[论文解读] Ensuring Liveness Properties of Distributed Systems (A Research Agenda)

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

Distributed systems and fault tolerance参考文献 31被引用 6

一句话总结

本文提出了一种无公平性假设的并发理论，通过围绕‘公正性’（justness）——一种强进展条件——重新定义语义等价性、过程演算和时序逻辑，以确保分布式系统中的终局性（liveness）性质。该理论使AODV和AODVv2等协议的精确规范与验证成为可能，且无需依赖公平性假设。

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.

研究动机与目标

• 解决标准形式化方法在缺乏公平性假设时无法验证终局性的问题，从而在分布式系统中导致错误结论的根本性难题。
• 开发一种基于公正性而非公平性的新并发理论，使互斥协议和调度器等系统中的终局性能够被正确验证。
• 构建一个统一框架，整合过程代数、时序逻辑和语义模型，尊重终局性而不依赖公平性假设。
• 利用基于公正性的时序过程代数，实现对无线网络中实际协议（如AODV、OLSR和BATMAN）的形式化规范与验证。
• 将框架扩展至包含实时和概率选择，确保在时间敏感和随机性环境中仍能保持正确性。

提出的方法

• 在语义模型和过程代数中，以‘公正性’（即确保已启用的动作最终会被执行）替代传统的公平性假设。
• 开发适用于公正性的新型归纳原理和相容性格式，用于操作语义，以保持终局性性质。
• 设计AWN（无线网络代数）过程代数的实时扩展，以建模无线路由协议中的实时行为。
• 通过将现有实时过程代数映射到统一的表达性框架中，对它们进行形式化比较，以评估其在基于公正性的推理中的适用性。
• 利用概率过程的测试理论，将概率选择集成到框架中，确保在非确定性和概率性行为下，终局性和安全性仍被保持。
• 通过形式化指定并使用新理论验证安全性与终局性，将该框架应用于工业协议（如AODVv2、OLSR、HWMP）。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不依赖公平性假设的前提下，对分布式系统中的终局性性质进行形式化验证，因为后者常导致错误结论？
• RQ2 需要何种语义等价性和过程代数基础，才能在保持终局性和安全性的同时尊重公正性？
• RQ3 现有实时过程代数能否被适配或扩展以支持基于公正性的推理，特别是在具有互斥同步和有界等待的系统中？
• RQ4 如何将概率选择整合到基于公正性的框架中，以在具有非确定性和随机行为的系统中保持终局性和安全性？
• RQ5 在多大程度上可以利用无公平性、基于公正性的理论，对AODVv2和OLSR等实际无线网络协议进行形式化规范与验证，以确保其终局性和安全性？

主要发现

• 在缺乏公平性假设时，标准过程代数和佩特里网无法准确规范公平调度器和互斥协议等系统中的终局性性质。
• 公正性为公平性提供了一个可行的替代方案，使无需过度理想化假设即可正确推理终局性。
• 当使用基于公正性的语义等价性时，将同步通信编码到异步模型中的现有方法可能需要重新审视，可能会影响其正确性保证。
• 正在开发AWN过程代数的实时扩展，以形式化规范和验证AODV和AODVv2等时间敏感路由协议。
• 该框架能够对OLSR和BATMAN等协议的形式化验证安全性（如避免循环）和终局性（如路由发现、数据包传输），并可能通过协议修改实现期望性质。
• 正在开发该理论的概率扩展，以支持对具有非确定性和随机行为的系统进行推理，同时保持终局性和安全性。