slide1
Download
Skip this Video
Download Presentation
DAJ

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 47

DAJ - PowerPoint PPT Presentation


  • 93 Views
  • Uploaded on

DAJ. A Toolkit for the Simulation of Distributed Algorithms in Java. Übersicht. Einführung in DAJ Grundsätzlicher Aufbau von DAJ – Anwendungen 3. Beispielanwendung: Broadcast durch Fluten 4. Beispielanwendung: Token Ring 5. Zusammenfassung und Fazit. Einführung in DAJ.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' DAJ' - rosina


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

DAJ

A Toolkit for the Simulation of Distributed Algorithms in Java

slide2

Übersicht

  • Einführung in DAJ
  • Grundsätzlicher Aufbau von DAJ – Anwendungen

3. Beispielanwendung: Broadcast durch Fluten

4. Beispielanwendung: Token Ring

5. Zusammenfassung und Fazit

slide3

Einführung in DAJ

1. Einführung in DAJ

1. 1 Der Autor

slide4

Einführung in DAJ – Wolfgang Schreiner

  • Wolfgang Schreiner
  • derzeit tätig am Institut für symbolisches Rechnen
  • RISC – Johannes Kepler Universität, Linz, Österreich
  • DAJ (1997)
  • Distributed Maple (1998 - ?)
  • Brokering Distributed Mathematical Services (2001-2003)
slide5

Einführung in DAJ

1. 2 Definition und Ziel

slide6

Definition und Ziel

DAJ (1997):

„DAJ is a toolkit for designing, implementing, testing, simulating, and visualizing distributed algorithms in Java.“ (Schreiner)

„ The goal of the toolkit is to provide an universally accessible platform for research and education in the area of distributed algorithms.“ (Schreiner)

slide7

Definition und Ziel

  • Merkmale:
  • bestehend aus einer Java Bibliothek mit einfacher Schnittstelle
  • Nachrichtenbasiertes System
  • Kommunikation zwischen Knoten durch Punkt-zu-Punkt Nachrichten
  • in Kanälen die Knoten verbinden
  • Selbstdefinierte Knotenprogramme werden auf den Knoten
  • ausgeführt
  • lokale Zeitmessungen in den Knoten sowie für die gesamte
  • Applikation
  • DAJ - Anwendungen ausführbar als eigenständige Anwendung oder
  • Java - Applet
slide8

Definition und Ziel

  • Ziel:
  • Problem der hohen Abstraktion bei verteilten Systemen
  • praktische Umsetzung der in der Lehre vorgestellten Algorithmen
  • erleichtern
  • schwergewichtige Bibliotheken (z.B. PVM) in der Ausbildung ersetzen
  • leichtgewichtige Variante schaffen
  • Transparenz nach unten schaffen
slide9

Visualisierung

1.2 Visualisierung

slide11

Oberfläche

  • gleiche Oberfläche bei Applets und eigenständigen Applikationen
  • Darstellung durch gerichteten Graphen
  • Verschiedene Farbkombinationen geben Status wieder
  • 1 Zeitschritt in der Anwendung entspricht einer Sende/Empfangsoperation
  • Tooltips geben ebenfalls Informationen über Status
slide12

Name des Knotens

Eingehender Kanal

Aktuelle lokale Zeit

Ausgehender Kanal

Darstellung eines einzelnen Knotens

  • Knoten mit der Bezeichnung „Master“ im initialen Zustand
  • zwei Kanäle zum Senden bzw. Empfangen
slide13

Darstellung eines einzelnen Knotens

Knoten „2“ im initialen Zustand und bereit zur

Ausführung seines internen Programms

Knoten „1“ im Zustand des blockierenden Wartens

auf eine Nachricht aus dem linken eingehenden Kanal.

Knoten „1“ empfängt eine Nachricht,

die über den eingehenden Kanal eintrifft.

Knoten „1“ hat die Nachricht aus dem Kanal

empfangen und setzt seine lokale Zeit auf 1

Knoten 1 hat die Ausführung seines internen

Programms beendet

slide14

Darstellung eines Kommunikationskanal

Kanal ist leer, und der Knoten auf der Empfängerseite

wartet auf eine Nachricht.

