НИС Распределенные системы (осень 2016)

Информация про семинар

В рамках научно-исследовательского семинара по распределенным системам изучаются основные понятия, принципы и результаты предметной области.

Оценка

Оценка за НИС складывается из двух частей: оценки за практические задания и общей оценки.

S = S_tasks + S_general

Практических заданий -- две штуки: одно на программирование, одно на работу с текстом. За первое задание можно получить максимум 5 баллов, за второе максимум 3 балла. Сдача после дедлайна штрафуется. За каждый просроченный модуль -- минус балл. Таким образом, максимум за первое задание при сдаче во втором модуле можно получить 4 балла, в третьем -- 3, в четвертом -- 2.

Общая оценка складывается из трех частей: посещаемости, участия в семинарах и экзамена. Суммарно общая оценка ограничена сверху 3 баллами. Посещаемость оценивается в 0.25 балла за каждый модуль, если вы посетили более половины занятий в данном модуле. Активность -- до 0.50 балла каждый модуль по усмотрению преподавателя. Экзамен -- до 2.00 баллов (4*0.50).

S_general = min(3.00, S_attendance + S_participation + S_exam); S_attendance <= 1.00; S_participation <= 2.00; S_exam <= 2.00

Текущая таблица с оценками доступна по ссылке.

Занятия

1 модуль

2 сентября

Вводное занятие.

Материалы:

• Mockapetris, Dunlap -- Development of the domain name system (pdf)

9 сентября

Занятия не будет.

16 сентября

Сетевое взаимодействие в распределенных системах.

Материалы:

• Google Code University -- Introduction to Distributed Systems Design (pdf)
• Birrell, Nelson -- Implementing remote procedure calls (pdf)
• Eriksen -- Your server as a function (pdf)
• (по желанию) Liskov -- Promises: linguistic support for efficient asynchronous procedure calls in distributed systems (pdf)
• (по желанию) Futures/Promises в C++: интерфейс (1, 2, 3), рабочая имплементация (1).

23 сентября

Время, часы, синхронизация событий.

Материалы:

• Lamport -- Time, clocks and the ordering of events in a distributed system (pdf)
• Fidge -- Timestamps in message-passing systems that preserve the partial ordering (pdf)
• Mills -- Internet time synchronization: the network time protocol (pdf)

30 сентября

Синхронизация событий (продолжение). Когерентность памяти.

Материалы:

• Li, Hudak -- Memory coherency in shared virtual memory systems (pdf)

7 октября

Ослабление модели памяти. Слабоконсистентные хранилища на примере Bayou.

Материалы:

• Terry et. al. -- Managing update conflicts in Bayou, a weakly connected replicated storage system (pdf)

14 октября

Занятия не будет.

21 октября

Детальный рассказ о предлагаемых курсовых работах от руководителей.

2 модуль

4 ноября

Занятия не будет.

11 ноября

Задача распределенного консенсуса. Paxos.

• Lamport -- Paxos made simple (pdf)
• (по желанию) Lamport -- The part-time parliament (pdf; история публикации)
• Ousterhout -- Paxos lecture (video; 1.0ч)
• Guerraoui -- Paxos lecture (video; 0.5ч)

18 ноября

Распределенный консенсус, продолжение. Viewstamped replication.

• Liskov, Cowling -- Viewstamped replication revisited (pdf)
• Oki, Liskov -- Viewstamped replication: a new primary copy method to support highly available distributed systems (pdf)

25 ноября

Распределенный консенсус, продолжение. Raft.

• Ongaro, Ousterhout -- In search of understandable consensus algorithm (pdf)
• (по желанию) Howard et. al. -- Raft refloated: do we have consensus? (pdf)
• Ousterhout -- Raft lecture (video; 1.0ч)

2 декабря

Распределенный консенсус, завершение.

• Chandra et. al. -- Paxos made live: an engineering perspective (pdf)
• van Renesse et. al. -- Vive la différence: Paxos vs. Viewstamped replication vs. Zab (pdf)
• (по желанию) Junqueira et. al. -- Zab: high performance broadcast for primary-backup systems (pdf)
• (по желанию) Medeiros -- ZooKeeper's atomic broadcast protocol: theory and practice (pdf)

9 декабря

CRDTs: счетчики (G, PN, NN), множества (G, 2P, U, LWW, PN, OR).

• Shapiro et. al. -- A comprehensive study of convergent and commutative replicated data types (pdf)

16 декабря

CRDTs: списочные структуры.

