Wechselseitiger Ausschluss in verteilten Systemen / Elektionsalgorithmen. Özden Urganci Ulf Sigmund Ömer Ekinci

Transkript

1 Wechselseitiger Ausschluss in verteilten Systemen / Elektionsalgorithmen Özden Urganci Ulf Sigmund Ömer Ekinci

2 Inhaltsangabe 1 Einleitung 2 Prinzipien des verteilten wechselseitigen Ausschlusses 2.1 Anforderungen an einen Algorithmus 3 Vorstellung ausgewählter Algorithmen 4 Selektionsalgorithmen 5 Zusammenfassung

3 Einleitung ein verteiltes System ist eine Menge unabhängiger Computer Erscheinen dem Benutzer wie ein einzelnes, zusammenhängendes System Daten oder Betriebsmittel geteilt mehrere parallel laufende Prozesse

4 Einleitung mehrere Prozesse gleichzeitig aktiv Betriebsmittel gemeinsam nutzen z.b. Ressourcen, Geräte oder Kommunikationskanäle

5 Einleitung Zugriff auf Ressourcen serialisieren Prozesse die lesen oder schreiben treten in kritischen Abschnitt ein Ressource befindet sich i.d.r auf Server

6 Einleitung Nur ein Prozess zugleich im kritischen Abschnitt Alle anderen Prozesse müssen sich einordnen Ablauf nach dem FIFO verfahren (First In First Out)

7 1 Einleitung 2 Prinzipien des verteilten wechselseitigen Ausschlusses 2.1 Anforderungen an einen Algorithmus 3 Vorstellung ausgewählter Algorithmen 4 Selektionsalgorithmen

8 2 Prinzipien des verteilten wechselseitigen Ausschlusses In nicht verteilten System wird gemeinsamer Speicher genutzt Semaphore oder Monitore schützen kritischen Abschnitt Prozessen stehen in diesem Fall gemeinsame Variablen zur Verfügung

9 2 Prinzipien des verteilten wechselseitigen Ausschlusses In verteilten Systemen kein gemeinsamer Speicher Prozesse und Ressource auf voneinander unabhängige Computer verteilt Keine Möglichkeit auf gemeinsame Variablen zuzugreifen

10 2 Prinzipien des verteilten wechselseitigen Ausschlusses DESWEGEN: Methoden einzusetzen, bei denen das Versenden von Nachrichten im Mittelpunkt steht

11 1 Einleitung 2 Prinzipien des verteilten wechselseitigen Ausschlusses 2.1 Anforderungen an einen Algorithmus 3 Vorstellung ausgewählter Algorithmen 4 Selektionsalgorithmen

12 2.1 Anforderungen an einen Algorithmus Ein Prozess kann jederzeit Anfragen nach dessen Ausführung bekommen Diese werden gesammelt und nacheinander abgearbeitet Prozesse befinden sich fortwährend in einem der folgenden Zustände bezüglich des kritischen Bereiches

13 2.1 Anforderungen an einen Algorithmus Wartend Aktiv Inaktiv

14 2.1 Anforderungen an einen Algorithmus Wartend Der Prozess ist blockiert Zutritt in den kritischen Abschnitt angefragt Wartet auf Erlaubnis Weitere Anfragen werden nicht versendet

15 2.1 Anforderungen an einen Algorithmus Aktiv Prozess führt einen kritischen Abschnitt aus Inaktiv Prozess ist inaktiv oder führt andere Bereiche aus, die keinen wechselseitigen Ausschluss erfordern

16 2.1 Anforderungen an einen Algorithmus Auftreten von Verklemmungen (Deadlock) vermeiden Kein Aushungern (Starvation) verursachen Fairness einhalten

17 1 Einleitung 2 Prinzipien des verteilten wechselseitigen Ausschlusses 2.1 Anforderungen an einen Algorithmus 3 Vorstellung ausgewählter Algorithmen 4 Selektionsalgorithmen

18 3 Vorstellung ausgewählter Algorithmen Zentraler Algorithmus Verteiler Algorithmus (Ricart and Agrawala, 1981) Token-Ring Algorithmus

19 Algorithmus mit zentralem Server Server als übergeordnete Instanz wird zum Koordinator für den Eintritt in einen kritischen Abschnitt. Alle anderen müssen sich nun zuerst an den Koordinator wenden, bevor sie den kritischen Abschnitt betreten. Ist der kritische Abschnitt frei, erhält der Prozess die Freigabe vom Server, der am längsten wartet. Nach Abarbeitung der Aufgaben gibt der Prozess dieses Token zurück.

