Zatwierdzanie dwufazowe (2PC) to algorytm rozproszony stosowany w informatyce w celu zapewnienia spójności transakcji w wielu bazach danych lub zasobach. Gwarantuje, że albo wszystkie uczestniczące węzły zobowiążą się do transakcji, albo żaden z nich tego nie zrobi, zachowując w ten sposób integralność danych i zapobiegając niespójnościom w systemach rozproszonych.
Historia powstania zobowiązania dwufazowego i pierwsza wzmianka o nim
Pojęcie zatwierdzania dwufazowego zostało po raz pierwszy wprowadzone przez EW Dijkstrę w 1974 r. w jego artykule zatytułowanym „Rozwiązanie problemu w sterowaniu programowaniem współbieżnym”. Później, w 1981 roku, protokół zatwierdzania dwufazowego został formalnie opisany przez Jima Graya i Andreasa Reutera w ich wpływowym artykule „Przetwarzanie transakcji: koncepcje i techniki”.
Szczegółowe informacje na temat zatwierdzania dwufazowego
Zatwierdzanie dwufazowe jest przeznaczone do zarządzania transakcjami rozproszonymi, w których zaangażowanych jest wiele węzłów lub baz danych. Istotne jest, aby wszystkie węzły zgodziły się na zatwierdzenie lub przerwanie transakcji. Protokół działa w dwóch fazach: fazie przygotowania i fazie zatwierdzania.
W fazie przygotowawczej:
- Węzeł koordynujący wysyła żądanie przygotowania do wszystkich uczestniczących węzłów.
- Każdy uczestnik odpowiada, zgadzając się (TAK) lub nie zgadzając się (NIE).
- Jeśli któryś z uczestników nie zgodzi się, koordynator poleca wszystkim węzłom przerwanie transakcji.
W fazie zatwierdzania:
- Jeżeli w fazie przygotowawczej wszyscy uczestnicy zgodzili się (TAK), koordynator wysyła żądanie zatwierdzenia do wszystkich węzłów.
- Po otrzymaniu żądania zatwierdzenia każdy uczestnik finalizuje transakcję, wprowadzając niezbędne zmiany na stałe.
- Jeżeli któryś z uczestników nie zgodził się (NIE) w fazie przygotowawczej, koordynator wysyła żądanie przerwania do wszystkich węzłów, a transakcja jest wycofywana.
Wewnętrzna struktura zatwierdzania dwufazowego i jak to działa
Zatwierdzenie dwufazowe obejmuje następujące elementy:
-
Koordynator: Odpowiedzialny za inicjowanie transakcji i zarządzanie nią. Komunikuje się ze wszystkimi uczestniczącymi węzłami i na podstawie ich odpowiedzi określa, czy zatwierdzić, czy przerwać transakcję.
-
Uczestnicy: węzły lub bazy danych zaangażowane w transakcję. Odpowiadają na prośbę koordynatora o przygotowanie, wyrażając zgodę lub sprzeciw.
-
Dziennik transakcji: Każdy uczestnik prowadzi dziennik transakcji, w którym rejestrowane są wszystkie zmiany dokonane podczas transakcji. Ten dziennik pomaga zapewnić, że zmiany będą mogły zostać wycofane, jeśli zajdzie taka potrzeba.
Algorytm przebiega w następujący sposób:
-
Koordynator rozpoczyna fazę przygotowań, wysyłając prośbę o przygotowanie do wszystkich uczestników.
-
Każdy uczestnik głosuje (zgadza się lub nie) w sprawie tego, czy może zatwierdzić transakcję.
-
Koordynator zbiera wszystkie głosy i decyduje o zatwierdzeniu lub przerwaniu transakcji.
-
W fazie zatwierdzania koordynator wysyła żądanie zatwierdzenia lub przerwania do wszystkich uczestników w oparciu o wynik fazy przygotowania.
-
Uczestnicy podejmują ostateczną decyzję, albo zatwierdzają zmiany na stałe, albo wycofują transakcję.
Analiza kluczowych cech zatwierdzania dwufazowego
Zatwierdzenie dwufazowe oferuje kilka kluczowych funkcji:
-
Atomowość: Zapewnia, że albo wszystkie węzły zatwierdzą, albo żaden z nich tego nie zrobi, co pozwala uniknąć częściowych lub niespójnych aktualizacji.
-
Konsystencja: Protokół gwarantuje, że system pozostanie spójny, nawet w przypadku awarii.
-
Trwałość: Po zatwierdzeniu transakcji zmiany stają się trwałe i przetrwają awarie systemu.
-
Blokowanie natury: Zatwierdzenie dwufazowe ma charakter blokujący, co oznacza, że może czekać w nieskończoność na odpowiedź uczestników, co prowadzi do potencjalnych opóźnień.
