SD05 - Sincronização

8/16/2019 SD05 - Sincronização

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SistemasDistribuídos

Parte 05Sincronização


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O Problema daSincronia de Tempo

• Não há garantias de que dois ou maisprocessos cooperantes interpretem acontagem de tempo igualmente

– Cada processo pode estar em umamáquina diferente, o que signica quecada um pode estar usando um rel!giofísico diferente

– Não há como garantir que os dois rel!giosestão e"atamente sincroni#ados $na%erdade, isso & quase impossí%el'


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O Problema daSincronia de Tempo

• (ue problemas isso pode gerar) – Não há como garantir a troca de

mensagens síncrona•

* e"ecu+ão de e%entos em determinada desequncia pode ser comprometida – Não há como garantir a e"clusão m-tua

• * aloca+ão de recursos compartilhados podefalhar

–

O monitoramento de e%entos se turnamais comple"o• Não há como determinar quando e"atamente

um determinado e%ento ocorreu, o que podecomprometer a rea+ão dese.ada


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O Problema daSincronia de Tempo $cont/'• Como solucionar o problema)

–Opção 1: Solução Centralizada•

0uncionamento1 Todos os processosen%ol%idos em determinada ati%idade usamcomo referncia uma -nica fonte de tempo$um rel!gio -nico, um processo,///'

•

2antagem1 – * garantia de que todos estão obtendo a

informa+ão de tempo no mesmo lugar, o quee%ita informa+3es inconsistentes


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O Problema daSincronia de Tempo $cont/'• Como solucionar o problema)

–Opção 1: Solução Centralizada• Problemas1

– * fonte -nica de tempo tamb&m & um ponto -nicode falha, ou se.a, diante de uma pane na fonte detempo todos os processos são comprometidos

– Dependendo da quantidade de processos

en%ol%idos, a fonte de tempo pode sesobrecarregar com a quantidade de mensagensde4para ela

– *s mensagens com informa+3es de tempo podemsofrer atrasos impre%isí%eis durante seu tráfego na

rede, comprometendo a e"atidão


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O Problema daSincronia de Tempo $cont/'• Como solucionar o problema) $cont/'

– Opção 2: Solução Distribuída

• 0uncionamento1• 2ários processos se encarregam de regular

as informa+3es de tempo, comparando efa#endo a.ustes entre si


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– Opção 2: Solução Distribuída• 2antagem1

– Não há um ponto -nico de falha/ * queda de um-nico processo não interfere na sincroni#a+ão dotempo entre os demais

– 5aior disponibilidade da informa+ão de tempo, .áque não há uma fonte -nica

• Problemas1 – 5aior comple"idade para implementar a solu+ão – (uantidade %ariá%el de mensagens $nem sempre

pre%isí%el'


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– * op+ão distribuída $op+ão 6' & a maisadequada para ambientes distribuídos porque1

• *s informa+3es rele%antes ao processo estãodispersas por %árias máquinas

• Cada processo de%e tomar decis3es baseadosomente em informa+3es locais

• * e"istncia de um ponto -nico de falha de%e sere%itada sempre que for p!ssí%el

• Não e"iste um rel!gio -nico para todas as máquinas


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7el!gios 8!gicos

• 9m algumas tarefas distribuídas, otempo real não & importante/ – O foco do controle de tempo & %oltado

para a correta sequncia de e%entos quede%e acontecer• * informa+ão de tempo neste caso &

usada como um contador de e%entos,que determina o que de%e acontecera cada momento


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7el!gios 8!gicos

• 9m :; toda a informa+ão de

tempo & relati%a entre os processos que trocam

mensagens – Se dois processos não interagem entre si, não há

necessidade de sincroni#a+ão de tempo entre eles – Na maioria das %e#es & necessário que os

processos concordem com a informa+ão de tempoentre eles, mas este tempo não precisa ser real


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*lgoritmo de 8amport• 0uncionamento do algoritmo1

• Cada processo cooperante tem seu pr!prio rel!gio l!gico $independentedo tempo real', que ser%e como contador de e%entos

– Cada e%ento ocorrido incrementa uma unidade de tempo no contador• Cada mensagem trocada entre dois processos cooperantes cont&m uma

informa+ão de tempo $rel!gio l!gico' fornecida pelo emissor damensagem• O processo receptor compara a informa+ão de tempo contida na

mensagem com seu pr!prio rel!gio l!gico1 – Se seu rel!gio l!gico possuir um %alor maior que o tempo contido na

mensagem, o rel!gio permanece com o mesmo %alor –

Se seu rel!gio l!gico possuir um %alor menor ou igual que o tempocontido na mensagem, o rel!gio & a.ustado e passa a ter o %alor damensagem mais um

