Hajussüsteemid

revolutsioon

Ainekoodid: ITI0215 Aine nimed: Hajussüsteemid Link: http://lambda.ee/wiki/Hajuss%C3%BCsteemid Punkte: 6 EAP Õppejõud: Tanel Tammet, Martin Verrev Kontakt: tanel.tammet@ttu.ee Olemas on ka 2021 aasta materjalide arhiiv.

Aeg, koht

Semester: kevad
Tulemus: eksam
Hindamise meetod: praktikumide tulemused (40%) pluss iganädalased ülesanded (10%) ja eksam (50%)

Loeng: Teisipäeval 12:00-13:30 ruumis U06A-201
Praktikum: kolmapäeval kell 10:00-11:30 ruumis ICT-A1

Plaan on teha osa loengutest kohapeal (esialgu kindlasti kohapeal) ja osa distantsilt. Väga suure tõenäosusega salvestame loenguid. Esimese loengu teamsi salvestuse leiad altpoolt esimese loengu (25 jaanuar) alt.

Praksidega samamoodi: esimesed praksid teeme kohapeal, aga üritan ka salvestada / üle kanda, edaspidi tõenäoliselt tuleb rohkem prakse distantsilt (teamsis).

Kogu info, materjalid ja ülesanded on lambda lehel, kursuse Moodles hoitakse jooksvaid tulemusi. Moodle iseregistreerumise võti on yzwnJ2pL

Palun liitu kursuse teamsi grupiga, iseregistreerumise võti on ebzlg49.

NB! Allpool olev blokkide struktuur on põhiliselt sama, kui 2021 aastal. Toimunud loengute materjalid ja salvestused osaliselt uuendatakse/muudetakse: kogu info veel mitte toimunud loengute kohta on esialgne. Ülesanded ja praksid, välja arvatud teine praks, on up to date ja mõeldud tegemiseks :)

Hindamine

Kursuse edukaks sooritamiseks on sul vaja:

• saada arvestatud mõlemid praktikumid
• teha eksam tasemel vähemalt 1/3 eksami kogupunktidest.
• saada praktikumid + iganädalased tööd + eksam kokku vähemalt 50 punkti.

Kursuse hinde rehkendamisel annavad praktikumid kokku 40% kogupunktidest, iganädalased ülesanded 10% ning eksam 50%.

Nädala ülesanded

Mõnel nädalal antakse väike kohustuslik ülesanne: õppejõule tuleb kas saata emailiga kokkuvõte/mikroessee või laadida see Moodlesse vastava nädala ülesdade üles. Juhul kui sul on mitu faili, siis palun zipi need enne kokku.

Esimese nädala ülesanne (tähtaeg 2 veebruar) on taustaks ja orientatsiooniks: saada palun email aadressil tanel.tammet at taltech.ee, pane emaili pealkirja sisse sõna hajussüsteemid ja kirjelda seal hästi lühidalt:

• Kas (ja kui, siis umbes milline) kokkupuude on sul olnud kursuse blokkide teemadega
  • Protokollid ja P2P,
  • Distributed ledger, ajatemplid ja bitcoin,
  • Andme-apid, autentimine, pilveteenused, andmete koondamine
  • Paralleelrehkendused
  • X-tee ja e-riigi IT korraldus
• Kas on mingi blokk või teema, mida kursusele võiks lisada?
• Kas on mingi blokk või teema, mida kursuselt võiks ära võtta?
• Kui sul on ideid või soove praktikumitöö variantide osas (a la ettepanek mõneks teistsuguseks praktikumitööks), siis anna teada.

Praktikumid

Kokku on praktikumitöid 2. Kumbki praktikum täismahus tehtuna annab 20 punkti, sellele võivad lisanduda ekstrapunktid. Puudulikult tehtud töö punktiarv jääb alla 20 punkti. Hilinenud kodutöö eest saab pooled muidu saadaolevad punktid.

