Векторні годинники: Порядок подій без спільного годинника

Чому стінні годинники не працюють між машинами

Кожен фізичний годинник відхиляється. Навіть із протоколами, такими як NTP, які намагаються привести машини до згоди, годинники на різних серверах можуть відрізнятися на мілісекунди або більше, а мережеві затримки непередбачувані та асиметричні. Якщо дві машини просто маркують свої події місцевим часом, порівнюючи ці позначки, щоб визначити, яка подія сталася першою, це ненадійно: повідомлення може бути позначено як відправлене до того, як воно було фактично отримане відповідно до годинника іншої машини, або дві не пов'язані події можуть здаватися, що відбуваються в один і той же момент. Погірше, час стінного годинника нічого не говорить про причинність, тобто чи одна подія дійсно вплинула на іншу, протилежною ситуації, коли дві події просто відбулися приблизно в один і той же фізичний момент, будучи повністю незалежними. Розподілена база даних репліки потребує знати, чи оновлення, яке вона щойно отримала, є реакцією на значення, яке вона вже зберігала, або чи воно було записане незалежно від когось, хто ніколи не бачив цього значення. Для вирішення цієї проблеми потрібно відмовитися від ідеї єдиного глобального годинника взагалі та замість цього відстежувати для кожного процесу його власний погляд на те, як далеко просунувся кожен інший процес. Це саме те, що захоплює векторний годинник.

Як будується та оновлюється Векторний Час

У системі N процесів кожен процес підтримує вектор, тобто масив з N лічильників, один слот на процес, усі починаються з нуля. Коли процес переживає локальну подію, таку як виконання обчислень або запис до власного сховища, він збільшує лише свій слот у векторі. Коли процес надсилає повідомлення іншому процесу, він прикріплює копію свого поточного вектора до цього повідомлення. Коли процес отримує повідомлення, він робить дві речі: спочатку бере елементне максимальне значення між своїм вектором та вектором, що додається до вхідного повідомлення, тобто порівнює кожну позицію слоту по черзі і зберігає більше значення, а потім збільшує свій слот на одиницю. Розглянемо три процеси A, B і C, кожен починаючи з нуля нуль нуль. A виконує локальну подію, тому його вектор стає один нуль нуль. A потім надсилає повідомлення B з цим вектором. B, чий вектор був нуль нуль нуль, бере елементне максимальне значення з вхідного одного нуль нуль, отримуючи один нуль нуль, а потім збільшує свій слот, що призводить до одного один нуль. Одночасно C, не знаючи про це, може незалежно виконувати свою власну локальну подію, переміщуючи свій вектор до нуля нуль одиниці. Вектор B тепер чітко відображає, що він знає про одну подію від A та одну подію свого, а вектор C відображає лише його власну незалежну історію.

Визначення причинно-наслідкових зв’язків за допомогою двох векторів

Щоб визначити, чи стала одна подія до іншої, використовуючи вектори часу, порівнюються два вектори по одному слоту за раз. Перша подія є причинно-наслідковою для другої, якщо кожен слот у векторі першої події менший або рівний відповідному слоту у векторі другої події, і додатково принаймні в одній з цих позицій слот другого вектора фактично перейшов вперед. Іншими словами: лічильники ранішої події ніколи не повинні перевищувати лічильники пізнішої події в будь-якій позиції, і має бути принаймні одна позиція, де лічильник пізнішої події фактично відстає. Якщо це умова виконується, раніша подія називається причинно-наслідковою для пізнішої, що означає, що між ними існує ланцюг локальних подій та обміну повідомленнями.

Це порівняння працює точно тому, що кожен приріст і кожне елементне максимальне значення лише піднімає лічильники, а отримувач повідомлень завжди поглинає все, що знав відправник у момент надсилання. Таким чином, якщо вектор другої події домінує над вектором першої події таким чином, це доводить, що певна інформація з першої події могла безпосередньо або опосередковано передаватися другій.

Виявлення узгодженості, що неможливо для скалярних годинників

Простий скалярний логічний годинник, такий як оригінальний логічний годинник Лампорта, призначає кожному події одне збільшуване число, і він гарантує, що якщо одна подія причинно передує іншій, число попередньої події буде меншим. Але зворотне не надійно: дві події можуть отримати різні числа, одне менше, а інше більше, навіть якщо жодна з них насправді не викликала одну іншу, вони просто відбулися незалежно і були порівняні випадковим чином. Одне число просто не може закодувати достатньо інформації, щоб правильно розрізняти справжнє причинне впорядкування від чистої випадковості. Векторні годинники виправляють це, зберігаючи історію за процесом, а не стискаючи все в один лічильник. Дві події називаються узгодженими, коли жоден з векторів не домінує над іншим у описуваний вище спосіб, тобто жоден вектор не менший або рівний іншому у кожному місці. У нашому попередньому прикладі вектор B був один одиниця нуль і вектор C був нуль нуль одиниці узгоджені: вектор B має більшу величину в першому розряді, але вектор C має більшу величину в третьому розряді, тому жоден з векторів не перемагає у кожному місці. Це точно та правильно сигналізує про те, що події B і C відбулися незалежно, без причинного зв’язку, що є інформацією, яку скалярний відміток ніколи б не зміг розкрити.

Reálnі zastosuvannya: Bazy danih i Kontrola versiy

Zdatnistʹ vikoristovuvatʹsya, shob detektuvaty konkurentnu sytuatsiyu, a ne liushyty abo prikladnyy poriadok, pov'yazana z kilkomu inshy wpływovoho realnykh sistem. Pochatkovy Dynamo system Amazon, opisana v yiyi znanomu papirtsi 2007 roku, vykoristovuvala vektory chasiv shob vidstepyty istoriyu zmіn dlya kozhnogo elementa danih pid replikami. Koly dva repliki otrimaly protiporidni zapisy, yakі byli konkurentnimi v zvitomu vektori chi asu, Dynamo ne sprobovalosya bezhlodniko vybrat pidvizhnika i potim virushiti davku danih; za miski vin vidkazyval rozglyadati obidi versії dlya vykonannya, abo do konca koristuvachiv v deyakikh vipadkah, shoby konflikt buv vyrisheny z realnoyu semantichnoyu znizhkoy, oski masina ne mozhe zaistiti yakij z dvoh konkurentnih zmіn ma priyomity. Moderni rozdaleni bazy danih i koly-value stores vikoristovuyut podobni mekhanizmi, іноді nazvani versiyami vektoru, blizki do vektory chi asiv, specializovani dlya vidstepyty replik versiy, a ne individualnih događen. Rozdaleni sistemi kontrolyu versiy, takі yak Git, stihayut analognu problemu pri slіdzhenni z'ednannya gałęzi: їm treba znati, chi є jedna zmiana potomek inшої, строго спричинена нею, чи дві зміни відхилилися незалежно і тому потребують справжнього трьохстороннього з’єднання. Підлягає логіка, відстеження прогресу за джерелом, а не довіра до єдиного глобального лічильника, це одна й та сама ідея, яку формалізували векторні часи для загального розподіленого обчислення.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Vector Clocks: Ordering Events Without a Shared Clock і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.