Entwurf und Implementierung eines Überwachungsdienstes für das adaptiv-dynamische Replikationsrahmenwerk adgsv

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1 CARL VON OSSIETZKY DEPARTMENT FÜR INFORMATIK SYSTEMSOFTWARE UND VERTEILTE SYSTEME Entwurf und Implementierung eines Überwachungsdienstes für das adaptiv-dynamische Replikationsrahmenwerk adgsv Individuelles Projekt 12. November 2006 Matthias Davidek Bloherfelder Str Oldenburg Erstprüfer Zweitprüfer Prof. Dr.-Ing. Oliver Theel Dipl.-Inform. Christian Storm

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3 Erklärung zur Urheberschaft Hiermit versichere ich, dass ich diese Arbeit selbständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel und Quellen benutzt habe. Oldenburg, den 12. November 2006 Matthias Davidek

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5 Die Überwachung von Zuständen und Abläufen eines System ist die zentrale Aufgabe eines Überwachungsdienstes. Bei Auffälligkeiten kann der Überwachungsdienst in den Ablauf eines Systems eingreifen und dieses steuern bzw. neu konfigurieren. Die Verwendung eines Überwachungsdienstes bewirkt eine Automatisierung der Kontrollierung eines Systems. Der Benutzer muss nicht selber den reibungslosen Ablauf des Systems überprüfen. Ein Überwachungsdienst kann Fehler im System entdecken und darauf reagieren, um die Fehler schnell zu beheben. Der Überwachungsdienst besitzt verschiedene Komponenten, die für die diversen Aufgaben zuständig sind. Ein Überwachungsdienst für das Rahmenwerk des adaptable dynamic General Structure Voting-Verfahren soll entwickelt und implementiert werden. Dieser soll in das Rahmenwerk integriert werden, um zu testen, ob der Überwachungsdienst Fehler in den Abläufen des Rahmenwerks entdeckt und dementsprechend reagieren kann. Der Überwachungsdienst soll die Möglichkeit bieten das adgsv-rahmenwerk durch Sensoren zu überwachen und bei Ereignissen durch Aktoren einzugreifen. Es sollen neue Sensoren und Aktoren implementiert und dem Überwachungsdienst zur Verfügung gestellt werden können. Mit Hilfe logischer Verknüpfungen soll die korrekte Zusammenarbeit der Sensoren und Aktoren gewährleistet werden. Zudem sollen die logischen Verknüpfungen zwischen den Sensoren und Aktoren angepasst und erweitert werden können. Messergebnisse und Statusmeldungen sollen persistent gespeichert und somit protokolliert werden.

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7 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Replikation Grundlagen Replikationsverfahren statische Replikationsverfahren dynamische Replikationsverfahren adaptable dynamic General Structure Voting Zusammenfassung Konzeption des Monitordienstes Der Monitordienst Sensoren und Aktoren Aufbau und Funktion von Sensoren Aufbau und Funktion von Aktoren Verwaltung von Sensoren und Aktoren Logik-Strukturen Aufbau und Funktion von Logik-Strukturen Verwaltung von Logik-Strukturen Persistentes Speichern von Ergebnissen Aufbau und Funktion des Storage-Handlers Zusammenfassung Architektur und Realisierung des Monitordienstes Technologien Konzept, Entwurf und Komponenten Erweiterungen Zusammenfassung Zusammenfassung und Ausblick 33 Literaturverzeichnis 34 A Handbuch 36 A.1 Installation A.2 Erste Schritte A.2.1 adgsv-rahmenwerk starten A.2.2 Monitordienst starten A.3 Sensoren A.3.1 Erstellen eines neuen Sensors A.3.2 Hinzufügen eines neuen Sensors

8 A.3.3 Entfernen eines registrierten Sensors A.3.4 Sensoren starten und stoppen A.4 Aktoren A.4.1 Erstellen eines neuen Aktors A.4.2 Hinzufügen eines neuen Aktors A.4.3 Entfernen eines registrierten Aktors A.5 Logik-Strukturen A.5.1 Erstellen einer neuen Logik-Struktur A.5.2 Hinzufügen einer neuen Logik-Struktur A.5.3 Entfernen einer registrierten Logik-Struktur A.6 Funktionen des Storage-Handlers A.7 Anzeigen von Informationen

