Università degli Studi di Napoli Federico II Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica.

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1 Università degli Studi di Napoli Federico II Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica Corso di Sistemi Distribuiti Prof. Stefano Russo Tempo e sincronizzazione nei Sistemi Distribuiti

2 Sommario Tempo - timer, eventi, clock, skew, drift, UTC Sincronizzazione degli orologi - esterna (algoritmo di Cristian) - interna (algoritmo di Berkeley) - con server distribuiti (NTP) Relazione happened-before Tempo logico e orologi logici di Lamport Riferimenti: G. Coulouris et al.: Distributed Systems: Concepts and Design (Cap. XI 1-4), IV ed., Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 2

3 Il tempo nei sistemi distribuiti In un sistema distribuito, ogni nodo è dotato di un proprio orologio, ed è possibile che ad un evento x, che accade dopo un altro evento y, sia assegnato un istante precedente a quello di y. Ciò comporta problemi in molte applicazioni. Es.: compilazione con make, utility basata sulle date dei file. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 3

4 Modello di sistema distribuito Consiste di un insieme di N processi p i, i=1, 2,, N: ciascun processo è in esecuzione su un diverso processore; i processori non condividono memoria; ciascun processo p i ha uno stato s i, che trasforma nella sua esecuzione; lo stato di un processo include il valore di tutte le sue variabili, nonché di tutti gli oggetti locali (es.: archivi); ciascun processore è dotato di un proprio orologio fisico (clock); non esiste un orologio fisico globale, ma esiste la nozione di un tempo reale effettivo in un sistema di riferimento assoluto. Un processo p i può eseguire le seguenti azioni: send o receive di un messaggio; variazioni del suo stato s i. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 4

5 Eventi e storia di un processo L occorrenza di una singola azione in p i è un evento e. L insieme degli eventi di un processo p i può eseguire ordinato totalmente in base alla relazione di precedenza temporale : e e se e solo se e si è verificato prima e di in p i. L ordinamento è ben definito (anche in caso di multithreading) in quanto ciascun processo è in esecuzione su un processore dedicato. La storia di un processo p i è la successione di eventi che ha luogo in p i, ordinata in base alla relazione : storia(p i ) = h i = <e i0, e i1, e i2, > Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 5

6 Orologi fisici (1/2) Un orologio fisico di un computer (computer clock, meglio detto: timer) è un dispositivo tipicamente costituito da: un cristallo di quarzo, che oscilla a una frequenza nota; un registro contatore; un registro di inizializzazione (holding register); un registro di memorizzazione. Ciascuna oscillazione del cristallo decrementa il contatore di una unità. Quando il contatore raggiunge lo zero, il contatore viene reimpostato al valore indicato dal registro di inizializzazione. Il clock può dunque essere programmato per generare interruzioni periodiche, p.es. 60 volte al secondo (clock tick). Ad ogni interruzione, il valore del registro di memorizzazione viene aggiornato. Il risultato è il valore di un clock hardware H i (t). Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 6

7 Orologi fisici (2/2) Il sistema operativo legge dal registro il valore H i (t) del clock hardware, lo moltiplica per un fattore di scala ed aggiunge un offset, fornendo il valore di un clock software C i (t): C i (t) = α H i (t)+ β. C i (t) rappresenta una misura approssimata del tempo effettivo t per il processo p i. A due eventi successivi possono essere associati valori distinti di C i (t) solo se la risoluzione del clock (periodo tra gli aggiornamenti del clock) è minore dell intervallo temporale tra i due eventi. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 7

8 Attributi di un clock definizioni (1/2) Tempo effettivo o reale t: il tempo vero in ciascun istante, in un sistema di riferimento assoluto nominale, indicato da un ideale orologio di riferimento perfetto. Clock offset: differenza tra la lettura istantanea del clock locale rispetto a t; Clock frequency: il tasso con cui il clock locale progredisce (derivata prima rispetto a t); Clock skew: differenza tra le frequenze del clock locale e reale; Clock drift: variazione nel tempo della frequenza del clock locale (derivata seconda del clock locale rispetto a t); Clock adjustment: variazione subitanea degli attributi di un clock locale, per effetto di un azione di sistema o d utente. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 8

9 Attributi di un clock definizioni (2/2) In letteratura la differenza tra le letture di due orologi viene spesso indicata con il termine clock skew, anziché offset. Network Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 9

10 Tempo astronomico I secondi misurati nel tempo solare NON hanno durata costante. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 10

