（信息与通信工程专业论文）分布式系统时钟同步技术的研究与应用.pdf

【日防事 披术人，研究化院学似论文 摘要 广 随着计算机l 二1 黼深入地止入人类的j ：作j 1 i 5 h 信息技术和网络技术得到了越来 越广泛的应用。其中i ，i ：多关系罔计民_ i 的重要应川领域需要依靠计算机系统的高可靠 性和高效率来精确控制关键性的j r 作! j f f - 务。这类应用对分稚式系统内时钟的一致性 和精确性要求很高。因此, 女i i 何相! 分砷n 系统巾梢确地同步网络中所有主机的时间是 一个午l i ! 与夔要的问题。y 小义所做的1 i 篮l ：作址刈分nj - 系统内州俐- i d 少披术进 j ：研，敬汁j f ：实现个 分和式系统时钟同步实验系统。水文洲颐了分们式系统和计算机网络的基本概念；较 为深入地探讨了分m i 式系统帅卜f 钟步技术，艰一i 舶述了l a m p o r t 时钏一同步算法，j f ： 以此为基础讨论了儿种州钟步钎法；详细捕l 述了网络时间协议，重点从体系结构、 同步算法等角度分析了刚络时州叻、议灾现m 络- l 二l 三机时钟同步的原理；深入探讨了 g p s 授时技术的原理，及j e 柱分和代系统雌钟嗣步l ，的应用；最后以客户机棚殴务器为 应川模式，遵循网络时n - j 队议肌范，采川g i s 数抛作为标准时n 源，具体实现了一个 完整的分夼式系统时钏i i 司步实验系统。系统结构灵活，执行效率高，具有一定的先进 性羽l 创新性。在课题研究的实践一i - ，水文尝试了一种数据过滤的新思路。 关键字：分布式系窈时钟同影网络时河面议，同步蠡客户机朋酲荔器模型，关键字：分布式系统，时钊t 同步，网络时河卧议，同步算法，客户机朋酲务器模型， g p s 。， 防 ： 坎求人川宄乍i _ j ；i 学何论文 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k t e c h n o l o g yg e ta p p l i e dm o r ea n dn l o r ew i d e l y s o m ec r i t i c a ls y s t e m sn e e dh i g h s t a b i l i t ya n d h i g h e f f i c i e n c yt oa c c o m p l i s hk e yw o r ka n dt a s k t h u st h er e q u i r e m e n tf o rc o n s i s t e n c yo f c l o c k si nd i s t r i b u t e ds y s t e mi se x t r e m e l ys t r i c t t h e r e f o r e ，h o wt os y n c h r o n i z ea l lc l o c k so f d i s t r i b u t e ds y s t e mp r e c i s e l yi saq u i t ei m p o r t a n t i s s u e t h ep a p e rf o c u sm a i n l y0 1 11 c s e a l c ho fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o ni nd i s t r i b u t e ds y s t e m ， d e s i g na n di m p l e m e n to l c l o c k s y n c h t o n i z a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e mi nd i s t r i b u t e ds y s t e m f i r s t l y ，t h ep a p e rs u m m a r i z e sb a s i ck n o w l e d g eo fd i s u i b u t e ds y s t e ma n dc o m p u t e rn e t w o r k s e c o n d l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e s b a s i ck n o w l e d g eo fc l o c ks y n c h r o n i z a t i o ni nd i s t r i b u t e d s y s t e m ，a n dt h e np u tm o r ee m p h a s i so nl a m p o r t sa l g o r i t h ma n do t h e ra l g o r i t h m s t h i r d ly ， t h ep a p e ri n t r o d u c e sai n t e r n e ts t a n d a r dp r o t o c 0 1 n e t