Seminar „Visualisierung Verteilter Systeme“ - Lydian 1 Lydian · Seminar „Visualisierung...

1Seminar „Visualisierung Verteilter Systeme“ - Lydian

© 2004 Marc Rintsch <[email protected]>

LydianLydianhttp://www.cs.chalmers.se/~lydian/

Ein System zur Visualisierung von verteilten Algorithmen

Seminarvortrag von Marc Rintsch24.05.2004



KurzbeschreibungKurzbeschreibung

Visualisierung von verteilten Algorithmen für den Einsatz in der Lehre vorhandene Archive von

● Netzwerktopologien● Protokollen● „Experimenten“

vorgefertigte Animationsprogramme alles vom Benutzer erweiterbar



AutorenAutoren

Wer?● Boris Koldehofe● Marina Papatriantafilou● Philippas Tsigas● Phuong Ha-Hoai

Wo?● Informatikinstitut● Chalmers University of Technology &

Göteborg University in Göteborg, Schweden



InhaltInhalt kleiner Überblick über das System Modell

● Simulator, Protokolle, Netzwerk

Beispiel „Rundruf mit Bestätigung“● Start von Lydian● Visualisierung

ASCII / grafisch

Lydian erweitern● Protokoll, Netzwerk, Animationsprogramme



Das SystemDas System

besteht aus Subsystemen● Simulator (DIAS – Distributed Algorithms Simulator)● Animation (POLKA Framework)

http://www.cc.gatech.edu/gvu/softviz/parviz/polka.html

verwendete Programmiersprachen● C für Protokolle● C++ für Animationsprogramme● „glue code“ in TCL/TK http://www.tcl.tk/



Aufbau des SystemsAufbau des Systems

Experiment● Protokoll● Netzwerk● zusätzliche Parameter

Archive● Protokolle● Netzwerke● Simulationsläufe

Experiment

Protokoll Netzwerk

Simulator

„Run“

Animationsprogramm



ModellModell Simulator

● Ereignisse● Schnittstelle für Knotenprozesse● Übertragungsfehler

Protokoll● formales Modell

Netzwerk● Topologie● Zeitverhalten



Annahmen über das simulierte Annahmen über das simulierte SystemSystem

Netzwerktopologie ist ungerichteter Graph Knoten

● ein Prozess pro Knoten● Kommunikation über Nachrichten● Knoten kann nur eine Nachricht auf einmal verarbeiten● startet in Zustand SLEEPING

wacht entweder „spontan“ auf oder wenn eine Nachricht eintrifft



Simulator ModellSimulator Modell

ereignisgetrieben Zeitverhalten von Nachrichten / Prozessen

● variable Verzögerungen nach verschiedenen Wahrscheinlichkeitsverteilungen möglich

● Prozesse blockieren nach jedem Ereignis für eine bestimmte Zeit

● Nachrichten benötigen Zeit bei der Übertragung● globale Taktzyklen wenn synchrone Protokolle simuliert

werden



Simulator – EreignisseSimulator – Ereignisse

INITPROTOCOL● „weckt“ beim Start der Simulation die Knoten auf● Anzahl der Knoten und Zeitpunkt können in der

Netzwerkbeschreibung festgelegt werden

RECMES● Nachricht empfangen

TIMEOUTS● jeder Knoten hat 5 Timer für Zeitüberschreitungen



Wichtige Aufrufe auf dem Wichtige Aufrufe auf dem SimulatorSimulator

send_to● senden von Nachrichten

pass_message● weiterleiten einer Nachricht

simul_end● beendet die Simulation



ÜbertragungsfehlerÜbertragungsfehler

realistische Simulation benötigt Übertragungsfehler Fehlerarten

● STOP_FAIL Verbindung ist permanent unterbrochen

● INTERMITTENT einzelne Nachrichten gehen zufällig „verloren“

maximale Anzahl betroffener Verbindungen kann vorgegeben werden



Protokoll Modell (1)Protokoll Modell (1)

deterministischer endlicher Automat (DFA) 8-Tupel (K, S, M, T, R, I, A, d) K – endliche Zustandsmenge für einen Knoten S – Startzustand jedes Knotens M – Menge von Nachrichtentypen T – Menge von 5 Timern pro Knoten R – Menge von „Registern“ für jeden Knoten




