[논문 리뷰] Ensuring Liveness Properties of Distributed Systems (A Research Agenda)

Rob J. van Glabbeek|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 12.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 31인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 공정성 가정에 의존하지 않고 분산 시스템에서 생존성 성질을 보장하기 위해 '정의성'(justness) — 강력한 진행 조건 — 를 중심으로 의미 동치성, 프로세스 대수, 시간 논리 재정의를 통해 공정성 불필요한 동시성 이론을 제안한다. 이를 통해 AODV 및 AODVv2와 같은 프로토콜의 정확한 명세 및 검증이 가능해진다.

ABSTRACT

Often fairness assumptions need to be made in order to establish liveness properties of distributed systems, but in many situations these lead to false conclusions. This document presents a research agenda aiming at laying the foundations of a theory of concurrency that is equipped to ensure liveness properties of distributed systems without making fairness assumptions. This theory will encompass process algebra, temporal logic and semantic models, as well as treatments of real-time. The agenda also includes developing a methodology that allows successful application of this theory to the specification, analysis and verification of realistic distributed systems, including routing protocols for wireless networks. Contemporary process algebras and temporal logics fail to make distinctions between systems of which one has a crucial liveness property and the other does not, at least when assuming justness, a strong progress property, but not assuming fairness. Setting up an alternative framework involves giving up on identifying strongly bisimilar systems, inventing new induction principles, developing new axiomatic bases for process algebras and new congruence formats for operational semantics, and creating new treatments of time and probability. Even simple systems like fair schedulers or mutual exclusion protocols cannot be accurately specified in standard process algebras (or Petri nets) in the absence of fairness assumptions. Hence the work involves the study of adequate language or model extensions, and their expressive power.

연구 동기 및 목표

• 표준 형식적 방법이 공정성 가정 없이 생존성 성질을 검증하지 못해 분산 시스템에서 잘못된 결론을 이끌어내는 근본적 문제를 해결한다.
• 공정성 대신 정의성을 기반으로 한 새로운 동시성 이론을 개발하여 상호 배제 프로토콜 및 스케줄러와 같은 시스템에서 생존성의 정확한 검증을 가능하게 한다.
• 공정성에 의존하지 않고 생존성을 존중하는 프로세스 대수, 시간 논리, 의미 모델을 통합하는 통합 프레임워크를 구축한다.
• 시계 기반의 정의성 기반 프로세스 대수를 사용하여 무선 네트워크에서의 실제 프로토콜(AODV, OLSR, BATMAN)의 형식적 명세 및 검증을 가능하게 한다.
• 실시간 및 확률적 선택을 프레임워크에 통합하여 시간 민감성 및 확률적 환경에서도 정확성을 보장한다.

제안 방법

• 의미 모델 및 프로세스 대수 내에서 기존의 공정성 가정을 '정의성' — 실행 가능한 동작가 반드시 수행됨을 보장하는 진행 조건 — 로 대체한다.
• 정의성과 호환되며 생존성 성질을 유지하는 운영 의미론을 위한 새로운 귀납 원리 및 동치성 형식을 개발한다.
• 무선 라우팅 프로토콜의 실시간 행동을 모델링하기 위해 AWN(무선 네트워크의 대수) 프로세스 대수의 시계 기반 확장을 개발한다.
• 기존의 시계 기반 프로세스 대수를 공통의 표현력 프레임워크로 매핑하여 정의성 기반 추론에 적합한지 평가한다.
• 테스트 이론을 활용해 확률적 선택을 프레임워크에 통합하여 비결정성 및 확률적 행동이 있는 시스템에서 생존성과 안전성을 유지한다.
• 산업용 프로토콜(예: AODVv2, OLSR, HWMP)에 프레임워크를 적용하여 형식적으로 명세하고, 새로운 이론을 기반으로 안전성 및 생존성 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 공정성 가정에 의존하지 않고 분산 시스템에서 생존성 성질을 형식적으로 검증할 수 있는가? 공정성 가정은 종종 잘못된 결론을 이끌어내기 때문이다.
• RQ2 정의성이 존중되면서도 동시 시스템에서 생존성과 안전성을 유지하기 위해 필요한 의미 동치성 및 프로세스 대수 기반은 무엇인가?
• RQ3 기존의 시계 기반 프로세스 대수는 정의성 기반 추론을 위해 수정 또는 확장할 수 있는가? 특히 상호 동기화 및 유한 대기 조건이 있는 시스템에서는 어떻게 되는가?
• RQ4 비결정성 및 확률적 행동을 포함하는 시스템에서 생존성과 안전성을 유지하기 위해 확률적 선택은 정의성 기반 프레임워크에 어떻게 통합될 수 있는가?
• RQ5 실제 무선 네트워크 프로토콜(AODVv2, OLSR 등)은 공정성 불필요한 정의성 기반 이론을 사용하여 생존성 및 안전성에 대해 형식적으로 명세 및 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 공정성 가정 없이도 공정 스케줄러 및 상호 배제 프로토콜과 같은 시스템에서 생존성 성질을 정확히 명세하지 못하는 기존의 프로세스 대수 및 페트리 넷이 존재한다.
• 정의성은 공정성의 타당한 대안을 제공하며, 과도하게 이상화된 가정의 함정을 피하면서 생존성에 대한 정확한 추론을 가능하게 한다.
• 비동기 모델로의 동기 통신의 기존 인코딩은 정의성 기반 의미 동치성 사용 시 재검토가 필요할 수 있으며, 이는 그 정확성 보장을 변경시킬 수 있다.
• AODV 및 AODVv2와 같은 시간 민감한 라우팅 프로토콜을 형식적으로 명세 및 검증하기 위해 AWN 프로세스 대수의 시계 기반 확장이 개발 중이다.
• 프레임워크를 통해 OLSR 및 BATMAN 프로토콜에서 안전성(예: 루프 방지) 및 생존성(예: 경로 탐색, 패킷 전달)의 형식적 검증이 가능하며, 필요에 따라 프로토콜 수정을 통해 원하는 성질 달성이 가능할 수 있다.
• 비결정성 및 확률적 행동을 포함하는 시스템에 대한 추론을 지원하기 위해 이론의 확률적 확장이 개발 중이며, 생존성과 안전성이 유지됨을 보장한다.