분산 알고리즘

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1. 개요
2. 표준 문제
참조

1. 개요

분산 알고리즘은 여러 컴퓨터 노드로 구성된 분산 시스템에서 문제를 해결하기 위한 알고리즘을 의미한다. 원자적 커밋, 합의, 분산 검색, 리더 선출, 상호 배제, 논블로킹 자료 구조, 신뢰할 수 있는 브로드캐스트, 복제, 자원 할당, 신장 트리 생성, 대칭 깨기 등 다양한 표준 문제를 해결하기 위한 알고리즘이 존재한다. 이러한 알고리즘은 분산 시스템의 데이터 일관성 유지, 효율적인 자원 관리, 시스템 안정성 확보에 기여한다.

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분산 알고리즘
개요
분야	병렬 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅
연구	결함 감내 합의 내결함성
관련 주제
관련 주제	대규모 병렬 처리 클라우드 컴퓨팅 데이터베이스 분산 데이터베이스 분산 공유 메모리 에이전트 기반 모델링 그리드 컴퓨팅 피어 투 피어 프로세스 마이그레이션 서비스 지향 아키텍처 트랜잭션 메모리

2. 표준 문제

분산 시스템은 여러 독립적인 구성 요소들이 네트워크를 통해 상호작용하는 복잡한 환경이기 때문에, 단일 시스템에서는 발생하지 않는 다양한 문제들이 발생한다. 이러한 문제들은 분산 시스템의 안정성, 성능, 확장성 등에 영향을 미칠 수 있으며, 이를 해결하기 위한 다양한 알고리즘과 프로토콜이 연구되어 왔다. 분산 시스템에서 다루는 대표적인 표준 문제들은 다음과 같다.

원자적 커밋
합의
분산 검색
리더 선출
상호 배제
논블로킹 자료 구조
신뢰할 수 있는 브로드캐스트
복제
자원 할당
신장 트리 생성
대칭 깨기 (예: 정점 채색)

2. 1. 원자적 커밋 (Atomic Commit)

원자적 커밋은 여러 분산된 노드에서 수행되는 서로 다른 변경 사항들을 하나의 논리적인 작업 단위(트랜잭션)로 묶어 처리하는 방식이다. 원자적 커밋 작업이 성공하면 관련된 모든 변경 사항이 시스템에 완전히 적용되었음을 의미한다. 반대로, 작업 완료 전에 어떤 이유로든 오류가 발생하면 커밋 과정 전체가 중단되고, 이미 진행된 변경 사항이 있더라도 모두 원래 상태로 되돌려져(롤백) 어떠한 변경도 최종적으로 적용되지 않는다. 즉, 모든 작업이 함께 성공하거나 함께 실패하도록 보장하여 작업의 일부만 반영되는 것을 방지한다. 이를 통해 분산 시스템 환경에서도 데이터의 일관성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다.

원자적 커밋 문제를 해결하고 이를 구현하기 위한 대표적인 알고리즘으로는 2단계 커밋 프로토콜과 3단계 커밋 프로토콜이 있다.

2. 2. 합의 (Consensus)

합의 알고리즘은 여러 프로세스가 공통된 결정에 동의하는 문제를 해결하고자 한다. 보다 정확하게는, 합의 프로토콜은 아래의 네 가지 공식 속성을 충족해야 한다.

'''종료''': 모든 올바른 프로세스는 어떤 값을 결정한다.
'''유효성''': 모든 프로세스가 동일한 값 $v$ 를 제안하면 모든 올바른 프로세스가 $v$ 를 결정한다.
'''무결성'''(일관성): 모든 올바른 프로세스는 최대 하나의 값을 결정하며, 어떤 값 $v$ 를 결정하면 $v$ 는 어떤 프로세스에 의해 제안되었어야 한다.
'''합의''': 올바른 프로세스가 $v$ 를 결정하면 모든 올바른 프로세스가 $v$ 를 결정한다.

합의를 해결하기 위한 일반적인 알고리즘은 Paxos 알고리즘과 Raft 알고리즘이다.

2. 3. 분산 검색 (Distributed Search)

분산 검색은 여러 노드에 분산되어 저장된 데이터를 효율적으로 검색하는 기술이다.

2. 4. 리더 선출 (Leader Election)

리더 선출은 여러 컴퓨터 (노드)에 분산된 어떤 작업의 주최자로서 단일 프로세스를 지정하는 과정이다. 작업이 시작되기 전에는 모든 네트워크 노드가 어떤 노드가 작업의 "리더" 또는 코디네이터 역할을 할지 알지 못한다. 그러나 리더 선출 알고리즘이 실행된 후에는 네트워크 전체의 각 노드가 특정하고 고유한 노드를 작업 리더로 인식하게 된다.

2. 5. 상호 배제 (Mutual Exclusion)

상호 배제는 여러 프로세스가 공유 자원에 동시에 접근하는 것을 방지하는 메커니즘이다. 이는 분산 시스템 환경에서 데이터의 일관성을 유지하고 예측 불가능한 결과나 충돌을 막기 위해 필요하다. 뮤텍스는 이러한 상호 배제를 구현하는 대표적인 기법 중 하나이다.

2. 6. 논블로킹 자료 구조 (Non-blocking Data Structure)

(작성할 내용 없음 - 원본 소스에 해당 섹션에 대한 설명이 없습니다.)

2. 7. 신뢰할 수 있는 브로드캐스트 (Reliable Broadcast)

신뢰할 수 있는 브로드캐스트는 분산 시스템에서 메시지를 안정적으로 주고받기 위한 기본적인 통신 방법이다. 이 방식이 신뢰성을 가지려면 다음 세 가지 속성을 만족해야 한다.

유효성(Validity): 오류 없이 동작하는 올바른 프로세스가 메시지를 보내면, 결국 다른 올바른 프로세스 중 하나가 그 메시지를 전달받는다.
합의(Agreement): 어떤 올바른 프로세스가 특정 메시지를 전달받으면, 다른 모든 올바른 프로세스들도 결국 같은 메시지를 전달받는다.
무결성(Integrity): 모든 올바른 프로세스는 동일한 메시지를 최대 한 번만 전달받으며, 실제로 어떤 프로세스가 보낸 메시지만 전달받는다. (일관성이라고도 한다.)

신뢰할 수 있는 브로드캐스트는 메시지가 전달되는 순서에 따라 순차적, 인과적, 또는 전체 순서(Total Order) 브로드캐스트로 분류될 수 있다.

2. 8. 복제 (Replication)

(내용 없음 - 원본 소스에 해당 섹션에 대한 설명이 없습니다.)

2. 9. 자원 할당 (Resource Allocation)

자원 할당은 분산 시스템에서 공유 자원을 여러 프로세스에 효율적으로 할당하는 문제이다.

2. 10. 신장 트리 (Spanning Tree) 생성

(내용 없음)

2. 11. 대칭 깨기 (Symmetry Breaking)

대칭 깨기(Symmetry Breaking)는 분산 시스템에서 여러 프로세스가 동일한 상태에서 시작하여 서로 다른 결정을 내리도록 하는 문제이다. 예를 들어 정점 채색(Vertex Coloring) 문제가 이에 해당한다.

참조

_[1] 서적 Distributed Algorithms https://archive.org/[...] Morgan Kaufmann Publishers
_[2] 서적 Distributed Algorithms Morgan Kaufmann Publishers 1997
_[3] 서적 適応的分散アルゴリズム共立出版 2010-06-30
_[4] 서적 Distributed Algorithms https://archive.org/[...] Morgan Kaufmann Publishers

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