• 1 praks on P2P rakendus: distributed ledgeri komponent või anonümiseeriv võrk. Grupitöö 1-3 inimest. See on 2022 hetkel kehtiv variant.
• 2 praks eelmisest aastast: see läheb 2022 kuigivõrd muutmisele. 2021 olid variandid distributed ledgeri edasiarendus, mikroteenuste edasiarendus või videorakendus. Mikroteenuste variandi asendame andmebaaside sünkimise variandiga.

Praktikumitööde tähtajad on:

• 1. praktikumil - 23. märts 2021, eelistatav kui saaks praktikumitöö esitatud varem.
• 2. praktikumil - 11. mai 2021.

Praktikumitöö esitamiseks tee järgmist:

• Pane oma töö TTÜ gitlabi või avalikku githubi või gitlabi reposse.
• Pane repo esilehele loetav ülevaade protokollidest, mida su töö kasutab, koos töö üldpõhimõtete kirjeldusega.
• Tee nii, et Martin saaks seda repot lugeda: kui ei ole avalik repo, lisa ta developeriks (Github: martinve, TTU Gitlab: Martin Verrev). TTU Gitlabis peab olema developer õigustes, et koodi lugeda.

Praktikumijuhendaja on Martin. Tanel assisteerib ja vajadusel asendab Martinit.

Ülesanne 2. praktikumiks

02. veebruari prakikumiks peaksite olema:

1. välja valinud esimese prakikumiülesande - kas ledgeri, anonümiseeriva võrgu või enda valitud (selle artusamiseks kirjuta Martin Verrevile otse Teamsis).
2. moodustanud 1 .. 3 liikmelise meeskonna kellega ülesannet lahendama hakkate.
3. otsustanud keeled/tehnoloogiad baasil praktikumitöid tegema hakkate.

Nädala jooksul lisandub siia Moodle link ülesande esitamiseks.

Loengukava

Kursus jaguneb laias laastus viieks teemaks:

• P2P ja protokollid (neil teemadel - pluss veidi andme-apidest- esimene praks),
• Distributed ledger ehk bitcoini alustehnoloogia
• Andme-apid, autentimine, pilvekeskkonnad, andmete hajutamine ja hajutatud andmete koondamine.
• Paralleelrehkendused
• X-tee ja riigi IT-korraldus

Päris hea õpiku saad tasuta alla laadida siit. Meie kursuse sisu on sellest õpikust küllalt erinev, samas on ka ühisosi. Hea mõte on lugeda soenduseks läbi jutt hajussüsteemide probleemide ühest valdkonnast (aga neid on veel hulga).

Üldist materjali ja kursusi mujalt:

http://en.wikipedia.org/wiki/Distributed_computing

http://dcg.ethz.ch/lectures/podc_allstars/index.html

http://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-824-distributed-computer-systems-engineering-spring-2006/index.htm

http://www.stanford.edu/class/cs244b/

Protokollid ja P2P

P2P sissejuhatus, 25. jaanuar

Esimese loengu salvestus teamsi grupis (esimesed ca 10 minutit kahjuks puudu)

Kohustuslikud osad lugeda:

loengumaterjal: pikem ülevaade eri P2P tehnoloogiatest

vikipeedia ülevaade

TOR wikipedias

Protokollid: 1 veebruar

teamsi meetingu link

Kohustuslikud osad lugeda:

Http ja json: võrgurakenduste protokollid 1 (loengus kuni https, edasised osad järgmises loengus)

Täiendavalt soovitav lugeda:

Gaffer on games: UDP vs TCP ja selle jätk

Veidi seotud asi ad hoc networks vt ka Defendeci ja Jürgo Predeni patent

Protok lõpp: quic, http2 ja http3: fancy stuff

Http ja json: võrgurakenduste protokollid 1 lõpuosa alates https

Loe lisaks https kohta

xml protokollid xml-rpc, soap ja seotud tehnoloogiad: võrgurakenduste protokollid 2

Vanad tekstid SOAPi probleemidest: veebiteenuste võlu ja valu ja s stands for simple

Data synchronization, P2P DHT ja bittorrent

Sissejuhatus teemasse: andmete sünkroniseerimine.

