Um Estudo para o Problema de Ordenação Total em Comunicações Broadcast para Aplicações em Ambientes de comunicação sem-o

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1 Um Estudo para o Problema de Ordenação Total em Comunicações Broadcast para Aplicações em Ambientes de comunicação sem-o Vicente José Peixoto de Amorim Unicamp/2007

2 Resumo O projeto aqui proposto possui como foco principal o estudo, análise e comparação de diferentes algoritmos para o problema de Ordenação Total de Mensagens voltados principalmente para ambientes de comunicação sem-o, com ênfase no protocolo IEEE (bluetooth). O problema de ordenação total de mensagens consiste em: dado um conjunto de mensagens enviadas a um grupo de processos, tais mensagens devem ser recebidas por todos os processos do grupo na mesma ordem em que foram enviadas. Atualmente, com o advento e a popularização das comunicações sem-o, uma grande variedade de aplicações se tornaram possíveis, principalmente aqueles baseadas em dispositivos móveis, o que faz com que os algoritmos propostos para o problema de ordenação total necessitem ser analisados de forma a se obter as características principais de cada um, para que, dadas as características do ambiente de comunicação sem-o, seja possível delimitar qual o mais apropriado em determinado tipo de aplicação. 1

3 Sumário Introdução 3 O Problema de Ordenação de Mensagens 4 Ordenação Causal Ordenação Atômica Ordenação Total O Ambiente de Comunicação Bluetooth 10 Aplicações de Tempo Real Justicativa e Aplicabilidade 14 Cronograma 16 2

4 Introdução Como é característico da área de sistemas distribuídos, em aplicações que não possuam um único uxo de execução, é relativamente complicado se implementar um controle centralizado. Da mesma forma, numa rede onde se utiliza comunicações do tipo broadcast/multicast (uma única fonte e vários destinos diferentes) é também, complicado garantir que todas as mensagens enviadas por um determinado nó cheguem a todos os outros nós da rede (ou subconjunto de nós). O objetivo principal do projeto aqui apresentado é o estudo, catalogação e avaliação de desempenho dos algoritmos já existentes para o problema de ordenação total em comunicações broadcast/multicast, de modo a facilitar o desenvolvimento e aumentar a demanda por aplicações para ambientes de rede sem o (bluetooth e wi-) de forma a despertar um maior interesse comercial em aplicações desta área ainda pouco explorada. 3

5 O Problema de Ordenação de Mensagens O problema de ordenação de mensagens é característico da área de Sistemas Distribuídos, onde este possui um contexto distribuído em que as mensagens são enviadas a destinatários que nem sempre estão presentes (ou perto) sicamente e consequentemente, suscetíveis a problemas como por exemplo, falhas nos canais de comunicação, falhas de sincronização entre os processos, etc. Dessa forma, o problema de ordenação de mensagens pode ser contextualizado de diversas maneiras diferentes de acordo principalmente com sua aplicação. Ordenação Causal A ordenação causal baseia-se no acontecimento de eventos, onde a prioridade de ocorrência de um evento sobre o outro determina a ordem na qual os mesmos devem acontecer [1]. Por evento entende-se como a execução de uma determinada tarefa ou qualquer outra ação tomada por um processo no sistema. Dessa forma, problemas de ordenação causal [14] [12], podem ser caracterizados como sendo a relação de dependência de eventos com causas acontecidas anteriormente. Isto é, em problemas deste tipo, eventos ou mensagens são ordenados de acordo com suas dependências. Uma maneira clara de se interpretar isto seria: Dada uma lista de eventos E = {E1, E2, E3,..., En}, de tal forma que, para que a ocorrência do evento E2 seja desencadeada, o evento E1 já deverá ter ocorrido. Logo, 4