Der Kanal enthält mindestens eine Nachricht.

slide15

Aufbau von DAJ

2. Aufbau von DAJ

slide16

Aufbau von DAJ

  • Unterscheidung von 3 Programmteilen:
          • Anwendung oder Applikation
          • Knotenprogramm
          • Nachrichten
  • Ein Knotenprogramm läuft in einer eigenen Ausprägung auf einem Knoten und kommuniziert mithilfe von Nachrichten mit anderen Knoten (besser: deren Knotenprogrammen). Die Anwendung ist die Zusammenfassung aller Knoten und deren Überwachung.
slide17

Broadcast durch Fluten

3. Beispielanwendung: Broadcast durch Fluten

slide18

Definition des Flutens

  • beliebige Verkettung von Knoten mithilfe von bidirektionalen
  • Verbindungen
  • Broadcast in das Netz mithilfe von Fluten
  • Auslöser sendet an alle Ausgänge die Nachricht
  • Knoten nehmen Nachricht entgegen und senden ebenfalls
  • auf deren Ausgänge die Nachricht (mit Ausnahme an den
  • Knoten der die Nachricht gesendet hat)
  • mögliche Erweiterung durch Einschränken der maximalen
  • Anzahl von Knotenschritten (Hops)
  • Grundlage für den Echo-Algorithmus
slide19

Arbeitsschritte zur Realisierung

Erforderliche Arbeitsschritte um die Anwendung zu realisieren:

1. Nachrichten definieren

2. Knotenprogramme implementieren

3. Anwendung / Applikation definieren

slide20

Nachrichten definieren

1.Schritt (Nachrichten definieren):

Vorraussetzung: Jeder eigene Nachrichtentyp muss die Klasse Message

erweitern.

  • für diese Anwendung wird nur ein Nachrichtentyp benötigt

public class FloodMessage extends Message {

// Knoten der die Flutnachricht versendet hat

private FloodNode oSender = null;

/**

* Konstruktor mit Parameter des Absenders

* @param oSender - Absender

*/

public FloodMessage(FloodNode oSender) {

this.oSender = oSender;

}

slide21

Nachrichten definieren

/**

* Liefert den Absender der Nachricht

* @return - Absender

*/

public FloodNode getSender() {

returnthis.oSender;

}

/**

* Methode liefert den Text der in

* der Visualisierung für die Nachricht

* angezeigt werden soll

*/

public String getText() {

return"Aufruf zum Fluten von " + this.oSender.getNodeName();

}

slide22

Knotenprogramme definieren

Schritt 2 (Knotenprogramme implementieren):

Vorraussetzung: Jedes eigene Knotenprogramm muss die abstrakte Klasse

Program erweitern und die Methode main() implementieren.

  • Die main()-Methode muss folgendes leisten:
  • ein ausgezeichneter Knoten muss das Fluten starten
  • Knoten muss eingehende Nachrichten empfangen
  • weiterleiten der Nachricht auf alle ausgehenden Kanäle
  • nicht weiterleiten auf einen Kanal auf dessen Empfängerseite der
  • Absender sitzt
  • den Knoten als geflutet markieren
slide23

Knotenprogramme definieren

Definition der main()-Methode:

- hier Behandlung des ausgezeichneten Knotens zum Starten des Flutens

public class FloodNode extends Program {

public void main() {

if(this.in().getSize() != 0) {

// Überprüfen, ob der Knoten die Flut starten soll

if(this.bStartFlood) {

// an alle ausgehenden Kanäle senden

this.out().send(new FloodMessage(this));

// Knotenflag auf true setzen

this.bFlooded = true;

} else {

slide24

Knotenprogramme definieren

- Teil im else-Zweig, der die Behandlung der normalen Knoten übernimmt

// den Kanal der eingehenden Nachricht bestimmen

int iIndex = this.in().select();

// Nachricht aus dem Kanal abrufen

FloodMessage oMsg = (FloodMessage) this.in(iIndex).receive();

// Auf allen ausgehenden Kanälen die Nachricht versenden

for(int i = 0; i < this.out().getSize(); i++) {

// den Knoten bestimmen der hinter dem Kanal empfängt

Node oReceiver = ((Channel) this.out(i)).getReceiver();

// ... nur nicht auf den Kanal senden, der Sender warif(!oReceiver.getProgram().equals(oMsg.getSender())) {

this.out(i).send(new FloodMessage(this));

}

}

// Flag setzen das Knoten in Flut erfasst wurde

this.bFlooded = true;

slide25

Anwendung / Applikation definieren

Schritt 3 (Anwendung / Applikation definieren):