11 Tempo Atomico Internazionale Con l invenzione dell orologio atomico nel 1948, il tempo non è più misurato su base astronomica, ma su base fisica, contando le transizioni dell atomo di cesio 133. Il secondo è definito come il tempo nel quale l atomo di cesio 133 effettua esattamente transizioni (valore scelto per rendere il secondo pari alla durata media di un secondo misurato su base solare nel 1958). Ad oggi circa 50 laboratori nel mondo possiedono orologi atomici. Ciascuno di essi comunica periodicamente la propria ora al Bureau International de l Heure (BIH) a Parigi. Il BIH calcola il valore medio, che rappresenta il Tempo Atomico Internazionale (TAI). I secondi TAI hanno durata costante. Attualmente, secondi TAI sono circa 3 ms meno della durata media del giorno solare (che si allunga nel tempo). Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 11

12 Universal Coordinated Time (UTC) È il sistema basato su orologi atomici, con la correzione di leap seconds, introdotti appena la differenza tra il tempo atomico e quello solare raggiunge la soglia di 800 ms. È alla base dei moderni sistemi civili. Ha sostituito il vecchio standard del Greenwich Mean Time (GMT), basato sul tempo astronomico. Ad oggi, sono stati introdotti circa 50 leap seconds nel tempo UTC. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 12

13 Relazione tra clock locale e UTC (1/2) In un mondo ideale: C i (t) = t, per ogni i e per ogni t, quindi dc/dt = 1. Nella realtà, si ha dc/dt > 1 (dc/dt < 1) quando il clock procede più rapidamente (lentamente) del tempo effettivo. In pratica, molti costruttori specificano per il clock una costanteρtale che: 1 - ρ dc/dt 1 + ρ Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 13

14 Relazione tra clock locale e UTC (2/2) Se due clock divergono dal tempo UTC in direzioni opposte, dopo un intervallo t dalla sincronizzazione possono differire al più di 2ρ t. Se si vuole che due orologi non differiscano di un valore maggiore di δ, essi vanno sincronizzati (via software) ogni δ/2ρ secondi. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 14

15 Sincronizzazione dei clock Per molte applicazioni, l ora effettiva è fondamentale. Per tali sistemi sono spesso necessari orologi fisici esterni. Per ragioni di efficienza e affidabilità, poi, gli orologi sono tipicamente ridondati. Si pongono dunque due tipi di problemi: come sincronizzare un orologio locale con un orologio esterno? come sincronizzare più orologi tra loro? I due problemi sono rispettivamente indicati: - Sincronizzazione esterna: algoritmo di Cristian (1989). - Sincronizzazione interna: algoritmo di Berkeley (Gusella e Zatti, 1989). Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 15

16 Algoritmo di Cristian (1/3) È un algoritmo di sincronizzazione esterna, che si basa sull utilizzo di un time server passivo, dotato di un dispositivo che riceve il segnale di una sorgente UTC. Su richiesta, un processo server invia un messaggio contenente l ora t, misurata col proprio orologio basato su UTC. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 16

17 . Algoritmo di Cristian (2/3) Il processo cliente p misura il round-trip-time T RTT come intervallo temporale tra gli istanti T o e T 1. L accuratezza della misura dipende dal clock drift. Tipicamente si può assumere che p possa poi aggiornare il clock locale al valore t+t RTT /2. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 17

18 Algoritmo di Cristian (3/3) Cristian definisce il suo algoritmo probabilistico: si raggiunge la sincronizzazione solo se il round-trip-time (RTT) dei messaggi è sufficientemente piccolo rispetto all accuratezza richiesta. Es.: su una rete LAN, il RTT generalmente non supera i 10 ms. Un clock con un drift rate di 10-6 secondi/secondo varia di non più di 10-5 secondi. Detto min il tempo minimo di trasmissione dei messaggi, l ora dell orologio del server all istante T1 è compresa in [t+min, t+t RTT -min], intervallo ampio T RTT -2min. L accuratezza è quindi ±(T RTT /2-min). Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 18

19 Algoritmo di Berkeley (1/3) È un algoritmo di sincronizzazione interna ideato principalmente per reti intranet. Si basa sull utilizzo di un time server attivo, dotato di un dispositivo che riceve il segnale di una sorgente UTC. Un nodo viene selezionato come master. Gli altri nodi con cui deve essere effettuata la sincronizzazione fanno da slave. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 19

