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1 Sistemas Distribuídos Sincronização de Relógios Físicos Departamento de Informática, UFMA Graduação em Ciência da Computação Francisco José da Silva e Silva 1 Serviços de Tempo Em sistemas centralizados, a representação do tempo é incrementada de forma uniforme e monotônica; Ou seja, não existe ambiguidade com relação a eventos relacionados ao tempo; Em ambitentes distribuídos, cada máquina possui sua própria percepção do tempo; Sem um consenso global é difícil coordenar atividades como coleta de lixo ou validação do tempo de expiração de uma mensagem recebida. 2 Relógios Físicos Algumas aplicações, como aplicações de tempo real, requerem que os relógios de máquinas distribuídas permaneçam sincronizados; Problemas: Como sincronizar os relógios com a hora correta do mundo real? Como sincronizar os relógios entre si? 3 Medindo o Tempo Desde a invenção dos relógios mecânicos no século XVII, o tempo é medido astronomicamente; Transição do sol: evento do sol atingir o ponto mais alto; Dia solar: intervalo entre duas transições do sol; Segundo solar: 1/ de um dia solar. Em 1940 foi estabelecido que o período de rotação da Terra não é constante e vem diminuindo progressivamente; Acredita-se que a 300 milhões de anos atrás um ano tinha aproximadamente 400 dias; Passou-se a medir o comprimento de um dia utilizando-se muitos dias, obtendo-se a média dos mesmos antes de dividir por O resultado é o segundo solar médio. Com a invenção do relógio atômico em 1948 passou-se a medir o tempo de forma mais precisa e independente da Terra; 1 segundo é o tempo que o átomo de cesium 133 leva para realizar transações; Periodicamente 50 laboratórios enviam ao BIH (Bureau International de l Heure) em Paris quantos ticks seus relógios atômicos realizaram; 1

2 A média chama-se TAI (International Atomic Time): quantidade de ticks do cesium 133 desde 1 de Jan de 1958 dividido por Como o dia solar está ficando mais longo, hoje segundos TAI são 3 msec menor que um dia solar médio; Isso no futuro poderia causar o descompasso do tempo médio com o observado na natureza; Em 1582 o papa Gregório XIII decretou que 10 dias do calendário deveriam ser omitidos; Levou 170 anos para que países protestantes adotassem o calendário Gregoriano. Solução: o BIH introduz segundos sempre que a diferença entre o TAI e o tempo solar excede 800 msec; Este tempo é chamado UTC: Universal Coordinated Time. 4 Fontes UTC NIST (National Institute of Standards and Technology) disponibiliza diversos métodos de acesso com precisão próxima a 1 milisegundo: Através de linhas telefônicas utilizando-se modem; Através de uma estação de rádio de ondas curtas: conhecidos a velocidade de propagação do sinal e a distância do cliente a estação, o tempo de propagação pode ser calculado e o atraso compensado. Utilização do serviço disponibilizado pelo GPS (Global Positioning System); Satélites GPS utilizam órbitas baixas não geoestacionárias (sua distância com relação a Terra varia) o que dificulta o cálculo do atraso de comunicação; Satélites geoestacionários podem ser utilizados mas o tempo de propagação do sinal é alto (aproximadamente 125 milisegundos); TVs a cabo também transmitem informações de tempo. 5 Arquitetura de um Serviço de Tempo Distribuído Figura 1: Arquitetura de um Serviço de Tempo Distribuído 5.1 Precisão Em um ambiente distribuído, cada nó possui seu próprio relógio e existe um tempo não negligenciável de comunicação; É teoricamente impossível obtermos um tempo global físico; Devemos, então, buscar uma aproximação do mesmo. 2

3 6 Relógios Simples: provocam uma interrupção a cada ciclo de voltagem; Programáveis: Toda vez que o cristal gera um sinal, decrementa-se o contador. Quando este chegar a zero, gera-se uma interrupção. Figura 2: Relógios Cada máquina possui um temporizador que gera H interrupções por segundo (tics). Estes tics são utilizados para manter um relógio de software; Chamemos este relógio de C; Quanto o tempo UTC é t, idealmente teríamos Cp(t) = t para todo p, onde Cp(t) é o tempo na máquina p; Infelizamente cada fabricante define uma constante definida como razão de erro tal que: 1 ρ dc/dt 1+ρ Figura 3: Imprecisão do Relógio 3

