Vortrag im Rahmen des Seminars Verteilte Snapshots Vortrag im Rahmen des Seminars Parallele und verteilte Programmierung Matthias Bedarff

Agenda Einleitung Grundlagen Festhalten von globalen Zuständen Globale Zustände in verteilten Systemen Modell eines verteilten Systems Festhalten von globalen Zuständen Chandy-Lamport Algorithmus Eigenschaften festgehaltener Schnappschüsse Zusammenfassung

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Einleitung „Computersysteme durchleben eine Revolution“ (A. Tanenbaum 2004) bis in die Mitte der 80er-Jahre waren Computer groß und teuer Unternehmen hatten nur wenige Computer Computer arbeiten unabhängig voneinander Fortschritte in der Entwicklung günstigere Mikroprozessoren leistungsfähigere Computernetzwerke  günstige Computer zu Computersystemen zusammenstellen Verteilte Systeme Globaler Zustand: Zustand des gesamten verteilten Systems zu einem gewissen Zeitpunkt Schnappschuss: festgehaltener globaler Zustand

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Globale Zustände in verteilten Systemen (1/2) Gründe für das Erstellen von Schnappschüssen Ermittlung globaler Prädikate Deadlock Terminierung der Berechnung Erstellung von Rücksetzpunkten Wiederaufnahme der Berechnung nach Absturz Testen von verteilten Anwendungen Debuggen und Testen während Entwicklung und Wartung Prozesse physikalisch getrennt kein gemeinsamer Speicher keine gemeinsame Uhr Nachrichtenkanäle besitzen abweichende Verzögerungen  perfekt synchronisierter Schnappschuss nicht möglich

Globale Zustände in verteilten Systemen (2/2) Schnappschuss einer Überweisung Nach dem Fortsetzen der Berechnung mit dem festgehaltenen Zustand:  100 € zuviel im verteilten System

Modell eines verteilten Systems (1/5) Bestandteile eines verteilten Systems Prozesse (Anzahl begrenzt) Nachrichtenkanäle zwischen Prozessen (Anzahl begrenzt) gerichtet (Übertragung nur in eine Richtung möglich) Nachrichtenpuffer ist unbegrenzt Empfangsreihenfolge entspricht Absendereihenfolge (FiFo) Lokale Zustände Prozess besitzt einen Anfangszustand  { Anfangszustand }  { alle eingetretenen Ereignisse } Nachrichtenkanal zu Beginn einer verteilten Berechnung leer  { seit Beginn verschickte Nachrichten } \ { bereits empfangene Nachrichten }

Modell eines verteilten Systems (2/5) Ereignis unteilbare Aktivität, die den lokalen Zustand verändert gehört zu einem einzigen Prozess betrifft höchstens einen Kanal (falls ein Kanal betroffen, dann Versand oder Empfang einer Nachricht) Formal: Ein Ereignis e für einen Prozess p s ist der lokale Zustand von p unmittelbar vor dem Eintreten von e s' ist der lokale Zustand von p unmittelbar nach dem Eintreten von e falls kein Kanal betroffen: c und M sind null falls ein Kanal betroffen: c ist der veränderte Kanal M ist die versendete oder empfangene Nachricht

Modell eines verteilten Systems (3/5) Globaler Zustand setzt sich aus lokalen Zuständen aller Prozesse und Nachrichten-kanäle zusammen  Globalen Anfangszustand: alle Prozesse befinden sich in ihrem jeweiligen Anfangszustand alle Nachrichtenkanäle sind leer Nächster globaler Zustand Funktion next(S, e) beschreibt die Auswirkung des Ereignisses e Voraussetzungen verteiltes System befindet sich in dem globalen Zustand S Ereignis e kann in S eintreten (d. h. Prozess p befindet sich in s)

Modell eines verteilten Systems (4/5) Kanal c geht aus Prozess p heraus Kanal c geht in Prozess p herein

Modell eines verteilten Systems (5/5) Berechnung Abfolge von n Ereignissen aller Prozesse eines verteilten Systems falls jedes ei in Si eintreten kann  stellt seq die Berechnung eines verteilten Systems dar und es gilt

Konsistente Schnappschüsse (1/3) Grund für Inkonsistenz im Überweisungsbeispiel Konto 1 kennt Nachricht nicht Konto 2 hat Nachricht bereits empfangen, die sich noch im Kanal 1 befindet

Konsistente Schnappschüsse (2/3) Voraussetzungen für Konsistenz für die Prozesse p und q und einen Kanal c zwischen p und q gilt: 1. n = | { verschickte Nachrichten im festgehaltenen lokalen Zustand von p } | 2. n' = | { verschickte Nachrichten im festgehaltenen lokalen Zustand von c } | 3. m = | { empfangene Nachrichten im festgehaltenen lokalen Zustand von q } | 4. m' = | { empfangene Nachrichten im festgehaltenen lokalen Zustand von c } | (Erfassung erfolgt unmittelbar vor Aufzeichnung) Hiermit muss gelten: 1. n = n' 2. m = m' 3. n'  m'  Konsistenter Zustand: n  m „Anzahl der von p gesendeten Nachrichten muss mindestens so groß sein wie die Anzahl der von q empfangenen Nachrichten“

Konsistente Schnappschüsse (3/3) Schnappschüsse im Prozess-Zeit-Diagramm sij ist der j-te lokale Zustand des Prozesses pi {s11, s21, s31} ist ein streng konsistenter Schnappschuss {s11, s22, s32} ist ein inkonsistenter Schnappschuss {s12, s23, s33} ist ein konsistenter Schnappschuss

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Chandy-Lamport Algorithmus (1/3) Pseudo-Code Darstellung des Algorithmus

