Опубликован: 23.05.2008 | Доступ: свободный | Студентов: 1349 / 262 | Оценка: 4.80 / 4.10 | Длительность: 15:29:00
Специальности: Программист
Лекция 14:

Алгоритмы выбора сайтов

< Лекция 13 || Лекция 14: 12 || Лекция 15 >
Аннотация: Определение алгоритма выбора. Алгоритм смещения и демонстрация его работы на примере. Выбор с помощью алгоритма для деревьев. Алгоритмы в компьютерных сетях с кольцевой топологией (алгоритм Ле Ланна, Чанга-Робертса)

Во многих распределенных системах один из сайтов играет роль координатора при выполнении распределенного алгоритма. Иногда координатором является сайт, который инициировал выполнение алгоритма. Но не всегда один и тот же сайт на протяжении всего вычисления может оставаться координатором. Можно привести следующие причины смены координатора.

  1. Выход из строя оборудования на сайте – координаторе, в связи с чем, этот сайт не может продолжать управлять процессами в распределенной системе.
  2. Метод координации, реализованный на сайте, оказался неэффективным.
  3. Изменения в интенсивности использования различных сайтов системы, приводящие к тому, что координация из прежнего места становится менее эффективной, чем координация с других сайтов.

В подобных случаях требуется выбор нового координатора. Выбор среди сайтов нужно проводить и тогда, когда должен быть выполнен централизованный алгоритм и не существует заранее известного кандидата на роль инициатора алгоритма. Например, в случае процедуры инициализации системы, которая должна быть выполнена в начале или после сбоя системы. Так как множество активных сайтов может быть неизвестно заранее, то невозможно назначить один сайт раз и навсегда на роль лидера.

Активные (функционирующие в данный момент) сайты должны самоорганизоваться и провести выборы координатора. Для выбора нужна какая-то информация о кандидатах. Для простоты будем считать, что с каждым сайтом связано некоторое число – оценка est (estimate). Выбран должен быть сайт с максимальным (или в отдельных задачах – минимальным) значением оценки.

Максимальное значение нетрудно найти, если все локальные оценки собрать в одном месте. Но сложность заключается в том, что неясно, кто бы мог взять на себя сбор информации, а также зависимость процедуры сбора от архитектуры системы.

Алгоритм смещения

Алгоритм предназначен для динамического выбора координатора на основе локальных оценок сайтов. Предполагается, что каналы связи надежны, а сайты иногда могут прерывать (например, из-за отказов) свое функционирование.

Сайты обмениваются сообщениями с тремя возможными значениями: "выборы", "ответ", "координатор". Сообщение "выборы" посылается для объявления выборов. Сообщение "ответ" посылается в ответ на объявление выборов. Сообщение "координатор" посылается для объявления идентификатора нового координатора.

Алгоритм выборов может начать любой сайт Si, который определил, что текущий координатор SC не функционирует (например, если ему слишком долго приходится ожидать сообщения от координатора).

Алгоритм состоит из следующих шагов.

  1. Сайт S_i рассылает сообщение "выборы" всем другим сайтам, имеющим большую оценку est(S_j), чем у него. Он ожидает, что они отправят ему сообщения "ответ".
  2. Ожидание сайтом Si ответов длится не более чем время T. Если за это время ответы не получены, то сайт Si объявляет себя координатором и уведомляет об этом сайты с меньшей оценкой, чем est(Si) путем отправки им сообщений "координатор". Если же ответы получены, то сайт Si ожидает еще некоторое ограниченное время прихода сообщения "координатор" (возможно, кто-то из "старших" товарищей возьмет на себя функции координатора). Если он не дождался сообщения "координатор", сайт Si начинает новые выборы.
  3. Если сайт Si получает сообщение "координатор", то он записывает идентификатор сайта, с которого это сообщение было получено, и в дальнейшем общается с этим сайтом как с координатором.
  4. Если сайт Sj получает сообщение "выборы" и намерен участвовать в выборах, то он возвращает сообщение "ответ", после чего начинает новые выборы (напомним, его оценка est(Sj) больше, чем оценка est(Si) сайта, проводящего сейчас выборы).
  5. Если происходит рестарт сайта SC, то он начинает выборы. В том случае, если его оценка est(SC) является наивысшей, он объявляет себя координатором и сообщает об этом другим сайтам. Это происходит, несмотря на то, что какой-то сайт в период неработоспособности SC выиграл выборы и функционирует сейчас как координатор. Происходит смещение "временщика". Поэтому этот алгоритм выбора можно назвать алгоритмом смещения (английское название – the bully algorithm; слово bully имеет значения: задира, забияка, хвастун, хулиган, первоклассный, великолепный).
 Пример выполнения алгоритма выбора "смещение"

Рис. 18.1. Пример выполнения алгоритма выбора "смещение"

На рис. 18.1 изображены четыре шага выполнения алгоритма. Алгоритм начинается с того, что сайт S1 обнаружил, что сайт SC не выполняет свои функции координатора. Тогда он объявляет выборы, посылая соответствующие сообщения на сайты S2 и S3. Те посылают сайту S1 "ответы" (шаг 1) и начинают собственные выборы (шаг 2). На рисунке предполагается, что оценки est сайтов увеличиваются слева направо.

Сайт S3 посылает "ответ" сайту S2, но сам дождаться ответа от SC не может, так как тот не функционирует. Поэтому S3 решает взять на себя функции координатора. Но ему не везет: он тоже выходит из строя (шаг 3), не успев послать сообщение "координатор".