w o r kt i m ep r o t o c 0 1 b yd i s c u s s i n g i m p l e m e n tm o d e l ，a r c h i t e c t u r ea n da l g o t + i t h m so ft h ep r o t o c o l ，t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r i c i p l e o fn e t w o r kt i m ep r o t o c o lw o r k i n g a n dt h ep a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no f g e t t i n gt i m ef r o mg p s f i n a l l y ，t h ep a p e ri m p l e m e n t sac l o c ks y n c h r o n i z a t i o ne x p e r i m e n t s y s t e mi nd i s t r i b u t e ds y s t e m 。w h i c ht a k e sc l i e n t s e r v e rm o d e l ，f o l l o w sn e t w o r kt i m e p r o t o c o la n dg e t ss t a n d a r dt i m ef r o mg p s o u re x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es y s t e mh a st h e c h a r a c t e r so ff l e x i b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c y ，w i t haf i n ea n dc r e a t i v ef e a t u r e f u r t h e r m o r e ， t h ep a p e rt r i e dan e wi d e ao f d a t af i l t e rm o d u l e k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e ds y s t e m ，c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，n e t a v o r kt i m ep r o t o c o l ， s y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，c l i e n t s e n c rm o d e l ，g i s 4 刚防科。技术人学f i j 究乍院学位论文 第l 章绪论 i i 课题来源与背最 小课题米源j ：j “州城i l 1 防j i 豆价r i ，山j 斤杆系统顺| | 。该项l i 的是实现广州l l f 城 市消防：l - 作的通信指挥门z 力化，抛“消防队仉的拽术禽吊和工f 1 ；效率。 | 9 f i 着计算机征人们f l ：l - 活和，i ：f l i i 一发挥竹越来越重要的l t _ ；j f j ，信息技术和i 面4 络技 术也得到越来越广泛f 内应用。j 巾确：多灭系旧计民生的重要应用领域需要依靠计算机 系统n 勺商可靠州用i 高效率米梢硼控制火键盹的一【：作j 任务，例如卫星发射与测控系统、 航空1 i ；j b 系统、社会i l _ j c 动系统以及 ：f f 能发i u 系统锋。这类应川刘分斫j 式系统内时钟 的一敛住年精确悱婴求扯硒段小f n h 谈部”订e 会甘毁* 常严眼沾至是灾难性的后 粜。然而，存史际叫f 汁钟：4 = j 0 i i , 胎卜| ：f 1 ：1 ：人稳定，棒埸受到温度、i 叭原等环境条什f 内 j ：；! ；n 。这样以化统；景统的砹fi j 悭水，t a l ：j 五介九! c i l 此严格的坏境f i 运作。此， 如f i q t i 分斫j 式系统一i t l i 确地川少h 络t i 所彳| l 州【f | j l i i j 足一个柏当匝要、! 蛙待解决的 问题。 扫 j “州城i l 埔j 防通价n ，山指摊系统j 则川t ，刈j ：系统| = l 关键：l - l j l i t , j 钟的一致性及 精确度的要求也魁二附i l 岛的。从火f 占报警j ：0 卜达命令，再到消防车出发、抵达救灾现 场丌始灭火，这一系列的小 ，l ：之m ，仃稚：州； r 密切、衔接紧凑的关系。如果山于系统内 处理灾情各环节的计算机州 ；l i l 的不一致，导致讣筇机系统处理的逻辑问题和人们理解 的歧义性，从而引发系统进入北锁或名延迟对火t i l 的及时反应，遭受本可以避免的生 命和国家财产的损失，e 厉粜将上i ! = 火x f l ! f l i 的! i ) , - ij l t ，神! 