Sistemas Distribuídos

Transcrição

1 Sistemas Distribuídos Sincronização de relógios Prof. Emerson Ribeiro de Mello Instituto Federal de Santa Catarina IFSC campus São José 25 de novembro de /21

2 Sumário 1 Relógios Físicos 2 Sincronização de relógios 2/21

3 Relógios Físicos 3/21

4 Problema 1 Quando acordo 3/21

5 Problema 1 Quando vou esquentar o leite 3/21

6 Problema 1 Quando estou tomando o café 3/21

7 Problema 1 Problema: Será que estou atrasado para aula das 07:30? 3/21

8 Problema 1 Qual solução mais adequada? 1 Usar um único relógio 2 Sincronizar todos os relógios 3/21

9 Problema 2 Programas complexos em C são divididos em diversos arquivos.c Se um programa tem 100.c e eu modifico somente 1.c, devo: 1 Recompilar somente os arquivos modificados? 2 Recompilar todos os 100? 4/21

10 Problema 2 Programas complexos em C são divididos em diversos arquivos.c Se um programa tem 100.c e eu modifico somente 1.c, devo: 1 Recompilar somente os arquivos modificados? 2 Recompilar todos os 100? O aplicativo make facilita a compilação Programador modifica arquivo e executa o make para compilar O make verifica o horário de modificação dos.c e dos.o Se o.c foi modificado depois que o.o, então o arquivo é recompilado 4/21

11 Problema 2 Programas complexos em C são divididos em diversos arquivos.c Se um programa tem 100.c e eu modifico somente 1.c, devo: 1 Recompilar somente os arquivos modificados? 2 Recompilar todos os 100? O aplicativo make facilita a compilação Programador modifica arquivo e executa o make para compilar O make verifica o horário de modificação dos.c e dos.o Se o.c foi modificado depois que o.o, então o arquivo é recompilado O relógio do meu computador não está com a hora certa Terei algum problema para executar o make e poupar tempo de compilação? E se o arquivo for editado em um computador e compilado em outro. Terei problema? 4/21

12 Problema 2 Programas complexos em C são divididos em diversos arquivos.c Se um programa tem 100.c e eu modifico somente 1.c, devo: 1 Recompilar somente os arquivos modificados? 2 Recompilar todos os 100? O aplicativo make facilita a compilação Programador modifica arquivo e executa o make para compilar O make verifica o horário de modificação dos.c e dos.o Se o.c foi modificado depois que o.o, então o arquivo é recompilado Computer on which compiler runs Computer on which editor runs output.o created output.c created Time according to local clock Time according to local clock 4/21

13 Problema 3 Tenho arquivos importantes em um computador portátil e gostaria de fazer um backup em um servidor remoto Usando o rsync eu poderia enviar somente os arquivos que foram modificados recentemente Poupa tempo e não é necessário transferir sempre arquivos que nunca são modificados 5/21

14 Problema 3 Tenho arquivos importantes em um computador portátil e gostaria de fazer um backup em um servidor remoto Usando o rsync eu poderia enviar somente os arquivos que foram modificados recentemente Poupa tempo e não é necessário transferir sempre arquivos que nunca são modificados Haverá algum problema se os relógios destes computadores não estiverem sincronizados? 5/21

15 Analisando os problemas 1, 2 e 3 No problema 1 existem 3 equipamentos diferentes, cada qual com seu próprio relógio A hora exata é o que importa É necessário garantir a sincronia de todos os relógios 6/21

16 Analisando os problemas 1, 2 e 3 No problema 1 existem 3 equipamentos diferentes, cada qual com seu próprio relógio A hora exata é o que importa É necessário garantir a sincronia de todos os relógios Nos problemas 2 e 3 o computador não está com a hora certa A ordem dos eventos é que importa, a hora exata não é importante Os dois computadores precisam sincronizar seus relógios 6/21

17 Analisando os problemas 1, 2 e 3 No problema 1 existem 3 equipamentos diferentes, cada qual com seu próprio relógio A hora exata é o que importa É necessário garantir a sincronia de todos os relógios Nos problemas 2 e 3 o computador não está com a hora certa A ordem dos eventos é que importa, a hora exata não é importante Os dois computadores precisam sincronizar seus relógios Problema 4 Quando você publica algo no Facebook, deve assumir que o relógio do teu computador, do facebook e das pessoas que irão ler aquela nota estão sincronizados? A nota é publicada com a hora exata? Qual o fuso? 6/21

18 Sincronização de relógios Em sistemas centralizados o tempo não é ambíguo Todas entidades do sistema fazem uso da mesma referência de tempo Em sistemas distribuídos cada nó possui seu próprio relógio Dificuldade: Um evento A que ocorreu antes de um evento B pode ser tratado como se tivesse ocorrido depois Sincronização de relógios Situação necessária para a perfeita execução de um Sistema Distribuído que é guiado pelo tempo para o estabelecimento da ordem entre os eventos 7/21