20 Algoritmo di Berkeley (2/3) Il master: effettua periodicamente il polling dei nodi slave; calcola una stima dell ora locale di ciascuno slave, in base al round-trip time (analogamente all algoritmo di Cristian); calcola l ora media (inclusa la propria); comunica ad ogni slave di quanto variare il clock locale. L accuratezza dell algoritmo dipende dal round-trip time dei messaggi tra il master e gli slave. Per aumentarla, il master: stima un round-trip time massimo nominale; elimina dal calcolo della media le letture dei clock associate a valori del round-trip time maggiori del massimo. In questo modo si limita l effetto dei clock che vanno troppo veloci o lenti. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 20

21 Algoritmo di Berkeley (3/3) Per aumentare ulteriormente la precisione, l algoritmo prevede di non considerare le letture di eventuali faulty clocks. A tale scopo, il master considera nel calcolo della media solo il sottoinsieme dei clock locali che non differiscono tra essi di un valore prestabilito. Si dice che il master effettua una media tollerante ai guasti (fault tolerant average). Nel caso in cui il master si guasti, è prevista l elezione di un nuovo master. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 21

22 Network Time Protocol (1/5) È un protocollo per un time service per nodi di rete Internet. L obiettivo di NTP è di offrire ai nodi Internet un servizio di sincronizzazione con l ora UTC. NTP si propone di offrire tale servizio in maniera: affidabile, anche in caso di lunghe perdite di connettività; scalabile, adatto all elevato numero di client e server su Internet; sicura, mediante meccanismi di protezione da interferenze accidentali o maliziose con il time service. Il servizio NTP è fornito da una rete di server connessi a Internet, secondo una organizzazione logica gerarchica. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 22

23 Network Time Protocol (2/5) I server NTP sono classificati in: server primari, direttamente connessi a una sorgente UTC; server secondari, sincronizzati direttamente con server primari Le frecce indicano segnali di sincronizzazione, i numeri indicano gli strati nella gerarchia. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 23

24 Network Time Protocol (3/5) I server NTP possono sincronizzarsi secondo tre modalità: multicast mode, procedure call mode, symmetric mode. Il multicast mode è previsto per reti LAN. Il server effettua periodicamente il multicast dell ora ai nodi sulla LAN. I nodi regolano la propria ora su quella del server. Il procedure call mode è analogo all algoritmo di Cristian: il server accetta richieste e risponde con la lettura corrente del proprio clock. Questa modalità è usata p.es. dai file server su una LAN o su LAN adiacenti. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 24

25 Network Time Protocol (4/5) Il symmetric mode è usato dai livelli più bassi della gerarchia, per raggiungere maggiore precisione. Tutte le modalità usano messaggi UDP. In procedure call mode e symmetric mode, i server si scambiano coppie di messaggi, che contengono l ora locale dei due eventimessaggio più recenti, oltre a quello corrente. Server B T i-2 T i-1 Time m m' Server A T i- 3 T i Time Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 25

26 Network Time Protocol (5/5) o: offset vero tra due clock t, t : tempi di trasmissione effettivi di m, m T i-2 = T i-3 + t + o T i = T i-1 + t o delay d i = t + t = T i-2 - T i-3 + T i - T i-1 o = o i + (t t)/2, o i = (T i-2 - T i-3 + T i-1 T i )/2 stima dell offset o i d i /2 <= o <= o i + d i /2 misura dell accuratezza della stima o i Server B T i-2 T i-1 Time m m' Server A T i- 3 T i Time Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 26

27 Relazione happened-before La relazione tra eventi HB (happened-before, è accaduto prima di ), indicata con il simbolo, è definita dalle condizioni: HB1: Se esiste un processo p i tale che e i e (cioè p i osserva che e accade prima di e ), allora e e HB2: messaggio m: send(m) receive(m) HB3: Se e e e e' e'', allora e e''. La relazione HB definisce un ordinamento parziale degli eventi in un sistema distribuito. L interpretazione è che se e e, allora c è un nesso di potenziale causalità tra gli eventi e ed e. Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 27

28 Eventi in un sistema distribuito p 1 a b m 1 p 2 c d m 2 Physical time p 3 e f a b (per HB1) b c e d f (per HB2) a f (per HB3) a e (per HB1) e a a e (eventi concorrenti) Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 28

29 Marcatura temporale degli eventi con orologi logici 1 2 p 1 a b m 1 p c d m 2 Physical time p 3 1 e f 5 Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 29

30 Marcatura temporale degli eventi con orologi-vettore (1,0,0) (2,0,0) p 1 a b m 1 p 2 (2,1,0) (2,2,0) c d m 2 Physical time p 3 (0,0,1) e f (2,2,2) Corso di Sistemi Distribuiti, prof. S. Russo Tempo e sincronizzazione nei sistemi distribuiti 30