[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种通过组合、协作与协调来建模计算系统的正式框架，强调输入、内部和输出状态之间的功能性关系。该框架引入了以交互为中心的架构（IOA），通过角色、协调规则和决策机制来管理有状态的、非确定性的交互，为IT系统设计提供了一个统一的模型，整合了组件、协议以及博弈论的概念。

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.

研究动机与目标

• 解决传统组合模型在处理多个系统之间有状态、非确定性交互时的局限性。
• 形式化区分交互系统中外部交互（协作）与内部行为（协调）之间的差异。
• 提供一个基于可计算性与功能性关系的统一系统模型，支持基于组件的设计与协议规范。
• 通过将决策作为内部输入引入，弥合软件工程、系统理论与博弈论之间的概念鸿沟，以建模非确定性行为。
• 为IT系统开发一种以交互为中心的架构（IOA），明确建模角色、协调规则与决策过程。

提出的方法

• 将系统建模为输入、内部和输出状态函数之间的功能性关系，从而明确系统边界。
• 引入‘角色’概念，作为系统与其交互关系的投影，支持外部与内部描述。
• 通过协议与基于通道的限制（CBR）定义‘外部组合’（协作），以建模系统交互。
• 通过状态转移消除与类型1和类型2的协调集，引入‘内部组合’（协调）。
• 通过雪花拓扑结构实现协议组合，应用于交互式系统，实现可扩展的交互建模。
• 将洞察转化为IT系统架构，提出以交互为中心的架构（IOA），包含三个核心要素：角色、协调规则与决策。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何以一种保持组合行为的方式组合计算系统，同时允许有状态的、非确定性的交互？
• RQ2 在系统外部交互（协作）与内部协调机制之间，可以做出何种形式化的区分？
• RQ3 如何将决策建模为内部输入，以在完整系统函数未知的情况下表示交互系统中的非确定性行为？
• RQ4 所提出的框架在何种方式上统一了基于组件的软件工程、协议与博弈论的概念？
• RQ5 以交互为中心的架构（IOA）模型如何应用于设计可扩展、模块化且互操作的IT系统？

主要发现

• 该框架成功区分了协作（外部交互）与协调（内部行为），防止系统坍缩为单一的巨型系统。
• 将决策作为内部输入引入，使得即使在完整系统函数未知的情况下，也能建模非确定性行为，从而弥合与博弈论模型之间的差距。
• 协议组合的雪花拓扑结构支持在多个系统之间实现可扩展且模块化的交互建模。
• IOA模型为IT系统架构提供了结构化且语义清晰的基础，明确将角色、协调规则与决策作为第一等的架构元素进行建模。
• 该方法与现有范式（如基于组件的设计、面向服务的架构（SOA）和REST）具有良好兼容性，为系统交互提供统一的语义层。
• 通过I/O转移系统上的等价关系形式化系统交互，为系统划分提供了原则性方法，使人们能够独立或组合地推理系统行为。