Rodzaje zatwierdzania dwufazowego
Istnieją odmiany protokołu zatwierdzania dwufazowego, w tym:
| Typ | Opis |
|---|---|
| Podstawowe zatwierdzenie dwufazowe | Wersja standardowa opisana wcześniej. |
| Zatwierdzenie trójfazowe | Dodaje dodatkową fazę „przed zatwierdzeniem”, aby rozwiązać problemy z blokowaniem. |
| Optymistyczne zobowiązanie | Umożliwia uczestnikom wstępne zatwierdzenie przed otrzymaniem decyzji od koordynatora. |
Sposoby stosowania zatwierdzania dwufazowego, problemy i ich rozwiązania
Zatwierdzenie dwufazowe znajduje zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak:
-
Zarządzania bazami danych: Zapewnienie spójności i integralności w rozproszonych systemach baz danych.
-
Transakcje w handlu elektronicznym: Zarządzanie transakcjami na wielu serwerach podczas zakupów online.
Protokół ma jednak pewne ograniczenia:
-
Bloking: Blokujący charakter 2 komputerów może prowadzić do problemów z wydajnością, szczególnie w systemach o dużej skali.
-
Pojedynczy punkt awarii: Koordynator działa jako pojedynczy punkt awarii; w przypadku awarii cały proces transakcji może zakończyć się niepowodzeniem.
Aby złagodzić te problemy, niektóre rozwiązania obejmują:
-
Optymalizacje: Wdrażanie technik optymalizacji, takich jak strategie zatwierdzenia chętnie lub zatwierdzania nieblokującego, w celu ograniczenia problemów z blokowaniem.
-
Redundancja koordynatora: Wprowadzenie redundancji koordynatorów z mechanizmem przełączania awaryjnego w celu poprawy odporności na błędy.
Główna charakterystyka i inne porównania z podobnymi terminami
| Charakterystyka | Porównanie z zatwierdzeniem dwufazowym |
|---|---|
| Konsystencja | Podobnie jak w przypadku zatwierdzania trójfazowego i Paxos w utrzymywaniu spójności w systemach rozproszonych. |
| Wydajność | W porównaniu do Paxos i Raft, zatwierdzenie dwufazowe może wykazywać większe opóźnienia z powodu blokowania. |
| Tolerancja błędów | Zarówno zatwierdzanie dwufazowe, jak i Paxos zapewniają odporność na błędy, natomiast zatwierdzanie dwufazowe jest prostsze do wdrożenia. |
| Narzut komunikacyjny | Raft ma niższy narzut komunikacyjny niż zatwierdzanie dwufazowe, dzięki czemu jest bardziej odpowiedni dla systemów o dużej skali. |
Perspektywy i technologie przyszłości związane z zatwierdzaniem dwufazowym
W miarę ewolucji systemów rozproszonych mogą pojawić się bardziej wydajne i odporne na błędy protokoły transakcyjne. Naukowcy badają alternatywy, takie jak Raft, Paxos i warianty zobowiązania dwufazowego, aby rozwiązać problemy związane z ograniczeniami i skalowalnością. Ponadto postępy w algorytmach konsensusu i uczeniu maszynowym mogą prowadzić do nowatorskich sposobów osiągania rozproszonego porozumienia.
Jak serwery proxy mogą być używane lub kojarzone z zatwierdzaniem dwufazowym
Serwery proxy działają jako pośrednicy między klientami a serwerami, obsługując żądania i odpowiedzi w imieniu klientów. Chociaż serwery proxy nie są bezpośrednio powiązane z zatwierdzaniem dwufazowym, mogą odgrywać znaczącą rolę w dystrybucji transakcji pomiędzy wieloma serwerami zaplecza.
Gdy klienci inicjują transakcje rozproszone za pośrednictwem serwera proxy, serwer proxy może inteligentnie kierować żądania do różnych węzłów zaplecza, uczestnicząc w protokole zatwierdzania dwufazowego. Pozwala to na równoważenie obciążenia i zwiększoną odporność na awarie w systemach rozproszonych. Co więcej, serwery proxy mogą buforować odpowiedzi, zmniejszając obciążenie węzłów zaplecza i poprawiając ogólną wydajność systemu.
powiązane linki
- Transakcje rozproszone: protokół zatwierdzania dwufazowego
- Przewodnik po protokole zatwierdzania dwufazowego
- Protokoły konsensusu: zobowiązanie dwufazowe a Paxos
- Zrozumienie algorytmu konsensusu tratwy
- Paxos w prosty sposób
Podsumowując, zatwierdzenie dwufazowe jest kluczowym algorytmem rozproszonym zapewniającym utrzymanie spójności transakcyjnej w wielu węzłach. Pomimo blokującego charakteru i podatności na ataki koordynatora, pozostaje on szeroko stosowany w różnych aplikacjach. W miarę rozwoju technologii badacze w dalszym ciągu badają alternatywy i optymalizacje, a serwery proxy mogą zwiększyć ich skuteczność w systemach rozproszonych. Zrozumienie niuansów protokołu zatwierdzania dwufazowego jest niezbędne do tworzenia solidnych i niezawodnych aplikacji rozproszonych.
