算法与数据结构 分布式算法课程 第05章同步网络中的基础计算 共76页.pdf

【课程大纲】 第01章 简介 共68页.pdf 第02章 分布式算法简介 共59页.pdf 第03章 集群领导选举 分布式锁 共83页.pdf 第04章 通用同步网络的集群领导选举 共69页.pdf 第05章同步网络中的基础计算 共76页.pdf 第06章 分布式一致性 共48页.pdf 第07章 Byzantine协议 共34页.pdf 第08章 异步系统模型 共47页.pdf 第09章 基本异步网络算法 共71页.pdf 第10章 同步化器 共39页.pdf 第11章 异步共享内存系统 共49页.pdf 第12章 ASM - Peterson’s算法 共43页.pdf 第13章 实用互斥算法.具有读-修改-写操作的算法 共72页.pdf 根据给定文件的信息，我们可以提炼出关于分布式算法中同步网络的基础计算的相关知识点。这主要包括了在同步网络中进行的一些基本算法及其应用场景。 ### 分布式算法：同步网络中的基础计算 #### 一、课程背景与目标 - **背景**：随着计算机网络技术的发展，分布式系统在多个领域得到了广泛应用。同步网络作为一类重要的分布式系统模型，在实现高效的网络通信和数据处理方面发挥着关键作用。 - **目标**：本章旨在介绍在同步网络环境下，如何设计和分析基础的分布式算法，包括但不限于广度优先搜索（BFS）、广播与汇聚广播（Broadcast & Convergecast）、最短路径以及最小生成树等。 #### 二、基本概念与模型 - **同步网络**：在网络中的所有节点都按照相同的时钟周期运行，并且消息传递的时间是固定的。这种特性使得同步网络成为研究分布式算法的理想模型之一。 - **基础计算**：在同步网络中，基础计算通常指的是解决一些基本问题的算法，如广度优先搜索、广播与汇聚广播、最短路径以及最小生成树等。 #### 三、具体算法介绍 1. **广度优先搜索（BFS）** - **假设条件**：网络为强连通有向图，并且每个节点都有唯一的标识符（UID），但节点并不知道整个网络的大小或直径。 - **目的**：构建一个广度优先生成树，其中树包含所有节点，并且每个距离源节点为d的节点都在树的深度d位置上。此外，输出每个节点的父节点（除了源节点i0）。 - **实现方法**：标记节点随时间推移加入到树中。初始时只有源节点i0被标记。每轮循环，未被标记的节点接收到“搜索”信号后会标记自身，并指定发送该信号的进程作为其父节点，然后向其输出邻居发送“搜索”信号到下一轮。 2. **广播与汇聚广播** - **广播**（Broadcast）：一个消息从源节点扩散到网络中的所有节点。 - **汇聚广播**（Convergecast）：网络中的所有节点将消息汇聚到某个中心节点。 3. **最短路径** - 在同步网络中寻找两个节点之间的最短路径通常采用类似于Dijkstra算法的方法，但在同步网络中需要考虑消息传递的时间和顺序。 4. **最小生成树（Minimum Spanning Tree, MST）** - 最小生成树是指在无向图中找到一棵包含所有节点的树，且树的所有边的权重之和最小。 - 常见的算法有Prim算法和Kruskal算法，但在同步网络中可能需要对这些算法进行一定的修改以适应网络特性。 #### 四、示例分析 - **广度优先搜索示例**： - 假设有一个强连通的有向图，初始状态下只有源节点i0被标记。在第一轮循环中，i0向其输出邻居发送“搜索”信号。随后，未被标记的节点在接收到“搜索”信号后会标记自身，并指定发送信号的节点为其父节点，接着向自己的输出邻居发送“搜索”信号。通过这样的过程逐步构建广度优先生成树。 #### 五、总结 - 本章节通过介绍同步网络中的几种基础计算方法，为我们展示了如何在特定的分布式系统模型下设计高效、可靠的算法。广度优先搜索、广播与汇聚广播、最短路径以及最小生成树等算法都是在同步网络中解决实际问题的重要工具。理解这些算法的工作原理及其实现细节对于从事分布式系统设计和开发的专业人士来说至关重要。