Согласование реплик

Согласование реплик, обеспечивающее хранение в каждой реплике последней версии данных файла, является одним из наиболее важных вопросов при разработке системы репликации. Так как изменяемые файлы являются наиболее распространенным типом файлов, то в какой-то момент времени данные в одной из реплик модифицируются и требуется предпринять усилия для распространения модификаций по всем остальным репликам. Существует несколько способов обеспечения согласованности реплик.

Чтение любой — запись во все (Read-Any — Write-All). При необходимости записи в файл все реплики файла блокируются, затем выполняется запись в каждую копию, после чего блокировка снимается и файл становится доступным для чтения. Чтение может выполняться из любой копии. Этот способ обеспечивает семантику разделения файлов в стиле UNIX. Недостатком является то, что запись не всегда можно осуществить, так как некоторые серверы, хранящие реплики файла, могут в момент записи быть неработоспособными.

Запись в доступные (Available-Copies). Этот метод снимает ограничение предыдущего, так как запись выполняется только в те копии, серверы которых доступны на момент записи. Чтение осуществляется из любой реплики файла, как и в предыдущем методе. Любой сервер, хранящий реплику файла, после перезагрузки должен соединиться с другим сервером и получить от него обновленную копию файла и только потом начать обслуживать запросы на чтение из файла. Для обнаружения отказавших серверов в системе должен работать специальный процесс, постоянно опрашивающий состояние серверов. Недостатком метода является возможность появления несогласованных копий файла из-за коммуникационных проблем в сети, когда невозможно выявить отказавший сервер.

Первичная реплика (Primary-Copy). В этом методе запись разрешается только в одну реплику файла, называемую первичной (primary). Все остальные реплики файла являются вторичными (secondary), и из них можно только читать данные. После модификации первичной реплики все серверы, хранящие вторичные реплики, должны связаться с сервером, поддерживающим первичную реплику, и получить от него обновления. Этот процесс может инициироваться как первичным сервером, так и вторичными (периодически проверяющими состоянии первичной реплики). Это метод является одной из реализаций метода «чтение любой — запись во все», в которой процесс записи реализован иерархическим способом. Для аккумулирования нескольких модификаций и сокращения сетевого трафика распространение модификаций может быть выполнено с запаздыванием, но в этом случае ухудшается согласованность копий. Недостатком метода является его низкая надежность — при отказе первичного сервера модификации файла невозможны (для решения этой проблемы необходимо повысить статус некоторого вторичного сервера до первичного).

Кворум (Quorum). Этот метод обобщает подходы, реализованные в предыдущих методах. Пусть в сети существует п реплик некоторого файла. Алгоритм основан на том, что при модификации файла изменения записываются в w реплик, а при чтении файла клиент обязательно производит обращение к г репликам. Значения да и г выбираются так, что w+r>n. При чтении клиент должен иметь возможность сначала проверить версию каждой реплики, а затем выбрать старшую и читать данные уже из нее. Очевидно, что при модификации файла номер версии должен наращиваться, а если при записи в w реплик они имеют разные версии, то выбирается максимальное значение версии для наращивания и присваивания всем репликам.

При выполнении условия w+r > n среди любых выбранных произвольным образом г реплик всегда найдется хотя бы одна из w реплик, в которую были записаны последние обновления. Так, если реплик восемь (и = 8), можно выбрать в качестве г значение 4, а в качестве w — значение 5 (рис. 10.7). Условие w+r> n при этом удовлетворяется.

Рис. 10.7. Примеры работы метода кворума

Предположим, что запись последних изменений была выполнена в реплики с номерами 3, 4, 5, 6, 8. Если при чтении выбраны реплики 1, 2, 3, 7, то реплика 3 окажется общей для операций записи и чтения, поэтому прочитаны будут корректные данные. В другом примере, который тоже иллюстрирует рисунок, г выбрано равным 2, a w — 7. Результат также получен корректный.

У метода кворума имеются частные случаи. Так, если r = 1, a w = n, то получаем метод «чтение любой — запись во все».

Примеры сетевых файловых служб: FTP и NFS