Исследование механизмов синхронизации времени от различных
аппаратных источников в ядре Linux

Студент: Шпилевой Владислав, 320 гр.

Научный руководитель: Герасев Александр

Распределенная вычислительная система

• РВС – набор независимых вычислительных машин и среда передачи данных между ними

• У РВС есть узлы, взаимодействующие с внешним миром

Распределенная вычислительная система

• У РВС есть узлы, взаимодействующие с внешним миром

• На узлах возникают события

• Необходимо уметь определять порядок возникновения событий

Распределенная вычислительная система

• На узлах есть аппаратные счетчики времени
• На разных узлах счетчики идут по-разному

Необходимо приводить значения счетчиков к единой шкале для того, чтобы определять с их помощью порядок

Постановка задачи

Система из состоит из одного узла и нужно пересчитывать аппаратное время адаптера интерфейса в системное время этого узла.

Для этого реализовать обобщенную подсистему пересчета временных меток в виде модуля ядра, который сможет быть использован различными драйверами оборудования для синхронизации часов на их устройствах

Существующие алгоритмы пересчета времени

Решение в сетевой подсистеме ядра Linux

• До версии 3.8 в ядре Linux существовал алгоритм для решения задачи пересчета времени событий на сетевых адаптерах

• Система периодически опрашивала адаптеры о значениях их счетчиков

Существующие алгоритмы пересчета времени

Решение в сетевой подсистеме ядра Linux

• Когда нужно было пересчитать время с адаптера, оно считалось по формуле, учитывающей предыдущие известные метки времени адаптера

• В версии ядра 3.8 реализация алгоритма была удалена, в том числе из-за узконаправленности на сетевые адаптеры

Существующие алгоритмы пересчета времени

Алгоритм Кристиана

• Устанавливает часы узлов системы в значение эталонных часов сервера
• Частично учитывает время передачи по сети данных для синхронизации

• Прост в реализации
• Возможности для улучшения точности пересчета
• Зависимость узлов от главного сервера

Существующие алгоритмы пересчета времени

Алгоритм Беркли

• Сервер задает эталонное время на основании данных о ходе часов всех узлов системы
• Замедляет «спешащие» и ускоряет «медленные» часы

• Эффективен для небольших систем
• Не учитывает время передачи данных по сети
• «Плохие» узлы влияют на результирующее время

Существующие алгоритмы пересчета времени

Другие алгоритмы

Отметки времени Лампорта

• Позволяет определять лишь порядок событий, но не точное время возникновения
• Высоко эффективен при малом числе узлов

Решение в драйвере ta1usb интерфейса MIL-STD1553-B

• Аппроксимирует ход аппаратных часов устройства функцией на основании последних известных значений счетчика
• Устойчив к скачкам счетчика
• Сложен в реализации

Предложенный алгоритм

Добавление узла в подсистему

• Узел – любое устройство, значения аппаратного счетчика времени которого надо пересчитывать
• Подсистема при добавлении узла получает информацию о нем и выполняет ряд подготовительных действий

Предложенный алгоритм

Взаимодействие узла с подсистемой

• Периодически подсистема опрашивает узел о значении его локального счетчика времени, обновляя параметры пересчета:

Последние значения счетчика времени узла, соответствующие им значения эталонного времени и коэффициент пересчета

• Узел в любой момент может запросить пересчет значения своего счетчика в эталонное время

Предложенный алгоритм

Взаимодействие узла с подсистемой

• Когда узлу больше не требуется решать задачу пересчета времени, он отключается от подсистемы
• При отключении узла будут освобождены ресурсы, выделенные ему

Архитектура ядра Linux

• Динамическая загрузка модулей. Драйвер — модуль для работы с аппаратурой
• Ядро — объектная структура
• Общую функциональность модулей выделяют в подсистемы

Архитектура решения

• Реализованная подсистема - загружаемый модуль ядра Linux
• Для периодического обращения к узлам – hrtimer (High Resolution Timer)
• По срабатыванию таймера узел сообщает значение своего счетчика времени
• При запросе узла на пересчет значения подсистема использует последние вычисленные параметры этого узла

Итоги

Результаты:

• Разработана обобщенная подсистема пересчета временных меток, которая может быть использована различными драйверами оборудования
• Подсистема опробована на тестовом модуле – эмуляторе устройства

Далее:

• Портирование на подсистему реального драйвера
• Дописать текст курсовой работы