I – Menge von Initialisierungsdaten für „Register“ A – Menge von Aktionen

● Zustand ändern● Nachrichten senden● lokale „Register“ ändern● Timer starten / stoppen




d – Übergangsfunktion● bildet Tupel (Zustand, Ereignis) auf eine Aktion ab● formal:

d :K×{INITPROTOCOL}∪M∪T A



Protokoll Modell Protokoll Modell ZusammenfassungZusammenfassung

Knoten haben● einen Zustand● lokale Daten („Register“)● Funktionen / Methoden (Aktionen)● Timer

Kommunikation durch Nachrichten



Netzwerk ModellNetzwerk Modell

Topologie● Knoten● Verbindungen● Positionen in der Ebene

Zeitverhalten● asynchron● synchron



Asynchrones Zeitverhalten (1)Asynchrones Zeitverhalten (1)

Schritt (step)● nach jedem Ereignis blockiert ein Knoten

Verzögerung (delay)● Nachrichten benötigen Zeit bei der Übertragung

Schritt und Verzögerung ändern sich nach jedem Ereignis● verschiedene Verteilungen + Parameter● gleichmässige, geometrische, Normal- (Gauss),

deterministische Verteilung



Asynchrones Zeitverhalten (2)Asynchrones Zeitverhalten (2)

Einschränkung● Änderung von Schritt und Verzögerung nur wenn kein

Timer im Knoten läuft (technische Gründe)● scheinbar harte Einschränkung – in der Praxis aber keine

gravierenden Nachteile erkennbar



Synchrones ZeitverhaltenSynchrones Zeitverhalten

alle lokalen Uhren der Knoten laufen synchron Schritt ist in allen Knoten gleich Verzögerung von Nachrichten ist kleiner oder

gleich dem Schritt

Hauptunterschied zwischen asynchron / synchron● asynchron: Ereignisse bestimmen Systemzeit● synchron: Systemzeit bestimmt Ereignisse



Rundruf mit BestätigungRundruf mit Bestätigung Initiator

● sendet Anfrage an alle Nachbarn● wartet auf Bestätigungen

Bearbeitung von einer Anfrage● wenn schon bekannt, dann Bestätigung zurücksenden● sonst

Sender als „Parent“ merken an alle Nachbarn ausser „Parent“ Anfrage schicken auf alle ausstehenden Bestätigungen warten Bestätigung an „Parent“ senden



ZuständeZustände

Sleeping Waiting

Broadcast empfangen

alle ACKs empfangen



Start von LydianStart von Lydian

Hauptfenster so übersichtlich wie Zustandsdiagramm von Broadcast Protokoll ;-)



Experimentdialog (1)Experimentdialog (1)

Experiment Protokoll Netzwerk Übertragungsfehler Protokollierung Anzahl der Läufe Visualisierung



ASCII Visualisierung (1)ASCII Visualisierung (1)




t – globale Zeit m – Gesamtanzahl verschickter Nachrichten p – Prozess in dem der aktuelle Schritt stattfindet i – Prozess ID von p

Time: ttt Tot. Mess. Send: mm Cur. Proc: pp Id: ii




p – Prozess in dem der aktuelle Schritt stattfindet s – alter Zustand e – Ereignis n – neuer Zustand a - Aktion

Proc.: pp [( ssssss ) x ( eeeeee ) -> ( nnnnnnn ) x ( aaaaaa )]



ASCII Visualisierung (4)ASCII Visualisierung (4) Anzeige

● Prozessnummer / ID● alter Zustand● Ereignis● neuer Zustand● Aktion● protokollspezifische

Zusatzinformationen

Was passiert hier gerade?