Chandy-Lamport Algorithmus (2/3) Terminierung des Algorithmus Voraussetzungen: 1. kein Marker darf endlos in einem eingehenden Kanal verbleiben 2. Aufzeichnung eines lokalen Zustands muss in endlicher Zeit erfolgen 3. Prozessgraph muss zusammenhängend sein (Weg von einem beliebigen Prozess zu jedem anderen existiert)  Marker wird von allen Prozessen über jeden eingehenden Kanal empfangen Verteilung der lokalen Zustände Verschiedene Strategien: Jeder Prozess sendet seinen lokalen Zustand … nur in Richtung des initiierenden Prozesses über alle ausgehenden Kanäle an alle Prozesse an eine Gruppe von Prozessen

Chandy-Lamport Algorithmus (3/3) Aufwand des Algorithmus Betrachtung der Aufzeichnung der lokalen Zustände O(e) Nachrichten, wobei e die Anzahl der Nachrichtenkanäle ist O(d) Zeit, wobei d der Durchmesser des Prozessgraphs darstellt Aufwand für Verteilung hängt von gewählter Strategie ab

Eigenschaften festgehaltener Schnappschüsse (1/6) Festgehaltener Schnappschuss  globaler Zustand

Eigenschaften festgehaltener Schnappschüsse (2/6) Fragestellung 1. Lässt sich der festgehaltene Zustand vom Initiierungszustand des Algorithmus erreichen? 2. Lässt sich der Zustand bei Terminierung des Algorithmus vom festgehaltenen Zustand erreichen? Formale Definitionen verteilte Berechnung seq = (ei, 0  i) Si globaler Zustand unmittelbar vor Eintritt von ei, 0  i S globaler Zustand bei Initiierung des Algorithmus S globaler Zustand bei Terminierung des Algorithmus S* festgehaltener Schnappschuss Zu beweisen: 1. S* ist erreichbar von S 2. S ist erreichbar von S*

Eigenschaften festgehaltener Schnappschüsse (3/6) Behauptung verteilte Berechnung seq' = (ei', 0  i) existiert, für die gilt: 1. i, i    i : ei' = ei 2. (ei',   i  ) ist Permutation von (ei,   i  ) 3. i, i    i : Si' = Si 4. k,   k   : S* = Sk' Vorgehensweise Einteilung aller Ereignisse in zwei Gruppen: 1. vor Aufzeichnung stattfindende Ereignisse, falls der lokale Zustand des betroffenen Prozesses nach dem Eintreten aufgezeichnet wurde 2. nach Aufzeichnung stattfindende Ereignisse, falls der lokale Zustand des betroffenen Prozesses vor dem Eintreten aufgezeichnet wurde  ei, i   sind vor Aufzeichnung stattfindende Ereignisse ei, i   sind nach Aufzeichnung stattfindende Ereignisse

Eigenschaften festgehaltener Schnappschüsse (4/6) Vorgehensweise (Fortsetzung) nach Aufzeichnung stattfindendes ej-1 kann vor einem vor Aufzeichnung stattfindendem ej stattfinden mit   j    Bedingung: ej-1 und ej ereignen sich auf verschiedenen Prozessen Permutation der Ereignisse Ziel: alle vor Aufzeichnung stattfindenden Ereignisse liegen vor den nach Aufzeichnung stattfindenden Ereignissen  durch Verschieben von e0 gilt S* = S2'  Ist diese Permutation erlaubt? Wird immer S* erreicht?

Eigenschaften festgehaltener Schnappschüsse (5/6) Beweis, dass … Permutation erlaubt ist: Voraussetzung: ej-1 beeinflusst nicht ej  in ej wird keine in ej-1 verschickte Nachricht empfangen  Prozess des ej müsste zuvor einen Marker von dem Prozess des ej-1 erhalten haben ein zu S* äquivalenter globaler Zustand erreicht wird: lokale Zustände der Prozesse nach Definition muss der lokale Zustand eines Prozesses aus den vor Aufzeichnung stattfindenden Ereignissen bestehen lokale Zustände der Nachrichtenkanäle nur bei Prozessen mit mehreren eingehenden Kanälen relevant Aufzeichnung eines Kanals c … beginnt nach Empfang eines Markers über den ersten weiteren Kanal und endet mit Empfang eines Markers über Kanal c selbst  ergibt sich nach dem letzten vor Aufzeichnung stattfindenden Ereignis

Eigenschaften festgehaltener Schnappschüsse (6/6) Gültigkeit globaler Prädikate in Schnappschüssen Betrachtung eines globalen Prädikats y(S) y(S)  endgültig und endgültig  y(S)  Prädikat kann nur auf wahr wechseln Betrachtung eines Schnappschusses S* y(S)  y(S*)  y(S) Begründung, da S* von S und S von S* erreichbar ist  ein in S* gültiges Prädikat ist auch nach Terminierung gültig

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Zusammenfassung Bedarf nach Möglichkeit Schnappschüsse zu erstellen Fortschritte in der Entwicklung machten verteilte Systeme möglich Gründe: globale Prädikate, Rücksetzpunkte und Testen Chandy-Lamport Algorithmus konsistenter Schnappschuss Schnappschuss muss keinem realen globalen Zustand entsprechen aber aufgezeichneter Schnappschuss und Zustand bei Terminierung sind von dem Zustand bei Initiierung erreichbar  globale Prädikate sind auch nach Terminierung gültig Modifikationen und Erweiterungen des Algorithmus bei schwächeren Annahmen an Nachrichtenkanäle parallele Ausführung des Algorithmus wiederholte Ausführung des Algorithmus

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