6 em uma generalização, para que En ocorra, todos os En-1 eventos já devem ter ocorrido anteriormente, caracterizando assim uma ordem causal para que os mesmos aconteçam. Analisando os conceitos expostos anteriormente percebe-se claramente a dependência do fator tempo neste tipo de ordenação. Entretanto, tal variável é comumente difícil de controlar em sistemas distribuídos, já que muitas vezes os relógios dos diferentes processos não estão sincronizados ou não são sucientemente precisos, fazendo com que seja violada a ordem e sincronia do sistema de uma forma geral. Considerando este problema, Lamport propõe em [1] uma solução inicial que seria a adição de um relógio lógico para controlar os eventos presentes no sistema. Tal relógio nada mais seria que um número de ordem associado a todos os eventos de cada processo sem que tais números necessariamente tivessem alguma relação com um relógio físico. A partir de tal concepção, Lamport chegou ao que chamou de system clocks (relógios de sistema) baseado em intervalos de tempo que o mesmo denominou ticks. Com isto, foi possível a elaboração do conceito de Ordenação Total, discutida na seção. Ordenação Atômica Nesta categoria dos problemas de ordenação, segue-se o mesmo princípio de atomicidade voltada à computação, onde, uma operação é executada por completo ou não é executada. Em ordenação atômica [15][10], mensagens enviadas a um certo grupo (ou sub-grupo) de destinatários só devem ser entregues caso todos os componentes deste grupo (sub-grupo) possam receber o que lhes foi enviado. Logo, todas as mensagens serão entregues ou nenhuma delas será entregue. Ordenação Total A idéia inicial de ordenação total proposta por Lamport em [1] e também descrita posteriormente por Chang e Maxemchuck em [11], previa a utilização de um protocolo para a entrega de mensagens por broadcast em um canal conável, onde estas seriam enviadas a um conjunto de processos que por sua vez iriam recebe-las na mesma ordem em que lhes foram enviadas. 5

7 Posteriormente, de acordo com [15], apesar da existência de uma grande quantidade publicações que abordam tal problema, a comparação dos algoritmos já propostos torna-se custosa, pois os mesmos possuem diversos enfoques diferentes, dependendo principalmente, da área e aplicação nas quais serão empregados. Assim, cada implementação existente leva em consideração alguns aspectos dos ambientes, os quais, são tratados ou não, dependendo do enfoque que a implementação possui. Dentre as diversas variáveis existentes em ordenação total algumas merecem especial atenção por inuenciarem diretamente o comportamento do sistema. Em sua grande maioria, tais variáveis se aplicam diretamente aos processos. Abaixo a listagem de algumas características que normalmente são relevantes em ambientes de comunicação como o descrito anteriormente: Conceitos básicos: Sincronia: Para que um sistema seja caracterizado como síncrono (ou assíncrono) [13][10], o mesmo deve levar em consideração principalmente duas características: velocidade de processamento e atraso na comunicação. Para estas duas características são denidos limites (máximos e mínimos), que se forem respeitados, caracterizam o sistema como síncrono, ou assíncrono; Falhas nos nós: Em sistemas deste tipo, diversos tipos de falhas podem ocorrer [15]. Logo, é estritamente do algoritmo, a decisão de como proceder caso alguma destas falhas descritas abaixo aconteçam: Falhas por Crash: Ocorrem quando um processo cessa suas atividades de forma anormal sem que seja possível retornar ao seu funcionamento futuramente; Falhas por omissão: Ocorrem quando um processo omite-se de alguma de suas funções, como: envio, recepção, conrmação, etc; Falhas de tempo: Ocorrem quando algum processo viola as regras de sincronia previamente estabelecidas que regem o sistema como um todo; Falhas Bizantinas: Falhas que não se enquadram em nenhuma outra classicação das apresentadas anteriormente. Comunicações: Obrigatoriamente, canais de comunicação devem ser estabelecidos para que se possa haver a troca de mensagens. Logo, também existem variáveis envol- 6

8 vidas na denição de tais canais, como conabilidade e tipo de protocolos utilizados. Os canais de comunicação são, normalmente divididos em dois tipos: Canais conáveis (Reliable Channels): Neste tipo de canal de comunicação, uma mensagem enviada vai garantidamente ser entregue ao seu destinatário; Canais sujeitos à perdas (Lossy Channels): Canais de comunicação que podem sofrer perdas de mensagens onde as causas destas podem estar relacionadas à estrutura física da rede ou mesmo associadas a fatores ligados ao software. Oráculos: Em sua denição mais comum, oráculos são entidades que recebem um determinado questionamento e devolvem uma resposta ao seu 'questionador'. Em sistemas distribuídos são utilizados em problemas que não podem ser resolvidos simplesmente através da própria sincronia do sistema. São classicados de três formas diferentes: Relógios (físicos ou não): Oráculo baseado em relógios e provê informações sobre o tempo físico ou 'ticks' adotados pelo sistema; Detectores de falhas: Oráculo que consegue prover informações sobre o estado de cada processo. Como um exemplo, se estes estão ou não em execução; Oráculos randômicos: Oráculo que possui a funcionalidade de gerar valores randômicos de acordo com a necessidade do processo que tem acesso ao mesmo. De acordo com [2][3], a ordenação total em comunicações broadcast podem ser denidas através das seguintes propriedades: Validade: Se um determinado processo envia uma mensagem esta deverá ser entregue; Acordo de uniformidade: Se um processo recebe uma determinada mensagem, todos os outros processos também devem receber tal mensagem; Integridade uniforme: Para cada mensagem enviada na rede, cada processo deve receber esta somente uma vez; Ordenação total uniforme: As mensagens trocadas por dois processos ou por um conjunto de processos devem ser entregues na mesma ordem em que foram enviadas. 7