9 Abbildungsverzeichnis 2.1 Eine 4 3 Gitterstruktur für 12 Knoten Schema des Monitordienstes Einzelne Sensoren werden von der abstrakten Basisklasse Sensor abgeleitet Einzelne Aktoren werden von der abstrakten Basisklasse Aktor abgeleitet Das Register des Sensor Managers Das Register des Aktor Managers Logik-Struktur als Verknüpfung zwischen Sensoren und Aktoren :1-Beziehung zwischen einem Sensor und Aktor :n-Beziehung zwischen einem Sensor und zwei Aktoren n:1-beziehung zwischen zwei Sensoren und einem Aktor Syntax der gesamten Logik-Struktur Der resultierende Graph aus der Logik-Struktur Das Register des Dispatchers Klassendiagramm des Monitordienstes

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11 1 Einleitung Replikationstechniken verfolgen das Ziel eine höhere Verfügbarkeit von Daten zu gewährleisten. Bei der Speicherung von Daten auf einem zentralen Rechner besteht das Problem, dass bei dem Ausfall des Rechners Zugriffe auf die Daten nicht mehr möglich sind (Single Point of Failure). Bei den Replikationstechniken werden verschiedene Kopien (Replikate) eines Datums auf verschiedenen Rechnern abgelegt. Wenn ein einzelner Rechner ausfällt, dann kann trotzdem auf das Datum auf einem anderen Rechner zugegriffen werden. Dabei stellen die Replikationsverfahren die gegenseitige Konsistenz der Replikate sicher, in dem verschiedene Strategien für Lese- und Schreiboperationen zur Verfügung gestellt werden. Die Replikationsverfahren lassen sich in zwei Gruppen einteilen. Es gibt statische und dynamische Replikationsverfahren. Bei den statischen Replikationsverfahren muss am Anfang die Anzahl der teilnehmenden Knoten definiert werden. Diese Anzahl ist fix und kann nicht verändert werden. Durch dieses Konzept kann es passieren, dass durch die vorgegebene Strategie, wenn eine bestimmte Anzahl an Knoten ausfällt, der Zugriff auf das Datum nicht mehr möglich ist. Um diesen Problem entgegen zu wirken, gibt es dynamische Replikationsverfahren, die auf Ausfälle oder das Hinzufügen von Knoten reagieren können. Bei den dynamischen Replikationsverfahren wird die Strategie nach dem Entfernen oder Hinzufügen eines Knotens angepasst. Die dynamischen Verfahren sind eine Erweiterung der statischen Verfahren, bei denen die Dynamikeigenschaften ergänzt wurden. Für die jeweiligen Verfahren wurde eine Vielzahl an Strategien entwickelt, die verschiedene Vor- und Nachteile je nach Anwendungszweck mit sich bringen. Das adaptable dynamic General Structure Voting-Verfahren (adgsv-verfahren) basiert analog wie das dynamic General Structure Voting-Verfahren (dgsv-verfahren) auf die Verwendung von Voting-Strukturen und Epochen. Es ermöglicht eine flexible Verwaltung von Replikaten, die zur Laufzeit in einer Voting-Struktur integriert oder aus einer Voting- Struktur entfernt werden. Des weiteren können inhomogene Strategien verwendet werden, in dem je nach Knotenanzahl eine andere Strategie verwendet wird. Zur Belegung der Durchführbarkeit des Konzepts hatte Dipl.-Inform. Christian Storm ein Rahmenwerk entwickelt und implementiert. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Implementierung eines Überwachungsdienstes für das adgsv-rahmenwerk. Der Überwachungsdienst soll in das Rahmenwerk integrierbar sein und soll somit den Funktionsumfang des adgsv-rahmenwerks erweitern. Die Aufgabe des Überwachungsdienstes ist Komponenten zur Verfügung zu stellen, mit denen die Überwachung bestimmter Bereiche und Funktionen des Rahmenwerks möglich ist. Des weiteren müssen Komponenten existieren, mit denen auf die Ergebnisse der Überwachung reagiert werden können. Es soll möglich sein bestimmte Aufgaben und Steuerungen des adgsv- Rahmenwerks automatisch durch den Überwachungsdienst vornehmen zu lassen. In dem folgenden Kapitel wird eine kurze Einführung in die Terminologie und Voraussetzun- 1

