Table Of ContentPeter Ochsenschläger
Reiner Prinoth
Modeliierung
verteilter Systellle
Programm Angewandte Informatik
hrsg. von Paul Schmitz und Norber Szyperski
Die Reihe hat es sich zum Ziel gesetzt, Studenten, Ingenieure und DV
Praktiker mit zentralen Fragestellungen der Angewandten Informotik
vertraut zu machen. Auch wenn in Werken dieser Reihe theoretische
Grundlagen vermittelt werden, so stehen sie doch stets in Zusammen
hang mit konkreten Anwendungen.
Die Reihe umfaßt sowohl grundlegende Einführungen, die den Stote
of-the-Art eines aktuellen Fachgebietes zur Darstellung bringen, wie
ouch speziellere Monographien, sofern sie der o.g. Zielsetzung ent
sprechen.
Unter anderem sind bisher folgende Titel erschienen:
Agentensysteme
Verteiltes Problemlösen mit Expertensystemen
von M. v. Bechtolsheim
PelTi-Netze
Eine anwendungsorientierte Einführung
von B. Rosenstengel und U. Winond
Wissensbasiertes CASE
Theoretische Anolyse - Empirische Untersuchung - Prototyp
von G. Herzwurm
Methoden verteilter Simulation
von H. Mehl
Echtzeitsysteme und Fuzzy ConlTol
Konzepte, Werkzeuge, Anwendungen
von H. Rzehak (Hrsg.l
Software-Wiederverwendung
Konzeption einer domänenorientierten Architektur
von K. Küffmann
Modellierung verteilter Systeme
Konzeption, formole Spezifikation und Verifikation mit Produktnetzen
von P. Ochsenschläger und R. Prinoth
Vieweg
Peter Ochsenschläger
Rainer Prinoth
Modeliierung
verteilter Systeme
Konzeption, Formale Spezifikation
und Verifikation mit Produktnetzen
Mit ei nem Geleitwort
von Eckart Raubold
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vleweg
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© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1995
Softcover reprint ofthe hardcover 1st edition 1995
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Gedruckt auf säurefreiem Papier
ISBN 978-3-528-05433-5 ISBN 978-3-322-88841-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-88841-9
Zum Geleit
Der Entwurf komplexer Systeme erfordert Kreativität und Phantasie
und gleichzeitig Disziplin und Akribie. Dieser Gegensatz ist nicht
aufzulösen, aber er kann - mit Hilfe des Computers - zumindest ab
gemildert werden. Voraussetzung für den Computereinsatz sind
Systemmodellierungs-Verfahren, die eine formale Repräsentation
des gewünschten Systems in einer abstrakten Sprache erlauben,
und Analyse-Verfahren für diese formale Repräsentation, deren
Ergebnisse sich auf Eigenschaften des intendierten realen Systems
beziehen lassen. Viele Wege sind beschritten worden, um diese
Voraussetzungen zu erfüllen: Algebraische Spezifikation, tempora
le Logik, gekoppelte Zustandsmaschinen und eben Petri-Netze
sind Beispiele hierfür und haben sich in vielen Dialekten
ausgeprägt. Inzwischen hat der resultierende Religionenstreit der
nüchternen Erkenntnis Platz gemacht, daß die verschiedenen Mo
dellierungsansätze bei der Analyse letztlich auf einen gemein
samen mathematischen Kern - nämlich Transitionssysteme -
führen, und daß die Auswahl der Sprachmittel eher von Mnemo
technik und Darstellungsergonomie für das Anwendungsfeld ge
steuert werden sollte.
Die Autoren dieses Buches dokumentieren den Angang, den wir
im Institut für Telekooperationstechnik für die ModelIierung und
Untersuchung von Kommunikationsprotokollen und Tele
kooperationsanwendungen gemacht haben: Den Einsatz einer
spezifischen Form von Petri-Netzen. Wir glauben, daß die
bildhafte Darstellung eines Netzes mit Zuständen und Zustands
übergängen der Vorstellungswelt eines konstruierenden Ingenieurs
sehr entgegenkommt und daß die Zahl der umlaufenden Token als
Sinnbild für Nebenläufigkeit und die Zahl der in einer Stelle
liegenden Token als Maß für Betriebsmittelverbrauch wichtige
reale Systemeigenschaften direkt symbolisieren. Wir sind bereit,
angesichts dieser Vorteile die bekannten Nachteile von Netz
modellen wie fehlende Rekursivität und starre Topologie in Kauf
VI Zum Geleit
zu nehmen. Die Beschreibungsstärke für Tokenstrukturen,
Kantenlabel und Transitionsregeln wurde von uns so einge
schränkt, daß das Aktiviertsein einer Transition beim Einhalten der
Syntax stets entscheidbar ist, andererseits aber die Netze Turing
mächtig bleiben. Das Ergebnis ist eine mathematisch gut
beherrschbare ModelIierungstechnologie, die wir durch massiven
Rechnereinsatz instrumentiert haben und die sich inzwischen
beim Einsatz für Forschungsaufgaben, in der Studentenausbildung
und für die Modellierung und Analyse realer Systemkomponenten
hervorragend bewährt hat.
Den Autoren ist es bei der Darstellung dieser Methode gelungen,
den Bogen von der theoretischen Fundierung bis hin zur
praktischen Anwendung zu spannen. Darin lie~t auch der Nutzen
dieses Buches sowohl für den Bereich der universitären
Ausbildung als auch für den Bereich industrieller Innovation.
