分布式系统 时钟同步

慢时间
时钟同步算法：Berkeley算法
实现方法
a) 时间守卫程序向所有
时间守卫程序
其他机器询问时钟值 b) 其他机器做出应答 c) 时间守卫程序通知每
台机器如何调整他们
a)
的时钟
b)
c)
时钟同步算法：Berkeley算法
实现方法
时间守卫程序
a) 在3:00中时，时间守卫程序 把它的时间告诉其他机器，
同理，消息B
40-24=16
从进程1传输
到进程2花费 了16次滴答
Lamport 算法 算法基本思想
Step 5
但是，由进程2发
送给进程1的消息C
在发送时的时间值 为60而在接收时时 间值为56。 这样，消息C的传
输时间为负值。
Lamport 算法 算法基本思想
Lamport解决这个问题的算法： 每一个消息都含有一个发送 者时钟的发送时间，当消息 到达时，接受者将自己时钟 的接收时间与发送时间相比 较。 如果接收时间小于等于发送
5151
input.o
5155
input.c
t
引入 时钟同步
例如：如果源文件output.c的修改时间为5144且 对应目标文件output.o的修改时间为5145，那么，
不需要对output.c进行重新编译。
5144
output.c
5145
output.o
t
引入 时钟同步
make程序在考察完所有源文件和其对应目标文 件的修改时间后决定哪些文件需要重新编译并
时钟同步算法：平均值算法
基本思想
将时间分成固定长度的再同步间隔R 第i次同步开始于T0+iR，结束于T0+(i+1)R 每次同步间隔开始，每台机器广播自己的时间
对于某一具体的机器，当所有的同步广播都到达后，
它根据所有的时间执行某一平均算法得到一新值，再根 据新值调整时钟
2.逻辑时钟
C(b)。
若在同一进程中a在b之前发生，则C(a) < C(b) 。
若a和b分别表示发送一个消息和接收该消息的事件，则
C(a) < C(b) 。
Lamport 算法 (逻辑时钟同步算法)
Lamport 时间戳
时间值C是一直向前走的（即增加），不会向后
退（即减少）。
校正时间的操作总是给时间加上一个正值，而不能
并询问他们各自的时间。
b) 各台机器将它们各自的时间 与时间守护程序时间的差值 告诉时间守护进程。 c) 有了这些值，时间守护程序 计算出它们的平均值，并通
a)
b)
c)
知各台机器如何调整各自的 时钟。
时钟同步算法：平均值算法
Cristian算法和Berkeley算法---集中式算法
平均值算法---非集中式算法
调用编译器对其进行编译。
分布式系统 时钟同步
在分布式环境中，由于时间不同步会造成的程 序不能正常运行。
分布式系统 时钟同步
在分布式环境中，由于时间不同步会造成的程 序不能正常运行。
为什么？
分布式系统 时钟同步
假定output.o的修改时间为5144，output.c被修改并
赋予的时间为5143，原因是output.c所在机器上的时 钟要比output.o所在机器上的时钟慢。
时间服务器在短时间内将包含当前时间的消息发送给请求时
间机器。
发送机器收到此消息后，将机器时钟调到与时间服务器一致
的标准状态。
时钟同步算法：Cristian 算法
时钟同步算法：Cristian 算法
存在问题
发送者如何根据时间服务器的返回值调整时间？
由于时间不能倒退，因此一种方法是根据时钟快 慢，中断服务程序调整（增大或减小）每次中断 所加的时间。
的源文件和新的源文件所产生的混合目标文件，
导致该可执行程序无法运行而程序员却不知道 原因而一直寻找代码的错误。
分布式系统 时钟同步
结论：在分布式系统中，时钟同步是非常重要 的，也是必不可少的。
物理时钟
物理时间概念
UTC（统一协调时间），它是所有现代人使用 的时间。
引入 时钟同步算法
如果一台机器上有一个WWV接收器接收标准时间， 那么，时间同步算法的目的就是让所有机器的时钟与 该机器的时钟进行同步。 如果没有一台机器具有WWV接收器且每一台机器都
无须同步。这是因为即使没有同步也察觉不出 来，并且也不会产生问题。
通常重要的不是所有的进程在时间上完全一致，
而是它们在事件的发生顺序上要达成一致。
Lamport 算法 (逻辑时钟同步算法)
Lamport 时间戳
为了同步逻辑时钟，Lamport定义了一个 称作“先发生”的关系。
先发生关系 a→b
TI- T0=I ,单向传输时间为它的一半。
时钟同步算法：Berkeley算法
基本思想
主动式服务---与Cristian算法中的被动式时间 服务器相反
适合于没有WWV接收器的系统
时钟同步算法：Berkeley算法
过程
服务器主动定期询问每台机器的时间 服务器基于客户的回答，告知它们拨快或者拨
有自己的时钟，那么时钟同步算法的目的就是使得所
有机器的时钟尽可能地一致。
时钟同步算法
系统基础模型
时钟同步算法
系统基础模型
时钟同步算法
时钟同步算法
1. Cristian算法
2. Berkeley算法 3. 平均值算法
时钟同步算法：Cristian 算法
基本思想
一台机器设为时间服务器（带有卫星接收器） 其他的每一台机器周期性地向时间服务器发送请求消息已获 得当前标准时间。
进行编译的 计算机 进行编译的 计算机
5144
5145
创建 output.o
5146
5147
根据本地时 t 钟的时间 根据本地时 t 钟的时间
5142
5143
5144
创建 output.c
5145
分布式系统 时钟同步
因此，make程序不调用编译器进行编译。 结果，最终的可执行的二进制程序将包含由旧
时间，则接收者的时钟被修
改成发送时间加1。如果接收 时间大于发送时间，则不改
变接受者的时钟。
Lamport 算法 算法基本思想
Step 6
因此
消息C到达进程
1的时间改为61 消息D到达进程 0的时间改为70。
Lamport 算法 (逻辑时钟同步算法)
Lamport算法还需满足一个要求：
任意两个事件的时间之差至少为1。如果一
发生时间为40.2
Lamport 算法 (逻辑时钟同步算法)
Thanks!