Тем временем истекает период ожидания сайтом S1 окончания выборов. Сообщения "ответ" он получил, а сообщение "координатор" – нет. Тогда он начинает новые выборы, по окончании которых координатором ( C ) становится сайт S2.

Во всех приведенных ниже алгоритмах процесс на сайте p имеет переменную state с возможными значениями coordinator (координатор) и lost (проигравший). Иногда мы будем предполагать, что state имеет значение sleep (спящий), когда p еще не выполнил ни одного шага алгоритма, и значение cand (кандидат), если p вступил в вычисление, но еще не знает, победил он или проиграл. Некоторые алгоритмы используют дополнительные состояния, такие как active, passive и др., которые будут указаны в самом алгоритме.

Важность уникальных идентификаторов в задаче выбора состоит в том, что они могут использоваться не только для адресации сообщений, но и для оценки сайтов. При разработке алгоритма выбора можно, например, потребовать, что сайт с наибольшей (или наоборот, с наименьшей) оценкой должен победить. Тогда задача состоит в поиске идентификатора с наибольшей оценкой с помощью децентрализованного алгоритма. В этом случае задачу выбора называют задачей поиска экстремума.

Выбор с помощью алгоритма для деревьев

Если топология распределенной системы – дерево или доступно остовное дерево системы, выбор можно провести с помощью алгоритма, приведенного в "Волновые алгоритмы распространения информации" . В этом алгоритме требуется, чтобы все концевые вершины были инициаторами алгоритма. Чтобы преобразовать алгоритм на случай, когда некоторые сайты также являются инициаторами, добавляется фаза wake-up. Сайты, которые хотят начать выборы, рассылают сообщение <wakeup> всем другим сайтам.

Когда сайт получит сообщение <wakeup> через каждый канал, он начинает выполнять алгоритм из "Волновые алгоритмы распространения информации" , который расширен таким образом, чтобы вычислять идентификатор сайта с наибольшей оценкой, и чтобы каждый сайт выполнял процедуру return(OK). Когда сайт выполняет эту процедуру, он знает идентификатор координатора; если этот идентификатор совпадает с идентификатором процесса, он становится координатором, а если нет – проигравшим.

В тексте алгоритма логическая переменная sent ("отправлено") используется, чтобы каждый сайт послал сообщения <wakeup> не более одного раза, а переменная counter (счетчик) используется для подсчета количества сообщений <wakeup>, полученных сайтом.

var  is_sent  : boolean  init  false ;
  counter: integer  init  0 ;
  recp[q]  : boolean  для всех q принадлежащих Out(this)   init  false ;
  m  : integer  init  this ;
  state  : (sleep, coordinator, lost)  init  sleep ;
begin  if  this - инициатор  then
  begin  is_sent := true ;
    forall  q in Out(this)  do  send <wakeup> to q
  end ;
  while  counter < card(Out(this))  do
    begin  receive <wakeup> ; counter := counter + 1 ;
        if  not  is_sent  then
        begin  is_sent := true ;
          forall  q in Out(this)  do send <wakeup> to q
        end
    end ;
  (* Начало алгоритма из лекции 12 *)
  while  card{q : not recp[q]} > 1  do
    begin  receive (token, r) from q ;  recp[q] := true ;
      if est(r) > est(m) then m := r
    end;
  send (token, m)  to q0  with not recp[q0] ;
  receive (token, r)  from q0 ;
  if est(r) > est(m) then m := r;   (* return(OK)  с ответом m *)
  if m = this  then  state := coordinator  else state := lost ;
  forall  q in Out(this), q not equils q0  do send (token, m)  to q
end

Когда хотя бы один сайт инициирует выполнение алгоритма, все сайты посылают сообщения <wakeup> всем своим соседям, и каждый сайт начинает выполнение алгоритма для дерева после получения сообщения <wakeup> от каждого соседа. Все процессы завершают алгоритм для дерева с одним и тем же значением оценки, а именно, с наибольшей оценкой сайта. Единственный сайт с такой оценкой закончит выполнение в состоянии координатор, а все остальные сайты – в состоянии проигравший.

Через каждый канал пересылается по два сообщения <wakeup> и по два сообщения <tok,r>, откуда сложность сообщений равна 4N–4. В течение D единиц времени после того, как первый процесс начал алгоритм, каждый процесс послал сообщения <wakeup>, следовательно, в течение D+1 единиц времени каждый процесс начал волну. Легко заметить, что первое решение принимается не позднее, чем через D единиц времени после начала волны, а последнее решение принимается не позднее D единиц времени после первого, откуда полное время равно 3D+1.

Если порядок сообщений в канале может быть изменен (т.е. канал – не FIFO), процесс может получить сообщение (token, r) от соседа прежде чем он получил сообщение <wakeup> от этого соседа. В этом случае сообщение (token, r) может быть временно сохранено или обработано как сообщения (token, r), прибывающие позднее.

< Лекция 13 || Лекция 14: 12 || Лекция 15 >
Ольга Космодемьянская
Ольга Космодемьянская

Я прошла курс "Распределенные системы и алгоритмы". Сдала экзамен экстерном и получила диплом. Вопрос: можно ли после завершения теста посмотреть все вопросы, которые были на экзамене и все варианты ответов? Мне это необходимо для отчета преподавателю в моем ВУЗе. Заранее спасибо!

Максим Глотов
Максим Глотов
Россия
Владимир Орлински
Владимир Орлински
Россия