Gerade im Umfeld der vielerorts sich in Arbeit befindlichen
komplexen Vorhaben auf dem Gebiet der Telekooperation
zeichnet sich zunehmend die Notwendigkeit eines durch
Methoden gestützten Entwurfs zuverlässiger und korrekter Software
ab.
Prof. Dr. Eckart Raubold Darmstadt, im Februar 1995
Inhaltsverzeichn is
1 Einleitung ....................................................................... 1
2 Unbeschriftete Netze...................................................... 7
2.1 Netze ohne Verbots- und Abräumkanten ...................... 7
2.2 Netze mit Verbotskanten ............................................ 16
2 . .3 Netze mit Abräumkanten.................... ...................... 20
2.4 Graphische Darstellung von Netzen........................... 2'5
2. '5 Erreichbarkeitsgraphen .............................................. 28
2.6 Netzstrukturen.......................................................... .3'5
3 Ein Modell zur Flußkontrolle ................... ................... 4 I
4 Auf- und Abbau von Verbindungen ............................... 53
4.1 Protokollstrukturen ................................................... 54
4.2 Kompositon des Protokolls aus Teilstrukturen ............ 58
4.3 Analyse des Protokolls............... ............................... 61
4.3.1 Erreichbarkeitsanalyse ....................................... 61
4 .. 3.2 Phasentrennung ................................................ 64
4.4 Anbindung der Kooperationspartner an die
Protokollinstanzen .................................................... 66
4.5 Kommunikation zwischen Dienstbenutzer und
Diensterbringer......................................................... 67
4.5.1 Definition der Funktionen PUT und GET. .......... 68
4.5.2 Anwendung der Funktionen PUT und GET........ 72
5 Produktnetze ................................................................. 75
5.1 Beispiel.. .................................................................. 75
5.2 Mengen und Funktionen ........................................... 78
5.2.1 Mengen ............................................................ 79
5.2.2 Funktionen ....................................................... 80
5.3 Markierungen ............................................................ 86
5.4 Beschriftung... ....... ... ...... ... .... ... ... ... ... ....... ................ 89
VIII Inhaltsverzeichnis
5.5 Interpretationen ........................................................ 92
5.6 Schaltbedingung. ...................................................... 94
5.7 Schaltregel. ............................................................... 98
6 Beispide. ...... .................................................. .............. 103
7 Ausdrucksstärke der Produktnetze ............................. 117
8 Das Alternating Bit Protokoll....................................... 123
8.1 Zu erbringender Dienst............................................ 123
8.2 Benutzter Dienst............................. ........ .............. ... 127
8.3 Definition des Protokolls................... .................. .... 131
9 Das ISDN-D-Kanalprotokoll. ........................................ 141
9.1 Lage des ISDN-D-Kanalprotokolls ............................. 141
9.2 Elemente des ISDN-D-Kanalprotokolls ...................... 146
9.3 Ein Produktnetzmodell.. .......................................... 151
9.4 Anmerkungen zur Analyse ........................................ 156
10 Zählermodell und Synchronisation............................. 159
10.1 Formalisierung der Aufgabe .................................... 162
10.2 Endekriterien und Anmerkungen zur Analyse..... ..... 167
10.3 Modifikation des Modelb. ......... .... .... ............... ...... 169
10.4 Das unteriagerte Kommumkationsmedium.............. 170
10.5 Spezifikation der Protokollinstanzen............... ....... 176
11 Schaltfolgenhomomorphismen. .................................. 187
12 Reduzierte Erreichbarkeitsgraphen............................. 211
13 Deadlocksprachen. ...................................................... 219
14 Die Produktnetzmaschine. ........................................... 231
15 Schlichte Homomorphismen....................................... 241
Literaturverzeichnis. . 269
Sachwortverzeichnis. . . ...................................................... 279
1 Einleitung
Hinter dem Begriff "Verteilte Systeme" verbergen sich heutzutage so
unterschiedliche Konzepte wie Parallelrechner, Rechnernetze,
Telekooperation und Multimediaanwendungen. Hauptanwen
dungsfeld in diesem Buch ist die Telekooperation.
Der Begriff" Verteiltes System", so wie er in diesem Buch verwendet
wird, läßt sich informell - und in der Sprechweise der Tele
kooperation - charakterisieren durch:
- Kooperationspartner (Menschen und/oder Maschinen, allgemein
autonome Systeme genannt),
- Kooperationsziele, deren Erreichen gemeinsames Handeln der
beteiligten Kooperationspartner erfordert (beispielsweise
Abschluß eines Vertrags, Erarbeitung einer Spezifikation für ein
technisches System, Fernwartung eines Systems, ... ) und
- Komm unika tionsmedien, die Kooperationspartner miteinander
verbinden (z. B. zum Transport von Sprach-, Bild-, oder Text
information).
Der Transport von Information aus Sicht eines Kommunikations
mediums ist gekennzeichnet durch die Funktionen Senden, Über
tragen, Vermitteln und Empfangen. Aus Sicht der Kooperations
partner sind die Produktion der zu sendenden und die
Konsumtion der empfangenen Information wichtige Begriffe.
Kommunikationsmedien erbringen Kommunikationsdienst
leistungen, die von den Kooperationspartnern in Anspruch
genommen werden können.
Zu den Eigenschaften verteilter Systeme gehören
- Unsicherheit eines autonomen Systems über den Zustand der
anderen an der Kooperation beteiligten autonomen Systeme,
- Nebenläufigkeit und Nichtdeterminismus der Aktionen der
autonomen Systeme als Ausflug ihrer Unabhängigkeit,