12 1 Einleitung gen der Replikationstechniken gegeben. Es werden die verschiedenen Replikationsverfahren betrachtet und das adgsv-verfahren wird vorgestellt. Das 3. Kapitel behandelt die Konzeption des Überwachungsdienst. Es werden Einblicke in die verschiedenen Komponenten für die Funktion des Überwachungsdienstes gegeben. Die Implementierung des Überwachungsdienstes, sowie die verwendeten Technologien werden in Kapitel 4 beschrieben. Das Kapitel 5 ist das abschließende Kapitel dieser Arbeit und bietet eine Zusammungfassung und einen Ausblick. 2

13 2 Replikation Zum besseren Verständnis der Thematik wird in diesem Kapitel eine kleine Einführung in das Thema der Replikation gegeben. Zunächst werden die grundlegenden Begriffe und Voraussetzungen für Repliaktionsverfahren erläutert. In Kapitel 2.2 werden die Replikationsverfahren, sowie deren Arbeitsweise und Unterschiede, betrachtet. Das in [Sto06] beschriebene adaptable dynamic General Structure Voting-Verfahren wird in dem Kapitel 2.3 kurz vorgestellt. 2.1 Grundlagen Replikation bedeutet eine Vervielfältigung von Daten. Der Inhalt der replizierten Daten ist jeweils identisch. Die Daten befinden sich dabei auf verschiedenen Rechnern, die über ein Netzwerk verbunden sind, was einem verteilten System entspricht. Ein verteiltes System besitzt eine Menge von voneinander unabhängigen Rechnern, die mit Hilfe eines Netzwerks miteinander verbunden sind und kommunizieren. Die einzelnen Rechner werden als Knoten bezeichnet. In einem verteilten System kann ein Knoten entweder verfügbar oder nicht verfügbar sein, d.h. die Knoten verhalten sich Fail-Stop [SS83]. Die Knoten des verteilten System stellen die verschiedenen Standorte für die Kopien der Daten dar. Die Kopie eines Datums wird auch als Replikat bezeichnet. Knoten, die ein Replikat eines Datums besitzen, nehmen an dem Replikationsverfahren für dieses Datum teil. Die Replikationsverfahren sorgen für die gegenseitige Konsistenz der Replikate. Ansätze des Korrektheitskriteriums für die Konsistenz der Replikate verwenden 1-Kopien-Serialisierbarkeit (1SR) [BHG87]. Dies besagt, dass Operationen auf einem replizierten Datum denselben Operationen auf einem nicht replizierten Datum gleichen. Für Lese- und Schreiboperationen auf den Knoten verwenden die Replikationsverfahren verschiedene konsistenzerhaltende Strategien. Die Anforderungen an die Replikationsverfahren unterscheiden sich in den Kosten und der Verfügbarkeit. Um geringe Leseoperationskosten zu erzielen, muss ein wahlfreier Zugriff innerhalb einer großen Anzahl an Replikaten ermöglicht werden. Eine kleine Anzahl an Replikaten, von denen möglichst wenige synchron aktualisiert werden müssen, erzielen geringe Schreiboperationskosten. Eine große Anzahl an Replikaten, die synchron aktualisiert werden, sorgen dagegen für die Erhaltung der Datenkonsistenz. Zur Konsistenzerhaltung verwenden die verschiedenen Strategien der Replikationsverfahren eine verschiedene Anzahl an Knoten für Lese- und Schreiboperationen. Die Menge der an dem Replikationsverfahren teilnehmenden Knoten, die für eine Operation gebraucht wird, wird als Quorum [AE92] bezeichnet. Für Leseoperationen gibt es Lesequoren und für Schreiboperationen gibt es Schreibquoren. Die einzelnen Quoren sind Teil einer Quorenmenge, die für die jeweilige Strategie des Replikationsverfahrens gebraucht wird. Es muss sichergestellt werden, dass ein Quorum aus einer nicht leeren Menge von dem am Replikationsverfahren teilnehmenden Knoten besteht. Des weiteren darf ein Quorum keine echte Teilmenge eines anderen Quorums sein. 3

