[論文レビュー] Asynchronous Implementation of Failure Detectors with partial connectivity and unknown participants

Pierre Sens, Luciana Arantes+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2007

Distributed systems and fault tolerance参考文献 8被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、未知かつ部分的に接続された参加者を有する動的でモバイルなアドホックネットワーク（MANET）において、タイマーを用いず非同期に動作する故障検出機構を提示する。この手法は、局所的でフラッディングベースの照会・応答メカニズムを用いて故障の懸念と是正を伝搬させ、特定の動作的および接続性条件のもとで$◄ S$故障検出器を実装可能であることを証明している。これにより、システムサイズやトポロジの事前知識がなくても、非同期システムにおける決定的コンセンサスを実現できる。

ABSTRACT

We consider the problem of failure detection in dynamic networks such as MANETs. Unreliable failure detectors are classical mechanisms which provide information about process failures. However, most of current implementations consider that the network is fully connected and that the initial number of nodes of the system is known. This assumption is not applicable to dynamic environments. Furthermore, such implementations are usually timer-based while in dynamic networks there is no upper bound for communication delays since nodes can move. This paper presents an asynchronous implementation of a failure detector for unknown and mobile networks. Our approach does not rely on timers and neither the composition nor the number of nodes in the system are known. We prove that our algorithm can implement failure detectors of class <>S when behavioral properties and connectivity conditions are satisfied by the underlying system.

研究の動機と目的

• ノード数や接続性が未知で変動しやすい動的かつモバイルなネットワーク（例：MANET）において、信頼性の高い故障検出メカニズムの欠如に対処する。
• 固定で完全に接続されたネットワークかつメンバーが事前に分かっていると仮定する従来のタイマー依存型故障検出器の限界を克服する。
• タイマーに依存せず、ローカルなネットワーク認識とメッセージ伝搬にのみ依存するスケーラブルで非同期の故障検出メカニズムを設計する。
• 現実的な動的ネットワーク環境下でも、最終的強完全性および最終的強正確性という$◄ S$クラスの性質を達成できるようにする。
• プロセスのクラッシュや移動が生じる非同期システムにおいて、決定的コンセンサスを可能にする、堅牢で分散型の故障検出サービスを提供する。

提案手法

• 各ノードが現在の隣接ノードと定期的にメッセージを交換する、局所的照会・応答メカニズムを用いる。この交換は受信したメッセージに基づく。
• 各照会メッセージには、故障の疑いがあるプロセスの情報および以前に検出された誤った懸念（誤った疑い）の情報が付加される。
• ノードが期待される応答の継続的な不在を検出すると、タイマーに依存せず、局所的に故障の懸念が発生する。
• 懸念と是正はメッセージのフラッディングにより伝搬され、ネットワーク全体で故障状態が最終的に一致するようになる。
• アルゴリズムはfカバー特性を仮定しており、ノード障害が発生しても接続性が維持されることを保証する。
• 応答性（$\mathcal{RP}$, $\mathcal{M}obi\mathcal{RP}$）、メンバー構成（$\mathcal{MP}$）、移動性（$\mathcal{M}obi\mathcal{P}$）の動作仮定のもとで正しさが証明される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 タイマーの使用やシステムサイズ・トポロジの事前知識がなくても、非同期で動的ネットワークに故障検出器を実装できるか？
• RQ2 部分的に接続された、移動性を持つノードが存在する未知のネットワークにおいて、故障検出器が$◄ S$クラスの性質を達成できる条件は何か？
• RQ3 グローバルな調整や中央集権的制御がなくても、ローカルな認識とメッセージ伝搬のみで故障検出を実現できるか？
• RQ4 移動性を持つ未知のネットワークで、最終的強完全性および最終的強正確性を保証するために必要な十分な動作的および接続的特性は何か？
• RQ5 このような故障検出器は、プロセスのクラッシュや移動が生じる非同期システムにおいてコンセンサスを支援できるか？

主な発見

• 提案された故障検出器は、動的で部分的に接続された未知のネットワークにおいて、$◄ S$クラスの故障検出器を正しく実装している。
• タイマーに依存しないため、モバイルネットワークで一般的な予測不能な通信遅延に対しても耐性がある。
• 故障の懸念と是正はメッセージのフラッディングにより伝搬され、すべてのノードが最終的に正しい故障状態に合意するようになる。
• fカバー特性および動作特性（$\mathcal{RP}$, $\mathcal{MP}$, $\mathcal{M}obi\mathcal{RP}$, $\mathcal{M}obi\mathcal{P}$）が満たされると、最終的強完全性および最終的強正確性が達成される。
• アルゴリズムはノードの移動性をサポートしており、ノード総数の知識や完全に接続されたネットワークの前提を必要としない。
• シミュレーション結果から、ノード移動後に一時的に誤った懸念が増加するが、全ノードが359.5秒以内に誤った懸念を撤回することが確認された。