Verteilte Basisalgorithmen

Verteilte Algorithmen sind Verfahren, die dadurch charakterisiert sind, daß mehrere autonome Prozesse gleichzeitig Teile eines gemeinsamen Problems in kooperativer Weise bearbeiten und der dabei erforderliche Informationsaustausch ausschließlich über Nachrichten erfolgt. Derartige Algorithmen kommen im Rahmen verteilter Systeme zum Einsatz, bei denen kein gemeinsamer Speicher existiert und die Übertragungs- und Bearbeitungsdauer von Nachrichten i.a. nicht vernachlässigt werden kann. Für wichtige Grundprobleme, zu denen das Election-Problem, das Schnappschußproblem und das Terminierungsproblem gehören, werden in diesem Buch verschiedene Lösungsalgorithmen angegeben und miteinander verglichen. Die Bewertung der Algorithmen umfaßt analytische und empirische Untersuchungen sowie eine Diskussion der qualitativen Eigenschaften verschiedener Varianten. Neben grundsätzlichen Aspekten, etwa der Bedeutung des Zeitbegriffs in verteilten Systemen, werden einige typische Methoden und Techniken vorgestellt, die für die Konstruktion und Analyse verteilter Algorithmen, aber auch für die Programmierung verteilter oder paralleler Systeme von praktischer Bedeutung sind.

1 Einleitung.- 1.1 Verteilte Systeme.- 1.2 Prozesse und Ereignisse.- 1.3 Synchronisation und Kommunikation.- 1.3.1 Synchronisation.- 1.3.2 Kommunikation.- 1.4 Programmiersprachen für verteilte Systeme.- 1.4.1 Verteilte Programmiersprachen.- 1.4.2 Objektorientierte Parallelität, Actor-Modell und Atommodell.- 1.4.3 Die Sprache CSSA.- 1.4.4 Ein verteiltes Beispielprogramm.- 1.5 Verteilte Algorithmen.- 1.5.1 Beobachtungen am ggT-Beispiel.- 1.5.2 Verteilte Kontrollalgorithmen.- 1.5.3 Der Echo-Algorithmus.- 1.6 Ausblick auf die weiteren Kapitel.- 2 Untersuchung von Election-Algorithmen.- 2.1Das Election-Problem.- 2.1.1 Eine Übersicht bekannter Election-Algorithmen.- 2.1.2 Simulationsexperimente: Zufallszahlen und Versuchsmethode.- 2.2 Ringbasierte Election-Verfahren.- 2.2.1Election auf unidirektionalen Ringen.- 2.2.1.1 Eine Anwendung: Das Token-Ring-Protokoll.- 2.2.1.2 Nachrichtenkomplexität des unidirektionalen Verfahrens.- 2.2.2 Election auf bidirektionalen Ringen.- 2.2.2.1 Ein probabilistischer Algorithmus.- 2.2.2.2 Deterministische Varianten.- 2.2.2.3 Eine experimentelle Analyse des Koeffizienten c.- 2.2.3 Der Einfluß nicht-konstanter Nachrichtenlaufzeiten.- 2.3 Election-Algorithmen für andere Topologien.- 2.3.1 Election auf Bäumen.- 2.3.2 Election auf allgemeinen Netzen.- 2.3.2.1 Problematik der Bewertung allgemeiner Election-Algorithmen.- 2.3.2.2 Die allgemeinen Election-Verfahreh.- 2.3.2.3 Repräsentative beliebige Netze.- 2.3.2.4 Experimentelle Untersuchung allgemeiner Election-Verfahren.- 3 Das Schnappschußproblem.- 3.1 Konsistente globale Zustände.- 3.2 Das Schnappschußprinzip.- 3.3 Zwei symmetrische Schnappschußalgorithmen.- 3.4 Basisalgorithmen als Bausteine.- 3.5 Konsistenz durch ’Einfrieren’.- 4 Verteilte Terminierung.- 4.1 Einleitung.- 4.1.1 Das Märchen von der verteilten Terminierung.- 4.2 Ein Beispiel ― verteiltes Lösen von krypto-arithmetischen Rätseln.- 4.2.1 Verteiltes Probl\emlösen.- 4.2.2 Sequentielle und parallele Lösungsansätze.- 4.2.3 Backtracking und Erkennung der Terminierung.- 4.2.4 Weitere Aspekte.- 4.3 Der Terminierungsbegriff.- 4.3.1 Ergebnisorientierte Terminierung.- 4.3.2 Kommunikationsorientierte Terminierung.- 4.4 Eine Analyse des Terminierungsproblems.- 4.4.1 Einfaches Zählen genügt nicht.- 4.4.2 Das Problem bei synchroner Kommunikation.- 4.5 Charakteristika von Terminierungsalgorithmen.- 4.5.1 Basisprinzipien.- 4.5.2 Eigenschaften, Mericmale und Kriterien.- 4.6 Verfahren mit zwei Wellen.- 4.6.1 Das Doppelzählverfahren.- 4.6.2 Der skeptische Algorithmus.- 4.6.3 Election-basierte Terminierungsalgorithmen.- 4.7 Zeitzonenverfahren.- 4.7.1 Eine symmetrische ringbasierte Version.- 4.7.2 Eine sternförmige Version mit beschränkter Zahl von Zeitzonen.- 4.7.3 Ein effizienter Terminierungstest für synchrone Kommunikation.- 4.7.3.1 Der DFG-Algorithmus.- 4.7.3.2 Eine effiziente Variante.- 4.7.3.3 Eine Realisierung in CSP.- 4.7.3.4 Bemerkungen zu synchronen Lösungen und CSP.- 4.8 Die Vektormethode.- 4.8.1 Der Revisor.- 4.8.2 Das Prinzip.- 4.8.3 Varianten.- 4.9 Die Kreditmethode.- 4.9.1 Eine Realisierung der Kreditmethode.- 4.9.2 Eine Variante.- 4.9.3 Optimierungen und weitere Varianten.- 4.10 Empirische Effizienzmessungen.- 4.10.1 Messungen am Zahlenrätselprogramm.- 4.10.2 Messungen mit synthetischen Benchmarkprogrammen.- 5 Virtuelle Zeit in verteilten Systemen.- 5.1 Zeitdiagramme und Kausalitätsstruktur.- 5.2 Realzeit.- 5.3 Virtuelle Zeit.- 5.4 Vektorzeit.- 5.4.1 Die Struktur der Vektorzeit.- 5.4.2 Die Analogie zu Minkowski’s Raumzeit.- 5.4.3 Anwendungsmöglichkeiten der Vektorzeit.- 5.5 Stichzeitpunkt und Schnappschuß.- 6 Schlußbemerkungen.- Anhang ― Meßergebnisse allgemeiner Election-Algorithmen.- Literatur.