14 2 Replikation Die Quoren der Quorenmenge müssen eine wichtige Eigenschaft erfüllen, damit die Konsistenz sicher gestellt werden kann. Jeweils zwei Schreibquoren oder ein Schreibquorum und ein Lesequorum einer Quorenmenge müssen sich so überschneiden, dass sie mindestens einen gemeinsamen Knoten besitzen. Eine Coterie [GB85, MN92] bezeichnet eine Quorenmenge, bei der alle enthaltenden Quoren diese Überschneidungseigenschaft erfüllen. Um den gegenseitigen Ausschluss von Schreiboperationen zu gewährleisten, muss die Schreibquorenmenge eine Coterie sein. Der gegenseitige Ausschluss von Lese- und Schreiboperationen wird gewährleistet, indem jedes Quorum aus der Lesequorenmenge mit jedem Quorum aus der Schreibquorenmenge eine Coterie bildet. Zudem wird sichergestellt, dass jedes Lesequorum mindestens einen Knoten mit einem aktuellen Replikat beinhaltet. Jeweils zwei Lesequoren müssen sich nicht überschneiden, da Leseoperationen nicht modifizierend und somit konsistenzgefährdend sind. Jeder am Replikationsverfahren teilnehmende Knoten besitzt eine positive Ganzzahl als Stimme. Wenn eine Operation durchgeführt werden soll, kann der Knoten seine Stimme dafür abgegeben. Hat der Knoten seine Stimme für eine Operation abgegeben, dann darf dieser seine Stimme bis zum Abschluss der Operation nicht erneut abgeben. Nach dem Abschluss der Operation darf der Knoten seine Stimme für neue Operationen wieder abgeben. Gibt ein Knoten seine Stimme für eine Operation nicht ab, dann wird die Durchführung dieser Operation verweigert. Beispiel Vier Knoten nehmen an einem Replikationsverfahren teil. Die Knoten werden als R1, R2, R3 und R4 bezeichnet. Für Lese- und Schreiboperationen muss die Mehrzahl der Knoten teilnehmen. Die Strategie des Replikationsverfahrens für Lese- und Schreiboperationen entspricht also dem Mehrheitsprinzip (Majority Consensus Voting [HHB96]). Die Lese- und Schreibquoren, die ebenfalls eine Coterie sind, sehen folgendermaßen aus: Q r w = {{R 1, R 2, R 3 }, {R 1, R 2, R 4 }, {R 1, R 3, R 4 }, {R 2, R 3, R 4 }} Lese- und Schreiboperationen auf einem Replikat werden als Transaktionen bezeichnet. Dabei muss beachtet werden, dass eine Transaktion ein Replikat von einem konsistenten Zustand in einen konsistenten Folgezustand überführt. Hierfür arbeiten die Transaktionen nach dem ACID-Prinzip [HHB96] und es wird das 2 Phase Commit (2PC)-Protokoll [Ske81] oder das 3 Phase Commit (3PC)-Protokoll [Ske81] benutzt. Eine Transaktion wird entweder komplett oder gar nicht aus- Atomicity (Atomizität) geführt. Consistency (Konsistenz) Eine Transaktion muss einen konsistenten Zustand in einen konsistenten Folgezustand überführen. Isolation Transaktionen zur Änderung eines Datums dürfen nur seriell ausgeführt werden. Nur das Endergebnis einer fertigen Transaktion darf gelesen oder verändert werden. Durability (Persistenz) Eine durchgeführte Änderung einer Transaktion bleibt dauerhaft erhalten und kann nur durch weitere Transaktionen verändert werden. 4