Vorraussetzung: Jede DAJ-Anwendung muss die abstrakte Klasse

Application erweitern und die Methode construct()

implementieren.

public class FloodApplication extends Application {

public FloodApplication() {

// Fenster erstellen mit Titel und Größe

super("Fluten des Netzes",500,400);

}

public static void main(String[] args) {

// eine Applikation erstellen und ausführen

(new FloodApplication()).run();

}

slide26

Anwendung / Applikation definieren

public void construct() {

// Zufallsgenerator konstruieren

Random oRand = new Random();

// Feld von Knoten erstellen

Node[] aNodes = new Node[7];

// einzelne Knoten erzeugen

aNodes[0] = this.node(new FloodNode("Master", true),"Master",300,50);

// zufällige Verbindungen zwischen den Knoten schaffen

for(int i = 0; i < aNodes.length; i++) {

for(int j = 0; j < aNodes.length; j++) {

if(oRand.nextBoolean())

this.link(aNodes[i],aNodes[j]);

}

}

}

slide27

Anwendung / Applikation definieren

Die Anwendung ist in diesem Zustand nun ausführbar.

Demonstration

Das Einbinden der Anwendung als Applet würde folgendermassen aussehen:

<APPLETcode="Flood.FloodApplication.class"width=200 height=25

archive="daj.jar, awt.jar">

<paramname=buttonLabel value="Klick mich zum Fluten">

<paramname=fontName value="Arial">

<param name=fontStyle value="Bold">

<param name=fontSize value=12>

Leider kannst Du das Netz nicht fluten !

</APPLET>

slide28

Token Ring

4. Beispielanwendung: Token Ring

slide29

Definition eines Token Ring

  • Zusammenschluss von Knoten in eine Ringstruktur
  • Verbindung der Knoten über unidirektionale Kommunikationskanäle
  • Token symbolisiert Senderecht
  • Besitzer des Tokens sendet seine Nachricht, wartet bis diese einmal durch den Ring gegangen ist und sendet dann den Token an seinen Nachfolger
  • Jeder Knoten der nicht das Senderecht besitzt leitet einkommende Nachrichten an seinen Nachfolger weiter
slide30

Realisierung mithilfe von DAJ

Erforderliche Arbeitsschritte um die Anwendung zu realisieren:

1. Token und Nachrichten definieren

2. Knotenprogramme implementieren

3. Anwendung / Applikation definieren

  • Möglicherweise Zusicherungen integrieren
slide31

Token und Nachrichten definieren

Schritt 1 (Token und Nachricht definieren):

Vorraussetzung: Jeder eigene Nachrichtentyp muss die Klasse Message

erweitern.

Token: Der Token ist ein Symbol, er enthält also keine wirklichen Nutzdaten.

(ausser man realisiert Piggy-Backing)

publicclass Token extends Message {

/**

* Diese Methode wird aufgerufen, wenn man den

* Tooltip eines Kanals abruft

*/

public String getText() {

return"Token";

}

}

slide32

Token und Nachrichten definieren

  • (Ring-)Nachricht beinhaltet den Absender und die eigentliche Textnachricht
  • In diesem Fall private Attribute, die über get()-Methoden abfragbar sind

publicclass RingMessage extends Message {

private SingleNode oSender = null; // Absender

private String sMessage = null; // Nachricht

/**

* Methode liefert den Inhalt der Nachricht. Wird

* beim Tooltip im Kanal aufgerufen.

*/

public String getText() {

returnthis.oSender.getNodeName() + " " + sMessage;

}

}

slide33

Knotenprogramme definieren

Schritt 2 (Knotenprogramme implementieren):

Vorraussetzung: Jedes eigene Knotenprogramm muss die abstrakte Klasse

Program erweitern und die Methode main() implementieren.