该系统中同步所有关键主机的 时问足非常重要的。i f | i i ! i ，f 止川了f 叫络时m 卜时步坎术，还钉助于习后分析救灾过程， 加以总结，进一少缩短对火f i - f l j 反f 衄过雕。此，如f j i - 分斫j 式系统巾精确地同步网 络r | 】所有1 i 机的时川址一个川”1i r 篮、w i 待解决n 勺趔。 i 叫络时m 同步披术i 大i 此彳! 坌l l 了k ：址的发胜1 1 5 l 。从li ，水八i ，f = 代初网络寸n 刖少披_ 术的初少发j 醍，4 “剑i i f i l i l g 络i i , j 1 1 i j m 议( n e t w o r k f i m ep i o t o c o l ，n t v ) 第4 版孕 育待生，网络同步技术经j j 了l _ ! j 势快速发腱) 占本成熟继续发展等阶段， 时钟同步柑度从i ；2 初的1 秒抛一：_ 刨脱住的儿i 个纳秒，时钟同= 少的稳定性也越来越商 【1 5 】。h 前，网络时n j j - 议已j 戊为了i n t e r n e t 干，j 硎i 协议之一【1 6 】，井在i n t e r n e t 上得到了 相当j 。泛的应tj 。 国防科学技术人学l j f 究生院学位论文 1 2 课题的研究现状 1 2 1技术背景 破i l 的i 叫络时f i l l i i i j 步拽术址1 9 8 lf i ：挺的川特i 叫i j , l 钟服务( i n t c m c t c l o c kp r o t o c o l ， r f c 7 7 8 ) 【1 4 】。该j j 陵务使川i c m p ( 特i 叫控制_ | j 息幼议，i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g e p r o t o c 0 1 ) 协议的时n u 戳( t i m e s t a m p ) f 1 1 。j 息f 1 9 年m l , l + m 戳响应消息来完成因特网中的主机 r j 的时间查询和时刨t 同步。见外，该服务也可以使用g g p ( 网关至网关协议， g a t e w a y g a t e w a yp r o t o c 0 1 ) 的e c h o 消息和e c h o 响应消息实现埘钟同步。 然后足1 9 8 3 , q - 提的时n u m i 义( i i m ep r o t o c o l ，r f c 8 6 8 ) 【1 8 】。陔协议可以在t c p 协议或u d p 拂议之i ：，通过端l l3 7 进行通信，水实现网络中时间的查询和同步。可 以精确到一秒。 除此之外，还“ 现了d a y t i m e j 义f 1 7 1 1 1 1i pt l , l f t q 戳选项1 2 0 等网络时间同步技术 1 ：在此之 j 的网络时1 1 i j 步技术小能摊f j i 较哺的孝l 专确度，难以满足实际的需要， 纶过儿们1 1 l j 的泔论l = l l 盹：嗽1 9 8 8 小l h 抛j i 卅络时n u 阱议( n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ， r f c l 0 5 9 ) 。j e 后i 叫络州州| ：j j 议义迎过, l = l t ；l ij 【! i 政进毋j 充辫算法及功能，使得梢确俊和 稳定性有了进步的挺i 讶。1 9 9 2 年i l ! j i = 挺的i 卅络时m 协议第3 版( r f c l 3 0 5 ) 1 6 ，足 目i j ，“泛使用的网络时m 协议版小。1 9 9 6q - ：发椰了简堆网络时问协议s n t p 第4 舨 f r f c 2 0 3 0 ) ，这是网络删m 协议的简沽版本。 作为一个应川层的i n t e r n e t 标准m 议，叫络时f i i j 叭议是工作在i p 协议和u d p 协议 之上的。该卧汉通过往返程思怨米似汁f 譬递l l , j l h j f f i - 息的报文在网络传输中花费的时间， 继而估计出本地时钟和参考源时钟的寸1 1 i j 偏移艟，从而使客户端时钊t 获得了当前时间 的估计值。另外，网络时州协议还通过统计学技术提高时间估计的有效性，通过多个 时间参考源来保证时间同步应j l j 的i j 稚性。 由于网络时间协汉能够提f j e 较( i ；p f i 墅f i j i f , 1 u 步机制，而且在实践中被证明是一 利- 稳定、高效的时统疗j l = i i i n ：i i i ：抖i ：扶甜t f “泛的应用，片成为当今国际网络中 许多时洲同步机制的h i ； l l i 。 