Verteilte Snapshots by E1T9Q9j

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									   Verteilte Snapshots

 Vortrag im Rahmen des Seminars
Parallele und verteilte Programmierung

          Matthias Bedarff
                                                   Agenda
■ Einleitung
■ Grundlagen
   ▪ Globale Zustände in verteilten Systemen
   ▪ Modell eines verteilten Systems

■ Festhalten von globalen Zuständen
   ▪ Chandy-Lamport Algorithmus
   ▪ Eigenschaften festgehaltener Schnappschüsse

■ Zusammenfassung




                                                        2
                                                   Agenda
■ Einleitung
■ Grundlagen
   ▪ Globale Zustände in verteilten Systemen
   ▪ Modell eines verteilten Systems

■ Festhalten von globalen Zuständen
   ▪ Chandy-Lamport Algorithmus
   ▪ Eigenschaften festgehaltener Schnappschüsse

■ Zusammenfassung




                                                        3
                                                        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

                                                                     4
                                                   Agenda
■ Einleitung
■ Grundlagen
   ▪ Globale Zustände in verteilten Systemen
   ▪ Modell eines verteilten Systems

■ Festhalten von globalen Zuständen
   ▪ Chandy-Lamport Algorithmus
   ▪ Eigenschaften festgehaltener Schnappschüsse

■ Zusammenfassung




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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


                                                             6
   Globale Zustände in verteilten Systemen (2/2)
■ Schnappschuss einer Überweisung
                   Globaler Zustand 1

                        Kanal 1
                         leer
          Konto 1                   Konto 2
                        Kanal 2
                         leer
           500 €                        200 €



                   Globaler Zustand 2                 Festgehaltener Schnappschuss

                        Kanal 1                                 Kanal 1

                                                Þ
                         50 €                                    50 €
          Konto 1                   Konto 2          Konto 1               Konto 2
                        Kanal 2                                 Kanal 2
                         leer                                    leer
           450 €                        200 €         500 €                 250 €



                   Globaler Zustand 3

                        Kanal 1                     Nach dem Fortsetzen der Berechnung
                         leer
          Konto 1
                        Kanal 2
                                    Konto 2         mit dem festgehaltenen Zustand:
                         leer
           450 €                        250 €        100 € zuviel im verteilten System

                                                                                          7
                  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 }



                                                                                   8
                  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


                                                                               9
                  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)




                                                                              10
                   Modell eines verteilten Systems (4/5)
■ Kanal c geht aus Prozess p heraus
                   Globaler Zustand S                    Globaler Zustand next(S, e)

                                 Kanal c                                   Kanal c
               Prozess                        Ereignis   Prozess
                                      ...                              M              ...
                  p                              e          p

                   s                                        s'




■ Kanal c geht in Prozess p herein
                   Globaler Zustand S                    Globaler Zustand next(S, e)

                   Kanal c                                   Kanal c
                                    Prozess   Ereignis                        Prozess
             ...             M                              ...
                                       p         e                               p

                                       s                                         s'




                                                                                            11
                Modell eines verteilten Systems (5/5)
■ Berechnung
  ▪ Abfolge von n Ereignissen aller Prozesse eines verteilten Systems

                        seq  (ei : 0  i  n)
  ▪ falls jedes ei in Si eintreten kann
   stellt seq die Berechnung eines verteilten Systems dar und es gilt
                   S i 1  next ( S i , ei ) für 0  i  n




                                                                         12
                  Konsistente Schnappschüsse (1/3)
■ Grund für Inkonsistenz im Überweisungsbeispiel
  ▪ Konto 1 kennt Nachricht nicht           Globaler Zustand 1

  ▪ Konto 2 hat Nachricht bereits                Kanal 1
    empfangen, die sich noch im     Konto 1
                                                  leer
                                                             Konto 2
                                                 Kanal 2
    Kanal 1 befindet                              leer
                                    500 €                        200 €



                                            Globaler Zustand 2

                                                 Kanal 1
                                                  50 €
                                    Konto 1                  Konto 2
                                                 Kanal 2
                                                  leer
                                    450 €                        200 €



                                            Globaler Zustand 3

                                                 Kanal 1
                                                  leer
                                    Konto 1                  Konto 2
                                                 Kanal 2
                                                  leer
                                    450 €                        250 €




                                                                         13
                        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“


                                                                                     14
                     Konsistente Schnappschüsse (3/3)
■ Schnappschüsse im Prozess-Zeit-Diagramm
                                S11        S12
                       P1


                               S21         S22     S23
                       P2


                                     S31     S32         S33
                       P3




  ▪   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




                                                                  15
                                                   Agenda
■ Einleitung
■ Grundlagen
   ▪ Globale Zustände in verteilten Systemen
   ▪ Modell eines verteilten Systems

■ Festhalten von globalen Zuständen
   ▪ Chandy-Lamport Algorithmus
   ▪ Eigenschaften festgehaltener Schnappschüsse

■ Zusammenfassung




                                                        16
               Chandy-Lamport Algorithmus (1/3)
■ Pseudo-Code Darstellung des Algorithmus




                                             17
                    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

                                                                               18
                   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




                                                                        19
Eigenschaften festgehaltener Schnappschüsse (1/6)
■ Festgehaltener Schnappschuss  globaler Zustand
        Globaler Zustand S0                Globaler Zustand S2

             Kanal 1                            Kanal 1
                   M                               50
   Konto 1                  Konto 2   Konto 1                Konto 2
             Kanal 2                            Kanal 2        M

    500 €                   200 €     450 €        25        175 €

                       e0                               e2

        Globaler Zustand S1                Globaler Zustand S3             Festgehaltener Schnappschuss S*

             Kanal 1                            Kanal 1                                Kanal 1

                                                                       Þ
              50       M                           50
   Konto 1                  Konto 2   Konto 1                Konto 2       Konto 1                Konto 2
             Kanal 2                    25      Kanal 2                                Kanal 2
                                                   M                        500 €        25        175 €
    450 €                   200 €     475 €                  175 €

                       e1

        Globaler Zustand S2                Globaler Zustand S3

             Kanal 1                            Kanal 1
              50       M                           50
   Konto 1                  Konto 2   Konto 1                Konto 2
             Kanal 2                  25 M      Kanal 2

    450 €       25          175 €     475 €                  175 €




                                                                                                             20
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*

                                                                        21
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


                                                                                22
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
                        S0           S1           S2          S3
                              e0           e1           e2


                              e0 '         e 1'         e2'
                        S0'          S1'          S2'         S 3'

                        S                        S*          S

   durch Verschieben von e0 gilt S* = S2'
   Ist diese Permutation erlaubt?
    Wird immer S* erreicht?

                                                                       23
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

                                                                                  24
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




                                                                     25
                                                   Agenda
■ Einleitung
■ Grundlagen
   ▪ Globale Zustände in verteilten Systemen
   ▪ Modell eines verteilten Systems

■ Festhalten von globalen Zuständen
   ▪ Chandy-Lamport Algorithmus
   ▪ Eigenschaften festgehaltener Schnappschüsse

■ Zusammenfassung




                                                        26
                                          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

                                                                        27
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