DHT (distributed hash tables):

ülevaade wikipedias

Chord:

Põhimaterjal - kas vanem versioon, loe kuni Ivy osani või uuem, Chordi põhimõtted. Täiendavalt võib vaadata seda presentatsiooni visualiseeritud algoritmidega (ppt presentatsioonirezhiimis!) ja eriti detailideks seda presentatsiooni (seda varianti kasutame ka loengus!).

Lisaks tasuks veidi uurida artikleid wikipedia sissekande lõpus (external links)

Kademlia:

Põhimaterjal presentatsioon autoritelt

Täiendavalt autorite artikkel ja detailsem presentatsioon

Bittorrent

bittorrenti protokoll ja ülevaade

täiendavalt wikipediast

Distributed ledger ja bitcoin

Taust ja sissejuhatus distributed ledgerisse

Loengu käigus süvenesime Kriitiline taust blockchaini mõistmiseks teemadesse. Palun süvene neisse materjalidesse lisaks loengus räägitule.

Blockchaini funktsioneerimine

Baseerudes eelmise loengu taustale, uurime bitcoini näitel, kuidas blockchain tervikuna reaalselt funktsioneerib.

Kasutame seejuures hulka Blockchaini materjale.

Eelmise loengu materjalidest vaata üle blockchaini demo: vajuta üleval "Hash", "Block", "Blockchain" linkidele ja proovi igal lehel ise datat muuta ja "Mine" nupule vajutada. "Mine" teeb proof-of-worki ehk otsib random stringi (nonce) mille lisamisel datale saame mitme nulliga algava hashi. Hea mõte on vaadata ka sama saidi videosid

Blockchaini väike lisa ja protokollide algus (REST)

Hakatuseks uurime veidi täiendavat infot blockchaini kohta. Eriti abiks oleks tudengite tähelepanekud ja küsimused.

Keerulisemat soovitavat materjali, kui konsensuseteema tundus huvitav:

• From blockchain consensus back to Byzantine consensus
• A Survey on Blockchain Consensus witha Performance Comparison of PoW, PoS and Pure PoS

Siis jätkame API protokollide teema alustusega, esimese asjana REST: materjalide jaoks vaata järgmist blokki lehel.

Andme-apid, autentimine, pilveteenused, andmete koondamine

Erinevad API-stiilid

• rest wikipedias ja rest tutorial (vt linke all!)
• odata.org: microsoft/oasis recommendations for rest style
• api design book download or api design book (must register)
• Graphql start and graphql vs rest and similar take on rest vs graphql and wrap rest in graphql

Sul on vaja iseseisval detailsemalt tutvuda (a) REST-stiiliga ja (b) tutvuda natuke graphql päringu/vastustekeelega (need on siis kaks täiesti erinevat asja):

• tutvuda levinumate soovitustega REST-stiilis APi-de ehitamiseks:
  • Kui sa hästi ei mäleta REST-stiili põhipointe, siis sissejuhatuseks vaata üle wikipedia jutt.
    • Põhi-idee on kasutada HTTP harilikke get, put, post "käske", et öelda, kas tahad datat, lisad datat või uuendad datat, identifitseerida data-objekte urli abil stiilis http://miski.org/data/people/25 (siin on variante), anda vigade korral tagasi HTTP veakoode, kodeerida autentimisinfot ja muud metainfot HTTP päistesse ja püüda kodeerida API päringud ja vastused võimalikult kergelt arusaadavalt.
    • Pane tähele, et viisid otsingupäringu (inimesed nimega "Jaan"), vastuste arvu (ntx max 100) ja akna/batchi (ntx alga 200-ndast), sorteerimise jne indikeerimiseks ei ole RESTi-stiilis konkreetselt soovitatud, igaüks teeb kuidas tahab: ODATA allpool pakub oma soovitusi, aga need ei ole arusaadavalt kohustuslikud või "REST" stiili osad.
  • Loe läbi terve api design book alternatiivina leiad sellelt urlilt.
  • Vaata odata veidi eksootilisemaid, aga autoriteetse standardiorganisatsiooni oasis soovitusi REST stiilis API ehitamiseks, konkreetselt alusta kiirsissejuhatusega, siis loe basic tutorial ja lõpuks tutvu kiirelt pika standardidoku peatükiga 5: query options
  • Väike pure-rest/odata/cgi stiilide võrdlus
• tutvuda lühidalt graphql-ga: tegu siis hoopis teistsuguse asjaga kui REST: graphql ei ole stiil, vaid täiesti konkreetne päringute/vastuste keel a la sql, mille töötas välja facebook:
  • Alusta wikipedia kiirülevaatest
  • Tähelepanek: graphql ülesseadmine oma data peale ei ole lihtne ülesanne: ilmselt ei jaksa sa ise programmeerida päringukeele parserit/otsimootorit jne. Levinud lahendused on seada üles Apollo server, ja progeda sinna juurde päringud oma andmebaasi, või seada üles graphql.js server ja teha sinna juurde päringud. Kumbki on suurem töö, kui lihtsa REST api ehitamine.
  • Loe läbi rest-vs-graphql jutt
  • Loe läbi grapqhl kiirtutorial (lehekülgede lõpus link järgmisele)

