Быстрый поиск

Реферат: Распределенные алгоритмы

Упражнение 4.4 Дайте значения всех переменных терминального состояния алгоритма Netchange когда алгоритм применяется к сети со следующей топологией:

После того как терминальное состояние достигнуто, добавляется канал между A и F. Какое сообщение F пошлет к A когда обработает уведомление <repair, A> ? Какие сообщения A пошлет после получения сообщений от F?

Раздел 4.4

Упражнение 4.5 Дайте пример демонстрирующий что Лемма 4.22 не имеет силу для сетей с ассиметричной стоимостью каналов.

Упражнение 4.6 Существует ли ILS которая использует не все каналы для маршрутизации? Она применима? Она оптимальна?

Упражнение 4.7 Дайте граф G и дерево T поиска в глубину графа G такие что G имеет N = n2 узлов, диаметр G и глубина T – 0(n), и существуют узлы u и v такие что пакет от u к v доставляется за N — 1 переходов схемой ILS поиска в глубину. (Граф может быть выбран таким образом что G непланарный, что предполагает (по Теореме 4.37) что G действительно имеет оптимальную ILS.)

Упражнение 4.8 Дайте схему ILS поиска в глубину для кольца из N узлов. Найдите узлы u и v такие что d(u, v) = 2, и схема использует N — 2 переходов для передачи пакета от u к v.

Раздел 4.5

Упражнение 4.9 Докажите что минимальность дерева T в доказательстве Теоремы 4.48 предполагает что оно имеет не более чем m листьев. Докажите что любое дерево с m листьями имеет не более чем m — 2 узлов ветвления.

5 Беступиковая коммутация пакетов

Сообщения (пакеты), путешествующие через сеть с коммутацией пакетов должны сохраняться в каждом узле перед тем, отправлением к следующему узлу на пути к адресату. Каждый узел сети для этой цели резервирует некоторый буфер. Поскольку количество буферного места конечно в каждом узле, могут возникнуть ситуации, когда никакой пакет не может быть послан потому, что все буферы в следующем узле заняты, как иллюстрируется Рисунком 5.1. Каждый из четырех узлов имеет буфера B, каждый из которых может содержать точно один пакет. Узел s послал t B пакетов с адресатом v, и узел v послал u B пакетов с адресатом s. Все буфера в u и v теперь заняты, и, следовательно, ни один из пакетов, сохраненных в t и u не может быть послан к адресату.

Ситуации, когда группа пакетов никогда не может достигнуть их адресата, потому что они все ждут буфера, в настоящее время занятого другим пакетом в группе, называются как тупики с промежуточным накоплением. (Другие типы тупика будут кратко рассмотрены в конце этой главы.) Важная проблема в проектировании сетей с пакетной коммутацией - что делать с тупиками с промежуточным накоплением. В этой главе мы разберем несколько методов, называемых контроллерами, которые могут использоваться для того, чтобы избежать возможности тупиков с промежуточным накоплением, вводя ограничения на то, когда пакет может быть сгенерирован или послан. Методы избежания тупиков с промежуточным накоплением найдены в сетевом уровне модели OSI (Подраздел 1.2.2).

Figure 5.1 Пример тупика с промежуточным накоплением.

Два вида методов, которые мы рассмотрим, базируются на структурированных и неструктурированных буферных накопителях.

Методы, использующие структурированные буферные накопители (Раздел 5.2) идентифицируют для узла и пакета специфический буфер, который должен быть использован, если пакет генерируется или принимается. Если этот буфер занят, пакет не может быть принят. В методах, использующих неструктурные буферные накопители (Раздел 5.3) все буфера равны; метод только предписывает, может или нет пакет быть принят, но не определяет, в который буфер он должен быть помещен. Некоторые нотации и определения представляются в Разделе 5.1, и мы закончим главу обсуждением дальнейших проблем в Разделе 5.4.

5.1 Введение

Как обычно, сеть моделируется графом G = (V, E); расстояние между узлами измеряется в переходах. Каждая вершина имеет B буферов для временного хранения пакетов. Множество всех буферов обозначается B, и символы b, c, bu, и т.д., используются для обозначения буферов.

Обработка пакетов узлами описывается с помощью трех типов перемещений, которые могут происходить в сети.

Генерация. Вершина u "создает" новый пакет p (на самом деле, принимая пакет от протокола более высокого уровня) и размещает его в пустом буфере в u. Вершина u в таком случае называется источником пакета p.

Продвижение. Пакет p продвигается от вершины u в пустой буфер следующей в его маршруте вершины w (маршрут определяется, используя алгоритмы маршрутизации). В результате передвижения буфер, прежде занятый p становится пустым. Хотя контроллеры, которые мы определим, могут запретить передвижения, предполагается, что сеть всегда позволяет это движение, т.е., если контроллер его не запрещает, то оно применимо.

