        云計(jì)算作為一種新型計(jì)算模式,為了使大規(guī)模計(jì)算機(jī)集群能夠有效協(xié)同工作,針對(duì)海量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高性能計(jì)算,采用了向量時(shí)鐘技術(shù)、改進(jìn)的一致性哈希算法等較為復(fù)雜的關(guān)鍵技術(shù)。其中谷歌云計(jì)算集群用來(lái)解決分布式一致性問(wèn)題的Paxos算法既是云計(jì)算課程教學(xué)中的重點(diǎn)又是難點(diǎn)。在本學(xué)院的云計(jì)算課程教學(xué)過(guò)程中試行本文給出的設(shè)計(jì)方案,之后進(jìn)行的測(cè)試表明,學(xué)生們對(duì)原本難以理解的Paxos算法工作原理有了較為清晰的認(rèn)識(shí)。該設(shè)計(jì)得到了學(xué)生的廣泛認(rèn)同,在教學(xué)實(shí)踐中取得了很好的效果,并為其它部分的知識(shí)難點(diǎn)教學(xué)提供了有益借鑒。

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