9 A partir de tais propriedades chega-se a uma denição das propriedades que os algoritmos de ordenação total necessitam possuir para uma correta solução do problema: Uniformidade: Todas as propriedades explicitadas anteriormente devem se aplicar não somente a processos válidos como também a processos em condição de erro ou que nesta condição possam vir a entrar. Assim, a uniformidade garante que as mensagens trocadas por processos serão enviadas e entregues na mesma ordem, independentemente se uma condição de erro se instalou ou não em algum processo. A Figura 1 mostra a violação da uniformidade no sistema, onde o processo p1 envia uma mensagem aos processos p2 e p3, entretanto, em um momento futuro p1 vem a não mais funcionar. Logo, uma conrmação de recebimento da mensagem (por p2 e p3) não podem ser enviadas à p1; Figura 1: Exemplo de violação da propriedade uniformidade [15]. Contaminação: Tal propriedade vem da observação de que um processo, mesmo obedecendo a todas as propriedades (validade, acordo uniforme, integridade uniforme e ordenação total uniforme) pode enviar uma mensagem antes de entrar em um estado de erro, fazendo com que os outros processos sejam contaminados. Figura 2 exemplica a ocorrência de uma contaminação. Nela, os processos p1 e p2 são contaminados pelo estado inconsistente do processo p3 (não conseguiu receber a mensagem m2 e futuramente irá cessar sua execução), entretanto mesmo assim ele envia a mensagem m4 aos outros processos; Outras propriedades: Em determinadas aplicações, a denição de ordenação total por si só não garante que as mensagens enviadas serão entregues na mesma ordem, o que pode ser conseguido incluindo-se as propriedades abaixo à denição geral: Ordenação FIFO: Se um processo envia uma mensagem m antes de uma mensagem m', então a mensagem m' não deve ser entregue antes que m seja entregue; 8

10 Figura 2: Exemplo de contaminação dos processos p1 e p2 pelo processo p3 [15]. Ordenação Causal: Aplica-se a mesma denição apresentada por Lamport em [1] e delineada anteriormente aqui na seção. Em [15] é possível se encontrar uma denição formal do problema de ordenação total em comunicações broadcast, assim como uma descrição mais aprofundada das características e propriedades de um conjunto de algoritmos para tais sistemas. Como reexo do problema de ordenação total, existem diferentes aplicações dependentes do mesmo, como: Sincronização de relógios [13][9], escrita cooperativa utilizando-se computadores, compartilhamento de memória distribuída ou lock distribuído [8] e até mesmo na replicação de bancos de dados [7][6][5]. 9

11 O Ambiente de Comunicação Bluetooth Denido através do padrão IEEE [16], o Bluetooth [17][4] é uma tecnologia de baixo custo, que devido à tal característica vem rapidamente se popularizando. Utilizada para a transmissão de dados e voz à curtas distâncias e inicialmente desenvolvido pela Ericsson, possui no baixo consumo de energia uma de suas principais características. Principalmente por ser de curto alcance, pode ser utilizado largamente como padrão para a formação das chamadas WPANs (Wireless Personal Area Networks), formadas por dispositivos de comunicação com curto alcance, tais como: notebooks, PDAs, telefones celulares, etc. O protocolo IEEE implementa uma série de camadas que vão desde as camadas de enlace até aplicação. Estas, provêem funcionalidades que vão desde esquemas de gerenciamento de energia e enlace de dados à modos de descoberta, conexão e sincronização de novos nós em uma rede. Utilizando dispositivos bluetooth os usuários são capazes de conectar-se à uma ampla variedade de dispositivos de computação, telecomunicações e eletrodomésticos de uma forma simples, sem a necessidade de adquirir, carregar ou conectar cabos/os de qualquer espécie, tornando assim a utilização do mesmo uma tarefa automática, feita sem que o usuário perceba, entretanto, o padrão oferece algumas limitações quanto a potência, alcance do sinal (máximo de 10mts) e largura de banda. A topologia deste tipo de rede permite conectar um número máximo de 80 usuários os quais formam as denominadas piconets ou um conjunto destas, conhecidas como scatternets (Figura 3). O número máximo de nós aceitos na rede pode ser considerado suciente se o alcance dos dispositivos for levado em conta. 10