В системах с синхронной передачей сообщений это перемещение, как легко видно, является одиночным переходом, как в Определении 2.7. В системах с асинхронной передачей сообщений, перемещение - не один переход, как в Определении 2.6, но оно может быть выполнено, например, следующим образом. Узел u неоднократно передает p к w, но не отбрасывает пакет из буфера, пока не получено подтверждение. Когда узел w получает пакет, он решает, примет ли он пакет в одном из буферов. Если примет, пакет помещается в буфер, и посылается подтверждение u, иначе пакет просто игнорируется. Конечно, могут быть разработаны более эффективные протоколы для выполнения таких перемещений, например те, где u не передает p, пока u не уверен, что w примет p. В любом случае перемещение состоит из нескольких переходов типа упомянутых в Определении 2.6, но в целях этой главы оно будет рассматриваться как одиночный шаг.

(3) Выведение. Пакет p, занимающий буфер в вершине назначения, удаляется из буфера. Предполагается, что сеть всегда позволяет это передвижение.

Обозначим через P множество всех путей, по которым следуют пакеты. Это множество определяется алгоритмами маршрутизации (см. Главу 4); как это делается, нас здесь не интересует. Пусть k - количество переходов в самом длинном пути в P. Это не предполагает, что k равен диаметру G; k может превосходить диаметр, если алгоритм маршрутизации не выбирает кратчайшие пути, и k может быть меньше диаметра, если все коммуникации между узлами происходят на ограниченных дистанциях.

Как видно из примера, данного в начале этой главы, тупики могут возникнуть, если разрешены произвольные перемещения (исключая тривиальное ограничение, что u должна иметь пустой буфер, если в u генерируется пакет и w должна иметь пустой буфер, если пакет продвигается в w). Теперь мы определим контроллер как алгоритм, разрешающий или запрещающий различные движения в сети в соответствии со следующими требованиями.

(1) Выведение пакета (в месте его назначения) всегда позволяется.

(2) Генерация пакета в вершине, в которой все буферы пустые, всегда позволяется.

(3) Контроллер использует только локальную информацию, т.е., решение, может ли пакет быть принят в вершине u, зависит только от информации, известной u или содержащейся в пакете.

Второе требование исключает тривиальное решение избежания заблокированных пакетов (см. Определение 5.2), отказываясь принимать какие-либо пакеты в сети. Как в Главе 2, пусть Zu обозначает множество состояний вершины u, и M - множество возможных сообщений (пакетов).

Определение 5.1 Контроллер для сети G = (V, E)-набор пар con={Genu, Foru}uÎ V , где Genu Í Zu ´ M и Foru Í Zu ´ M. Если cu Î Zu - состояние u, где все буферы пусты, то для всех p Î M, (cu, p) Î Genu.

Контроллер con позволяет генерацию пакета p в вершине u, где состояние u - cu, тогда и только тогда, когда (cu, p) Î Genu, и позволяет продвижение пакета p из u в w тогда и только тогда, когда (cw, p) Î Forw. Формальное определение контроллера не включает условия для выведения пакетов, потому что выведение пакета (в его месте назначения) всегда позволено. Передвижения сети под управлением контроллера con - это только те передвижения сети, которые разрешены con.

Пакет в сети в тупике, если он никогда не может достигнуть своего места назначения ни в какой последовательности передвижений.

Определение 5.2 Дана сеть G, контроллер con для G, и конфигурация g G, пакет p (возникающий в конфигурации g) в тупике, если не существует последовательности передвижений под управлением con, применимой в g, в которой p выводится. Конфигурация называется тупиковой, если она содержит пакеты в тупике.

Как показывает пример на Рисунке 5.1, тупиковая ситуация существует для всех контроллеров. Задача контроллера в том, чтобы не позволить сети войти в такую конфигурацию. Начальная конфигурация сети - конфигурация, когда в сети нет пакетов.

Определение 5.3 Контроллер беступиковый, если под управлением этого контроллера из начальной ситуации не достижима ни одна тупиковая.

5.2 Структурированные решения

Сейчас мы обсудим класс контроллеров, полагающихся на, так называемые, буферные графы, представленные Merlin и Schweitzer [MS80a]. Идея этих буферных графов базируется на наблюдении, что (при отсутствии контроллера) тупик обусловлен ситуацией циклического ожидания. В ситуации циклического ожидания есть последовательность p0, ..., ps -1 пакетов, таких, что для каждого i, pi хочет передвинуться в буфер, занятый pi+1 (индексы считаются modulo s). Циклическое ожидание избегается продвижением пакетов вдоль путей в ациклическом графе (буферном графе). В Подразделе 5.2.1 будут определены буферные графы и связанный с ними класс контроллеров, а также представлены два простых примера буферных графов. В подразделе 5.2.2 будет дана более запутанная конструкция буферного графа, снова с двумя примерами.

5.2.1 Буферные Графы

Пусть дана сеть G с множеством буферов B.