Suured avalikud andme-apid

google api explorer

Andme-apide näiteid

facebook api limitations/shutdowns in 2018

Teemad varuks

Autentimine

See teema jääb varuks kursuse lõpupoole, kui meil jääb aega. Vastasel korral jätame teema välja.

facebook, google, pangalink.

Autentimise märkmed: facebook ja google

veebiserveri seadistamine id-kaardi jaoks ja abistavad koodijupid

taustaks id-kaardi kasutusstsenaariumid

Autentimise märkmed: mobiil-ID

Pilvekeskkonnad

See teema jääb varuks kursuse lõpupoole, kui meil jääb aega. Vastasel korral jätame teema välja.

Suured:

• Amazon AWS
• Microsoft Azure
• Google Cloud

Pilveteenuse tarkvara:

OpenStack

Näide: Azure

Azure märkmed

Google appengine, database api, google bigtable and file system stack

See teema jääb varuks kursuse lõpupoole, kui meil jääb aega. Vastasel korral jätame teema välja.

http://cloud.google.com/appengine/ AppEngine on nüüd osa Google Cloud platvormist

Hajutatud failisüsteemide märkmed loengust

Paralleelrehkendused

Konsensus hajutatud süsteemides

Siin blokis asume tegelema keerumakate teooria-teemade lugemisega: infovahetus ja konsensus hajutatud süsteemides, kus midagi võib rikki minna. Ehk, kuidas saavutada, et hajutatud süsteem funktsioneeriks ok, kui mingid osad on katki või kui mõni osa teeb meelega jama, et teisi segada? See on üks fundamentaalsemaid hajutatud süsteemide küsimusi üldse.

Bitcoini plokiahela mehhanism ongi üks konkreetne võimalik mehhanism konsenuse saavutamiseks mitte-üleni-usaldusväärses hajutatud süsteemis.

• Soenduseks loe läbi väga praktilisi hajussüsteemide probleeme kirjeldav jutt Amazonilt (siin otselink pdf-le).

• Seejärel - põhiasjana - tööta süvenemisega läbi hea presentatsioon põhjalikumaks arusaamiseks. Sinu põhiülesanne on see presentatsioon väga aeglaselt läbi töötada ja järjest slaididest ja asjadest aru saada. Ca lk 73 läheb värk päris keeruliseks ja sealt edasi võid katki jätta. Abiks võib olla see coursera loeng mis juhatab sama probleemi aeglaselt sisse, aga ei jõua veel selle lahendusvariantideni. järgmine loeng selgitab juba ühte lahendusvarianti analoogiliselt powerpoindile.

Kui jõuad ja sul tekib ekstrahuvi teema vastu, siis siit leiad põhjaliku kogu keerukamate artiklite lühikokkuvõtetega edasiuurimiseks (see ei ole üldse kohustuslik).

Fork ja thread

Loengumaterjal: Processes_fork_thread.pptx, Processes_fork_thread.pdf.