15 2.2 Replikationsverfahren 2.2 Replikationsverfahren Alle Knoten eines verteilten Systems, die an dem Replikationsverfahren für ein Datum teilnehmen, besitzen ein Replikat dieses Datums. Zur Erhaltung der gegenseitigen Konsistenz des Datums verfolgen die Replikationsverfahren bestimmte Strategien. Dabei sind verschiedene Voraussetzungen zu beachten, wodurch sich die Replikationsverfahren in zwei Kategorien einteilen lassen. Die beiden Kategorien sind statische und dynamische Replikationsverfahren. In den beiden folgenden Kapiteln werden die statischen und dynamischen Replikationsverfahren erläutert statische Replikationsverfahren Statische Replikationsverfahren setzen voraus, dass zu Beginn das verwendete Verfahren und die Anzahl der verwendeten Knoten fest definiert wird. Bei den statischen Replikationsverfahren wird also mit einer fixen Lese- und Schreibquorenmenge gearbeitet. Es ist nicht möglich während der Laufzeit das gewählte Verfahren und die Quorenmengen zu manipulieren. Die statischen Verfahren lassen sich in zwei Untergruppen unterteilen und zwar in unstrukturierte und strukturierte Verfahren. unstrukturierte Verfahren Bei den unstrukturierten Verfahren besteht die Anzahl der an dem Replikationsverfahren teilnehmenden Knoten in den Lese- und Schreibquoren aus der von der Strategie vorgegebenen Mindestanzahl an Knoten zur Durchführung einer Operation. Bei dem Weighted Voting-Verfahren [Gif79] werden die Knoten gewichtet, indem sie eine individuelle Stimmenzuordnung erhalten. Je nach Zuverlässigkeit der Knoten können diese durch eine hohe bzw. niedrige Stimmenanzahl entsprechend gewichtet werden. Es werden eine Vielzahl von Strategien bei den unstrukturierten Verfahren verwendet. Als Beispiel wird das Read One, Write All-Verfahren [HHB96] betrachtet. Die Beschreibung der anderen Strategien der unstrukturierten Verfahren ist [HHB96] zu finden. Read One, Write All-Verfahren Das Read One, Write All-Verfahren (ROWA) stellt die einfachste Strategie dar. Wie der Name bereits erkennen lässt, werden Schreiboperationen auf allen Knoten ausgeführt und Leseoperationen können auf einem beliebigen Knoten ausgeführt werden. Dabei besteht die Schreibquorenmenge aus einem Quorum mit allen an dem Replikationsverfahren teilnehmenden Knoten. Die Lesequorenmenge beinhaltet Quoren mit jeweils einem Knoten. Leseoperationen können ausgeführt werden, solange mindestens ein Knoten zur Verfügung steht. Bei den Schreiboperationen führt bereits der Ausfall eines Knoten zu einer Blockade aller Schreiboperationen bis der Ausfall behoben wurde. Damit trotz ausgefallener Knoten Schreiboperationen ausgeführt werden können, kann das Read One, Write All Available-Verfahren (ROWAA) [HHB96] verwendet werden. Dieses Verfahren toleriert bei den Schreiboperationen den Ausfall einzelner Knoten. Gegenüber dem ROWA-Verfahren werden bei dem ROWAA-Verfahren die Schreiboperationen bei Ausfällen von Knoten nicht verzögert und die Replikate können auf allen verfügbaren Knoten 5

16 2 Replikation aktualisiert werden. Das ROWAA-Verfahren toleriert den Ausfall von maximal n-1 Knoten. Nach der Reparatur eines ausgefallenen Knotens besteht die Gefahr, dass ein veraltetes Datum gelesen werden kann. Um dies zu verhindern, muss nach der Reparatur mit Hilfe eines speziellen Protokolls das Replikat aktualisiert werden. Des weiteren gibt es noch das Primary Copy ROWA- und das True Copy Token ROWA- Verfahren. Die beiden Varianten werden zum weiteren Verständnis des ROWA-Verfahrens nicht benötigt und werden nicht weiter betrachtet. Nähere Informationen sind in [HHB96] zu finden. strukturierte Verfahren Die an dem Replikationsverfahren teilnehmenden Knoten werden bei den strukturierten Verfahren in einer logischen Struktur angeordnet. Jeder Knoten ist an einer bestimmten Position der Struktur wiederzufinden. Anhand der Positionen werden die Lese- und Schreibquoren gebildet. Bei den strukturierten Verfahren werden verschiedene Strategien verwendet. Als Beispiel wird das Grid Protocol-Verfahren [AAC90] betrachtet. Die Beschreibung der anderen Strategien der strukturierten Verfahren ist [HHB96] zu finden. Grid Protocol-Verfahren Bei dem Grid Protocol-Verfahren (GP-Verfahren) werden die teilnehmenden Knoten logisch in einem Gitter angeordnet. Das Gitter besteht aus M Zeilen und N Spalten. Daraus ergibt sich ein M N-Gitter. Alle Stellen des Gitters müssen durch einen Knoten besetzt werden. Dadurch ist das GP-Verfahren auf Knotenanzahlen beschränkt, die M N entsprechen müssen. Jeder Knoten in dem Gitter ist mit jedem unmittelbaren Nachbarknoten verbunden. Ein Lesequorum muss jeweils einen Knoten aus jeder Spalte beinhalten (C-Cover). Eine andere Möglichkeit für ein Lesequorum ist alle Knoten aus einer Spalte (CC-Cover) zu beinhalten. Ein Schreibquorum besteht aus einem C-Cover und einem CC-Cover. Dies stellt sicher, dass sich die Knoten der Lese- und Schreibquoren überschneiden. In Abbildung 2.1 wird eine Gitterstruktur mit 12 Knoten gezeigt. Abbildung 2.1: Eine 4 3 Gitterstruktur für 12 Knoten 6