20 Algorithmus mit zentralem Server Eigenschaften Mutual Exclusion wird erreicht: es ist immer nur ein Prozess im kritischen Bereich, da der Server immer nur ein Token vergibt Fair: Tokens werden in der Reihenfolge der Anfrage vergeben Einfach zu implementieren Nur 3 Nachrichten pro Zugang zur kritischen Region

21 Algorithmus mit zentralem Server Eigenschaften Koordinator ist single point of failure, d.h. fällt der Koordinator aus, bricht das ganze System zusammen. Prozesse, die nach einem Request blockieren, können nicht zwischen einem toten Koordinator und einer langen Warteschlange unterscheiden. Performance Bottleneck in großen Systemen

22 Algorithmus mit zentralem Server C1 C Token anfordern Rückgabe senden 3. Daten senden 5. Token senden 1. Token anfordern Syncserver Anwendungsserver

23 Algorithmus mit zentralem Server Live Demo

24 3 Vorstellung ausgewählter Algorithmen Zentraler Algorithmus Verteiler Algorithmus (Ricart and Agrawala, 1981) Token-Ring Algorithmus

25 Verteiler Algorithmus (Ricart and Agrawala, 1981) Der folgende Algorithmus besitzt keinen ausgewiesenen Koordinator. Alle Prozesse verständigen sich über Multicast- Nachrichten. Jeder Prozess besitzt eine logische Uhr Wenn ein Prozess eine kritische Region betreten will, sendet er ein Request an alle anderen Prozesse. Erst wenn alle Prozesse ihr OK gegeben haben, kann der Prozess die kritische Region betreten

26 Verteiler Algorithmus (Ricart and Agrawala, 1981) p1 und p3 wollen gleichzeitig in den kritischen Bereich.

27 Verteiler Algorithmus (Ricart and Agrawala, 1981) p1 hat den niedrigeren Timestamp und gewinnt.

28 Verteiler Algorithmus (Ricart and Agrawala, 1981) Wenn Prozess p1 fertig ist, gibt er den kritischen Bereich frei und sendet ebenfalls ein OK an p3.

29 Verteiler Algorithmus (Ricart and Agrawala, 1981) Der single-point-of-failure wurde ersetzt durch n points-of-failure. Wenn ein Prozess nicht mehr arbeitet, funktioniert das System nicht mehr. Dieses Problem könnte durch explizite Verwendung eines Request-Reply- Protokolls ersetzt werden (jede Nachricht wird sofort bestätigt). Wenn keine Bestätigung kommt, ist der Prozess nicht mehr aktiv.

30 Verteiler Algorithmus (Ricart and Agrawala, 1981) Jeder Prozess muss immer bei der Entscheidung mitwirken, obwohl er evtl. gar kein Interesse an der kritischen Region hat Verbesserung: eine einfache Mehrheit genügt Insgesamt ist der Algorithmus langsamer, komplizierter, teurer und weniger robust

31 3 Vorstellung ausgewählter Algorithmen Zentraler Algorithmus Verteiler Algorithmus (Ricart and Agrawala, 1981) Token-Ring Algorithmus

32 Token-Ring Algorithmus Die Prozesse in einem lokalen Netz werden in einer logischen Ringstruktur organisiert. Ein Token kreist; wer das Token besitzt, darf in den kritischen Bereich, allerdings nur einmal.

33 Token-Ring Algorithmus a) ungeordnete Gruppe von Prozessen in einem Netzwerk b) logischer Ring durch Software konstruiert

34 Token-Ring Algorithmus Eigenschaften Korrektheit ist leicht zu sehen. Nur ein Prozess hat das Token zur selben Zeit. Fairness garantiert. Kein Prozess wird ausgehungert, da die Reihenfolge durch den Ring bestimmt ist. Maximal muss ein Prozess so lange warten, bis alle anderen Prozesse einmal im kritischen Bereich waren

35 Token-Ring Algorithmus Eigenschaften Verlorene Token erfordern Neugenerierung durch Koordinator. Verlust eines Tokens ist schwer zu erkennen, da es sich auch um einen sehr langen Aufenthalt in einem kritischen Bereich handeln kann. Tote Prozesse müssen erkannt werden.

