Завершение. Выше уже обсуждалось, что каждый корректный процесс получает по крайней мере N-1 голосов.
Соглашение. Мы сначала докажем, что существует вектор такой, что каждый корректный процесс получает N-1 компонентов .
Случай 1: Все процессы нашли решение в A. Пусть будет вектором достигнутых решений; каждый процесс получает N-1 компонентов , хотя "недостающий" компонент может быть различным для каждого процесса.
Случай 2: Все процессы за исключением одного, допустим r, нашли решение в A. Все корректные процессы получают одни и те же N-1 решений, а именно решения всех процессов за исключением r. Возможно, что r потерпел аварию, но, так как возможно , что r просто очень медленный, он все же сможет достичь решения, то есть, существует вектор , который расширяет решения, принятые на настоящий момент.
Из существования следует, что каждый процесс принимает решение о связном компоненте этого вектора.
Нетривиальность. Из нетривиальности A, можно достичь векторы решения как в компоненте 0, так и в компоненте 1; по построению А’ оба решения возможны.
Таким образом, А' является асинхронным, детерминированным, 1-аварийно-устойчивым алгоритмом согласия. Алгоритма А не существует по Теореме 13.8. o
Обсуждение. Требование нетривиальности, утверждающее, что каждый вектор решения в достижим, является довольно сильным. Можно спросить, могут ли некоторые алгоритмы, которые являются тривиальными в этом смысле тем не менее быть интересными. В качестве примера, рассмотрим Алгоритм 13.2 для переименования; с ходу не видно, что он нетривиален, то есть, каждый вектор с отдельным именем достижим (да, достижим); еще менее понятно то, почему нетривиальность может представлять интерес в этом случае.
Исследование доказательства Теоремы 13.15 показывает, что в доказательстве можно использовать более слабое требование нетривиальности, а именно, что векторы решения достижимы по крайней мере в двух различных связных компонентах . Такую ослабленную нетривиальность можно иногда вывести из формулировки проблемы.
Фундаментальная работа о задачах решения, которые являются разрешимыми и неразрешимыми при наличии одного сбойного процессора, была выполнена Бираном, Мораном и Заксом [BMZ90]. Они дали полную комбинаторную характеристику разрешимых задач решения.
13.4 Вероятностные Алгоритмы Согласия
В доказательстве Теоремы 13.8 показано, что каждый асинхронный алгоритм согласия имеет бесконечные выполнения, в которых никакое решение не принимается. К счастью, для хорошо подобранных алгоритмов такие выполнения могут быть достаточно редки и иметь вероятность 0, что делает алгоритмы очень полезными в вероятностном смысле; см. Главу 9. В этом разделе мы представляем два вероятностных алгоритма согласия, один для модели аварий, другой для Византийской модели; алгоритмы были предложены Брахой и Туэгом [BT85]. В обоих случаях сначала доказывается верхний предел для способности восстановления (t < N/2 и t < N/3, соответственно) и что и оба алгоритма удовлетворяют соответствующей границе.
В требованиях правильности для этих вероятностных алгоритмов согласия, требование завершения сделано вероятностным, то есть, заменено более слабым требованием сходимости.
(1) Сходимость. Для каждой начальной конфигурации,
[корректный процесс не принял решение после k шагов] = 0.
Частичная правильность (Соглашение) должна удовлетворяться при каждом выполнении; возникающие в результате вероятностные алгоритмы имеют класс Las Vegas (Подраздел 9.1.2).
Вероятность принимается всеми выполнениями, начинающимися в данной начальной конфигурации. Чтобы вероятности были значимыми, должно быть задано распределение вероятности над этими выполнениями. Это можно сделать использованием рандомизации в процессах (как в Главе 9), но здесь вместо этого определяется распределение вероятности на прибытиях сообщений.
Распределение вероятности на выполнениях, начинающихся в данной начальной конфигурации, определяется предположением о законном планировании. Оба алгоритма функционируют в раундах; в раунде процесс “выкрикивает” сообщение и ждет получения N-t сообщений. Определим R(q, p, k) как событие, когда в раунде k процесс p получает (раунд-k) сообщение q среди первых N-t сообщений. Законное планирование означает, что
(1) .
(2) Для всех k и различных процессов p, q, r, события R(q, p, k) и R(q, r, k) независимы.