• ?sso garante que dois e%entos nunca aconte+am ao mesmo tempo


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*lgoritmo de 8amport

$e"emplo'• ?magine trs processos $P:, P6 e P@' locali#ados emmáquinas diferentes que iniciam algum tipo de intera+ãosincroni#ada – Os @ processos iniciam seus rel!gios l!gicos, mas cada

clocA físico oscila em frequencias diferentes• Suponha1 – O clocA l!gico de P: %aria de B em B unidades – O clocA l!gico de P6 %aria de = em = unidades – O clocA l!gico de P@ %aria de : em : unidades

•

No primeiro instante, todos os rel!gios estão #erados• No segundo instante, os rel!gios l!gicos .á não estão iguais

$P:B, P6= e P@:'• 9sta %aria+ão aumenta conforma os instantes se passam

$e"emplo1 no instante E P:6F, P6@6 e P@F'


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$e"emplo' – Cada mensagem trocada entre os processos precisaconter o %alor que o rel!gio físico de seu emissor paraque o receptor fa+a os a.ustes necessários

• No instante 6 a mensagem * & en%iada de P: para P6• No instante F a mensagem G & en%iada de P6 para P@• No instante < a mensagem C & en%iada de P@ para P6• No instante ; a mensagem D & en%iada de P6 para P:

– Considere que cada mensagem en%iada chega a seudestino no instante seguinte ao que foi en%iada

• *s mensagens * e G chegam a seus destinos sem causar impacto,pois o rel!gio l!gico de cada receptor cont&m um %alor maior queaquele que consta em cada mensagem

• *s mensagens C e D obrigam seus receptores a efetuar um a.ustenos rel!gios l!gicos para garantir a correta sincronia dos e%entos


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$e"emplo'Instante Relógio P1 Relógio P2 Relógio P:

6 B = :

@ :6 :B 6F := 6F @

E 6F @6 F

B @ F E

< @B F= B= F6 B:


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Problema no*lgoritmo de 8amport• Considere1

– 7$e:' o %alor do rel!gio l!gico para o e%ento He:I – 7$e6' o %alor do rel!gio l!gico para o e%ento He6I – * solu+ão porposta por 8amport não garante que se 7$e:' J

7$e6' então o e%ento He:I acontece antes que o e%ento He6I• 9"emplo1

– Se compararmos os %alores de rel!gio em cada mensgaem, temos1• 5sgK* $:' J 5sgKG$F' então 5sgK* ocorreu antes de 5sgKG !"orreto#• 5sgKC $@' J 5sgKG$F' então 5sgKC ocorreu antes de 5sgKG !in"orreto#

Pro"esso P1 Pro"esso P2 Pro"esso P

: @ 6

6 B F

@ ; BF :6 =

M sg A ( 1)

Msg B ( 4 )

M sg C ( 3 )


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Solu+ão 2etorial $5attern e 0idge'

• Solu+ão proposta por 5attern e 0idge1 – O rel!gio l!gico passa a ser um %etor contador de

e%entos – Se e"istem N processos cooperando, o %etor terá N

posi+3es inteiras, onde cada posi+ão corresponde a umcontador de e%entos

– Cada processo terá um %etor para si – Cada mensagem en%iada cont&m a %ersão atuali#ada do

%etor do emissor

• 9sta solu+ão & muito usada em1 – 2erica+ão de consistncia de estados em SD – Controle de checApoints – 7ecupera+ão de erros –

7ollbacAs


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Solu+ão 2etorial $9"emplo'


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Solu+ão 2etorial

• Des%antagem da solu+ão1 – OcupaKse mais espa+o de arma#enamento e

carga -til da mensagem

• Mma solu+ão deri%ada dos rel!gios%etoriais1 –

H7el!gios de matri#I• *l&m de seu pr!prio %etor, cada processo mant&m

estimati%as do tempo %etorial dos outros processos


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7el!gios 0ísicos

• O algoritmo de 8amport e as demais solu+3es de rel!giosl!gicos se preocupam apenas com a ordena+ão dee%entos – Os instantes de tempo associados a cada e%ento não são

necessariamente pr!"imos do tempo em que os e%entos realmenteaconteceram

• 9m alguns sistemas o conhecimento do instante de temporeal & muito importante $e"emplo1 sistemas de tempo real' – Para este tipo de sistema são necessários clocAs físicos e"ternos