个进程连续发送或接受两个消息，则这两个 消息的时间之差也至少为1。
Lamport 算法 (逻辑时钟同步算法)
我们对不同进程内两个同时发生的事件是这样赋
时间值的：
事件发生的时间值与该事件所属进程的进程号连接起
来，中间用“.”加以分隔。
例如，进程1和进程2中两个事件恰好同时在时间为40时
发生。进程1中的事件发生时间为40.1，而进程2中的事件
事件a先发生，然后b才发生
如果a和b是同一个进程的两个事件，如果a在b之前发
生，则a→b为真
如果a是一个进程发生消息的事件， b是另一个进程的 接收消息事件，则a→b也为真 先发生关系是一个传递关系，若a→b且b→c ，则a→c 。
并发事件
如果x和y事件发生在两个互不交换消息的进程
中， x→y不真， y→x也不真。
同 步
寇迦南
1.时钟同步
引入 时钟同步
例子：UNIX中make程序的调用问题。
引入 时钟同步
例子：UNIX中make程序的调用问题
Make程序的作Leabharlann Baidu是什么？
可以自动完成对源文件的编译。
引入 时钟同步
UNIX系统会把较大的程序分成多个源程序，当 一个源文件发生变化时（比如被修改后），只
需编译一个文件即可，不需要对所有的文件进
逻辑时钟
基本概念
许多应用中，并不严格要求所有的机器都与UTC时间保
持一致，而只需要所有机器时间相同就够了，即系统保
持一个内部一致的时钟。这种时钟称为逻辑时钟。
更进一步，很多问题中根本就不需要时间严格一致，而
只是需要多个事件的发生顺序一致就可以。
逻辑时钟同步
如果两个进程不进行交互，那么它们的时钟也
行编译。
引入 时钟同步
这个过程如何进行？
引入 时钟同步
这个过程如何进行？ 当调用make程序时， make程序根据所有源文
件和对应目标文件的修改时间来决定是否对某 个源文件重新编译。
引入 时钟同步
例如：如果源文件input.c的修改时间为5155且对 应目标文件input.o的修改时间为5151，那么， make程序知道input.c已被修改。input.c必须被 重新编译。
时钟同步算法：Cristian 算法
存在问题
如何处理从时间服务器发送的应答到发送者存在的延 迟？
精确记录从向时间服务器发送请求的起始时间T0和接受到 的应答的结束时间T1 。 当前服务器时间估计值 = CUTC+(T0- T1)/2
如果考虑服务器中断处理的时间I，那么传输的时间间隔为
是减掉一个正值，时间的修改只能增加而不能减少。
Lamport 算法 算法基本思想
Step 1
在a)中有三个进程。 每一个进程都运行 在不同的机器上。
每一个机器都有一
个自己的时钟。
并且以各自的速度
向前走。
Lamport 算法 算法基本思想
Step 2
当进程0中的时
钟滴答6次时；
进程1滴答了8次；
进程3滴答10次。
Lamport 算法 算法基本思想
Step 3
在时间为6时，进程0 发送了一个消息A给进 程1，进程1在时间为 16时收到了消息。
16-6=10
如果消息中含有消息
开始发送的时间值6， 则进程1认为该消息的
传输花费了10次滴答。
Lamport 算法 算法基本思想
Step 4
这两个事件称为并发的，意味着无法说这两个事 件什么时候发生，哪个事件先发生。
Lamport 算法 (逻辑时钟同步算法)
Lamport 时间戳
我们需要一种测量时间的方法，使得对于每个时间a，
我们都能为它分配一个所有进程都认可的时间值C(a)。
这些时间值必须具有如下性质：如果a→b，那么C(a) <