cmu440(3)Time Synchronization

Need for time synchronization

Why Global Timing?

1. 假设有一个全球一致的时间标准
2. 会很方便
   • 谁最后坐在飞机上？
   • 谁在最后期限之前提交了最终拍卖出价？
   • 防守动作在动作之前动了吗

时钟同步的影响

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当每台机器有自己的时钟时，在另一个事件之后发生的事件可能会被分配一个较早的时间。

复制数据库更新

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更新复制的数据库并使其处于不一致的状态

Time Standards

1. UT1 Universal Time
   • 基于天文观测
   • “格林威治标准时间”
2. TAI (Temps Atomique International)
   • Started Jan 1, 1958
   • Each second is 9,192,631,770 cycles of radiation emitted by Cesium atom
   • Has diverged from UT1 due to slowing of earth’s rotation

Clocks in a Distributed System

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1. 电脑时钟一般不完全一致
   • Skew：两个时钟之间的差异（在任何时刻）
2. 计算机时钟受时钟漂移影响（它们以不同的速率计算时间）
   • Clock drift rate：从一些理想的参考时钟，每单位时间的差异
   • 普通的石英钟在11-12天内漂移约1秒。 （10-6秒/秒）。
   • 高精度石英钟的漂移速率约为10-7或10-8秒/秒

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专有名词解释

1. 物理时钟
       几乎所有的计算机都有一个计时电路。尽管一般用“时钟”来表达这些设备，但它们实际上不是通常意义的时钟，称为计时器(timer)更为恰当。计算机的计时器一般是一个精密加工的石英晶体，这个晶体在其张力限度以内以一定的频率震荡。
       有两个寄存器与每个石英晶体相关联，一个是计数器，一个是保存寄存器。石英晶体的每次震荡使计数器减1，当减为0时，则产生一个中断，计数器从保存保持计数器重新装入初始值。每秒60次中断，每次中断称为一个时钟滴答（clock tick），时钟每滴答一次，中断服务程序就使存储器里的时间值加一。用这种方法进行（软）时钟计时。
2. 时间漂移（clock skew）
       多计算机系统时，尽管石英晶体震荡的频率通常是相当稳定的，但仍不能保证所有的计算机中的石英晶体以完全相同的频率在振荡。实际上，当一个系统有n个计算机时，所有n个晶体都以略微不同的速度振荡，导致时钟逐渐不同步。

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时钟同步算法

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假设每台机器每秒产生H次中断，软件时钟记录着过去某一时间的时间滴答数，将这个时钟值称为C。当UTC的时间为t时，机器p的时钟值Cp(t)，最理想的情况下，对于所有的p和t，都有Cp(t) = t，
dC/dt 的理想值为1。
理论上，当H=60时，计时器应每小时产生21600个滴答。实际上，计时器芯片所能达到最大的错误率大约10-5，意味着一台机器计时器每小时可以产生的滴答次数在215998到216002之间。
1-ρ ≤dC/dt≤1+ρ，这个常量ρ由厂商规定，称为最大偏移率

时间同步技术

完美的网络

1. 消息总是到达，传播延迟正好是d

   
   
   

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2. 发送者在消息中发送时间T.
3. 接收器将时钟设置为T + d

• 同步是确切的

同步网络

1. 消息总是到达，传播延迟至多为D.

   
   
   

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2. 发送者在消息中发送时间T.
3. 接收器将时钟设置为T + D / 2
   • 同步错误最多是D / 2

在现实世界中同步

1. 真正的网络是异步的
   • 消息延迟是任意的
2. 真实的网络是不可靠的
   • 消息并不总是到达

Cristian’s Time Sync

1. 时间服务器S接收来自UTC源的信号
   • 进程p请求时间mr，接受时间mt来自s
   • P设置时钟t + RTT/2

   • Accuracy ± (RTT/2 - min) :

     
     
     

