[論文レビュー] Composition, Cooperation, and Coordination of Computational Systems

Johannes Reich|arXiv (Cornell University)|Feb 23, 2016

Distributed systems and fault tolerance参考文献 83被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、構成、協働、調整を通じて計算システムをモデル化する形式的枠組みを提案する。入力、内部、出力状態の間の関数的関係に重点を置き、状態を有する非決定的相互作用を管理するための役割、調整ルール、意思決定を備えた相互作用指向アーキテクチャ（IOA）を導入する。これは、ソフトウェア工学およびITアーキテクチャ分野における、コンポーネント、プロトコル、ゲーム理論的概念を統合する包括的なモデルを提供する。

ABSTRACT

In this paper I elaborated on the idea of David Harel and Amir Pnueli to think systems and their interaction from the point of view of their compositional behaviour. The obvious idea to base the composition of systems on the concept of computable functions and their compositional behaviour leads to supersystem formation by composing simple and recursive systems. But this approach does not allow to account adequately for systems that interact with many other systems in a stateful and nondeterministic way, which is why I introduce the concept of interactivity and cooperation. In order to describe interactive systems satisfactorily, a balance is needed between the representation of their relationship to all the other systems and what happens within the systems. I thus introduce the complementary descriptions of external interactions and internal coordination, both based on a role concept in the sense of a projection of a system onto its interactions. It actually mirrors the internal vs. external distinction initially introduced by the system model and reflects the problem how systems are supposed to cooperate without melting into a common supersystem. Components become systems, intended for (a given) composition and with the notion of an interface we subsume all relevant information necessary for this composition. I introduce the concept of decisions as an additional internal input alphabet in order to determine nondeterministic interactions and thus fictitiously assume a system function where we actually do not have the knowledge to do so. Thus, the close relationship between protocols and games becomes obvious. Finally, I transfer the gained insights to the field of IT system architecture and introduce the concept of the "interaction oriented architecture (IOA)" for interactive systems with its three elements of roles, coordination rules, and decisions.

研究の動機と目的

• 複数のシステム間での状態を有する非決定的相互作用を扱う際、従来の構成的モデルの限界を克服すること。
• 相互作用的システムにおける外部的相互作用（協働）と内部的動作（調整）の明確な形式的区別を定式化すること。
• コンポーネント指向設計とプロトコル仕様の両方を支援する、計算可能性と関数的関係に基づく包括的なシステムモデルを提供すること。
• 意思決定を内部入力として導入することで、ソフトウェア工学、システム理論、ゲーム理論の概念を統合すること。
• ITシステムに適した相互作用指向アーキテクチャ（IOA）を構築し、役割、調整ルール、意思決定プロセスを明示的にモデル化すること。

提案手法

• 入力、内部、出力状態関数間の関数的関係としてシステムをモデル化し、明確なシステム境界を実現する。
• システムの相互作用への投影としての「役割」の概念を導入し、外部的および内部的記述を可能にする。
• プロトコルとチャネルベース制限（CBR）を用いた「外部的構成」（協働）を定義し、システム相互作用をモデル化する。
• 遷移の削除とタイプ1およびタイプ2の調整集合を用いた「内部的構成」（調整）を定義する。
• プロトコル構成にスノーフレークトポロジーを適用し、複数システム間でのスケーラブルな相互作用モデル化を可能にする。
• ITシステムアーキテクチャに知見を適用し、役割、調整ルール、意思決定の3要素を有する相互作用指向アーキテクチャ（IOA）を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 状態を有する非決定的相互作用を許容しつつ、構成的動作を保持する計算システムの構成方法は何か？
• RQ2 システムの外部的相互作用（協働）と内部的調整メカニズムの間で、どのような形式的区別が可能か？
• RQ3 非決定的動作を表現するために、意思決定を内部入力としてどのようにモデル化できるか？
• RQ4 提案された枠組みは、コンポーネント指向ソフトウェア工学、プロトコル、ゲーム理論の概念をどのように統合するか？
• RQ5 相互作用指向アーキテクチャ（IOA）モデルは、スケーラブルでモジュラーかつ相互運用可能なITシステムの設計にどのように応用できるか？

主な発見

• この枠組みは、協働（外部的相互作用）と調整（内部的動作）の区別を明確にし、モノリシックなスーパーシステムへの崩壊を防ぐ。
• 意思決定を内部入力として導入することで、システム全体の関数が不明な場合でも非決定的動作をモデル化でき、ゲーム理論的モデルへの橋渡しを可能にする。
• プロトコル構成にスノーフレークトポロジーを用いることで、複数システム間でのスケーラブルでモジュラーな相互作用モデル化が可能になる。
• IOAモデルは、役割、調整ルール、意思決定を一級のアーキテクチャ的要素として明示的にモデル化する、構造的で意味論的な基盤を提供する。
• このアプローチは、コンポーネント指向設計、サービス指向アーキテクチャ（SOA）、RESTといった既存のパラダイムと良好に統合され、システム相互作用の包括的な意味論的レイヤーを提供する。
• I/O遷移系における同値関係によるシステム相互作用の形式化により、システムを原理的かつ明確に分割し、個別または構成状態での動作に関する考察が可能になる。