19 Relógios físicos Astronômico Medição do tempo Trânsito solar evento quando o sol atinge o ponto aparente mais alto no céu Dia solar intervalo entre dois trânsitos solares 1 Segundo solar de um dia solar 8/21

20 Relógios físicos Astronômico Medição do tempo Trânsito solar evento quando o sol atinge o ponto aparente mais alto no céu Dia solar intervalo entre dois trânsitos solares 1 Segundo solar de um dia solar Problema: Rotação da terra diminui com o passar do tempo Os dias estão ficando cada vez mais longos, mas a duração do ano continua a mesma Resultado: Segundo solar médio calculado através da média de vários dias 8/21

21 Relógios físicos De um computador Trata-se de um temporizador (timer) que faz uso de um cristal de quartzo oscila em uma frequência bem definida, que depende do tipo do cristal, da temperatura, da lapidação e da tensão aplicada a ele A cada oscilação um contador é decrementado É gerada uma interrupção (clock tick pulso) sempre que o contador chega a 0 e este volta a receber o valor inicial incrementa o valor da hora do sistema armazenado em memória 9/21

22 Relógios físicos De um computador Hora do sistema representa o número de pulsos que se passaram desde uma determinada data inicial (era) Bateria interna mantém o valor do contador em memória, por isto o relógio do teu computador não é reiniciado toda vez que desliga o computador Na Era Unix o tempo é representado pelo número de segundos que se passaram desde 01/01/ :00:00 UTC 10/21

23 Relógios físicos De um computador Hora do sistema representa o número de pulsos que se passaram desde uma determinada data inicial (era) Bateria interna mantém o valor do contador em memória, por isto o relógio do teu computador não é reiniciado toda vez que desliga o computador Na Era Unix o tempo é representado pelo número de segundos que se passaram desde 01/01/ :00:00 UTC Dois computadores com cristais de quartzo estarão com relógios sincronizados? 10/21

24 Relógios físicos De um computador Hora do sistema representa o número de pulsos que se passaram desde uma determinada data inicial (era) Bateria interna mantém o valor do contador em memória, por isto o relógio do teu computador não é reiniciado toda vez que desliga o computador Na Era Unix o tempo é representado pelo número de segundos que se passaram desde 01/01/ :00:00 UTC Dois computadores com cristais de quartzo estarão com relógios sincronizados? Não! Cristais pulsam em frequências diferentes, gerando uma taxa de desvio diferente (clock drift) Com o tempo haverá uma defasagem (clock skew) entre os relógios 10/21

25 Relógios físicos Relógio atômico Introduzido em 1948, conta o número transições de um átomo de césio segundo = tempo necessário para acontecer transições Este valor equivale a 1 segundo solar médio de /21

26 Relógios físicos Relógio atômico Introduzido em 1948, conta o número transições de um átomo de césio segundo = tempo necessário para acontecer transições Este valor equivale a 1 segundo solar médio de 1948 Bureau International de l Heure (BIH) em Paris/FR é responsável por manter o International Atomic Time (TAI) Diversos laboratórios com relógios atômicos indicam quantos pulsos já se passaram desde 01/01/ :00:00 TAI é a média destes pulsos (clock ticks) dividido por /21

27 Relógios físicos Relógio atômico Problema Os dias estão ficando cada vez mais longos, logo não é possível manter a sincronia para garantir que um 1 segundo atômico é igual a 1 segundo solar médio 12/21

28 Relógios físicos Relógio atômico Solução: BHI adiciona um segundo intercalar sempre que houver uma diferença de ±0, 9s entre um segundo TAI e um segundo solar Verá algo como: 23:59:59, 23:59:60, 00:00:00 Universal Time Coordinated (UTC) é o relógio atômico corrigido Substituiu o relógio astronômico Greenwich Mean Time (GMT) Até 2014 a diferença entre UTC e TAI é de 35 segundos, última adição em 2012 A última adição foi em 30/06/2015, aumentando a diferença para 36 segundos Acesse e veja a precisão do teu relógio para ver mais detalhes sobre o segundo intercalar (leap second) 12/21

29 Sincronização de relógios 13/21

30 Sincronização de relógios 13/21

31 Sincronização de relógios 13/21

32 Sincronização de relógios 13/21

33 Sincronização de relógios Clock time, C Fast clock dc > 1 dt Perfect clock Slow clock dc = 1 dt dc < 1 dt UTC, t Timers reais não são precisos 1 seg a cada 11.6 dias Fabricantes indicam a taxa máxima de desvio (precisão) 1 p dc dt 1 + p Para defasagem máxima de δ fazer sincronismo via software a cada δ/2p 14/21

34 Sincronização de relógios Como tratar o desvio (drift)? Clock time, C Fast clock dc > 1 dt Perfect clock Slow clock dc = 1 dt dc < 1 dt UTC, t Timers reais não são precisos 1 seg a cada 11.6 dias Fabricantes indicam a taxa máxima de desvio (precisão) 1 p dc dt 1 + p Para defasagem máxima de δ fazer sincronismo via software a cada δ/2p 14/21