36 Token-Ring Algorithmus Live Demo

37 1 Einleitung 2 Prinzipien des verteilten wechselseitigen Ausschlusses 2.1 Anforderungen an einen Algorithmus 3 Vorstellung ausgewählter Algorithmen 4 Selektionsalgorithmen

38 4 Selektionsalgorithmen Bully-Algorithmus Nachrichtenauslöschung nach Chang und Roberts Echo-Algorithmus

39 4 Selektionsalgorithmen Wähle aus P1, P2,, PN den Prozess mit höchster ID als Koordinator Verwendete Nachrichtentypen: Election: Ankündigung einer Wahl Answer: Reaktion auf die Wahlankündigung Koord.Nachricht: Ankündigung des gewählten Koordinators

40 4 Selektionsalgorithmen Ablauf: Prozess Pi mit nicht-maximaler ID veranlasst eine Wahl Wahlnachricht an alle Prozesse mit höherer ID Prozesse schicken eine Bestätigung zurück, wenn sie nicht selbst abgestürzt sind Falls der Prozess Pi von Prozessen mit höherer ID Antworten bekommt, sendet er keine weiteren Nachrichten mehr

41 4 Selektionsalgorithmen Ablauf: Jeder Prozess (mit höherer ID), der Pi geantwortet hat, verschickt seinerseits wiederum Anfragen an alle Prozesse, die eine höhere ID haben als er (rekursiv) Der letzte Prozess hat keinen Prozess mehr den er fragen kann Er tritt selbst an die Stelle des neuen Koordinators und sendet per Broadcast die Nachricht, dass er der neue Koordinator sei

42 4 Selektionsalgorithmen Prozess P1 erkennt den Ausfall des Koordinators P4 und veranlasst eine Wahl (Phase 1) P2 und P3 senden je eine Antwortnachricht und veranlassen eigene Wahlen P2 bekommt Antwort von P3, P3 bekommt keine Antwort P3 hat die höchste ID und erklärt sich zum Koordinator (Phase 2) Bevor P3 Koordinatornachricht sendet, fällt er auch aus P1 wartet ab, bekommt keine Koordinatornachricht Neue Wahl wird veranlasst P2 wird zum Koordinator gewählt

43 4 Selektionsalgorithmen Bully-Algorithmus Nachrichtenauslöschung nach Chang und Roberts Echo-Algorithmus

44 4 Selektionsalgorithmen Ist ein Maximumsalgorithmus für Verteilte Systeme In einem Ring angeordnete Knoten Knoten mit der größten ID auszuwählen Grundlage ist der Bullyalgorithmus, dessen Nachrichtenkomplexität gesenkt wurde.

45 4 Selektionsalgorithmen Jeder Knoten wird irgendwann zum Initiator Sendet seine ID an seinen Nachbarn Wenn empfangene ID höher als eigene, wird sie weitergereicht

46 4 Selektionsalgorithmen Falls empfangene ID kleiner als eigene, wird die Nachricht verschluckt Wenn Nachricht einen ganzen Ringdurchlauf schafft, wurde der Initiator gefunden Informiert die anderen mittels eines weiteren Ringdurchlaufs

47 4 Selektionsalgorithmen Bully-Algorithmus Nachrichtenauslöschung nach Chang und Roberts Echo-Algorithmus

48 4 Selektionsalgorithmen Es gibt zwei Nachrichtentypen: Explorernachrichten, färbt Knoten rot Echo-Nachrichten, färbt Knoten grün Vor der Ausführung des Algorithmus sind alle Knoten weiß

49 4 Selektionsalgorithmen Ein Initiator wird rot und schickt an alle seine Nachbarn einen Explorer Ein weißer Knoten, der einen Explorer erhält wird rot Treffen sich zwei Explorer auf einer Kante, so werden sie verschluckt

50 4 Selektionsalgorithmen Ein Knoten, der über all seine Kanten einen Explorer erhalten hat, wird grün und sendet ein Echo über die Kante, über die er den ersten Explorer erhalten hatte Ein Knoten, der einen Echo erhält, wird grün und sendet einen Echo über die Kante, über die er den Explorer erhalten hatte

51 4 Selektionsalgorithmen Der Algorithmus terminiert, wenn der Initiator das letzten Echo erhalten hat

52 4 Selektionsalgorithmen Als Auswahlalgorithmus muss jeder Knoten eine eigene ID haben Jeder Knoten startet irgendwann einen Echo- Algorithmus Sowohl die Echos, als auch die Explorer führen die ID mit Knoten geben Nachrichten nur weiter, wenn deren Initiator eine höhere ID hat als der Knoten selbst

53 4 Selektionsalgorithmen Wenn ein Initiator von allen seinen Nachbarn ein Echo erhält, weiß er, dass er gewonnen hat Alle anderen Knoten wissen dass sie verloren haben, wenn sie ein Echo oder einen Explorer gesendet haben

54 Zusammenfassung Gegenseitiger Ausschluss im verteilten System ist schwieriger zu erreichen als in einem Ein-Prozessor-System. Es existieren verschiedene Algorithmen mit unterschiedlicher Bedeutung für die Praxis. Vollkommene Verteilung bringt hier viele Nachteile mit sich.

55 Danke für eure Aufmerksamkeit