Wie kann man eine bessere Balance zwischen Konsistenz und Verfügbarkeit in Netzwerken erreichen? Forscher der University of California, Berkeley und der Technischen Universität Dresden haben eine algebraische Beziehung zwischen Konsistenz, Verfügbarkeit und Netzwerklatenz entdeckt, die bei der Gestaltung von verteilten Systemen helfen kann. Die Forschungsergebnisse wurden im Fachjournal Intelligent Computing veröffentlicht.
Stellen Sie sich vor, Sie möchten an einem Geldautomaten Geld abheben. Sie erwarten, dass der Automat Ihren Kontostand korrekt anzeigt und Ihre Anfrage schnell verarbeitet. Aufgrund von Netzwerkverzögerungen ist es jedoch schwierig für das System, beide Erwartungen gleichzeitig zu erfüllen. Wenn ein Geldautomat hohe „Konsistenz“ anstrebt, indem er den neuesten Kontostand durch Überprüfung einer Remote-Datenbank anzeigt, kann er Sie während Stoßzeiten warten lassen oder sogar daran hindern, auf Ihre Konten zuzugreifen.
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Auf der anderen Seite könnte ein Geldautomat, der „Verfügbarkeit“ bevorzugt, Ihnen schnellen Zugriff auf Ihre Konten ermöglichen, aber ein Risiko von ungenauen Informationen eingehen. Um unerwünschte Ergebnisse zu vermeiden, ist es notwendig, verteilte Systeme clever zu gestalten.
Das CAL-Theorem, welches von den Wissenschaftlern entwickelt wurde, baut auf Eric Brewers bekannten Theorem der Netzwerkpartitionierung auf und quantifiziert Konsistenz, Verfügbarkeit und scheinbare Latenz als Zeitintervalle. Im Gegensatz zum CAP-Theorem, welches die Systemdesigner bereits im Voraus dazu zwingt, Konsistenz, Verfügbarkeit oder beides aufzugeben, wenn ein Netzwerkausfall auftritt, ermöglicht das CAL-Theorem den Systemdesignern, ihre Entscheidungen je nach Situation anzupassen – eine Methode, die „rigoroses Design mit klar formulierten Annahmen“ ermöglicht.
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Die Analyse von verteilten Systemen ist essenziell für Systeme, welche komplexe Netzwerke von verbundenen Geräten wie Firmenrobotern, medizinischen Geräten und Sicherheitssystemen steuern, die unterschiedliche Latenzen an verschiedenen Knotenpunkten aufweisen und anfällig für Netzwerkausfälle sind. Durch die Nutzung des CAL-Theorems und der Lingua Franca-Kooperationssprache, einem leistungsstarken Werkzeug, das es Programmierern ermöglicht, zu spezifizieren, wie verschiedene Knotenpunkte miteinander interagieren sollen, können Systemdesigner komplexe Netzwerke modellieren und die Ergebnisse nutzen, um verteilte Systeme anpassen zu können.
Die Forscher haben ihre Methode anhand eines einfachen Geldautomatennetzwerks demonstriert, bei dem Kontostände verfolgt und Transaktionen verarbeitet werden. Mit Hilfe des CAL-Theorems wurden die Netzwerklatenzgrenzen abgeleitet, basierend auf festgelegten Mindestanforderungen an Konsistenz und Verfügbarkeit. Innerhalb dieser Grenzen konnten die Forscher die Optimierung des Netzwerks durch Entscheidungen über Softwareplatzierung und Abwägungen zwischen Konsistenz und Verfügbarkeit vornehmen.
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Darüber hinaus haben die Forscher gezeigt, wie man Verstöße gegen Anforderungen an Netzwerklatenz nach der Implementierung eines solchen Systems erkennen und behandeln kann. Mit integrierten Fehlerbehandlern, die von der Lingua Franca-Kooperationssprache bereitgestellt werden, können Systemdesigner wählen, ob sie Konsistenz oder Verfügbarkeit opfern und „solche Fehler anmutig behandeln“ möchten.
Zusätzlich haben die Forscher zwei Koordinationserweiterungen basierend auf dem CAL-Theorem implementiert – eine zentralisierte und eine dezentralisierte -, die flexible Abwägungen zwischen Konsistenz und Verfügbarkeit bei Änderungen der Netzwerklatenz unterstützen. Der zentralisierte Koordinationsmechanismus priorisiert die Konsistenz, während der dezentralisierte Mechanismus die Verfügbarkeit priorisiert. Ein solches System kann je nach Bedarf und Kontext angepasst werden.
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