This paper is about the hardness of Leader Election problem in asynchronous distributed systems in which processes can crash but links are reliable. Recently, the hardness of a problem encountered in the systems is defined with respect to the difficulty to solve it despite failures: a problem is easy if it can be solved in presence of failures, otherwise it is hard [9]. It is shown in [9] that problems are classified as three classes: F (fault-tolerant), NF (Not fault-tolerant) and NFC (NF-completeness). Among those, the class NFC is the hardest problem to solve. It is also shown in [9] that the construction of Perfect Failure Detector (problem P) belongs to NFC. In this paper, we show that Leader Election is also one of NFC problems by using a general reduction protocol that reduces the Leader Election Problem to P. We use a formulation of the Leader Election problem as a prototype to show that it belongs to NFC.
분산시스템 환경에서, 흩어져 있는 다양한 형태의 자원들을 통제하고 관리하기 위해서는 분산된 여러 프로세스들 가운데 조정자(coordinator)로서의 역할을 담당할 특별한 프로세스를 필요로 한다. 이러한 조정자 프로세스를 통상 리더(leader)라고 부르며 리더를 선출하기 위한 알고리즘은 신뢰성있는 분산시스템을 구축하는 데 필수적인 중요한 요소가 된다. 이 논문에서는 특별히 failure detector(FD)를 구현한 비동기 분산시스템 환경에서 선출 문제 및 컨센서스 문제 간의 상관관계를 통해 제기되는 문제를 다루고자 한다. 먼저, 시스템 모델을 정의하고 그 다음으로 리더 선출을 설명한 후 마지막으로 축소 프로토콜을 이용하여 선출 문제가 컨센서스 문제에 비해 상대적으로 어려움을 증명하도록 할 것이다.
본 논문에서는 비동기적 분산 시스템에서 산출(Election) 문제를 해결하는데 필요한 최소한의 조건에 대해 논하고자 한다. 이 논문의 핵심은 비동기적 분산 시스템에서 산출 문제를 해결하는데 가장 약한 고장 추적장치는 무엇인가를 찾아내는 데 있다. 먼저 비동기적 분산 시스템에서 산출 문제와 합의(Consensus)문제에 대한 관련성을 토의하고 선출 문제는 합의 문제보다 더욱 어려운 문제임을 보인다. 보다 엄밀하게 표현하자면, 선출 문제를 해결하는데 필요한 가장 약한 고장 추적 장치는 완전한 고장 추적 장치이어야 하는 것으로, 이는 합의 문제를 해결하는데 필요한 가장 약한 고장 추적 장치보다 확실히 강한 것이다.
A Leader is a Coordinator that supports a set of processes to cooperate a given task. This concept is used in several domains such as distributed systems, parallelism and cooperative support for cooperative work. In completely asynchronous systems, there is no solution for the election problem satisfying both of safety and liveness properties in asynchronous distributed systems. Therefore, to solve the election problem in those systems, one property should be weaker than the other property. If an election algorithm strengthens the safety property in sacrifice of liveness property, it would not nearly progress. But on the contrary, an election algorithm strengthening the liveness property in sacrifice of the safety property would have the high probability of violating the safety property. In this paper, we presents a safety strengthened Leader Election protocol with an unreliable failure detector and analyses it in terms of safety and liveness properties in asynchronous distributed systems.
The university president direct election system in Korea had begun in 1987 as a movement of college democratization in the 1980s after 6.29 Declaration. Since then, many national/private universities had adopted the election system. However, it has posed many problems and it caused a sharp division of opinions between those who approve and disapprove the direct election system. Since 2005, the government has made official of the reformation and/or abolition of the university president direct election system, and has kept pushing for universities to give up the direct election system. Now, only 3 or 4 universities hold on to the system, and many universities have changed into the indirect election system. In the indirect election, a key is the composition of president nomination committee, which confirms the university members's variety. Many universities adopting the indirect election system have used simple random sampling, like drawing lots, to compose the president nomination committee. However, drawing lots has a problem that it has large possibility of composing a biased committee. This research suggests systematic sampling as an alternative to drawing lots. A numerical analysis was conducted using a data of a university in which the indirect election was implemented recently. The drawing lots gave the biased nomination committee. On the other hand, the systematic sample improves the problem and confirms more the variety of all members.
본 논문은 프로세스들이 크래시(crash)되어 죽을 수 있으나 통신망은 신뢰 할 수 있는 비동기적 분산 시스템에서 선출(election) 문제 해결의 어려움에 대하여 논한 글이다. 비동기적인 분산 시스템에서 문제들을 해결하는데 어려움의 정도는 프로세스들의 실패(failure)에도 불구하고 그것들을 해결 할 수 있느냐 하는 어려움(difficulty)에 의해 결정된다. 비동기적인 분산 시스템에서 부딪치는 문제들은 3부류의 문제들로 구분되는 바: F(고장 감내), NF(비고장 감내), NFC(비고장 감내 완전성)의 3 종류들이다. 그런 문제들 중, NFC 부류의 문제들이 해결하기 가장 어려운 문제들이다. 본 논문에서는 선출 문제도 NFC 부류에 속하는 해결하기 가장 어려운 문제임을 증명한다.