17 2.2 Replikationsverfahren dynamische Replikationsverfahren Dynamische Replikationsverfahren können auf das Ausfallen und Wiederherstellen von Knoten reagieren. Die Verfahren müssen an geänderte Knotenzahlen anpassbar sein und die verwendete Strategie auf die neue Knotenanzahl adaptieren können. Dadurch soll eine höhere Verfügbarkeit erzielt werden. Nach dem Ausfallen und Wiederherstellen von Knoten müssen die dynamische Verfahren darauf achtet, dass sie die Konsistenz der Daten erhalten. Das Problem besteht darin, dass nach dem Ausfall einiger Knoten das Verfahren für die Anzahl der funktionierenden Knoten angepasst wird. Bei dem neu angepassten Verfahren können weiterhin Schreiboperationen durchgeführt werden. Eine bestimmte Menge an ausgefallenen Knoten können nach der Wiederherstellung ein gültiges Lesequorum ergeben, das sich nicht mit einem Schreibquorum des angepassten Verfahrens überschneidet. Dadurch kann eine veraltete Version des Datums gelesen werden. Beispiel Es sei eine Voting-Struktur mit einem einfachen Mehrheitsverfahren mit sieben Knoten gegeben. Es fallen die Knoten R1, R2, R3 und R4 aus. Wenn die Strategie an die restlichen Knoten R5, R6 und R7 angepasst wird, dann können die Replikate auf diesen Knoten aktualisiert werden. Bei der Wiederherstellung der Knoten R1, R2, R3 und R4 ergeben diese Knoten ein gültiges Lesequorum für die Strategie mit sieben Knoten. Es besteht die Gefahr, dass dieses Lesequorum ein veraltetes Datum liest, da sich diese Knoten nicht mit den Knoten R5, R6 und R7 überschneiden. Die Verwendung von Epochen [LR93] vermeidet dieses Problem. Eine Submenge aller an dem Replikationsverfahren teilnehmender Knoten, die zu einer bestimmten Zeit verfügbar und verbunden sind, wird als Epoche bezeichnet. Zur Unterscheidung der Epochen existieren Epochennummer. Epochennummern sind positive Ganzzahlen, die mit null initialisiert werden. Wenn durch den Ausfall oder das Wiederherstellen eines Knotens das Verfahren angepasst werden muss, dann erfolgt ein Epochenwechsel, bei dem die Epoche um eins erhöht wird. Damit ein Epochenwechsel durchgeführt werden kann, wird die Zustimmung der Knoten eines Schreibquorums benötigt. Dieses Schreibquorum muss einem Schreibquorum der aktuellen und der neuen Epoche entsprechen. Die Vereinigungsmenge der beiden Schreibquoren erhalten dann die neue Strategie und Epochennummer. Lese- und Schreiboperationen dürfen nur auf Knoten ausgeführt werden, die die aktuelle Epochennummer besitzen und somit ein Teil der aktuellen Epoche sind. Existiert in einem Quorum ein Knoten, der eine niedrigere Epochennummer besitzt als die ermittelte aktuelle Epochennummer, dann wird die Operation gestoppt und der Knoten wird aktualisiert. Danach wird die Operation fortgesetzt. Die dynamischen Replikationsverfahren arbeiten identisch wie die in Kapitel erläuterten statischen Replikationsverfahren. Es werden die statischen Replikationsverfahren durch die o.g. dynamischen Eigenschaften erweitert und werden so zu dynamischen Replikationsverfahren. 7