12 O processo de estabelecimento de conexão entre os nós se dá através de quatro fases distintas que formam uma máquina de estados para o processo de conexão como um todo. 1. StandBy - O nó se encontra em estado de espera; 2. Inquiry - Neste estado o nó está habilitado a descobrir quais outros estão ao seu alcance. Para tanto, o dispositivo executa um Broadcast de pacotes Inquiry e espera por respostas que acontecerão se houver algum outro nó ao alcance do primeiro; 3. Page - Os endereços dos dispositivos são trocados; 4. Connection - Os nós encontram-se conectados e a troca de dados pode ser feita. A principal área de atuação de tal padrão é em transmissões em tempo real de voz e dados, a curto alcance permitindo que se conecte qualquer dispositivo que esteja em conformidade com tal tecnologia. Figura 3: Topologias básicas de uma rede bluetooth. Aplicações de Tempo Real O enfoque principal do trabalho aqui proposto tem como base a utilização de aplicações de tempo real. Estas podem ser denidas como sendo aquelas nas quais o tempo decorrente entre o par ação/reação está restrito a um valor n limite, que determina o tempo máximo de espera do sistema por uma resposta. Isto é, se este deadline não é respeitado, considera-se que o sistema falhou. 11

13 O valor limite varia principalmente de acordo com o enfoque do tipo de aplicação. No ambiente proposto neste projeto, o limiar n indica o tempo máximo entre o envio/recepção de determinada mensagens em uma comunicação entre dois processos (ou dois grupos de processos). Se a comunicação não ocorre dentro deste intervalo de tempo, entende-se que houve uma falha do sistema. Dessa forma, quanto menor o valor de n, maior será o nível de interatividade obtido pela aplicação. Logo, facilmente se deduz que aplicações que envolvam a transferência de áudio e/ou vídeo requerem um alto nível de interatividade para que possam ser consideradas de maneira interessante pelo usuário. Outro ponto de alta relevância no que diz respeito a aplicações deste tipo é a ordem com que mensagens são entregues ao(s) seu(s) destinatário(s). Isto é, se determinado dispositivo A envia certo conjunto de mensagens M={m1, m2, m3,..., mn} para o dispositivo B, o mesmo deve tal conjunto de mensagens M, sem que sua ordem de envio seja alterada. Quando a comunicação ocorre de 1 para 1 processos (Figura 4) é fácil, até certo ponto, se garantir que esta restrição seja seguida. Entretanto, o problema ganha uma complexidade maior quando as mensagens são trocadas entre grupos de processos (Figuras 5 e 6), principalmente no caso mostrado na Figura 6, onde existem vários remetentes (que não se comunicam) e somente um destinatário. Dessa forma, esta restrição de ordenação das mensagens é de suma relevância para aplicações de áudio/vídeo ou aquelas em que se dependa de determinada informação para se tomar uma decisão. Figura 4: Troca de mensagens entre processos (1 para 1). 12

14 Figura 5: Troca de mensagens entre processos (1 para n). Figura 6: Troca de mensagens entre processos (n para 1). 13

15 Justicativa e Aplicabilidade Baseando-se na grande popularização de dispositivos que utilizam tecnologias sem o como bluetooth e wi-, principalmente para as áreas de telefonia celular e dispositivos móveis, a idéia aqui apresentada tenta preencher uma lacuna ainda existente nesse mercado. Isto é, aplicações de tempo real com baixo delay (atraso na comunicação), que utilizem tal tecnologia de forma satisfatória ainda é um fato inédito, tanto na área acadêmica quanto na parte comercial. Em partes, tal diculdade em se implementar softwares deste tipo é justicada pelo problema descrito anteriormente (ordenação total em comunicações broadcast). Outro problema é causado pela topologia de uma rede bluetooth onde os nós escravos se comunicam somente com o mestre, logo, uma comunicação com outro escravo deve ser feita de forma indireta. Com isso, um nó pode vir a ser sobrecarregado quando um broadcast/multicast for executado. Pensando nisso, duas possíveis soluções foram pensadas: 1. Forçar que as piconets formadas pelos dispositivos tenham um número máximo de nós que não prejudiquem a vazão da rede como um todo. Isto é, uma redução do número de dispositivos escravos e um aumento do número de dispositivos mestres; ou 2. Durante a fase de Inquiry, um dispositivo executa um broadcast de pacotes. Uma solução mais abrangente seria a implementação de um device driver especíco que pudesse utilizar tais pacotes também em camadas superiores para a transferência de dados. Assim, um estudo, implementação e análise dos algoritmos existentes se faz necessária para que seja possível se determinar qual dos algoritmos existentes é o mais apropriado para ser aplicado na solução do problema em um ambiente de rede como aquele descrito anteriormente. 14

