[论文解读] On Synchronous and Asynchronous Interaction in Distributed Systems

Rob van Glabbeek, Ursula Goltz+1 more|ArXiv.org|Dec 31, 2008

Distributed systems and fault tolerance参考文献 13被引用 9

一句话总结

本文利用形式化模型Petri网，研究了在何种条件下，分布式系统中的同步交互可以在异步、分布式实现中得以保持。研究识别出半结构性网特性——特别是完全可达的可见纯标记的存在——作为决定系统能否在不损失并发性的情况下实现分布化的关键因素，建立了在不同分布假设下可实现的网类层次结构。

ABSTRACT

When considering distributed systems, it is a central issue how to deal with interactions between components. In this paper, we investigate the paradigms of synchronous and asynchronous interaction in the context of distributed systems. We investigate to what extent or under which conditions synchronous interaction is a valid concept for specification and implementation of such systems. We choose Petri nets as our system model and consider different notions of distribution by associating locations to elements of nets. First, we investigate the concept of simultaneity which is inherent in the semantics of Petri nets when transitions have multiple input places. We assume that tokens may only be taken instantaneously by transitions on the same location. We exhibit a hierarchy of `asynchronous' Petri net classes by different assumptions on possible distributions. Alternatively, we assume that the synchronisations specified in a Petri net are crucial system properties. Hence transitions and their preplaces may no longer placed on separate locations. We then answer the question which systems may be implemented in a distributed way without restricting concurrency, assuming that locations are inherently sequential. It turns out that in both settings we find semi-structural properties of Petri nets describing exactly the problematic situations for interactions in distributed systems.

研究动机与目标

• 确定在何种条件下，分布式系统中的同步交互可使用异步通信忠实地实现。
• 分析分布对Petri网模型中并发性保持的影响。
• 表征哪些Petri网可在不限制其并发行为的前提下，在分布式环境中实现。
• 通过为网元素分配位置并分析由此产生的行为等价性，比较不同的分布模型。
• 探讨结构特性（尤其是可见纯标记）在决定分布式实现可行性中的作用。

提出的方法

• 使用为位置分配给位置和转换的Petri网对分布式系统进行建模。
• 基于对分布和通信时序的假设，提出异步Petri网类的层次结构。
• 应用步骤就绪等价性来比较原始网与分布式网的行为，确保并发性得以保持。
• 使用“完全可达的可见纯标记”作为结构准则，识别出具有问题的交互模式。
• 将结果与现有方法（如Hopkins的交错语义和Selinger的基于队列的异步性）进行比较。
• 采用带标签和不带标签的网实现，探索在不同等价关系下可分布性的边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，Petri网中的同步交互可忠实地实现在分布式异步环境中？
• RQ2 Petri网的哪些结构特性会阻止或促进其在不损失并发性情况下的分布化？
• RQ3 不同的行为等价性（例如，步骤就绪与交错）如何影响可分布网的表征？
• RQ4 如果允许使用带标签网或线性时间语义，是否所有Petri网都可异步实现？
• RQ5 全局选择解析在分布式系统中的作用是什么？如何使用Petri网对其进行建模？

主要发现

• 当且仅当Petri网中不包含完全可达的可见纯标记时，该网才可无并发性限制地以分布式方式实现。
• 完全可达的可见纯标记的存在，是给定语义下分布式实现不可能性的充分且必要条件。
• 本文基于分布假设，建立了异步Petri网类的层次结构，更严格的条件导致更小、更受约束的类。
• 该方法将半结构性网特性确定为可分布性的关键决定因素，而非仅依赖行为等价性。
• 结果表明，虽然可同步通信可被异步模拟，但此类模拟可能无法保留所有并发属性，除非满足结构约束。
• 该框架允许对可异步实现的网进行表征，表明带标签网或线性时间语义可能将可分布网的类扩展至当前限制之外。