18 2 Replikation 2.3 adaptable dynamic General Structure Voting Das adaptable dynamic General Structure Voting-Verfahren (adgsv -Verfahren) [Sto06] basiert analog wie das dynamic General Structure Voting-Verfahren (dgsv -Verfahren) [TS98, TS99] auf Voting-Strukturen [The93] und Epochen. Es unterstützt die Verwaltung einer flexibler Anzahl von Replikaten, da zur Laufzeit neue Knoten zu dem Replikationsverfahren hinzugefügt werden können oder teilnehmende Knoten entfernt werden können. Es können Strategiewechsel durchgeführt werden und es besteht die Möglichkeit der Nutzung von inhomogenen Strategien, bei denen für jede Knotenanzahl eine andere Strategie verwendet wird. Die Voting-Strukturen und das Hinzufügen bzw. das Entfernen von Knoten sind zentrale Punkte des adgsv-verfahrens. In den folgenden Abschnitten werden diese Punkte kurz erläutert. Nähere Informationen über das adgsv-verfahren sind in [Sto06, ST06] zu finden. Voting-Strukturen Durch das Hinzufügen und Entfernen von Knoten ändert sich die Knotenanzahl. Dem Verfahren muss zu jeder Knotenanzahl eine Voting-Struktur bekannt sein. Das adgsv-verfahren arbeitet mit Strukturgeneratoren, um diese Voraussetzung zu Erfüllen und um das Problem zu vermeiden, dass manuell potentiell unendlich viele Voting- Strukturen erstellt werden müssen. In den Strukturgeneratoren ist die Strategie des Verfahrens definiert. Für jede Strategie kann es einen Strukturgenerator geben, der vorher implementiert werden muss. Dieser erzeugt je nach Strategie für eine Knotenzahl die jeweilige Voting-Struktur. Es ist ebenfalls möglich manuell Voting-Strukturen zu erzeugen. Die Benutzung einer inhomogenen Strategie kann erreicht werden, indem für jede Knotenanzahl eine andere Strategie verwendet werden kann. Hinzufügen von Knoten Es ist möglich neue Knoten in das Replikationsverfahren zu integrieren. Hierfür muss der Knoten zunächst die Replikats- und Verfahrensinformationen erhalten. Der neue Knoten wird in die Menge der am Replikationsverfahren teilnehmenden Knoten hinzugefügt. Ist die Menge der an dem Replikationsverfahren teilnehmenden Knoten leer, so wird der neue Knoten als initialer Knoten in die Menge aufgenommen. Ansonsten führt der neue Knoten eine Aktualisierungsoperation anhand eines am Replikationsverfahren teilnehmenden Knotens durch. Danach startet der neue Knoten einen Epochenwechsel, bei dem eine neue Voting-Struktur erzeugt wird. Die neu erzeugte Voting-Struktur beinhaltet den neuen Knoten. Entfernen von Knoten Zunächst sucht der zu entfernende Knoten aus der Voting- Struktur, die auf allen Knoten derselben Epoche dieselbe ist, eine Menge an anderen Knoten, die einem Schreibquorum entsprechen. Von diesen Knoten versucht der zu entfernende Knoten die Epochen- und Versionsnummern zu ermitteln. Wird keine Antwort gesendet, wird versucht alternative Schreibquoren zu ermitteln, um die Informationen zu erhalten. Bleiben alle Versuche erfolglos, so wird das Entfernen des Knotens abgebrochen. Bei Erfolg wird aus dem Schreibquorum die höchste Epochen- und Versionsnummer erfragt. Besitzt der zu entfernende Knoten eine niedrigere Epochen- und Versionsnummer, so kann dieser aus dem Replikationsverfahren entfernt werden. Besitzen Knoten aus dem Schreibquorum eine kleinere Epochen- und Versionsnummer als die ermittelte höchste Epochen- und Versionsnummer, so müssen diese erst anhand des zu entfernenden Knotens aktualisiert werden, 8

