In dieser Arbeit geht es um die schrittweise Verfeinerung verteilter Algorithmen. Dabei wird ein einfacher Algorithmus, der einige gewünschte Eigenschaften hat, Schritt für Schritt zu einem komplexen Algorithmus verfeinert, der konkrete Implementationsanforderungen erfüllt, so daß in jedem Schritt die gewünschten Eigenschaften erhalten bleiben. Wir stellen einen neuen eigenschaftserhaltenden Verfeinerungsbegriff vor, der auf der kausalen Ordnung der Aktionen eines Algorithmus basiert. Diesen Begriff definieren wir als Transitionsverfeinerung für elementare Petrinetze und diskutieren Beweiskriterien. Danach definieren und diskutieren wir die simultane Verfeinerung mehrerer Transitionen. Zur Modellierung komplexer verteilter Algorithmen sind elementare Petrinetze oft nicht adäquat. Wir benutzen deshalb algebraische Petrinetze. Wir definieren Transitionsverfeinerung für algebraische Petrinetze und stellen einen Zusammenhang zur simultanen Verfeinerung von Transitionen in elementaren Petrinetzen her. Transitionsverfeinerung ist besonders für Verfeinerungsschritte geeignet, in denen synchrone Kommunikation zwischen Agenten durch asynchronen Nachrichtenaustausch ersetzt wird. Wir zeigen dies am Beispiel eines komplexen verteilten Algorithmus, zur Berechnung des minimalen spannenden Baumes in einem gewichteten Graphen. Wir zeigen die Korrektheit dieses Algorithmus in mehreren Schritten, von denen einige Schritte Transitionsverfeinerungen sind. In anderen Schritten sind klassische Verfeinerungsbegriffe ausreichend. Wir übertragen deshalb auch einen klassischen Verfeinerungsbegriff in unser formales Modell. / The topic of this PhD thesis is the stepwise refinement of distributed algorithms. Stepwise refinement starts with a simple algorithm with certain desired properties. This algorithm is refined step by step such that the desired properties are preserved in each refinement step. The result is a complex distributed algorithm which satisfies concrete implementation requirements and which still has the desired properties. We propose a new property preserving notion of refinement which is based on the causal ordering of actions of an algorithm. We call this notion transition refinement and we define it first for elementary Petri nets. Furthermore, we discuss proof criteria. Then, we define and discuss the simultaneous refinement of several transitions. For modelling complex distributed algorithms, we use algebraic Petri nets instead of elementary Petri nets. We define transition refinement for algebraic Petri nets, and we show its relationship to simultaneous transition refinement in elementary Petri nets. Transition refinement is particularly suitable for refinement steps in which synchronous communication between agents is replaced by asynchronous message passing. We show this by means of a complex distributed algorithm for determining the minimal spanning tree of a weighted graph. We prove the correctness of this algorithm in several steps. Some of these steps are transition refinements. For other steps, well-known notions of refinement are sufficient. Therefore, we also carry over a well-known notion of refinement into our formal model.

Edsger W. Dijkstra prägte im Jahr 1974 den Begriff Selbststabilisierung (self-stabilization) in der Informatik. Ein System ist selbststabilisierend, wenn es von jedem denkbaren Zustand aus nach einer endlichen Anzahl von Aktionen ein stabiles Verhalten erreicht. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht der Entwurf selbststabilisierender Algorithmen. Wir stellen eine Petrinetz-basierte Methode zum Entwurf selbststabilisierender Algorithmen vor. Wir validieren unsere Methode an mehreren Fallstudien: Ausgehend von algorithmischen Ideen existierender Algorithmen beschreiben wir jeweils die die schrittweise Entwicklung eines neuen Algorithmus. Dazu gehört ein neuer randomisierter selbststabilisierender Algorithmus zur Leader Election in einem Ring von Prozessoren. Dieser Algorithmus ist abgeleitet aus einem publizierten Algorithmus, von dem wir hier erstmals zeigen, daß er fehlerhaft arbeitet. Wir weisen die Speicherminimalität unseres Algorithmus nach. Ein weiteres Ergebnis ist der erste Algorithmus, der ohne Time-Out-Aktionen selbststabilisierenden Tokenaustausch in asynchronen Systemen realisiert. Petrinetze bilden einen einheitlichen formalen Rahmen für die Modellierung und Verifikation dieser Algorithmen. / In 1974, Edsger W. Dijkstra suggested the notion of self-stabilization. A system is self-stabilizing if regardless of the initial state it eventually reaches a stable behaviour. This thesis focuses on the design of self-stabilizing algorithms. We introduce a new Petri net based method for the design of self-stabilizing algorithms. We validate our method on several case studies. In each of the case studies, our stepwise design starts from an algorithmic idea and leads to a new self-stabilizing algorithm. One of these algorithms is a new randomized self-stabilizing algorithm for leader election in a ring of processors. This algorithm is derived from a published algorithm which we show to be incorrect. We prove that our algorithm is space-minimal. A further result is the first algorithm for token-passing in a asynchronous environment which works without time-out actions. Petri nets form a unique framework for modelling and verification of these algorithms.