Selle nädala teemaks on parallelismi baasmehhanismid tavaprogrammides, konkreetselt fork, thread ja shared memory. Uurime neid asju C/opsüsteemi tasemel: abstraktsemates keeltes kasutatakse neidsamu C/opsüsteemi mehhanisme. Sul on vaja (a) aru saada, mida need mehhanismid teevad, (b) panna käima näited:

• fork
• thread.
• shared memory
• Thread, Queue ja Lock Pythonis

Taustaks on kasulik vaadata korra protsesside managementi linuxis.

Näidete käimapanekuks on väga soovitav kasutada linuxit või maci: threadid ja shared memory (aga mitte fork) on olemas ka windowsis, aga ülaltoodud materjalide näited on linuxi (üldisemalt, unixi) näited. Logi sisse dijkstrasse, kasuta mõnda muud linuxi masinat, millel sulle ligipääs, või pane windows 10s käima wsl (windows subsystem for linux). Kui sul juba ei ole installeeritud C kompilaatorit, installeeri gcc või clang.

Soovitus kuulata Jim Kelleri episoodi "Moore’s Law, Microprocessors, Abstractions, and First Principles" heast ja populaarsest ai podcastist: Jim räägib mh pikemalt protsessori-sisesest parallelismist ja automaatsest branchi-ennustamisest.

Lukustamine

Selle nädala eesmärk on aru saada lukustamise baasmehhanismidest. Lukustamine on vajalik paralleelsete protsesside juures, mis kasutavad ühist mälujuppi / muutujat, kas siis näiteks threadide ühises mäluosas või shared memorys.

Lukustamise jaoks on mitu erinevat mehhanismi ja kasutusstenaariumi ning nad vajavad veidi tuge protsessorilt spetsiifiliste atomaarsete käskude näol.

Järgmine nädal liigume lukustamise juurest edasi paralleelsusse andmebaasides: seal on jällegi hulk võimalikke probleeme ja mitmeid lahendusviise, mis alusena kasutavad baas-lukustamismehhanisme.

Loe selles järjekorras ja vaata läbi ka need kolm lühikest loengut:

• Lukustamise sissejuhatav presentatsioon: räägib alustuseks praktilistest vajadustest ja põhimehhanismidest (andmebaaside paralleelsuse teemasse süveneme järgmine nädal).
• Detailsem konspekt lukustamise kohta: semafor, mutexid ja detailselt spinlockist. Loe seda aeglaselt!
• spinlocki loeng arusaamise hõlbustamiseks
• spinlocki riistvara-tuge seletav loeng
• loeng semafor vs mutex: mis on mis

Lisaks võib lugeda:

Introduction to Transactions (slaidid)

Sünkroniseerimisprimitiivid: slaidid

Mittekohustuslik lisalugemine:

Konspekt pikemalt ja põhjalikumalt loengus läbitud teemadest.

Paralleelsus andmebaasides

Selle nädala eesmärk on aru saada paralleelsuse kontrollist andmebaasides: mis võib valesti minna ja mis on erinevad levinud mehhanismid atomaarsete operatsioonide ehitamiseks. See värk on korraga ootamatult deep ja praktilises elus oluline. Loe läbi:

Paralleelsus andmebaasides (slaidid).

Konspekt, käsitleb teemat oluliselt põhjalikumalt kui loeng/slaidid. Loe aeglaselt!

Soovitav on täiendavalt vaadata konspektis käsitletud mvcc jaoks:

• cmu videolengut mvcc kohta ja vaadata
• sinna juurde sama loengu slaide

Hajutatud andmebaasid

Teemaks on praktilised meetodid hajutatud andmebaaside juures (mitte siis P2P): eesmärk aru saada, (a) miks on praktilised andmebaasid vahel hajutatud ja mis see konkreetselt võib tähendada (b) mis probleemid seejuures tekivad ja kuidas neid probleeme lahendatakse, paremini või halvemini. Detailid ja lugemist on järgmisel eraldi wikilehel:

Hajutatud andmebaaside teema lahtikirjutus ja lugemisülesanded

X-tee ja e-riigi IT korraldus

Süveneme mõlemisse teemasse:

• Lühiülevaade riigi infosüsteemist.
• x-tee märkmed loengust