• Nedelec et. al. -- LSEQ: an adaptive structure for sequences in distributed collaborative editing (pdf)

3 модуль

24 января

Иерархические блокировки.

• Grey et. al. -- Granularity of locks in a shared database (pdf)

31 января

Уровни изоляции. Классификация через аномалии.

• Bernson et. al. -- A critique of ANSI SQL isolation levels (pdf)

7 февраля

Уровни изоляции. Формальная модель.

• Adya, Liskov, O'Neil -- Generalized isolation level definitions (pdf)

14 февраля

Уровни изоляции & управление одновременным исполнением транзакций.

• Xie et. al. -- High-performance ACID via modular concurrency control (pdf)

21 февраля

Отмена занятия.

28 февраля

Окончание уровней изоляции (закончили разбор материалов с предыдущих семинаров).

7 марта

Отладка распределенных систем: трассировка сетевого взаимодействия.

• Fonseca et. al. -- X-Trace: a pervasive network tracing framework (pdf)
• Sigelman et. al. -- Dapper, a large-scale distributed systems tracing infrastructure (pdf)

14 марта

Отладка распределенных систем: отладка производительности, вывод взаимосвязей событий.

• Barham et. al. -- Magpie: online modelling and performance-aware systems (pdf)
• Chow et. al. -- The mystery machine: end-to-end performance analysis of large-scale internet services (pdf)

21 марта

Отладка распределенных систем: вывод взаимосвязей событий.

• Mace et. al. -- Pivot tracing: dynamic causal monitoring for distributed systems (pdf)

4 модуль

10 апреля

Сервисы блокировок.

• Burrows -- The Chubby lock service for loosely-coupled distributed systems (pdf)
• Hunt et. al. -- ZooKeeper: wait-free coordination for Internet-scale systems (pdf)

17 апреля

ZooKeeper, продолжение. Реализация примитивов блокировок, семафор, очередей, выбора лидера, двухфазной фиксации транзакций.

21 апреля

• Tasci et. al -- Panopticon: an omniscient lock broker for efficient distributed transactions in the datacenter (pdf)

Будущие занятия

Для справки ниже перечислен предполагаемый список тем для изучения на последующих занятиях. Если у вас есть предложения, что какие работы, темы стоит разобрать на семинаре, то пишите мне на sandello@gmail.com.

• P2P (BitTorrent, BitCoin)
• Управление ресурсами (DRF; Borg; Omega)

Практические задания

Сдача заданий

Сдача заданий происходит через Anytask (ссылка: http://anytask.org/course/116 ; инвайт: Q8eM54X). Если инвайт перестает работать / не удается зарегистрироваться -- пишите мне.

Lamport Mutex

В рамках первого практического задания вам предлагается реализовать распределенный алгоритм взаимного исключения, описанный Лампортом в статье Time, clocks and the ordering of events in a distributed system (см. материалы занятия от 23.09).

Требования к реализации

1. Конфигурация конкретного процесса (например, локальный адрес и порт для слушающего сокета, список адресов и портов других процессов, режим работы) указывается через аргументы командной строки.
2. Сетевое взаимодействие должно быть вынесено за RPC-слой. RPC-слой вам нужно реализовать самостоятельно. От вас не требуется сверхоптимальный код; от вас требуется создать целостную абстракцию. Клиентский код (использующий RPC-сервис), серверный код (реализующий RPC-сервис), транспортный код (сериализация/десериализация, работа с сетью) должны быть разделены.
3. Каждый процесс должен поддерживать логические часы.
4. Каждый из процессов должен вести собственный, локальный журнал событий request / acquire / release (запрос на взятие mutex-а, взятие mutex-а, освобождение mutex-а). Каждое событие должно быть аннотировано физическим временем, логическим временем, PID-ом.
5. При взятии mutex-а (событие acquire) процесс должен открыть некий специальный файл (например, ~/mutex.txt; путь до файла указывается в аргументах командной строки), вызывать flock(_, LOCK_EX | LOCK_NB), записывать в файл пометку (PID, логическое время взятие mutex-а, логическое время освобождение mutex-а), после чего отпускать (release) mutex.
6. Должны поддерживаться два режима работы: ручной, когда взятие mutex-а инициирует пользователь (по команде с stdin), и стрессовый, когда процесс в бесконечном цикле пробует взять mutex без задержек.
7. Для реализации можно использовать языки C++, Python, Java, Go.