Заметьте, что Утверждение 13.4 также выполняется для вероятностных алгоритмов, когда требуется сходимость (завершение с вероятностью один). Действительно, так как достижимая конфигурация достигается с положительной вероятностью, решенная конфигурация должна быть достижима из каждой достижимой конфигурации (хотя не обязательно достигаемой в каждом выполнении).
13.4.1 Аварийно-устойчивые Протоколы Согласия
В этом подразделе изучается проблема согласия в модели аварийного отказа. Сначала доказывается верхняя граница t < N/2 способности восстановления, потом приводится алгоритм со способностью восстановления t < N/2.
Теорема 13.16 t-аварийно-устойчивого протокола согласия для не существует.
Доказательство. Существование такого протокола, допустим P, подразумевает следующий три требования.
Требование 13.17 P имеет бивалентную начальную конфигурацию.
Доказательство. Аналогично доказательству Леммы 13.6; детали оставлены читателю. o
Для подмножества процессов S, конфигурация называется S-валентной, если и 0- и 1-решенные конфигурации достижимы из с помощью только шагов в S. называется S-0-валентной если, делая шаги только в S, 0-решенная конфигурация, и никакая 1-решенная конфигурации, может быть достигнута, S-1-валентная конфигурация определяется аналогично.
Разделим процессы на две группы, S и T, размера и .
Требование 13.18 Достижимая конфигурация является или S-0-валентной и T-0-валентной, или S-1-валентной и T-1-валентной.
Доказательство. Действительно, высокая способность восстановления протокола подразумевает, что и S и T могут достигать решения независимо; если возможны различные решения, можно достичь противоречивой конфигурации, объединяя планы. o
Требование 13.19 P не имеет достижимой бивалентной конфигурации.
Доказательство. Пусть дана достижимая бивалентная конфигурация и предположим, что это S-l-валентна и T-1-валентна (используем Требование 13.18). Однако, бивалентна, поэтому (ясно из связи между группами) 0-решенная конфигурация также достижима из . В последовательности конфигураций от до имеются две последующих конфигурации и , где является и S-v-валентной и T-v-валентной. Пусть p - процесс, вызывающий переход из в . Теперь невыполнимо , потому что S-1-валентна и S-0-валентна; аналогично невыполнимо . Мы пришли к противоречию. o
Противоречие существованию протокола P является результатом Требований 13.17 и 13.19; таким образом Теорема 13.16 доказана. o
Аварийно-устойчивый алгоритм согласия Брахи и Туэга. Аварийно-устойчивый алгоритм согласия, предложенный Брахой и Туэгом [BT85] функционирует в раундах: в раунде k процесс посылает сообщение всем процессам (включая себя) и ждет получения N-t сообщений раунда k. Ожидание такого числа сообщений не представляет возможность тупика (см. Упражнение 13.10).
В каждом раунде, процесс p “выкрикивает” голос за 0 или за 1 вместе с весом. Вес - число голосов, полученных для этого значения в предыдущем раунде (1 в первом раунде); голос с весом, превышающим N/2, называется свидетелем. Хотя различные процессы в раунде могут голосовать по-разному, в одном раунде никогда нет свидетелей различных значений, как будет показано ниже. Если процесс p получает свидетеля в раунде k, p голосует за свое значение в раунде k+1; иначе p голосует за большинство полученных голосов. Решение принимается, если в раунде получено больше, чем t свидетелей; решительный процесс выходит основной цикл и свидетели криков в течение следующих двух раундов, чтобы дать возможность другим процессам решить. Протокол дан как Алгоритм 13.3.
var : (0, 1) init (*голос p*)
: integer init 0 (*номер раунда*)
: integer init 1 (*Вес голоса p*)
: integer init 0 (*Счетчик полученных голосов*)
: integer init 0 (*Счетчик полученных свидетелей *)
begin
while do
begin (*сброс счетчиков*)
shout<vote, , , >;
begin receive<vote, r, v, w>;
if r > then (*Будущий раунд…*)
send< vote, r, v, w> to p (*…обработать позже*)
else if r = then
if w > N/2 then (*Свидетель*)
end
else (*r < , ignore*) skip
end;
(*Выбрать новое значение: голос и вес в следующем раунде*)
if then := 0
else if then := 1
else if then := 0
else := 1;
;
(*Принять решение, если более t свидетелей*)
if then ;
(*Помочь другим процессам принять решение*)
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90