1 2 2研究现状及发展趋势 犬凼特拉华人学( u n i v e r s i t yo l d e l a w a r e ) d lj - 1 j 计算机工程和计算机与信息科学 ( e l e c t r i c a l c o m p u t c re i g i n e e r i n ga n dc o m p u t e r i n f o r m a t i o ns c i e n c e ) 教授d a v i dl m i l l s ，主持了山美困防齐l j 高级研究汁划局d a r p a 、荚囤国家科学基金n s f 和美国海 军水师武器中心n s w c 资助的l _ 埘络时n 0 同步项l | ，成功地丌发出了网络时间协议第1 、 2 、3 版。 目| ；j ，国外m 在进行网络l 叫枷议笫4 版的研究和测试工作【2 l 】。在第4 版中，将 国防科学披求人。学研究生院学位论文 改进并测试了本地时钟模型，实现井测试实现强微梢度的核心算法及程序，实现并测 试秒脉冲( p u l s e p e r s e c o n d ) 应川程序孩| l 。另外，困外还在进行以网络广播的方式进行 时间同步的研究和测试：i ：干 ；，f ：埔加了r l 眦张和r i 验砭等特性。 网络时间同步技术将阳型如的丰l i j ! ：、虹姒的艘弈讹和多平台f 门适应性的方向发展， 包括：采用更优的数毅l ：过滤用钟选择锋法水抛心同步丰i i 度；跨，严台能力，如u n i x 、 n t 等。 1 3 1主要研究内容 i 3 课题研究的内容、成果及意义 小课题设计包括以卜儿个办i l l i ：j , ) - 4 1 i 武系统i t 臼：l i 畸络i i t g t , l a l 步寸应该采取什么样 拓扑结构和同步模型：实验系统i l i 客j 、机如何铁取到真实的服务器时问；客户机设计 应该采取什么栉的结构和流槲；律，。，帆模块砹i , i i | i 应该采用什么算法：服务器是否应 该获取标准时州；服务器雨i 客，、帆盘n “i 效地交换f 蠢息等等。 课题主要研究了如似矩分们弋系统， t 实现系统内符l 三机时钟的协调一致。而问题 的哭键赴，如”最猫确地似i i 寓，t 帆和j j l 毒务器之m 的网络传输时延和时钊偏移量。通 过研究和比较棚父f f , j l i , , i 钟同步钾：法，课题采川了刚绵时m 协汉提供的算法，并在实践 i - ，进j j ：了订髓的尝试和投进。 在设计c | l 课题采川客，、机，j j 技务器为l n 步心j | j 摸型树状层次结构为网络拓扑结 构，遵循网络时洲仂、 义舰范，以w i n s o c k 为l 叫络编程接l = l ，设计实现了分撕j 式系统时 钟川少实验系统。 1 3 2研究成果 本文首先回顾了分确j 式系统年i 转机例络的挂础知l 识，然后着重论述了分布式系 统时钟同步技术和网络时n u m 义规范。通过对j 川儿种同步算法进行的讨论，本文对 分靠式系统时钏同步原娜进行了较为i j i ：入的分析平i i 研究。 本文在深入研究分砷i 系统州臼d 步技术年i | 叫络时1 1 l j 协议规范的撼础上，墩计实 现了个较为完悔的分斫i ，系统1 1 | _ 钟网步实验系统。该实验系统采丌】客户机，服务器模 式，遵循网络时m 咖议，以树：状j ，；次结构作为系统的网络拓扑结构，并把g p s 接收信 息作为系统的知i 扯时 u 渊。系统结构必；。，执 j ：放牢协，具有一定的先进性和创新性。 在课题列f 究的实践i 一，本义尝试了种数1 l i ：过滤的新思路。即把最小时延算法同 交集算法相结合，完成客户桃部分的数撕过滤模块的任务。运用这种思路，可以有效 地排除删络传输。| j 突发l i f n l j 刈n i p 报义的i ：扰，继i i 骄低错误时问信息对系统整体性 能的影响，最终提高系统的容锵度和稳定r l ： 国防科学技术人学研究生院学位论文 1 3 3 研究意义 网络时间同步技术是当 l f i ：多要求严格的应用系统所需要的一项关键性技术。在 分布式系统中采用该项技术，可以人人提高系统- i t 服务器和客户机时问的一致性和准 确性，从而提高了分和式系统的稳定性年l l i i i 舷性，满足越来越高的工程应用和科学研 究的要求。因而，不论是从研究的角度还足从j , x j i j 的角度，分机式系统内时问同步技 术i y j i i j f 究i l i l lj ：t 彳1 t l ；t i f 柚q 雕沦价值和现实意义。 1 4 论文的组织 沦文共包含六章。 第一章为绪论部分。j i 婴介绍沦义i f l l i j t ：究行姒、t 婴内容及其论文的组织结构。 第二章为分嘶j 式系统与汁算机| 叫络。l i 婴介绍分撕j 式系统硐吲算机网络的基本知 识，包括分前i 式系统的瑟本概念_ 手1 1 i l - 篮特钮e 、计算机网络的基本原理。本课题主要是 基t j 二分伽式系统和i ：1 算4 j f 【网络及棚关协议进j j ：的，阂此这部分内容是整篇文章的理论 基t i l l l l l i 技术基础。 、 第三章为分确j 式系统的i b f n , 同_ 少技术。主要介绍了分御式系统内时钟同步技术的 基本概念, i l u t q 嗣的网络硬件和软件，这就要求将不同 的而且往往是不兼容的网络通过称为劂关( g a t e w a y ) 的机器设备连接起来，并由网关完 成相应的转换功能，多个网络相互连接而构成的集合称为互联网( i n t e r n e t w o r k s ) 。 