[论文解读] Compatibility Properties of Synchronously and Asynchronously Communicating Components

Rolf Hennicker, Michel Bidoit|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2016

Distributed systems and fault tolerance被引用 4

一句话总结

本文通过I/O转换系统，建立了组件化系统中同步与异步兼容性的正式关系。研究证明，当且仅当系统为半双工（即任意时刻最多只有一个消息队列非空）时，强/弱同步兼容性才蕴含强/弱异步兼容性。对于非半双工系统，本文提出了一种可判定的充分条件（WAC准则），用于验证弱异步兼容性，并引入了一个完备性条件，当该条件不满足时可用于反证。

ABSTRACT

We study interacting components and their compatibility with respect to synchronous and asynchronous composition. The behavior of components is formalized by I/O-transition systems. Synchronous composition is based on simultaneous execution of shared output and input actions of two components while asynchronous composition uses unbounded FIFO-buffers for message transfer. In both contexts we study compatibility notions based on the idea that any output issued by one component should be accepted as an input by the other. We distinguish between strong and weak versions of compatibility, the latter allowing the execution of internal actions before a message is accepted. We consider open systems and study conditions under which (strong/weak) synchronous compatibility is sufficient and necessary to get (strong/weak) asynchronous compatibility. We show that these conditions characterize half-duplex systems. Then we focus on the verification of weak asynchronous compatibility for possibly non half-duplex systems and provide a decidable criterion that ensures weak asynchronous compatibility. We investigate conditions under which this criterion is complete, i.e. if it is not satisfied then the asynchronous system is not weakly asynchronously compatible. Finally, we discuss deadlock-freeness and investigate relationships between deadlock-freeness in the synchronous and in the asynchronous case.

研究动机与目标

• 研究基于消息传递通信的组件化系统中同步与异步兼容性的关系。
• 识别同步兼容性蕴含异步兼容性的条件，尤其关注半双工特性。
• 为一般（可能非半双工）系统开发一种可判定且有效的弱异步兼容性验证准则。
• 研究同步与异步组合中的死锁自由性及其与兼容性的关系。
• 提出一种实用的验证方法论，以同步兼容性检查为基础，用于验证异步系统。

提出的方法

• 使用I/O转换系统（IOTSes）形式化组件行为，其中组件执行输入/输出动作和内部转移。
• 定义强/弱版本的同步与异步兼容性：强兼容性要求立即接受输出；弱兼容性允许在输入前执行内部动作。
• 将半双工特性引入为同步与异步兼容性一致的关键条件。
• 提出WAC准则（弱异步兼容性准则）作为可判定且充分的条件，用于验证弱异步兼容性。
• 开发一个完备性准则，当条件不满足时可用于反证弱异步兼容性。
• 利用现有工具（如MIO Workbench）进行同步兼容性检查，实现通过同步分析进行实际验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，强（或弱）同步兼容性是强（或弱）异步兼容性的充分且必要条件？
• RQ2 能否为非必然半双工的系统建立一种可判定的准则，以验证弱异步兼容性？
• RQ3 所提出的WAC准则在识别弱兼容系统方面的完备性如何？在何种情况下可用于反证兼容性？
• RQ4 同步组合与异步组合中的死锁自由性之间存在何种关系？
• RQ5 如何将异步兼容性的验证归约为可判定的同步兼容性检查？

主要发现

• 强（或弱）同步兼容性与强（或弱）异步兼容性等价，当且仅当系统满足半双工特性，即任意时刻最多只有一个消息队列非空。
• WAC准则为一般系统（即使非半双工）提供了可判定且充分的弱异步兼容性验证条件。
• 识别出一个完备性准则，可在条件不满足时用于反证弱异步兼容性，从而增强该方法的实际可用性。
• 本文证明，异步兼容性的验证可归约为检查同步兼容性，而有限状态组件的同步兼容性是可判定的。
• 研究结果适用于基于FIFO通信的现实系统，如TCP、JMS和MSMQ，并可集成至现有验证工具（如MIO Workbench）中。
• 研究表明，半双工特性不仅在强/弱兼容性等价性中是充分条件，也是必要条件。