[논문 리뷰] Composition, Cooperation, and Coordination of Computational Systems

Johannes Reich|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 23.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 83인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 구성, 협력, 조율을 통해 계산 시스템을 모델링하는 형식적 프레임워크를 제안하며, 입력, 내부, 출력 상태 간의 기능적 관계에 중점을 둔다. 상호작용 중심 아키텍처(IOA)를 도입하여 역할, 조율 규칙, 결정을 통해 상태 기반 비결정적 상호작용을 관리하며, 구성 요소, 프로토콜, 게임 이론 개념을 통합하는 통합 모델을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다중 시스템 간 상태 기반 비결정적 상호작용을 다루는 데 있어 전통적인 조합 모델의 한계를 해결하기 위해.
• 상호작용 시스템에서 외부 상호작용(cooperation)과 내부 행동(coordination)의 형식적 구분을 명확히 하기 위해.
• 컴putability와 기능적 관계에 기반한 통합 시스템 모델을 제공하여 구성 기반 설계 및 프로토콜 명세를 지원하기 위해.
• 결정을 내부 입력으로 도입하여 소프트웨어 공학, 시스템 이론, 게임 이론의 개념을 연결함으로써 비결정성 모델링을 가능하게 하기 위해.
• 역할, 조율 규칙, 결정 과정을 명시적으로 모델링하는 IT 시스템을 위한 상호작용 중심 아키텍처(IOA)를 개발하기 위해.

제안 방법

• 입력, 내부, 출력 상태 기능 간의 기능적 관계로 시스템을 모델링하여 명확한 시스템 경계를 확보한다.
• 시스템의 상호작용에 대한 투영으로서 '역할'의 개념을 도입하여 외부 및 내부 기술을 가능하게 한다.
• 프로토콜과 채널 기반 제약(CBR)을 통해 '외부 조합'(cooperation)을 정의하여 시스템 상호작용을 모델링한다.
• 전이 제거와 유형 1 및 유형 2의 조율 집합을 통해 '내부 조합'(coordination)을 정의한다.
• 프로토콜 조합을 위한 스노우플레이크 토폴로지(스노우플레이크 구조)를 적용하여 다중 시스템 간의 확장 가능한 상호작용 모델링을 가능하게 한다.
• 상호작용 중심 아키텍처(IOA)를 제안하여 IT 시스템 아키텍처로의 통찰을 이전함으로써 세 가지 핵심 요소인 역할, 조율 규칙, 결정을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상태 기반 비결정적 상호작용을 허용하면서도 조합적 행동를 유지할 수 있는 방식으로 계산 시스템을 어떻게 조합할 수 있는가?
• RQ2 시스템의 외부 상호작용(cooperation)과 내부 조율 메커니즘 사이에 어떤 형식적 구분을 할 수 있는가?
• RQ3 비결정적 행동을 표현하기 위해 결정을 내부 입력으로 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ4 제안된 프레임워크는 구성 기반 소프트웨어 공학, 프로토콜, 게임 이론의 개념을 어떻게 통합하는가?
• RQ5 상호작용 중심 아키텍처(IOA) 모델은 확장 가능하고 모듈화되며 상호 운용 가능한 IT 시스템을 설계하는 데 어떻게 적용될 수 있는가?

주요 결과

• 이 프레임워크는 협력(cooperation, 외부 상호작용)과 조율(coordination, 내부 행동)을 명확히 구분하여 시스템이 단일 초시스템으로 붕괴되는 것을 방지한다.
• 결정을 내부 입력으로 도입함으로써 전체 시스템 기능이 알려지지 않은 상태에서도 비결정적 행동을 모델링할 수 있으며, 게임 이론 모델로의 격차를 메운다.
• 프로토콜 조합을 위한 스노우플레이크 토폴로지(스노우플레이크 구조)는 다중 시스템 간에 확장 가능하고 모듈화된 상호작용 모델링을 가능하게 한다.
• IOA 모델은 역할, 조율 규칙, 결정을 일급 아키텍처 요소로 명시적으로 모델링함으로써 IT 시스템 아키텍처에 체계적이고 의미론적인 기반을 제공한다.
• 이 접근법은 구성 기반 설계, 서비스 지향 아키텍처(SOA), REST와 같은 기존 패러다임과 잘 통합되며, 시스템 상호작용을 위한 통합 의미론 계층을 제공한다.
• 입력/출력 전이 시스템에 대한 등가 관계를 통한 시스템 상호작용의 형식화는 시스템을 분할하고 고립 또는 조합 상태에서의 행동를 원칙적으로 분석할 수 있는 방법을 제공한다.