互联网最常见的形式是多个局域网通过广域网连接起来。实际上，在图3 2 中， 我们只要将“通信予网”改为“广域嘲”，再把主机结点改为局域网，就得到了互联网 的结构图。如何判断一个网络足广域网还足通信r 网取决于网络是否含有主机，如果 一个网络中只含有c i i m 转接纳点i m p ，则该网络仪仪是一个通信子网：反之，如果网 络中既包含i m p ，又包含川j 、町以运f j ：f l , i k 的1 i 机，则该网络是一个广域网。 2 5 计算机网络原理 袖：介绍完汁算机网络类型盯，我仃j 水讨沦汁竹机刚络的设计问题。在设i ；t - f r i l l j i = i 算机网络时酋先考虑的天键闷题) k - - 网络碰f l ：，尔后l 考虑网络软件设计，因为当时计 算机网络软件年对来说比较简惟这利- 策略现住4 ：适川了，网络软件已经高度结构化 了。下面我们将讨论计算机网络的设计原理。 国防科学披术人学研究生院学位论文 2 5 1接口和协议 2 0 世纪早期，社会学家g e o r g el l e r b e r tm e a d 研究了语占对人类的影响，最终得出 结论：人类的理解力之所以能昭活跃起来，一l i 嘤址w 为我们有语高。语苦帮助我们发 现周围环境的内涵j 1 ：搞消它的意义。l 叫络眺议对嘲络起类似的作川，它为完企不同的 系统提供共同的用于通信的环境。网络卧议使街网络通信电缆- | 传递的简单的电子信 号变得有意义。没有协议，网络通俯足刁i 可能存往的。为了让两个工作站能够充分地 进行通信，他们必须使l l j ， l l 同的协议，就像两个人如果使用相同的语言，才能够更好 地进行交流。使用枷议也能够使l 叫络砹箭能够史多地了解它们所在的网络环境，并且 从大量的网络电缆、连接器以及j e 他连接设衙i t 了解它们的意义。 计算机网络的核心是接口与肌议。在计算机网络巾，要将包从一个主机送到另一 个主机的通信过程，需要制定一些有关的规定和约定，这就是通信约定或规程。通信 规程可以分为两类： ( 1 ) 计算机网络q i 嗣等进袱n u f 内通信舰_ f i ! i ； ( 2 ) 计算机网络q i 刁i i r 日等进程n u 的通f 青j ：! i ! 袱。 在计算机网络1 1 i ，为减少没汁的复杂性，i l - i ，l - 按功能将网络化分为多个不同功能 层，且每一层都建立在l 撕一层的越础i - 。网络- l - i 司等层问的通信规程称为网络协议 ( p r o t o c 0 1 ) ，多个功能层就要7 r 多层协议。之所以称其为协议，是因为这些功能层的实 体分处于不同的位茕! ，它们之m 的通信要叭商解决。协议一词用于表示一组精确定义 的规则和约定，用予网上不阳计算机一1 ：的年1 1 似软件模块相互通信。协议定义中的重要 部分在予网上传输的数据格式。例如传输肌议可以传输任意长度的消息。协议定义了 消息格式和地址格式。希望传输这种消息的程j r ：i i f 以调用传输层软件模块，以确定的 格式向它传送消息，传输层软件自动分解消息变成可以与其它低层协议模块通信的形 式。它将消息分解为数个数据包，调j f j 本计算机f i i 的网络层软件模块将包传送到目的 计算机。 2 5 2协议分层 为了减少协议设计的复杂性，绝人多数阚络足按层的方式来组织的，每一层都建 立在它的下层之上。不同的网络，】e 止；的数m 、行层的名字、内容和功能都不尽相同。 然而，铂：所有的网络巾，每一层的1 1 的部足向它的j = 一层提供一定的服务，而把这种 服务的实现细。1 y 列一i z 层加以肼敞。采川联次化n 0 办法，就足按照信息的流动过程将网 络的整体功能分解为个个的功能层次：将这些层次之问的约定化解为一个个的接口 和协议。这种接口和协议的集合就称为汁算机网络的体系结构。如图3 3 所示。 2 0 国防科学技术人学研究生院学位论文 i 网络) 一 图3 3 网络协议分层图 网络软件一般设计成分层结构，每层出主机上的一个软件模块或硬件表示。在广 域网中，从低层到网络层必须山包交换开关表示一层可以看作为一个直接与另一个 计算机上相应进程通信的进程或程序。但是事实上，数据不是直接在每一层的协议程 序之间通信的。相反，从高一层协议接收到格式数据，在发送到下一层之前要先行转 换。同样，从低层接收的数掘发向高层n 十也要进行转换。 因此，每一层为其上层提供服务，并接受下层提供的服务最底层是物理层，负 责在网络电路上传输数据。在目的地，数据将逐层向上处理并传送，直到相应的接收 程序收到数据。 目前由许多类型的计算机，这些汁算机在操作系统、c p u 速度和海量存储特性、 网络接口适用性以及其它的方砸是不同的。这些不同使得各种计算机通信产生了麻烦。 计算机网络的体系结构式计算机网络及其部件功能的精确定义对体系结构的描述必 须包括足够的信息，使实现者可以为每一层编写程序和进行硬件设计，并使之符合相 关协议。而协议实现的细节对外部来说是不可见的协议层次化不同于模块的概念。 