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Network Time Protocol

1. 原理：服务器和客户端之间通过二次报文交换，确定主从时间误差，客户端校准本地计算机时间，完成时间同步，有条件的话进一步校准本地时钟频率。

2. 时间同步过程
   服务器在UDP的132端口提供授时服务，客户端发送附带T1时间戳（Timestamp）的查询报文给服务器，服务器在该报文上添加到达时刻T2和响应报文发送时刻T3，客户端记录响应报到达时刻T4。

   
   
   

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这个图中用蓝色标注了主从直接来回链路的时延Sigma：
Sigma = (t4-t1)-(t3-t2)
因此，假设来回网络链路是对称的，即传输时延相等，那么可以计算客户端与服务器之间的时间误差Delta为：
Delta = t2-t1-Sigma/2=((t2-t1)+(t3-t4))/2

客户端调整自身的时间Delta，即可完成一次时间同步。

Berkeley algorithm

1. Cristian’s algorithm
   • 单个时间服务器可能会失败，所以他们建议使用一组同步服务器
   • 它不处理错误的服务器

将AB之间的延时和误差缓存起来，NTP将服务器分成多个层，含有参考时钟的服务器（如WWV接收器）称为1层服务器（时钟本身0层），当A和B联系时，如果它的层比A高，那么它只调整自己的时间。

2. Berkeley algorithm (also 1989)

   • 一组计算机的内部同步算法
   • 一个master轮询从其他人（slave）收集时钟值，
   • master使用往返时间来估计slave的时钟值
   • 它需要一个平均值（消除任何高于平均往返时间或错误的时钟）
   • 测量
     • 15台电脑，时钟同步20-25毫秒，漂移率<2x10-5
     • 如果master失败，可以选择一个新的master来接管（不是在有限的时间内）

3. 图示过程

   
   
   

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   时间守护进程询问所有其他机器的时钟值。

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The machines answer.

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时间守护进程告诉大家如何调整自己的时钟。

Network Time Protocol (NTP)（续）

• Internet的时间服务 - 将客户端同步到UTC
  来自冗余路径的可靠性，可扩展性，验证时间源

1 主服务器连接到UTC来源
2 辅助服务器与主服务器同步
3 同步子网 - 用户计算机中的最低级别服务器

体系结构.png

1. 使用时间服务器的层次结构
   • 1类服务器具有高度精确的时钟
     • 直接连接到原子钟等
   • 第2类服务器只能从第1类和第2类服务器获得时间
   • 3类服务器从任何服务器获取时间
2. 同步类似Cristian的alg。
   • 修改为使用多个单向消息，而不是立即往返
3. 准确度：本地〜1ms，全球〜10ms

NTP Protocol

1. 所有模式都使用UDP

2. 每封邮件都带有最近事件的时间戳

   • 发送的当地时间，接受的以前信息的时间
   • 当前消息发送当前时间

3. 收件人记录到收货时间T3（我们有T0，T1，T2，T3）

   
   
   

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时间戳:

• t0是请求分组传输的客户端时间戳
• t1是请求分组接收的服务器时间戳
• t2是响应数据包传输的服务器时间戳
• t3是客户端响应数据包接收的时间戳

RTT:
RTT = wait_time_client – server_proc_time = (t3-t0) – (t2-t1)
Offset :
Offset = ((t1-t0) + (t2-t3))/2 = ((offset + delay) + (offset – delay))/2

• NTP服务器过滤对，从变异中估计可靠性，允许他们选择同伴
• 互联网路径精确度为10毫秒（1个LAN）

NTP如何改变时间？

1. 不能只是改变时间
2. 改变时钟的更新频率
   • 以更渐进的方式改变时间
   • 防止不一致的本地时间戳

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假设client时钟快了 ，offset<0，表示原则上A应该把它的时钟后调。这是不允许的。例如某个目标文件在调整后编译的，则比修改后的源文件时间要早。
这种修改方式必须是逐步的。假设把计时器设置为每秒产生100个中断。正常情况下，每个中断添加10ms。当减慢时，每个中断历程只添加9ms，知道校正完成。同样，通过每个中断添加11ms，时钟可以逐步往前调