In this paper, we propose an election protocol based on mobile ad-hoc network. In distributed systems, a group of computer should continue to do cooperation in order to finish some jobs. In such a system, an election protocol is especially practical and important elements to provide processes in a group with a consistent common knowledge about the membership of the group. Whenever a membership change occurs, processes should agree on which of them should do to accomplish an unfinished job or begins a new job. The problem of electing a leader is very same with the agreeing common predicate in a distributed system such as the consensus problem. Based on the termination detection protocol that is traditional one in asynchronous distributed systems, we present the new election protocol in distributed systems that are based on MANET, i.e. mobile ad hoc network.
선출 프로토콜은 프로세스들의 그룹 통신, 데이터베이스의 원자성 완료와 복제된 데이터의 관리 등의 조정자(coordinator)가 이용 될 수 있는 많은 실질적인 문제를 해결하는데 하나의 기본적인 구성 요소로 이용 될 수 있다. 이 문제는 여러 연구단체에서 포괄적으로 연구 되어왔던 바, 이렇게 주된 연구 관심 영역이 된 하나의 이유는 많은 분산 프로토콜들이 하나의 선출 프로토콜을 필요로 하기 때문이다. 그러나 이러한 유용성에도 불구하고, 우리가 알기에는 이동 분산 컴퓨팅 환경에서 이러한 문제를 다룬 연구는 아직 없었다. 이동 분산 시스템은 기존의 분산 시스템 보다 훨씬 더 실패(failure)의 가능성이 높다. 그러한 환경에서 다수의 움직이는 노드들(nodes)로부터 선출의 문제를 해결하는 것은 움직이는 노드의 많은 실패(failure)에도 불구하고 하나의 모바일 노드가 우선순위에 의하여 리더로 선출 될 수 있도록 하는 것이다. 본 논문에서는 이동 분산 컴퓨팅 시스템에서 선출 문제에 대한 하나의 해결 방안을 제시 한다. 이 해결 방안은 Group Membership Detection 알고리즘에 바탕을 두고 있다.
리더선출(leader election)은 분산컴퓨팅 환경에서 원자적 실행완료(atomic commit) 및 복제 데이터(replicated data)관리 등을 지원하는데 반드시 요구되는 문제이다. 그룹 내의 프로세서들 중에서 선출된 리더는 프로세서들 간에 다양한 목표를 수행하기 위한 조정자(coordinator) 역할을 수행하게 된다. 지금까지 기존의 정적(static) 통신환경에서 그룹 내 네트워크 장애 및 프로세서 장애 등을 고려하여 통신시스템의 신뢰성을 확보하기 위한 다양한 결함허용(fault-tolerant) 프로토콜이 제안되었다. 그러나 이러한 기존의 시스템과는 달리 모바일 ad hoc 시스템은 환경적 특성상 다양한 형태의 장애가 발생할 수 있는 소지가 훨씬 많아지게 된다. 따라서 이러한 환경에서 선출문제를 해결하기 위해서는 프로세서 장애 또는 네트워크 장애가 빈번히 발생할 수 있음을 충분히 고려하여 리더선출문제를 제시하여야 할 것이다. 본 논문에서는 모바일 ad hoc 분산컴퓨팅 시스템에서 그룹 멤버십 탐지(Group Membership Detection) 알고리즘을 기반으로 한 리더선출 프로토콜을 제안하고 이를 시제논리(temporal logic)로 검증하고자 한다.
선출 프로토콜은 프로세스들의 그룹 통신, 데이터베이스의 원자성 완료와 복제된 데이터의 관리 등의 조정자(coordinator)가 이용 될 수 있는 많은 실질적인 문제를 해결하는데 하나의 기본적인 구성 요소로 이용 될 수 있다. 이 문제는 여러 연구 단체에서 포괄적으로 연구되어 왔던 바, 이렇게 주된 연구 관심 영역이 된 하나의 이유는 많은 분산 프로토콜들이 하나의 선출 프로토콜을 필요로 하기 때문이다. 그러나 이러한 유용성에도 불구하고, 우리가 알기에는 이동 컴퓨팅 환경에서 이러한 문제를 다룬 연구는 아직 없었다. 이동 시스템은 기존의 분산 시스템 보다 훨씬 더 실패(failure)의 가능성이 높다. 그러한 환경에서 다수의 모빌 호스트들(hosts)로부터 선출의 문제를 해결하는 것은 모빌 호스트나 고정된 호스트들의 많은 실패(failure)에도 불구하고 하나의 모빌 호스트나 또는 고정된 호스트가 우선 순위에 의하여 리더로 선출 될 수 있도록 하는 것이다. 본 논문에서는 이동 컴퓨팅 시스템에서 선출 문제에 대한 하나의 해결 방안을 제시한다. 이 해결 방법은 Garcia Molina의 Bully 알고리즘에 바탕을 두고 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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