Требования к тестированию

1. Должны быть написаны юнит-тесты на алгоритм взятия mutex-а, подменяющие сетевую имплементацию RPC-сервиса на локальную.
2. Должна быть проведена экспериментальная проверка корректности работы в стресс-режиме для 10 запущенных процессов (в случае корректной работы не должно быть ошибок от flock-а на разделяемый файл).
3. Должна быть написана утилита анализа локальных логов процессов, проверяющая, что по логическим часам периоды acquire-release не пересекаются, и что для каждого процесса acquire следует строго после request.

Требования к сдаче

При сдаче в Anytask (см. общую часть про сдачу задания) укажите:

• ссылку на github/bitbucket репозиторий;
• ссылки на реализацию алгоритма Лампорта;
• ссылку на реализацию RPC-слоя (где происходит сетевое взаимодействие, где устанавливаются соединения, где происходит серилизация/десериализация вызовов, где происходит регистрация сервисов);
• ссылку на реализацию логических часов;
• ссылку на анализатор локальных логов процессов;
• инструкцию по сборке проекта;
• инструкцию по запуску юнит-тестов;
• инструкцию по запуску стресс-теста с 10 процессами;
• инструкцию по запуску анализатора локальных логов.

Критерии сдачи

Задание считается сданным, если:

• предоставлена реализация алгоритма, удовлетворяющая вышеуказанным требованиям;
• юнит-тесты успешно отрабатывают;
• стресс-тест успешно отрабатывает;
• анализатор локальных логов подтверждает корректность значений логических часов.

Дополнительные указания

• Обычно при имплементации RPC-слоя возникают такие абстракции как стаб (интерфейс, используемый клиентской стороной и реализуемый серверной стороной), сервис (отвечает за маршрутизацию конкретного вызова в конкретный метод языка), сервер (отвечает за сетевое серверное взаимодействие (bind+accept), маршрутизацию вызова в конкретный сервис), канал (создается клиентом, скрывает сетевое взаимодействие (connect), реализует отправку запросов и получение ответов). На клиенте стаб связывается с каналом, на сервере -- с сервисом.
• Учтите, что в данном задании каждый процесс является и клиентом, и сервером одновременно. Чтобы не запутаться, реализуйте сначала простейший ping-pong сервис поверх вашего RPC-слоя, чтобы отработать сетевое взаимодействие.
• Алгоритм Лампорта, как и многие другие распределенные алгоритмы, формулируется в терминах реакции на события (сообщения). Если вы не знаете с чего начать имплементацию, то выделите события и пересылаемые сообщения, участвующие в алгоритме, распишите подробно реакцию на них, обдумайте, какое состояние должно сохраняться между вызовами обработчиков событий.

Обзор литературы и рецензирование

TL;DR

1. Определитесь с командой (2-3 человека), запишитесь в табличку: https://docs.google.com/spreadsheets/d/1pfcTgQQt8zFXePhFhFm4xK0gdoGqppzm-rP25d1v_Ug/edit?usp=sharing (первый лист), распределите статьи.
2. Напишите обзор по статьям. Отправьте обзор вашим рецензентам.
3. Определитесь с рецензируемыми вами работами, запишитесь в той же табличке на втором листе: в строке с вашей фамилией поставьте "X" в колонке с рецензируемой работой (одна работа должна быть из вашей команды, одна -- не из вашей).
4. Напишите реценизии. Не забудьте отправить копию авторам обзора.
5. Отправьте копию обзора (в Google Document) и копию рецензии (тоже в Google Document) в Anytask.

Описание задание

В рамках данного задания вам нужно изучить несколько работ по интересной вам теме, написать краткий обзор по них, а также отрецензировать обзоры ваших однокурсников. Целей у данного задания две: первая -- научиться искать и разбирать материал по интересующей вас теме, выделять главные аспекты и воссоздавать логику работы; вторая -- научиться критически оценивать представляемые результаты и их аргументацию.

Структурно, задание проходит в несколько этапов: 1. выбор работ для изучения, 2. разбиение по минигруппам, 3. изучение работ, 4. написание обзора, 5. рецензирование смежных обзоров.

Предполагается, что некоторой фиксированной темы 2-3 человека выбирают себе по 2-3 работы каждый; далее, каждый человек пишет собственный обзор выбранных работ; далее, каждый человек рецензирует 2-3 обзора от своих смежников (один обзор из своей группы + один обзор не из своей группы).

Оценка за задание складывается из двух частей -- "зачет//не зачет" за написание собственного обзора и "зачет//не зачет" за рецензирование работ.