19 2.4 Zusammenfassung bevor dieser gelöscht werden kann, da der zu entfernende Knoten ein aktuelleres Replikat besitzt. Zum Entfernen des gewünschten Knotens, initiiert dieser einen Epochenwechsel, bei dem der zu entfernende Knoten nicht mehr in der neu erzeugten Voting-Struktur vorhanden ist und löscht danach seine lokalen Daten. Wenn kein Epochenwechsel durchgeführt werden kann, dann wird das Entfernen des Knotens abgebrochen. Falls ein Abbruch statt gefunden hat, versucht der zu entfernende Knoten nach einer gewissen Zeitspanne erneut sich zu löschen. Dies wird solange probiert bis der Knoten erfolgreich entfernt wurde. Für das adgsv-verfahren wurde von Dipl.-Inform. Christian Storm ein Rahmenwerk entwickelt, in dem die o.g. Konzepte des adgsv-verfahren implementiert wurden. Es hat die Durchführbarkeit des Konzepts belegen und zu Testzwecken genutzt werden. 2.4 Zusammenfassung Die Unterschiede zwischen statischen und dynamischen Replikationsverfahren liegen in der Verwaltung der teilnehmenden Knoten. Bei den statische Verfahren müssen am Anfang die teilnehmenden Knoten festgelegt werden. Die Anzahl der Knoten ist fix und kann nicht geändert werden. Bei Ausfällen von Knoten kann der Zugriff auf die Daten durch die vorgegebene Strategie nicht mehr gegeben werden. Mit Hilfe der Erweiterung von dynamischen Eigenschaften, die mit einer dynamischen Anzahl von Knoten arbeiten können, kann diese Beschränkung aufgehoben werden. Die dynamischen Replikationsverfahren verwenden die selben Strategien wie die statischen Replikationsverfahren, die durch die Dynamikeigenschaften erweitert wurden. Das adgsv-verfahren als Erweiterung und Weiterführung des dsgv-verfahrens bietet die Möglichkeit inhomogene Strategien zu verwenden. Replikate können zu dem Replikationsverfahren hinzugefügt werden oder aus dem Replikationsverfahren entfernt werden. Je nach Knotenanzahl kann eine andere Strategie verwendet werden. Voting-Strukturen können je nach Strategie manuell oder durch Strukturgeneratoren für die jeweilige Anzahl von Knoten erstellt werden. Das folgende Kapitel stellt die Konzeption eines Monitordienstes, der als Überwachungsdienst im adgsv-rahmenwerk dienen soll, vor. Der Funktionsumfang des adgsv- Rahmenwerks soll durch den Einsatz des Monitordienstes erweitert werden. Es werden die Überwachungs- und Aktionskomponenten, sowie deren Zusammenarbeit, erläutert. 9

20 3 Konzeption des Monitordienstes Der Monitordienst stellt eine Ergänzung des Funktionsumfangs des adgsv-rahmenwerks dar. Mit Hilfe von Sensoren und Aktoren werden Komponenten zur Verfügung gestellt, die Aufgaben der Überwachung und des Eingreifens in das adgsv-rahmenwerk übernehmen. Die dabei anfallendenden Messergebnisse und Änderungsmeldungen werden gespeichert und protokolliert. Dem Benutzer des Monitordienstes wird die Möglichkeit geboten den Monitordienst je nach Aufgabenbereich anzupassen und zu erweitern. Es können neue Sensoren, Aktoren, Verknüpfungen und Storage-Handler zum persistenten speichern erstellt und dem Monitordienst zugänglich gemacht werden. In diesem Kapitel wird die Konzeption des Monitordienstes vorgestellt. Zunächst wird der generelle Aufbau und die Funktion des Monitordienst erläutert. Abschnitt 3.2 behandelt die Sensoren und Aktoren, die als zentrale Komponenten zur Überwachung und zur Änderung der Konfiguration des adgsv-rahmenwerks dienen. Der Aufbau, die Funktion und die Verwaltung der logischen Verknüpfung von Sensoren und Aktoren wird in Abschnitt 3.3 beschrieben. Zuletzt wird die Speicherung von Messergebnissen und Statusmeldungen im Monitordienst im Abschnitt 3.4 betrachtet. 3.1 Der Monitordienst Als Monitordienst wird das gesamte System bezeichnet, das zur Überwachung von Ereignissen und Zuständen des adgsv-rahmenwerks dient. Für ein solches System werden verschiedene Komponenten benötigt, die jeweils bestimmte Teilaufgaben bewältigen. Folgende Komponenten sind für den Monitordienst wichtig: ˆ Die Komponente zur Registrierung von Ereignissen und Zuständen (Sensor) ˆ Die Komponente zum Eingriff bzw. Steuerung auf Grund bestimmter Ereignisse und Zustände (Aktor) ˆ Die Komponente zum Speichern von Ergebnissen und Meldungen ˆ Die Komponenten zur Steuerung und Verwaltung des Monitordienstes Detailliertere Ausführungen zu den jeweiligen Komponenten des Monitordienstes sind in den nachfolgenden Kapiteln zu finden. Mit Hilfe der Sensoren überwacht der Monitordienst bestimmte Bereiche des adgsv- Rahmenwerks. Die Ergebnisse der Überwachung werden gespeichert. Schlägt ein Sensor Alarm, dann greifen die Aktoren ein. Die Änderungen, die die Aktoren vornehmen werden in Form einer Meldung gespeichert. 10