Sistemas Distribuídos: Conceitos e Projeto Eleição de Coordenador

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1 Sistemas Distribuídos: Conceitos e Projeto Eleição de Coordenador Francisco José da Silva e Silva Laboratório de Sistemas Distribuídos (LSD) Departamento de Informática / UFMA 13 de junho de 2013 Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17

2 Motivação Muitos algoritmos distribuídos requerem que um processo desempenhe um papel especial que pode ser de coordenador, iniciador, sequenciador, etc... Em geral, não importa qual processo realiza a tarefa. Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17

3 Problema Um coordenador central torna-se um ponto único de falha, podendo limitar a disponibilidade do serviço; Este problema pode ser contornado se pudermos eleger um novo coordenador em caso de falha do mesmo; A detecção de falha é normalmente baseada em time-out: um processo ao não receber uma resposta do coordenador por um período pré-determinado de tempo inicia a eleição. Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17

4 Algoritmo Garcia-Molina Pressupostos: 1 Cada processo possui um identificador único conhecido pelos demais processos; 2 A comunicação é confiável: mensagens nunca são perdidas, corrompidas ou duplicadas; 3 Processos levam um tempo finito para processar mensagens. A falha em um processo paralisa a computação sem gerar mensagens errôneas. Ao ser restabelecido, o processo sabe que falhou. Cada processo possui uma prioridade global. O de maior prioridade é eleito coordenador; Em geral utiliza-se a identificação dos processos como valor de prioridade; Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17

5 Todo Francisco processo Silva (UFMA/LSD) ao se recuperar desd: uma Conceitos falha e Projeto inicia uma eleição. 13 de Sejunho eledepossuir 2013 o5 / 17 Algoritmo Garcia-Molina Um processo p inicia a eleição ao perceber que o coordenador não mais responde: 1 Envia uma mensagem ELEIÇÃO a todos os processos de numeração maior que a sua; 2 Se nenhum processo responde, p ganha a eleição e torna-se coordenador; 3 Se um dos processos responde, o trabalho de p está terminado já que o processo que respondeu possui numeração maior e eventualmente se tornará coordenador. Ao receber uma msg ELEIÇÃO, um processo envia uma msg OK de volta ao emissor indicando que está vivo e que tentará assumir a tarefa de coordenador; Ele iniciará uma eleição, caso já não tenha feito isto; Eventualmente todos os processos desistirão com exceção do novo coordenador; O novo coordenador, então, anuncia sua vitória enviando uma msg a todos os processos.

6 Algoritmo Garcia-Molina Figura: Processo 7 era o coordenador mas falhou. Processo 4 foi o primeiro a perceber isto. Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17

7 Algoritmo em Anel Assume que os processos estão logicamente organizados em uma estrutura de anel; Um processo ao perceber a falha do coordenador inicia uma eleição circulando uma msg ELEIÇÃO concatenando seu próprio identificador à mesma; Ao receber a msg de eleição cada processo adiciona seu identificador na msg e a repassa; Eventualmente a msg retornará ao processo que iniciou a eleição. A msg é transformada em COORDENADOR e circula novamente no anel, indicando quais os membros do novo anel e quem é o coordenador. Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17

8 Algoritmo em Anel Figura: Processos 2 e 5 percebem simultaneamente de 7 falhou. Ambos criarão msgs ELEIÇÃO que serão transformadas em COORDENADOR Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17

9 Algoritmo Chang e Roberts Otimiza-se o algoritmo anterior: 1 Ao receber a msg ELEIÇÃO o processo repassa apenas o maior valor entre o recebido na msg e seu identificador; 2 Um nó já envolvido em uma eleição não necessita repassar uma msg recebida a não ser que ela contenha um valor maior que o identificador de seu nó. Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17