Далее приведены более подробные пояснения по каждому из этапов.

Выбор работ для изучения

Вы можете, в целом, выбрать любую интересную вам тему, по которой есть публикации за последние 15 лет.

Например, можете изучить работы с конференций:

1. OSDI 2016, 2014, 2012, ...
2. VLDB 2016, 2015, 2014, ...
3. SIGMOD/PODS 2016/ 2016, 2015/ 2015, 2014/ 2014, ...
4. EUROSYS 2016, 2015, 2014, ...
5. PODC 2016, 2015, 2014, ...
6. SOCC 2016, 2015, 2014, ...
7. SYSTOR 2016, 2015, 2014, ...
8. HOTSTORAGE 2016, 2015, 2014, ...
9. FAST 2016, 2015, 2014, ...
10. ATC 2016, 2015, 2014, ...

Поисковик по статьям:

1. Scholar Google

Скомпоновать работы можно из разных соображений:

1. сравнительный анализ разных подходов,
2. детальный углубленный разбор одной из существующих систем,
3. вводный обзор по какой-либо тематике.

Примеры подборок:

1. алгоритмы деанонимизации в Tor (выбрать несколько разных методов, выделить, чем они отличаются, сравнить),
2. вариации Paxos (Ring Paxos -- с мультикастом для доставки данных, Net Paxos -- с имплементацией на сетевом уровне, Egalitarian Paxos -- для WAN; методы эксплуатируют разные идеи -- выделить какие, зачем, где применимы),
3. ослабление требований в Paxos (Flexible Paxos, Ios),
4. криптовалюты (BTC-vs-ETH-vs-...),
5. gossip-протоколы ("Efficient and Adaptive Epidemic-Style Protocols for Reliable and Scalable Multicast", "Bounded gossip: a gossip protocol for large-scale datacenters"),
6. файловая система BetrFS ("BetrFS: A Right-Optimized Write-Optimized File System", "Optimizing Every Operation in a Write-Optimized File System", "File Systems Fated for Senescence? Nonsense, Says Science!").

Разбиение по минигруппам

Одна минигруппа -- это 2-3 человека, которые разбирают 2-3 работы каждый. При этом у каждого в минигруппе хотя бы одна изучаемая работа уникальна.

Пример:

1. тема -- вариации Paxos; человек 1 -- Paxos Made Simple (базовая работа) + Ring Paxos; человек 2 -- Paxos Made Live + Net Paxos; человек 3 -- Paxos Made Simple + Egalitarian Paxos.
2. тема -- BetrFS: человек 1 -- BetrFS + Optimizing Every Opration; человек 2 -- BetrFS + File Systems Faed for Senescence?

Изучение работ и написание обзора

От вас требуется разобраться в работе, определить её актуальность и значимость, выделить основные идеи и результаты работы, сравнить их с альтернативами (если применимо), выделить сильные и слабые стороны работы. Целевой объем обзора -- 2-3 страницы. Критерий хорошего обзора -- что на его основе ваш однокурсник может составить представление об изучаемой области.

Примерный список вопросов, которые стоит затронуть в обзоре:

1. какая задача решается?
2. почему эта задача важна, в чем польза от её решения?
3. почему эта задача актуальна, насколько часто она возникает, насколько широко распространена?
4. какие были предыдущие попытки решения этой задачи? какие были получены результаты?
5. в чем суть, идея предлагаемого решения?
6. каковы преимущества и недостатки предлагаемого решения по отношению к решаемой задачи?
7. каковы преимущества и недостатки предлагаемого решения по сравнению с другими решениями?
8. какие экспериментальные результаты получены?
9. какие аспекты работы хорошо/плохо проработаны?

При написании обзора следует не просто слепо копировать фрагменты оригинальной работы, но и сохранять логику работы: не пропускать аргументы, обоснования предлагаемых решений.

Рецензирование смежных обзоров

Вам нужно отрецензировать обзоры своих одногруппников в минигруппе, а также один из обзоров одногруппников в учебной группе. В рецензии вам нужно оценить, насколько аргументировано и последовательно излагается материал, насколько понятны переходы и выводы в работе.

Полученную рецензию не забудьте отправить автору обзора.

Требования к сдаче

При сдаче в Anytask (см. общую часть про сдачу задания) отправьте ссылку на Google Document с обзором и Google Document с рецензией. Требования про Google Document обусловлено удобством комментирования и рецензирования текста.

Курсовые работы

Список курсовых работ