模块可以各自独立、任意拼装或者并行，而层次一定有上下之分，是依数据流的流动 而产生的组成不同计算机中同等层的实体称为对等进程( p e e rp r o c e s s ) 。对等进程不一 定非是相同的程序，但其功能必须完全一致。整个计算机网络的体系结构阐明后，各 个部件或设备将要完成的协议层次功能就已明确，在必要时，可以根据需要同其他功 能相同的层次进行替换( 如用光l ：i 来代替原有的l 也话线) 。 每一个相邻层阃有一个接口，该接口定义下层向上层提供的原语操作和服务。当 网络设计者决定一个网络应当包括多少层，每一层应当做什么的时候，其中一个很重 要的考虑就是要在相邻层问定义个清晰的接1 1 为达此目的。又要求每一层完成一 个特定的又明确含义的功能集合。除了要尽量地减少必须在相邻层问传递的信息数量 外，一个明晰的接口可以很容易地使同一层的一种实现为完全不同的另一种实现所替 代。 分层是广为接收的结构技术。整个通信功能划分为垂直的层次集合后，在通信过 国防科学技术火学研究生院学位论文 程中下层将向上层隐蔽下层的细节但层次的划分应收先确定层次的集合及每层所应 完成的任务。划分时应按逻辑组合功能，并具有足够的层次，以使每层小到易于处理。 同时层次也不能太多，以至产生难以负担的处理，i ：销 2 5 3o s l 参考模型和t c p i p 协议 协议和分层的定义已经研究了2 0 多年，国际标准化组织i s o 制定了开放系统互连 模型，即o s i 参考模型。 o s i 模型是一个7 层模型( 图3 - 4 ) 。每一层实现特定的功能，并且只与上下两层 直接通信高层协议偏重于处理用户服务和各利，应用请求。低层协议偏重于处理实际 的信息传输。最低层，即物理层，处理实际的数据传输。最高层为连接网络的计算机 系统服务。中间的每一层对应于数据通信的不嗣层次，使用各自的协议集，实现确定 的功能。 系统和用户 + 而南磁1 一 表i 层 t 会讯壕 t 传输培 l 却9 绺培 。 丫 数据链路培l 丫 物理培 一一 + 传输媒体 图3 - 4o s i o s 参考模型 两个不相兼容的站点，只要郡支持o s ! 模型，就能互相通信。从逻辑上讲，两个 站点的对等层直接通信。丽实际匕每一层都只与相邻的上下两层直接通信当程序 需要发送信息时，它把数据交给应j l j 层。应用层对数据进行加 ：处理后，传给表示层。 再经过一次加工后，数据被送到会话层。这一过程一直继续到物理层接收数据后进行 实际的传输。 在另一端，顺序刚好相反。物理层接收比特流后把数据传给数据链路层。后者执 行某一特定功能后，把数据送往网络层这一过程一直继续到应用层最终得到数据， 并送给接收程序。这两个程序，还有网络节点巾的各个对等层，都好象是在直接进行 通信。事实上，所有的数据都被分解为0 匕特流，并山物理层实现传输。 国防科学技术人学研究生院学位论文 总的来说，下面3 层主要处理网络通信的细节问题。它们一起向上层用户提供服 务。上面4 层主要针对端对端的通信。它们定义用户问的通信协议，但不关心数据传 输的低层实现细节。有一些网络方案可能不全包括这7 个层次，也有可能将不同层次 的某些功能结合在一起。记住o s l 只是一个典范( 虽然它很重要) ，还有许多网络协 议不与之兼容。然而，它是一个重要的起点，它帮助我们理解了一个协议中的很多网 络功能是分别处于不同的层次的。表3 1 对各层的功能作了一个总结。 层次 1 应 l j 层 2 表示层 3 会话层 4 运输层 5 网络层 6 数据链路层 7 物理层 功能 提供i 乜了邮仆、文件传输等刚户服务 转换数 i - ；格式数壬i i ；加密和解密 通信同步。错误恢复和事务操作 网络决策，实现分组和重新组装 路山选择，计费信息管理 错误检测和校币，组帧 数据的物理传输 表3 1o s i 各层功能总结 t c p f l p 协议 t c p i i p 可能是1 壁界上实行最广泛的协议了，它运行在从p c 机到超级计算机的任 何机器上。自从t c p i p 在2 0 世纪7 0 年代早期被引入之后，该协议已经被广泛使用在 全世界的网络上，并成为了事实标准。通过t c p i p ，成千上万个公共网络和商业网络 连接到了i n t e r n e t 上，使褥人景刚，、可以对之进行访问。 t c p i p 也是一种分层队议，这点与o s i 咖议层次有些类似，但是并不完全相同。 t c p i p 大约包含近1 0 0 个非专订的协议，通过这些掷议，可以高效和可靠地实现计算 机系统之间的互连。t c p i p 协议族，l 的核心协议_ j ：要_ 仃：传输控制协议( t c p ) 、用户数 据报协议( u d p ) 和网际协议( i p ) 。u d p 协议和t c p 机议向传输用户提供了两种典型的通 信模式。 数姒链蝻j ， 物理层 0 s i 模! 图3 7 ，一一】 一e 一习f s t 盯p , r t e s l 洲n e i t n 飓t p _ 1 一面刊 1 - 1t c r 一面r 一1 1 i p ( 路由执议) “伽 1物理介质 t c p i p 模型和o s i 模型 层一层层层 联 用二听话输 络 应一衷会传 时 一 一 一 一 一 一 一 国防科学技术人学研冗生院学位论文 随着t c p i p 的演变，t c p i pr i 的某些部分变得和o s i 模型更为类似。