Graphische VisualisierungGraphische Visualisierung

Anzeigen● Hauptfenster● Kausalität● Ereignisse für Prozess● Nachrichtenstatistik● Prozessdauer



HauptfensterHauptfenster

„schlafend“

Initiator

wartet noch auf ACKs

fertig

Broadcast

Bestätigung

erster Broadcastan Empfänger



Ereignisse für ProzessEreignisse für Prozess

erreichbar durch anklicken eines Knotens im Hauptfenster



KausalitätKausalität

Pfeilfarbe durch lokalen „Farbzähler“ bestimmt● Startwert bei allen Prozessen 0● wird bei jeder Empfangsoperation um 1 erhöht



Nachrichtenstatistik (1)Nachrichtenstatistik (1)

Anzahl gesendeter Nachrichten für jeden Prozess

durchschnittliche Anzahl

Nachrichtengrösse



Nachrichtenstatistik (2)Nachrichtenstatistik (2)



ProzessdauerProzessdauer



Protokoll hinzufügenProtokoll hinzufügen

Zustandstabelleaufstellen● Zustände● Ereignisse

Aktionen definieren● für jedes (Ereignis, Zustand) Paar

Aktionen in C umsetzen

Zustand 1 Zustand 2 ... Zustand nEreignis 1Ereignis 2

...Ereignis m



ZustandstabelleZustandstabelleSLEEPING WAITING

BRD

ACK (Fehler!)

Durchlauf beendet.

parent := Sender Mit ACK antworten.Wenn keine Nachbarn vorhanden, mit ACK antworten.BRD an alle anderen Nachbarn verschicken.Empfänger in der Menge ack speichern.new_state = WAITING

Sender aus ack entfernen.Wenn ack leer und parent != -1ACK an parent senden.new_state = SLEEPING

Wenn ack leer und parent == -1



Globale VariablenGlobale Variablen

int processes – Anzahl der Prozesse int TIME – globale Zeit int me – die eigene Prozessnummer int new_state – Zustand den Aktion setzen kann struct CURMESS – aktuelle Nachricht



Nachrichtenformat (1)Nachrichtenformat (1) System

● time – Zeitpunkt der Auslieferung

● from – Sender (Prozessnummer)

● hops – wie oft weitergeleitet?

● port – Verbindungsnr.● next – nächste

Nachricht in Warteschlange

typedef struct mess { int time; int drsy_time; int kind; int value[10]; long special_field[10]; int from; int hops; int maxhops; int port;

struct mess *next;} MESSAGE;



Nachrichtenformat (2)Nachrichtenformat (2)

Benutzer● kind – Nachrichtentyp● value, special_field –

Inhalt● maxhops – maximale

Anzahl von „hops“

typedef struct mess { int time; int drsy_time; int kind; int value[10]; long special_field[10]; int from; int hops; int maxhops; int port;

struct mess *next;} MESSAGE;



ProzessKontrollBlock (PCB)ProzessKontrollBlock (PCB) Zugriff: PCB[me].state wichtige Felder

● state – Zustand● id – Prozess ID● adjacents – Anzahl der

Nachbarn● loc_clock – lokale Uhr

andere per Funktion erreichbar oder intern vom Simulator verwendet

typedef struct { int state; int id; int adjacents; PORT *adjust; int step_dur[3]; MESSAGE *mes_buf; TIMER clock[5]; int loc_clock; double dr_loc_clock; int wake_time; int sy_init_time; int dpq; double dr_dpq; int step; int cycle; int idle; int init_time;} PCBS;



Lokale VariablenLokale Variablen

benutzerdefinierte Struktur Zugriff: REG[me].ack Speicheranforderung muss

selbst implementiert werden

typedef struct { int parent; LIST ack;} REGISTERS;

REGISTERS *REG;

void reg_alloc(void) { REG = (REGISTERS*) malloc(processes * sizeof(REGISTERS));}



Implementation (1)Implementation (1)

Benötigte Funktionen● Speicher für „Register“ anfordern● „Register“ initialisieren (init())● Funktion für jede Zelle in der Zustandstabelle

ausser für leere Zellen und „verbotene“ Zellen● Startfunktion für Knoten, die das Protokoll in Gang

setzen (start()) werden in der Netzwerkbeschreibung bestimmt darf nur 1 Knoten im „Broadcast mit ACK“ sein!