16 Uma vez que o algoritmo com as características e propriedades corretas seja selecionado, aplicações como jogos, streaming de áudio/vídeo e comunicações conáveis tornamse passíveis de implementação, principalmente para dispositivos com alta mobilidade como telefones celulares, PDAs, palms, notebooks, dispositivos presentes em automóveis, etc. Apesar de se ter destacado a aplicação dos algoritmos em ambientes bluetooth, nada impede que as mesmas soluções sejam implementadas em outras tecnologias (principalmente sem o) que utilizem comunicações broadcast. Com isto, a execução do trabalho aqui proposto é dividida em quatro partes: 1. Inicialmente existe a necessidade de uma pesquisa e catalogação dos trabalhos já existentes que implementem algoritmos para o problema de ordenção total voltados essencialmente para dispositivos que utilizem a tecnologia bluetooth; 2. Numa segunda fase, a idéia é uma análise inicial dos mesmos separando-os através de suas propriedades e características principais, de tal forma a se conhecer aqueles que mais se adequem ao ambiente bluetooth; 3. Nessa fase, propõe-se a implementação e testes dos algoritmos selecionados no passo 2, de forma a se determinar quais apresentam um melhor rendimento; 4. Na parte nal, a análise dos resultados obtidos na fase 3. 15

17 Cronograma Atividades \ Mês Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar Abr Mai Jun Catalogação dos algoritmos existentes X X X para o problema de ordenação total. Análise, caracterização e separação dos X X X algoritmos catalogados. Implementação e testes dos algoritmos X X X X X X X selecionados. Análise dos resultados obtidos e proposta X X dos melhores algoritmos. Tabela 1: Cronograma das atividades desenvolvidas no decorrer do projeto. 16

18 Referências Bibliográcas [1] Lamport, L. Time, Clocks, and The Ordering of Events in Distributed System. Communications of the ACM. 2, April, [2] Hadzilacos, V. and Toueg, S. A modular approach to fault-tolerance broadcasts and related problems. TR Cornell University, Ithaca, NY. May [3] Chandra, T. D. and Toueg, S. Unreliable Failure Detectors for Reliable Distributed Systems. J. ACM 43, 2, [4] Miller, M. Discovering Bluetooth. Sybex. California, EUA [5] Kemme, B. et. al. Using Optimistic Atomic Broadcast in Transaction Processing Systems. IEEE Trans. Know. Data Eng. 15, July, [6] Pedone, F. et. al. Atomic Broadcast in Replicated Databases. Proceedings of the 4th International Euro-Par Conference on Parallel Processing, , September 01-04, [7] Agrawal, D. et. al. Exploiting Atomic Broadcast in Replicated Databases (Extended Abstract). Proceedings of the 3th International Euro-Par Conference on Parallel Processing, , August 26-29, [8] Lamport, L. The Implementation of Reliable Distributed Multiprocess Systems. Computer Networks 2, [9] Rodrigues, L. et. al. Using Atomic Broadcast to Implement a Posteriori Agreement for Clock Synchronization. In Proceedings of 12th IEEE International Symposium on Reliable Distributed Systems (SRDS'93) (Princeton, NJ). IEEE Computer Society Press ; 17

19 [10] Cristian, F. Atomic Broadcast for Redundant Broadcast Channels. Real-Time Systems, Vol. 2, Number [11] Chang, J. and Maxemchuck, N. F. Reliable Broadcast Protocols. ACM Transactions on Computer Systems (TOCS). Volume 2. Issue August, [12] Steves, D. H. Contract in Eletronic Commerce. PhD Thesis. The University of Texas, Austin [13] Veríssimo, P. Real-Time Data Management With Clock-Less Reliable Broadcast Protocols. Proceedings of the IEEE Workshop on the Management of Replicated Data, November 1990, Houston, Texas, USA. [14] Veríssimo, P. et. al. Time in Distributed System Models and Algorithms. Distributed Systems, LNCS 1752, [15] Défago, X. et. al. Total Order Broadcast and Multicast Algorithms: Taxonomy and Survey. Computing Surveys (CSUR). Volume 36, Issue ; [16] IEEE Working Group for Wireless Personal Area Networks (WPANs). Acessado em ; [17] Bluetooth.org. The Ocial Bluetooth Membership Site. Acessado em