例如，t c p i l p 的物理层和数据链路层与以太网、令牌环、令牌总线、f d d i 以及a t m 都可以兼容。 在物理层，t c p i p 支持同轴电缆、双绞线和光纤介质。在数据链路层，t c p ，i p 和i e e e 8 0 2 2 逻辑链路控制标准以及m a c 编址兼容。 在t c p i p 中，与网络层等价的部分为i p 。另外一个兼容的协议层为传输层，t c p 和u d p 都运行在这一层。o s i 模型的高层与t c p i p 的应用层协议是对应的。例如， t e l n e t 运行在会话层。s m t p 和f t p 运行在表示层和应用层。 2 6 ：小结 本章主要介绍分斫j 式系统和汁算杉l 网络的基本知识。 本章首先介绍了分砷i 式系统的基本概念，然后通过对分布式系统特征的讨论来深 入对分布式系统的理解和认识。分布式系统是出多个相互连接的处理资源组成的计算 机系统，这些资源可以合作执行一个共同的任务，尽可能少地依赖于集中的程序、数 据和硬件等资源。分布式系统的设计巾考虑的主要问题是，部件的分布性对于用户和 应用程序员尽可能透明。 随后本章讨论了分布式系统的计算机网络基础知识。计算机网络是分布式系统的 基础。计算机网络主要分为局域网、广域网和互联网。其中局域网是分旆式系统的主 要通信手段。在本章的后半部分，从协议入手讨论了计算机网络的基本原理。 本课题主要是基于分布式系统和计算机网络及相关协议进行的，因此这部分内容 是整篇文章的理论基础和技术基础。 国防科学技术人学研究生院学位论文 第3 章分布式系统时钟同步技术 本章主要对分和式系统时钟同步技术进行探讨首先，本章介绍了分布式系统时 钟同步的一些基本概念，然后菊重描述了l a m p o r t 提供的算法。在此基础上，深入探 讨了几种时钟同步算法。 、 3 i 引言 相对于集中式系统，分和系统i i - 的i i i j 步亚为复杂。由于集中式算法不能满足分 柿式系统的需要，特别是不能收集符f i b j l 器i ：的择种信息，所以必须使用分枷式算法。 一般来说，分川j 式算法有以一f j l 个性质【4 】： ( 1 ) 相关信息分散在多台机器之上； ( 2 ) 进程决策仅仅依赖于本地信息； ( 3 ) 一台机器的故障不应引起整个系统的火败； ( 4 ) 没有公共的全局始终或其他精确的全局时间资源存在。 前三点都说明在一处收集所有信息并对它进行处理是不可接受的。比如，资源分 配( 以一种无死锁的方式分配) ，向啦的管理进程发送所有i 0 请求，出它来检查它 们，根据表中的信息允讷：或拒绝请求足不实际的。在大系统中，这种解决方法会给某 个进程带来太重的负担。 进一步而言，一个单点敝障就会造成系统4 ：i 叮靠。理想的情况是，一个分和式系 统应该比单机系统更可靠，一臼机器倒溃1 i 影1 1 f 9 c 他机器的继续运行，我们最不希望 的是，一台机器( 比如资源分配器) 的放障使人量其他机器( 它的用户) 停滞不前。 不通过集中而获得同步所使用的方法与传统操作系统所用的方法不同。 上述的最后一点是十分关键的，足在i 殳计分和式系统时必须考虑的问题。由于没 有全局时钟，有些工作就非常困难。在集 l 式系统中，时间的概念很清楚，当进程想 知道时削时，它使刚系统调门j ，i i i 内核挺u i 。如粜进氍! a 询问时问，之后进程b 也询 问时削，b 得到的州洲位就应该人j j 或等j ：a 所得到的时m 值，但一定不会小于a 得 到的时n q 值。f i = i l 足硇：分，n j 式系统一| f ，i 犬钳n i j | ：的敛，r 不容易的。 拿u n i x 系统的m a k e 命令水税，如粜个张序的所有源文件和可执行文件都放在 一台机器上，山一j ：有一个公j 0 ；l i i ，执ij ：m a k e 1 i 会现任何j u j 题。但是如果该程序的 源文件和可执行文件分斫j 在多台机器i - ，t 叮能i i ij ：这些机器的时钟不一致而出现问题。 例如源文什i n p u t c 在l i l 机器，它编i 千的文什i n p u l 0n 乙机器j ：，) j 1 5 么，i n p u t c 修改后 的n e r o 可能会比原来i n p u t o 的时f j 还i l 。这样m a k e 就小能正常工作。因此必须在分 国防科学技术人学研究生院学饥论文 和式系统中实现时钟的同步。 3 2 相对时间同步1 6 几乎所有的计筘机j i f i 订。个计时f u 路，尽竹j “泛使用“时钟”这个词来表示这些 设备，但在通常情况下它们，l ：不足通常意义的时铡t ，可能称它们为计时器更好些。计 算机上的计时器通常是山一个辅确的彳i 英l 铺体制成，当在其张力限度内时，石英晶体 以一定的频率震荡，这种频j 钲墩决j ：木本身如何切割及其受到的张力大小。与每个 品体干关的足两个寄存器、个汁数器f i i 个仪”奇存器。