void init(void) { int i;

for(i=0; i < processes; ++i) { REG[i].parent = -1; init_list(REG[i].ack); }}

Elternknoten auf „undefiniert“ setzen ack-Listen leeren



Implementation (3)Implementation (3)void sleeping_brd(void) { MESSAGE *mess; int i;

if(PCB[me].adjacents == 1) { mess = create_message(); mess->kind = ACK; send_to(mess, CURMESS->port); } else { REG[me].parent = CURMESS->port; for(i=0; i < PCB[me].adjacents; ++i) { if(i != REG[me].parent) { insert_list(i, REG[me].ack); mess = create_message(); mess->kind = BRD; send_to(mess, i); } } new_state = WAITING; }}




void waiting_brd(void) { MESSAGE *mess;

mess = create_message(); mess->kind = ACK; send_to(mess, CURMESS->port);}



Implementation (5)Implementation (5)void waiting_ack(void) { MESSAGE *mess;

delete_list(CURMESS->port, REG[me].ack); if(empty_list(REG[me].ack) == TRUE) { if(REG[me].parent == -1) { /*initiator*/ new_state = SLEEPING; simul_end(); return; } else { /*send ACK to its parent */ mess = create_message(); mess->kind = ACK; send_to(mess, REG[me].parent); new_state = SLEEPING; } }}




void start(void) { MESSAGE *mess; int i;

if(PCB[me].adjacents == 0) { simul_end(); return; } for(i=0; i < PCB[me].adjacents; ++i) { insert_list(i, REG[me].ack); mess = create_message(); mess->kind = BRD; send_to(mess, i); } new_state = WAITING;}



Neues Protokoll in Lydian Neues Protokoll in Lydian einbindeneinbinden



Netzwerke bearbeitenNetzwerke bearbeiten graphischer Editor bei asynchronem

Zeitverhalten angeben:● Art der Verteilung● Parameter pro Knoten

evt. „spontan“ aufwachende Knoten bestimmen

deren „Weckzeit“ angeben



VerteilungenVerteilungen Wertebereich 1 bis 100 (ganzzahlig!) gleichmässig

● Parameter: Unter-/Obergrenze

geometrisch● Parameter: Unter-/Obergrenze und Mittelwert

Normalverteilung● Parameter: Obergrenze, Mittelwert und Varianz

deterministisch● Parameter: feste Werte für Schritt und Verzögerung



AnimationsprogrammeAnimationsprogramme

objektorientiertes Framework in C++

Animator

View

AnimObject Action

Loc

1..*

1..*

0..*

0..*



KlassenKlassen

View● Zeit (in Frames)● Höhe/Breite

in Pixeln internes

Koordinatensystem

AnimObject● Position (Loc)● Sichtbarkeit● Aktionen (Action)

Loc● Position als (x,y)

Koordinaten

Action● Typ● Startzeit (Frame)● „Pfad“● wird an Animations-

objekte gebunden



AnimObject – UnterklassenAnimObject – Unterklassen

Line Rectangle Circle Ellipse Polyline Spline

Polygon Pie Text Bitmap

Set

Hello World



Action – TypenAction – Typen

MOVE ALTER FILL COLOR VIS RESIZE

GRAB RAISE LOWER ALTER_LL ALTER_UR



FazitFazit

positiv● sehr flexibel● Timeouts● Übertragungsfehler● Netzwerke grafisch

bearbeiten● viele Sichten

negativ● Softwaresystem zu

komplex● eingeschränkt portabel● schlechte Trennung von

System- und Benutzer-daten in C-Datenstruk-turen



DankeDanke

Seminar „Visualisierung Verteilter Systeme“ - Lydian 1 Lydian · Seminar „Visualisierung...

Documents

Transcript of Seminar „Visualisierung Verteilter Systeme“ - Lydian 1 Lydian · Seminar „Visualisierung...