35 Sincronização de relógios Clock time, C Fast clock dc > 1 dt Perfect clock Slow clock UTC, t dc = 1 dt dc < 1 dt Timers reais não são precisos 1 seg a cada 11.6 dias Fabricantes indicam a taxa máxima de desvio (precisão) 1 p dc dt 1 + p Para defasagem máxima de δ fazer sincronismo via software a cada δ/2p Como tratar o desvio (drift)? Não é desejado atrasar o relógio confusão na ordem das mensagens, etc Faça uma correção gradativa Rápido faça ir mais devagar Lento faça ir mais rápido Ex: timer gera 100 interrupções/seg Normal: + 10mseg ao tempo Rápido: + 9mseg ao tempo Lento: + 11mseg ao tempo 14/21

36 Como obter o horário preciso UTC? Usando um receptor GPS acoplado em cada computador Cada satélite GPS possui 4 relógios atômicos que são constantemente calibrados Cada satélite envia periodicamente uma mensagem com sua posição acrescida de um carimbo de tempo (timestamp) com sua hora local Precisão de ±100ns para cada 1µs UTC Não é adequada para todos os cenários, custos, necessidade de antena com visada, etc. 15/21

37 Como obter o horário preciso UTC? Usando um receptor GPS acoplado em cada computador Cada satélite GPS possui 4 relógios atômicos que são constantemente calibrados Cada satélite envia periodicamente uma mensagem com sua posição acrescida de um carimbo de tempo (timestamp) com sua hora local Precisão de ±100ns para cada 1µs UTC Não é adequada para todos os cenários, custos, necessidade de antena com visada, etc. Sincronizar a partir de uma outra máquina Cujo relógio é tido como mais exato 15/21

38 Algoritmo de Cristian (1989) Algoritmo probabiĺıstico Servidor centralizado possui um relógio exato (sincronizado por GPS) 16/21

39 Algoritmo de Cristian (1989) Algoritmo probabiĺıstico 1 C envia mensagem M 1 2 S recebe M 1 e lê seu relógio em T 1 3 S lê seu relógio em T 2 e envia mensagem M 2 contendo T 0, T 1 et 2 4 C ao receber M 2 faz a leitura de seu relógio, obtendo T 3 Premissa: Considera o tempo ida igual ao de volta θ = (T 1 T 0 ) + (T 2 T 3 ) 2 (01 : 20) + (00 : 40) = 2 = 00 : 01 : 00 16/21

40 Algoritmo de Berkeley Unix (1989) Assume que nenhuma máquina possui uma fonte exata de tempo (p.e. GPS) Aqui o importante é garantir o sincronismo entre todos os relógios, porém não é importante que estes estejam de acordo com o UTC Todas as máquinas executam um time daemon Uma máquina é eleita (ou designada) como o servidor mestre e as demais são obrigatoriamente escravas Se o mestre falhar, então um novo é escolhido através de eleição Diferentemente do algoritmo de Cristian, de tempos em tempos o mestre é quem questiona os escravos sobre seus relógios 17/21

41 Algoritmo de Berkeley Unix (1989) 1 Mestre questiona periodicamente cada escravo Pode usar o algoritmo de Cristian para compensar o atraso da rede 2 Calcula a média (incluindo o horário do próprio mestre) Ignora os tempos de máquinas que estejam com uma defasagem grande 3 Avisa todos os escravos para ajustarem seus relógios Se devem avançar seus relógios ou diminuírem a velocidade até atingir a hora informada Time daemon 3:00 3:00 3:05 3: : Network 3: :50 3:25 2:50 3:25 3:05 3:05 (a) (b) (c) 18/21

42 Network Time Protocol NTP Permitir que clientes possam sincronizar seus relógios com UTC através da Internet Servidores redundantes e organizados em uma hierarquia (estratos 0 a 16) Estrato 0 fornece tempo para estrato 1 Estrato 1 fornece tempo para estrato 2... Serviço confiável Caminhos e servidores redundantes Serviço escalável Permite que clientes sincronizem constantemente Serviço autenticado Permite autenticar origem da mensagem 19/21

43 Network Time Protocol NTP Modos de sincronização Cliente/Servidor Semelhante ao algoritmo de Cristian Simétrico Usado para garantir o sincronismo entre servidores Multicast ou broadcast Para redes locais precisão baixa, porém eficiente Todas mensagens são trocadas sobre o UDP 20/21

44 Exercícios 1 Qual era o problema do Bug do ano 2000? Afetou quais sistemas? 2 Qual é o problema do ano 2038? Quais sistemas estão vulneráveis? 3 Qual site da a hora legal brasileira via Internet pelo NTP? 4 Como deixar o Linux sincronizado via NTP? 5 Em uma rede local com 300 computadores, qual seria a vantagem de instalar um servidor NTP em sua rede local e apontar todas as demais máquinas da rede para sincronizar com ele? 6 O Precision Time Protocol (PTP) é melhor que o NTP? Se sim, é sempre possível substituir o NTP pelo PTP? 21/21