  • Die main()-Methode muss folgendes leisten:
  • eine ausgezeichnete Station muss den Token erzeugen
  • auf eingehende Nachrichten warten
  • unterscheiden ob ein Token oder Nachricht erhalten wurde
  • bei empfangenem Token eigene Nachricht senden
  • bei eigener empfangener Nachricht Token weitersenden
  • bei fremder Nachricht zwischenspeichern und weiterleiten
slide34

Knotenprogramme definieren

Definition der main()-Methode mit Sonderbehandlung eines

ausgezeichneten Knotens:

publicclass SingleNode extends Program {

...

publicvoid main() {

// Überprüfen, ob dieser Knoten der Master ist

if(bMaster) {

// Knoten ist der Master, er darf seine Nachricht als

// erster senden

out(0).send(new RingMessage(this, "Hallo an alle."));

// nun auf die eigene Nachricht warten

this.oMessage = (RingMessage) in(0).receive();

// nun den Token weiterschicken

out(0).send(new Token());

}

slide35

Knotenprogramme definieren

// Schleife wird von jedem Knoten durchlaufen

while(true) {

// der Knoten wartet auf eine Nachricht

Message oMsg = in(0).receive();

if(oMsg.getClass().equals(Token.class)) {

// Nachricht ist ein Token, das bedeutet eigene

// Nachricht senden...

out(0).send(new RingMessage(this, "Hallo an alle."));

// ... auf die eigene Nachricht warten...

this.oMessage = (RingMessage) in(0).receive();

// ... und Token weitersenden

out(0).send(newToken());

} else {

// Nachricht speichern ...

this.oMessage = (RingMessage) oMsg;

// ... und weiterleiten

out(0).send(this.oMessage);

}

}

slide36

Anwendung / Applikation definieren

Schritt 3 (Anwendung / Applikation definieren):

Vorraussetzung: Jede DAJ-Anwendung muss die abstrakte Klasse

Application erweitern und die Methode construct()

implementieren.

publicclass TokenApplication extends Application {

public TokenApplication() {

// Titel und Größe des Fensters setzen

super("Token-Ring", 500, 400);

}

publicstaticvoid main(String[] args) {

(new TokenApplication()).run();

}

slide37

Anwendung / Applikation definieren

publicvoid construct() {

// Knoten erzeugen

Node oMaster = this.node(new SingleNode("Master",true),

"Master",250,50);

Node oNode1 = this.node(new SingleNode("Knoten 1", false),

"Knoten 1",400,150);

Node oNode2 = this.node(newSingleNode("Knoten 2", false),

"Knoten 2",330,270);

Node oNode3 = this.node(new SingleNode("Knoten 3", false),

"Knoten 3", 170, 270);

Node oNode4 =this.node(new SingleNode("Knoten 4",false),

"Knoten 4", 100,150);

// Verknüpfungen zwischen den Knoten erstellen

this.link(oMaster,oNode1);

this.link(oNode1, oNode2);

this.link(oNode2, oNode3);

this.link(oNode3, oNode4);

this.link(oNode4,oMaster);

}

slide38

Anwendung / Applikation definieren

Die Anwendung ist in diesem Zustand nun ausführbar.

Demonstration

Das Einbinden der Anwendung als Applet würde folgendermassen aussehen:

<APPLET code="TokenRing.TokenApplication.class"width=200 height=25

archive="daj.jar, awt.jar">

<param name=buttonLabel value="Klick mich für den Token-Ring">

<param name=fontName value="Arial">

<param name=fontStyle value="Bold">

<param name=fontSize value=12>

Leider kannst Du nicht mit dem Token-Ring spielen !

</APPLET>

slide39

Zusicherungen integrieren

Schritt 4 (Zusicherungen integrieren):

  • Folgende Aussagen können (oder sollen) über den Token-Ring getroffen werden:
  • es befindet sich zu jeder Zeit immer genau ein Token im Ring
  • es sendet immer nur der Knoten der den Token besitzt
  • es befindet sich stets nur eine Nachricht im Ring

In Java können solche Zusicherungen durch Einsatz des Schlüsselwortes assert

realisiert werden.

The assertion statement has two forms. The first, simpler form is:

assert Expression1 ;

where Expression1 is a boolean expression. When the system runs the assertion, it evaluates Expression1 and if it is false throws an AssertionError with no detail message

(Java 1.4 API – Keyword: assert)

slide40

Zusicherungen integrieren

Problem:

Mithilfe von assert können nur die Programme auf den Knoten lokal,

Zusicherungen geben, in einem verteilten, nebenläufigen System muss aber eine

Aussage über den Gesamtzustand getroffen werden.

Lösung in DAJ:

Aussagen über den Gesamtzustand mithilfe der abstrakten Klasse GlobalAssertion.