• 9m certos casos, & dese.á%el a e"istncia de mais de um clocA

e"terno, para garantir ecincia e redundncia – Problemas1

• Como sincroni#áKlos com o tempo real)• Como sincroni#ar esses clocAs entre si)


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9%olu+ão da 5arca+ão de

Tempo• Primeiras solu+3es para marca+ãode tempo – 7el!gios de sol, esta+3es do ano, /// – Dia solar1 inter%alo decorrido entre

duas passagens consecuti%as do Solem determinado ponto do c&u

• S&culo 2??1 primeiros rel!giosmecnicos –

(uanto maior a qualidade do processode fabrica+ão, mais preciso o processode marca+ão do tempo

– *inda era muito difícil garantir umasincronia de tempo eciente


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Tempo• D&cada de :;F1 *.ustes paracompensar imprecis3es – 0oram feitos a.ustes articiais na

marca+ão ocial de tempo paracompensar imprecis3es resultantes defenmenos naturais que inQuenciamdiretamente nas fontes de tempoutili#adas

• DescobriuKse que a rota+ão da terranão & constante, de%ido Rs mar&s ea atmosfera $desaceleram a rota+ãoda Terra'

• * dura+ão do ano $em dias' diminuiu$os dias caram mais longos'

• O turbulncias no n-cleo do planetainQuenciam no comprimento do dia


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Tempo• 9m :;F=1 in%en+ão dorel!gio atmico – Contagem de segundos a

partir das transi+3es deel&trons de um átomo deC&sio :@@• uma medida mais

precisa e constante,que não sofreinQuncias e"ternas


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Tempo• *tualmente1 – T*? $Tempo *tmico ?nternacional'

• 5&dia de tempo dos rel!gios atmicos

• mais preciso, por&m ainda & necessário a.ustáKlo acontagem de tempo solar adotada no diaKaKdia

• *.uste do T*? $Tempo *tmico ?nternacional' – MTC $Tempo Mni%ersal Coordenado'

•

o T*? a.ustado ao tempo solar• O a.uste & feito inserindoKse segundos Hbisse"tosI• 2em gradati%amente substituindo o uso do 5T• *cesso1 N?ST $rádio UU2' e 9OS $Sat&lite'


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Tempo• 7el!gio *tmico Grasileiro $MSP'


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Tempo• 9OS


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*lgoritmo de Cristian

• 0uncionamento1• Msa um ser%idor de tempo, que & um computador equipado

com receptor MTC• *s demais máquinas en%iam mensagens para o ser%idor de

tempo perguntando pelo tempo corrente• O ser%idor de tempo responde o mais rápido possí%el, com

uma mensagem contendo o tempo MTC corrente• Cada máquina, ao obter a resposta, a.usta seu clocA• O ser%idor de tempo & P*SS?2O/ O a.uste depende da

inciati%a das demais máquinas

• Problemas1• O tempo nunca pode andar para trás $os a.ustes são sempre

progressi%os'• * consulta ao ser%idor de tempo gasta um tempo nãoKnulo $o

retardo pode %ir a ser grande'


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*lgoritmo de Cristian $cont/'

• 5ais um problema1 – uma solu+ão altamente centrali#ada

• Para minimi#ar a centrali#a+ão, podeKse

adotar os seguintes caminhos1 – Ter %ários ser%idores com receptor MTC – *s demais máquinas passam a solicitar a hora por meio de

mensagens multicast

• 9sta solu+ão & um algorítmo probabilístico, ouse.a1 – S! se obt&m uma sincroni#a+ão aceitá%el se o tempo de ida e

%olta das mensagens forem curtos o suciente secomparados a precisão dese.ada


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• Solu+ão para os a.ustes sempreprogressi%os

• * mudan+a no clocA de%e ser feita de forma

gradati%a e sempre a%an+ando o rel!gio• Se o a.uste & de : ms, basta adicionar ; ms

para atra#ar ou :: ms para adiantar


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• Solu+ão para o retardo na mensagem• Tentar medir $estimati%a' o tempo de

transmissão

T ////////////////// tempo de en%io da requisi+ão T: ////////////////// recebimento da resposta

$T: K T'46 /////// tempo apro"imado de propaga+ão damensagem

? //////////////////// tempo de tratamento da interrup+ão

$T: K T K ?'46 /// estimati%a ainda mais precisa• Outra solu+ão1

– 7eali#ar %árias medidas e calcular a m&dias de tempo$descartando %alores fora de um certo limite'