每次振荡时使计数器减l ， 当计数器减为。时，产生一次- l ，晰，计数器币新从保持寄存器中装入起始值，通过这 种方法可以变成使得一个i j 器雠秒能广：生6 0 次- i t 断或以其他希望的频率产生中断成 为可能，每次r 1 1 断称作一个时 ；j i l e ( c l o c kt i c k ) 。 当系统刚启动时，总是要求操作疗输入f i 朋平时n u ，然后将它们转换成某一已知 起始时间后的时钟值，并将它存储作仃f i f 器。h 彳1 每个时钟点时，中断服务程序将此 值加l 。用这利t 方法进行( 软) 钟计州。 在单机啦时钟r i ，如果这个i i t 9 t 被瞬n u 关闭问题不会太大，因为这台机器上的所 有进程都使用同- - n ：j 钏t ，它们仍将内在地保持一致。比如，文件i n p u t , c 时间为2 1 5 l ， 文件i n p u l o 时州为2 l5 0 ，m a k e 将亚新编滞源文件，假搜时钟关闭的时闻为2 ，整整的 i v j n j 则分别时2 l5 3 垌i2 l5 2 ，j ，i 仃7 j j i i f 内j l 址相i i t | j q + n i j 。 一t ：1 引入了多( 、p u 系统，似个c i u 将洲仃i ，i 已的钟，情况将发生变化。尽管 每个品体振荡频率总足l _ 当稳定，但仪i i e ；4 嗣汁算机上的晶体以完全相同的频率振荡 是不太现实的。实际上，当系统仃n 台汁算t ) l i i , j ，j 所有n 个品体将略微不同的速度振 荡，导致时钟逐渐不同步，当同时读这螳州钟时，也将得到不同的值，这种在时间值 上的不同称i l - t l - f , l - 偏移( c l o c ks k e w ) 。寸钟偏移f l j 占果如上例所示，一个程序期望与文 件、目标文件、进程或消息 l l l i ：关系的叫川j 啦址i i ：确的， 1 与产生它们的机器( 即使用 哪个时钟) 无关。 这一点又把我们带到了最初的问题，【i | j 刚步所有时钟产生一个单一的、无二义的 时间标准是否可能。在以漪的篇经典的论文t hl a m p o r t ( 1 9 7 8 ) 阐明了时钟同步是 可能的，并且描述了实现的算法，他还继续刈这个f l 题进行了一些研究( l a m p o r t1 9 9 0 ) 。 l a m p o r t 指时钟同步不需要绝刈h 步。如粜f u i 个进程无相l 关作用，它们的时钏t 无 须同步，因为即使缺少嗣步也察觉不来，刁i 会j “! l - f l 么问题。他进一步指出，通常 并不需要所有进程在时m i - 完全致，而j k - 它们征水仆发生的顺序上要完全一致。在 上述m a k e 程序的例子中，计时的1 1 的j l ：于说i 删i n p u tc 和i n p u t0 早还是晚产生，而并 不是它们各自产生的绝划州川。 对多数应刚来说，所仃机； ： 化l l i ：l 一时州i ：达到一致就足够了，但这罩的时间并一 国防科学技术人学研究生院学位论文 定要与广播中每小时报告一次的真实u 寸m 一样，比如对m a k e 程序的运行，只要所有的 机器都认为当前是1 0 ：0 0 就可，而尽管当i j 的实际时问是1 0 ：0 2 。故对于某一类算法， 重要的是内部各时钟的一致，而不足它们足否与兵实时间接近，这类算法中通常将时 钟称为逻辑时钟( 1 0 9 i c a lc l o c k ) 。 如有特殊限制，不仅时钟耍完全一致，而且不能与真实时问有一点点的误差，这 种时钟称为物理时t p ( p h y s i c a lc l o c k s ) ，本小节将讨论l a m p o r t 算法，它用逻辑时钟进行 同步，接下来，我们将介绍物理时钟的概念， 兑明物理时钟是如何同步的。 为了同步逻辑时钟，l a m p o r t 定义了一个关系称作“先于”。表达式口一6 读做“a 先于b 发生”，意思是所有进程认为先发 _ t - j j h i ：口，接着发生习 件b ，这种先发生关系 有如下两种情况： ( 1 ) 如果口乖ib 是征同一进程t 卜的两个i i h - i 二，且口发生在b 之前，则口一6 为真。 ( 2 ) 如果a 是一个进程发送消息的习f f ，i 二，b 为另一个进程接收这一消息的事 件，则d 一6 为真。原因是消息的传送需要时间，所以事件b 不可能早于事件 口或与事件b 同时发生。 “先于”关系是可以传递的。如果“一6 儿6 一c ，那么口一c 。如果两个事件x 和y 发生在不同的进程q i ，但它们也没7 r 九接或n u 接地交换信息，那么工叫和y x 都不为 真。则事件x 承iy 称为，f ：发习i 什，l ! i j 它们之川4 i 存在准先谁后的问题。 我们需要一种测量，t r t , t ：f f , j 办法，使缁刈铘 r t f “，在所有进程中都认可给它分配 一个u ；t l , l 值c 俐，这些i i t f f l j 值必须，f f 如卜性质：l j 苦口一6 ，则c 俐 c 倒。重述我们 前面讨论的情况，若日和b