Eine GlobalAssertion erhält den Überblick über den Gesamtzustand des verteilten Systems, in dem es die Knotenprogramme zur Betrachtung benutzt.

abstract class GlobalAssertion {

abstract boolean assert(Program program[])

String getText()

static Message[] getMessages(InChannel c)

static Message[] getMessages(OutChannel c)

}

slide41

Zusicherungen integrieren

Beispiel:

Umsetzung der Zusicherung

- es befindet sich zu jeder Zeit immer genau ein Token im Ring

mithilfe von GlobalAssertions

publicclass SingleTokenAssertion extendsGlobalAssertion {

// Anzahl der gezählten Tokens

privateint iTokenCount = 0;

/**

* Text, der bei einem Fehlverhalten der Applikation ausgegeben

* wird

*/

public String getText() {

return"Ungültige Anzahl von Token im Ring enthalten: " + iTokenCount;

}

slide42

Zusicherungen integrieren

publicboolean assert(Program[] aPrograms) {

this.iTokenCount = 0;

// Alle Programme durchlaufen und überprüfen,

// und auf jedem Knoten hasToken aufrufen

for(int i = 0; i < aPrograms.length; i++) {

SingleNode oNode = (SingleNode) aPrograms[i];

if(oNode.hasToken())

iTokenCount++;

// Überprüfen, ob in den Ausgangskanälen ein Token enthalten ist

Message[] aMessages = GlobalAssertion.getMessages(oNode.out(0));

for(int j = 0; j < aMessages.length; j++) {

if(aMessages[j].getClass().equals(Token.class))

this.iTokenCount++;

}

}

return (iTokenCount == 1);

}

slide43

Zusicherungen integrieren

Einbinden der GlobalAssertion in das Knotenprogramm:

// Zusicherungen erzeugen

GlobalAssertion oTokenAssert = new SingleTokenAssertion();

// Überprüfen, ob dieser Knoten der Master ist

if(bMaster) {

// Invariante prüfen

assert(oTokenAssert);

// Knoten ist der Master, er darf seine Nachricht als

// erster senden

out(0).send(new RingMessage(this, "Hallo an alle."));

// nun auf die eigene Nachricht warten

this.oMessage = (RingMessage) in(0).receive();

// nun den Token weiterschicken

this.bToken = false;

out(0).send(new Token());

}

slide44

Mögliche Erweiterungen

  • Ausführung anpassen:
  • Scheduler zur Anpassung des Ablaufes von Knotenprogrammen
  • (z.B. zur Implementierung von asynchronen Netzwerken etc.)
  • Message Selector bietet die Möglichkeit die Reihenfolge von
  • Nachrichten zu manipulieren (z.B. zum Simulieren von Duplizieren
  • oder verlorenen Nachrichten)
  • Visualisierung anpassen:
  • Einstellen der Schriftarten
  • Festlegen der Radien der Knoten
  • Kanalbreite definieren
  • Browser einstellen
slide45

Fazit

5. Fazit

slide46

Fazit

Vorteile:

+ Einfache Installation der erforderlichen Pakete

+ Ebenfalls einfaches Einbinden der Bibliotheken in die IDE (hier mit Eclipse)

+ Einfach gehaltene Schnittstellen ermöglichen schnelle Implementierung

einfacher Systeme

+ Kein zusätzliches Einarbeiten in eine eigene Definitionssprache

+ Plattform unabhängig durch Java

+ Implementierung von komplexen Algorithmen ist möglich

  • Nachteile:
  • Darstellung wird bei mehr als 5 Knoten unübersichtlich
  • Darstellung von Abläufen über verschiedene Farbkombinationen unglücklich
  • kleinere Fehler beim Neuzeichnen nach Tooltips und Minimierung/Maximierung
  • Umständliches Programmieren zur Realisierung von Multicast/Broadcast
  • Trennen von Nachricht empfangen und Kanal leeren in zwei Schritten
  • umständliches Feststellen des Sender und Empfänger eines Kanals
  • aufwendiges Erstellen des Netzwerkes
slide47

Quellen

  • [Schreiner] DAJ – Documentation, http://www.risc.uni-linz.ac.at/software/daj/
  • [SUN] J2SE 1.4.2 API Specification, http://java.sun.com/j2se/1.4.2/docs/api/
  • [Schiller] Telematik Skript, Token Ring – Folie 5.208
  • [Löhr] Verteilte Systeme Skript, Abschnitt Einführung in Verteilte Systeme
  • RISC Linz, Österreich - http://www.risc.uni-linz.ac.at/
ad