Koordinationsprotokolle

Koordinationsprotokolle sind Algorithmen und Mechanismen, die das Zusammenwirken unabhängiger Komponenten in verteilten Systemen oder Multi-Agenten-Systemen ermöglichen. Ziel ist es, gemeinsame Ziele zu erreichen, Ressourcen zu verwalten, Aufgaben zu koordinieren, Zustände abzustimmen und Ausfälle zu handhaben. Koordinationsprotokolle können zentralisiert oder dezentral implementiert sein und beruhen oft auf gemeinsamem Zustand, Nachrichtenaustausch, Zeitstempeln oder Quorum-Entscheidungen.

Anwendungsbereiche finden sich in der verteilten Informatik, der verteilten Datenbank, der Robotik und der Mehragentensysteme. Typische Koordinationsaufgaben umfassen Konsens über den Systemzustand, gegenseitigen Ausschluss beim Zugriff auf Ressourcen, Führungs- bzw. Wahlentscheidungen und Transaktionskoordination über mehrere Knoten hinweg. Entscheidungsverfahren müssen trotz Fehlersituationen (Netzwerkausfälle, langsame Knoten) konsistente Ergebnisse liefern (Sicherheit) und Fortschritt ermöglichen (Lebensfähigkeit).

Wichtige Konzepte sind Sicherheits- und Fortschritts-Eigenschaften, asynchrone vs. synchrone Annahmen, und verschiedene Fehlermodelle wie Crash- oder Byzantine-Fehler. Koordinationsprotokolle unterscheiden sich von reinen Kommunikationsprotokollen durch die Notwendigkeit von Zustimmungs- oder Koordinationsentscheidungen über Zeitabfolgen hinweg.

Beispiele umfassen Konsensprotokolle wie Paxos und Raft, die für verlässliche gemeinsame Entscheidungen in Ausfallssituationen sorgen; verteilte Mutual-Exclusion-Protokolle wie Lamport’s Bakery, Ricart–Agrawala; Führungswahlprotokolle wie Bully oder Ring; sowie Transaktionskoordinationsprotokolle wie Zwei-Phasen-Commit (2PC). Die praktische Anwendung bewertet oft Skalierbarkeit, Latenz, Fehlertoleranz und Formale Verifikation.