Fault-tolerant clock synchronization in distributed systems with low topological requirements

Abstract

Verteilte Echtzeitsysteme sind ein wichtiger Teil verschiedener industrieller Anwendungen wie z.B. sicherheitskritische Automatisierung geworden. Diese Systeme müssen fehlertolerante Protokolle zur Uhrensynchronisation einschließen, um eine ausreichende Zuverlässigkeit zu erreichen. Da Fehlfunktionen von Knoten nicht vollständig vermieden werden können, müssen geeignete Fehlertoleranzverfahren entwickelt werden. Dies schließt die Tolerierung von Byzantinischen Fehlern ein, obwohl anzunehmen ist, dass sie nur selten auftreten. Außerdem unterliegen viele sicherheitskritische Systeme Kostenbeschränkungen in Bezug auf die Anzahl der Knoten und Verbindungen zwischen diesen. Dadurch kommt einigen Eigenschaften eine entscheidende Rolle zu, wie z.B. die effiziente Nutzung der strukturellen Redundanz und der Overhead in Bezug auf die Anzahl der kommunizierten Nachrichten. Die hauptsächliche Besonderheit der fehlertoleranten Uhrensynchronisationsprotokolle, die in dieser Arbeit präsentiert werden, liegt in ihrer Anwendbarkeit in Bridge-verbundenen Punkt-zu-Punkt-Netzwerken (wie Ethernet oder Time-Sensitive Network) mit Ring-Topologien, die nur eine einzige zusätzliche Verbindung benötigen, um zwei disjunkte Pfade zwischen jedem Paar von Bridges bereitzustellen. Trotz dieser sehr geringen strukturellen Redundanz (verglichen mit anderen redundanten Topologien und vollvermaschten Netzen) kann nahezu beliebiges Verhalten von einer fehlerhaften Bridge toleriert werden. Wenn eine begrenzte Reduktion der Synchronisationsgenauigkeit akzeptabel ist, kann sogar das vollständige Byzantinische Fehlermodell abgedeckt werden. Alle fünf präsentierten Protokollen nutzen die beiden redundanten Pfade, um im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn Zeitinformation zu senden und zu garantieren, dass über mindestens einen Pfad korrekte Information empfangen wird. Durch spezielle Protokoll-Mechanismen und Entscheidungsfunktionen wird das Problem gelöst, dass im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn widersprüchliche Information empfangen werden kann (beispielsweise durch nicht erkennbare Fehlmessung der Verarbeitungsdauer verursacht). Die fehlerfreien Bridges gewinnen stets eine konsistente Sicht, so dass sie ihre Uhren mit hinreichender Konvergenz einstellen können.