[論文レビュー] On Synchronous and Asynchronous Interaction in Distributed Systems

Rob van Glabbeek, Ursula Goltz+1 more|ArXiv.org|Dec 31, 2008

Distributed systems and fault tolerance参考文献 13被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、ペトリ・ネットを形式的モデルとして用いて、非同期で分散された実装においても同期的相互作用がどのように保存されるかを調査する。特に、完全に到達可能な可視純状態が存在する半構造的ネットの性質が、並列性の損失なしにシステムを分散可能にするかどうかを決定することを特定し、異なる分散仮定のもとでの実装可能なネットクラスの階層を確立する。

ABSTRACT

When considering distributed systems, it is a central issue how to deal with interactions between components. In this paper, we investigate the paradigms of synchronous and asynchronous interaction in the context of distributed systems. We investigate to what extent or under which conditions synchronous interaction is a valid concept for specification and implementation of such systems. We choose Petri nets as our system model and consider different notions of distribution by associating locations to elements of nets. First, we investigate the concept of simultaneity which is inherent in the semantics of Petri nets when transitions have multiple input places. We assume that tokens may only be taken instantaneously by transitions on the same location. We exhibit a hierarchy of `asynchronous' Petri net classes by different assumptions on possible distributions. Alternatively, we assume that the synchronisations specified in a Petri net are crucial system properties. Hence transitions and their preplaces may no longer placed on separate locations. We then answer the question which systems may be implemented in a distributed way without restricting concurrency, assuming that locations are inherently sequential. It turns out that in both settings we find semi-structural properties of Petri nets describing exactly the problematic situations for interactions in distributed systems.

研究の動機と目的

• 同期的相互作用が非同期通信を用いて忠実に実装可能な条件を特定すること。
• 分散が並列システムのペトリ・ネットモデルにおける並列性の保存に与える影響を分析すること。
• 並列動作を制限せずに分散環境で実装可能なペトリ・ネットを特徴づけること。
• ネット要素に場所を割り当てて異なる分散モデルを比較し、それらがもたらす行動的同等性を分析すること。
• 特に可視純状態の役割を含む構造的性質が、分散実装の可能性を決定づける役割を明らかにすること。

提案手法

• 場所と遷移に場所を割り当てたペトリ・ネットを用いて分散システムをモデル化する。
• 分散と通信タイミングに関する仮定に基づき、非同期ペトリ・ネットクラスの階層を導入する。
• ステップ準備同等性を用いて元のネットと分散ネットの振る舞いを比較し、並列性の保存を保証する。
• 「完全に到達可能な可視純状態」の概念を、問題となる相互作用パターンを特定する構造的基準として用いる。
• ホプキンズのインタリーブング意味論やセリンジャーのキュー基盤の非同期化といった既存の手法と結果を比較する。
• ラベル付きおよびラベルなしネット実装を用いて、異なる同等関係のもとでの分散可能範囲の限界を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ペトリ・ネットにおける同期的相互作用が、分散的・非同期的環境で忠実に実装可能な条件は何か？
• RQ2 ペトリ・ネットのどの構造的性質が、並列性の損失なしに分散を可能または不可能にするか？
• RQ3 異なる行動的同等性（例：ステップ準備 vs インタリーブング）が、分散可能ネットの特徴づけにどのように影響するか？
• RQ4 ラベル付きネットまたは線形時系列意味論を許容すれば、すべてのペトリ・ネットを非同期的に実装可能か？
• RQ5 グローバル選択解消の役割とは何か？ そして、ペトリ・ネットを用いてどのようにモデル化できるか？

主な発見

• ペトリ・ネットが完全に到達可能な可視純状態を含まない限り、並列性を制限せずに分散的に実装可能である。
• 完全に到達可能な可視純状態の存在は、与えられた意味論のもとで分散実装が不可能であるための十分かつ必要条件である。
• 本研究では、分散仮定に基づいて非同期ペトリ・ネットクラスの階層を確立し、より厳しい条件ではより小さく制限の厳しいクラスが得られる。
• 本アプローチは、行動的同等性のみに依存するのではなく、半構造的ネットの性質が分散可能の主要要因であることを明らかにした。
• 同期的通信は非同期的にシミュレート可能であるが、構造的制約が満たされない限り、すべての並列性特性が保存されないことが示された。
• 本フレームワークにより、非同期実装可能なネットの特徴づけが可能となり、ラベル付きネットや線形時系列意味論を用いることで、現在の限界を超えた分散可能ネットのクラスを拡張できる可能性が示唆された。