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*lgoritmo de GerAeleV

• 0uncionamento• O ser%idor de tempo & uma entidade *T?2*, que consulta periodicamente cada

uma das máquinas do sistema para saber o tempo corrente em cada uma delas• Gaseado nas respostas obtidas1

– Calcula o tempo m&dio e o a.uste que cada máquina terá

que fa#er – ?nforma Rs demais máquinas para adiantar ou atrasar seus

clocAs, tornandoKse iguais ao tempo m&dio calculado – Não informa a hora corrente e sim o a.uste a ser feito – O cálculo que o ser%idor fa# tamb&m le%a em conta a

e"istncia de respostas HabsurdasI $muito fora da m&diadas demais máquinas'/ – 9stas repostas HabsurdasI são descartadas do cáculo de

a.uste para e%itar um des%io indese.ado dos resultados


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*lgoritmo de GerAeleV

• * precisão deste algoritmo tamb&mdepende do tempo má"imo gastopelas mensagens de ida e %olta

• ?ndicado para1 – (uando nenhuma das máquinas tem um

receptor MTC – * necessidade de precisão no ambiente &

pequena


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*lgoritmo de GerAeleV$cont/'• Problemas1

– O a.uste do ser%idor de tempo de%e serfeito periodicamente por um operador

$de forma manual' – uma solu+ão altamente centrali#ada

• Para contornar esta fragilidade, ao seperceber que o ser%idor de tempo falhou,elegeKse outro ser%idor para o seu lugar

• O problema agora passa a ser comodeterminar que o ser%idor de tempo falhou


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NetWorA Time Protocol

• Os algorítmos de Cristian e GerAeleV ,embora ecientes, se dedicam mais aredes pequenas e intranets – 9m ambientes com uma grande quantidade

de máquinas, como a ?nternet, & quaseimpossí%el garantir o bom funcionamentodestas duas solu+3es•

Pela nature#a assíncrona das opera+3esdesempenhadas na Web• Pela ausncia de garantia de entrega de

mensagens em um tempo ra#oá%el


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NetWorA Time Protocol$cont/'• O NTP foi pro.etado como um ser%i+o e

protocolo para distribuir informa+3es de tempopela ?nternet

•

Ob.eti%os1 – Ser um ser%i+o para clientes internet sesincroni#arem pelo MTC, superando atrasos e perdasde mensagens• ?sso & feito por meio de t&cnicas estatísticas de

ltragem da informa+ão – 0ornecer um ser%i+o coná%el que sobre%i%a a

longas perdas de conecti%idade• Msando ser%idores e rotas redundantes para

circula+ão das mensagens


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NetWorA Time Protocol$cont/'• Características1

– Permite sincroni#a+ão ra#oa%elmentefrequente dos clientes

• Para compensar falhas originadas naquantidade de clientes e ser%idoresinteragindo

– 0ornece prote+ão ao ser%i+o de tempocontra interferncias acidentais ouintencionais• *utentica+ão, %alida+ão de mensagens


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NetWorA Time Protocol$cont/'• 0uncionamento1

– Cada ní%el da ár%ore & chamado de HstratumI• Stratum :1 ser%idores primários $rai#'• Stratum 61 ser%idores secundários•

Stratum @1 outros ser%idores• Stratum F1 mais ser%idores• e assim por diante///

– (uanto mais alto o n-mero do stratum, a tendncia &que a precisão se.a menor neste ní%el

– possí%el reali#ar altera+3es na hierarquia para superarindisponibilidade de ser%i+o/ Por e"emplo1

• HPromo%erI máquinas mapa um stratum mais alto• Deslocar HgalhosI inteiros para se sincroni#arem com outros ser%idores


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NetWorA Time Protocol$cont/'

• Como a sincronia & feita) – *s mensagens são transmitidas %ia

protocolo MDP

– * mensagem pode ser en%iada de @ modos1• 5odo :1 %ulti"ast

– ?deal para redes locais de alta %elocidade – Ser%idores de tempo en%iam mensagem e as

demais máquinas a.ustam seus rel!gios – Possui uma margem de erro grande, que

resulta em bai"a precisão


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NetWorA Time Protocol$cont/'

• 5odo 61 RPC – Msa a solu+ão de Cristian para sincroni#ar – mais preciso que a op+ão de multicast

• 5odo @1 Sim&tri"o – *dotado em máquinas cu.o stratum & bai"o – a op+ão mais precisa –

Os ser%idores trocam mesagens de tempoentre si e as informa+3es são arma#enadaspara uso posterior %isando melhorar cada%e# mais a sincronia

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