Определение 5.4 Буферный граф (для G, B) - направленный граф BG на буферах сети, т.е., BG = (B, ), так, что

(1) BG - ациклический (не содержит прямых циклов);

(2) Из bc Î следует, что b и c - буферы одной и той же вершины, или буферы двух вершин, соединенных каналом в G; и

(3) для каждого пути P Î P существует путь в BG, чей образ (см. ниже)-P.

Второе требование определяет отображение путей в BG на пути в G; если
b0, b1, ..., bs - путь в BG, то, если u- вершина, в которой располагается буфер bi, u0, u1,..., us - последовательность вершин таких, что для каждого i < s либо uiui+1 Î E, либо ui = ui+1. Путь в G, который получается из этой последовательности пропусканием последовательных повторений, называется образом исходного пути b0, b1,..., bs в BG.

Пакет не может быть помещен в произвольно выбранный буфер; он должен быть помещен в буфер, из которого он еще может достигнуть своего места назначения через путь в BG, т.е., буфер, подходящий для пакета в соответствии с определением.

Определение 5.5 Пусть p - пакет в вершине u с пунктом назначения v. Буфер b в u подходит для p, если существует путь в BG из b в буфер c в v, чей образ - путь, которому p может следовать в G.

Один из таких путей в BG будет называться гарантированным путем и nb(p, b) обозначает следующий буфер на гарантированном пути. Для каждого вновь сгенерированного пакета p в u Существует подходящий буфер fb(p) в u.

Здесь fb и nb - аббревиатура первого буфера (first buffer) и следующего буфера (next buffer). Заметим, что буфер nb(p, b) всегда подходит для p. Во всех буферных графов, используемых в этом разделе, nb(p, b) располагается в вершине, отличной от той, где располагается b. Использование "внутренних" ребер в BG, т.е., ребер между двумя буферами одной вершины, обсудим позже.

Контроллер буферного графа. Буферный граф BG может быть использован для разработки беступикового контроллера bgcBG , записывающий в каждый пакет буфер nb(p, b) и/или состояние вершины, где располагается p.

Определение 5.6 Контроллер bgcBG определяется следующим образом.

Генерация пакета p в u позволяется тогда и только тогда, когда буфер fb(p) свободен. Сгенерированный пакет помещается в этот буфер.

Продвижение пакета p из буфера в u в буфер в w (возможно u = w) позволяется тогда и только тогда, когда nb(p, b) (в w) свободен. Если продвижение имеет место, то пакет p помещается в nb(p, b).

Theorem 5.7 Контроллер bgcBG - беступиковый контроллер.

Доказательство. Если у вершины все буферы пусты, генерация любого пакета позволяется, откуда следует, что bgcBG - контроллер.

Для каждого b Î B, определим класс буфера b как длину самого длинного пути в BG , который заканчивается в b. Заметим, что классы буферов на пути в BG (а точнее, на гарантированном пути) строго возрастающие, т.е., класс буфера nb(p, b) больше, чем класс буфера b.

Т.к. контроллер позволяет размещение пакетов только в подходящих буферах и т.к. изначально нет пакетов, каждая достижимая конфигурация сети под управлением bgcBG содержит пакеты только в подходящих буферах. С помощью индукции "сверху вниз" по классам буферов можно легко показать, что ни один буфер класса r не содержит в такой конфигурации тупиковых пакетов. Пусть R - самый большой класс буфера.

Случай r = R: Буфер b вершины u, имеющий самый большой из возможных классов, не имеет исходящих ребер в BG. Следовательно, пакет, для которого b - подходящий буфер, имеет пункт назначения u и может быть выведен, когда он попадает в буфер b. Значит, ни один буфер класса R не содержит тупиковых пакетов.

Случай r < R: Выдвинем гипотезу, что для всех r' таких, что r < r' £ R, ни один буфер класса r' не содержит тупиковый пакет (в достижимой конфигурации).
Пусть g - достижимая конфигурация с пакетом p в буфере b класса r < R вершины u. Если u - место назначения p, то p может быть выведен и, следовательно, он не в тупике. Иначе, пусть nb(p, b) = c - следующий буфер на гарантированном пути b, и заметим, что класс r' буфера c превосходит r. По гипотезе индукции, c не содержит тупиковых пакетов, значит существует конфигурация d, достижимая из g, в которой c - пуст. Из d p может продвинуться в c, и, по гипотезе индукции, p не тупиковый в результирующей конфигурации d '. Следовательно, p в конфигурации g не в тупике.

Из доказательства видно, что если гарантированный путь содержит "внутренние" ребра буферного графа (ребра между двумя буферами одной вершины), то контроллер должен позволять дополнительные передвижения, с помощью которых пакет помещается в буфер той же вершины. Обычно гарантированный путь не содержит таких ребер. Они используются только для увеличения эффективности продвижения, например, в следующей ситуации. Пакет p размещается в буфере b1 вершины u и буфер nb(p, b1) в вершине w занят. Но существует свободный буфер b2 в u, который подходит для p; более того, nb(p, b2) в вершине w свободен. В таком случае, пакет может быть перемещен через b2 и nb(p, b2).