4 7 Algoritmo Centralizado (Cristian 1989) Define-se um nó com receptor UTC denominado servidor de tempo (TS); Periodicamente cada nó envia uma msg a TS solicitando o tempo atual; TS responde com seu tempo corrente. Figura 4: Algoritmo Centralizado - Cristian o Problema O tempo informado pode ser maior ou menor que o tempo local; Não se pode atualizar o relógio local abruptamente; Se o tempo informado for menor, uma mudança abrupta poderia contradizer eventos anteriores; Se for maior, poderia confundir processos esperando por um time-out. Este problema é menos sério que o anterior o Problema O tráfego da requisição e da resposta leva um determinado tempo; Seja T 0 o tempo de envio da requisição e T 1 o tempo de recebimento da resposta; O tempo de propagação da mensagem poderia ser estimado como: (T 1 T 0 )/2; Cristian sugere realizar uma série de medições e descartar aquelas que excedam um dado valor por terem sido vitmas de congestionamentos na rede. 8 Algoritmo de Berkley Um time daemon periodicamente consulta todos os nós perguntado por sua hora local; Após coletar as respostas, ele computa a média destes tempos e envia uma mensagem a todos contendo esta média; Ao receber a msg, cada nó atualiza seu relógio local; Este método é aplicavel quando não se tem um servidor UTC. 4

5 Figura 5: Algoritmo de Berkley 9 Algoritmo Distribuído Cada nó periodicamente realiza um broadcast de seu tempo local e inicia um temporizador esperando mensagens dos outros nós; Tendo expirado o tempo, cada nó calcula a nova hora de acordo com uma das seguintes abordagens: Média das mensagens recebidas; Exclui as mensagens cujo valor esteja fora de um dado limite e calcula a média das msgs restantes; Descarta m valores mais altos e baixos e calcula a média das msgs restantes. Figura 6: Algoritmo Distribuído 10 Múltiplas Fontes UTC Se for necessário uma sincronização muito precisa com o UTC, pode-se equipar o sistema distribuído com múltiplas fontes UTC; Os nós contendo o tempo UTC devem se sincronizar entre si; 5

6 Cada TS pode realizar o broadcast de uma faixa de tempo UTC ± IC (por ex.:, precisamente a cada minuto UTC); O intervalo de confiança IC é obtido estatisticamente; Cada TS ao receber as mensagens calcula seu novo tempo. Figura 7: Múltiplas Fontes UTC 11 Network Time Protocol (NTP) Largamente adotado pela Internet; Escalável através de uma organização hierárquica; No topo da estrutura estão os servidores primários que estão diretamente conectados com fontes UTC; Cada nível da hierarquia é demoninado um stratum; Quanto menor o stratum de um participante, mais preciso é o seu tempo devido a sua proximidade com uma fonte primária Arquitetura NTP Figura 8: Arquitetura NTP 6

7 11.2 Objetivos do NTP Permitir uma sincronização precisa; Permitir a continuidade do serviço mesmo que ocorram falhas de conectividade; Permitir resincronizações frequentes; Possuir proteção contra interferências maliciosas ou acidentais Informações NTP NTP disponibiliza aos clientes as seguintes informações relativas ao servidor primário: Clock offset: diferença entre os dois relógios. Ou seja, o quanto que o cliente deve ajustar seu relógio para permanecer sincronizado com o servidor primário; Round-trip delay entre o cliente e o servidor primário; Dispersion: reflete o erro máximo para o relógio local do cliente em relação ao relógio do servidor primário. Quanto maior o fator de dispersão, menos confiável é o tempo no cliente Atingindo os Objetivos A precisão da sincronização é obtida através de técnicas estatísticas que requerem muitas comparações de informação de tempo; A tolerância a falhas é obtida através de servidores reduntantes e caminhos redundantes entre eles; A segurança é obtida utilizando-se autenticação e verificação de endereço de retorno; Criptografia pode ser utilizada; A camada de segurança no entanto gera um delay que aumenta a imprecisão Modos de Sincronização NTP Multicast: o servidor de tempo periodicamente realiza um broadcast de seu tempo corrente. Utilizado em LANs; Cliente/Servidor: o servidor aguarda requisições dos participantes no sistema; Simétrico: consiste de um par de servidores trocando informações de tempo. 7

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