10 Algoritmo Chang e Roberts Se apenas um processo iniciar a eleição, o algoritmo gasta O(n) mensagens. Isto corresponde ao melhor caso; O pior caso ocorre quando n eleições simultâneas são disparadas. Nesta situação o algoritmo custará O(n 2 ); Existem variações deste algoritmo cuja complexidade é limitada a O(nlogn), normalmente utilizando anéis bi-direcionais. Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17

11 Algoritmo em Árvore Uma rede de n nós pode ser representada por um grafo contendo e arestas que conectam estes nós; O custo de comunicação de um nó a nós adjacentes pode ser representado por pesos nas arestas; Uma árvore de cobertura (spanning tree) de tamanho n é uma árvore que cobre toda a rede de n nós com n 1 arestas; Uma árvore de cobertura de peso mínimo possui a menor soma possível de pesos em suas arestas. A árvore de cobertura é um grafo acíclico; Qualquer nó pode ser considerado a raiz da árvore e, portanto, o ĺıder dos nós da árvore; Portanto, um algoritmo que constrói uma árvore de cobertura de peso mínimo pode ser utilizado para a eleição de coordenador. Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17

12 Algoritmo Gallager, Humbelt e Spira Fragmentos são combinados até que a árvore seja formada; Inicialmente, cada nó é um fragmento de nível zero; Cada fragmento de forma assíncrona e independente procura pela aresta de saída de menor peso e a usa para se unir a um outro nó formando um fragmento maior da árvore de cobertura de peso mínimo. Do ponto de vista da eleição, qualquer árvore de cobertura é suficiente: o fato da árvore resultante possuir peso mínimo é irrelevante; Como o algoritmo é distribuído, a árvore de cobertura deve ser única. Caso contrário o algoritmo pode gerar bloqueio perpétuo; Por isso devemos encontrar a árvore de cobertura de peso mínimo e ela deve ser única; No caso da eleição de coordenador podemos rotular o peso das arestas que saem de um dado nó com seu identificador. Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17

13 Eleições em Ambientes sem Fio Algoritmos tradicionais levam em consideração certas premissas que não são verdadeiras em ambientes sem fio; Por exemplo, consideram que a topologia da rede não muda, o que é falso, especialmente em redes móveis ad-hoc; Vasudevan et al. propuseram uma solução capaz de lidar com falhas de nós e partições de rede e que permite escolher o melhor nó para assumir o papel de coordenador, considerando a disponibilidade de recursos como a vida útil da bateria. Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17

14 Algoritmo Vasudevan et al. Qualquer nó, denominado fonte, pode iniciar uma eleição enviando uma mensagem ELEIÇÃO a seus vizinhos imediatos; Ao receber esta mensagem pela primeira vez, o nó designa o remetente como seu pai e envia uma mensagem ELEIÇÃO a todos seus vizinhos imediatos, com exceção do pai; Ele, então, espera por mensagens de reconhecimento de seus vizinhos antes de reconhecer a mensagem ELEIÇÃO de seu pai; Um nó ao receber uma mensagem ELEIÇÃO de um nó que não é seu pai, ele se limita a reconhecer o recebimento. Portanto, vizinho que já selecionaram um pai respondem imediatamente; Ao responder ao pai, o nó reporta informações tais como o tempo de vida útil de sua bateria e outras capacidades de recursos que serão utilizados para se escolher o melhor nó coordenador. Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17

15 Algoritmo Vasudevan et al. Figura: Nó a é o fonte. (a) Rede inicial (b)-(e) Fase de montagem da árvore Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17

16 Algoritmo Vasudevan et al. Figura: (b)-(e) Fase de montagem da árvore Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17

17 Algoritmo Vasudevan et al. Figura: (b)-(e) Fase de montagem da árvore (última etapa do broadcast pelos nós f e i não é mostrada. (f) Reportando o melhor nó ao fonte. O fonte notará que h é o melhor ĺıder e transmitirá isso por broadcast aos demais. Francisco Silva (UFMA/LSD) SD: Conceitos e Projeto 13 de junho de / 17